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Vol. 63, No. 12 (2014)

2014年06月20日
总论 核物理学 原子和分子物理学 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 气体、等离子体和放电物理 凝聚物质:结构、力学和热学性质 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 物理学交叉学科及有关科学技术领域 地球物理学、天文学和天体物理学
总论
分数阶非对称耦合系统在对称周期势中的定向输运
屠浙, 赖莉, 罗懋康
2014, 63 (12): 120503. doi: 10.7498/aps.63.120503
摘要 +
在没有外力且周期势对称的情况下,对非对称耦合粒子链的运动,以具备更强刻画能力的分数阶微积分理论建立了分数阶模型,对其定向输运现象进行针对性研究,采用分数阶差分法进行数值求解并分析系统参数对定向输运速度的影响. 相应仿真表明,分数阶非对称耦合系统在没有外力和噪声驱动的情况下仍能产生定向输运,且输运速度随阶数的增大而增大;当阶数固定时,粒子链平均速度随耦合强度和势垒高度非单调变化;当系统存在噪声时,粒子链平均速度出现了广义随机共振现象,且通过调节其他参数,可使得系统对噪声免疫甚至使噪声促进定向输运.
强磁场中弱相互作用费米气体的稳定性
门福殿, 田青松, 陈新龙
2014, 63 (12): 120504. doi: 10.7498/aps.63.120504
摘要 +
运用量子统计理论,研究强磁场中弱相互作用费米系统的稳定性,给出系统稳定性条件的解析式,分析相互作用、磁场对稳定性的影响机制. 研究显示:排斥相互作用会增大系统稳定时的化学势,也会增大系统稳定时的空间区域;而加强磁场会减小系统稳定时的空间区域,也会降低系统的粒子数密度分布的稳定性.
峰值电流模式控制同步开关Z源变换器的动力学研究
向俊杰, 毕闯, 向勇, 张千, 王京梅
2014, 63 (12): 120507. doi: 10.7498/aps.63.120507
摘要 +
Z源变换器由于Z源网络的嵌入,具有高电压传输比,降低开关器件损耗,提高系统效率等优点,在直流变换、逆变等许多领域具有广泛的应用. 本文研究了基于峰值电流模式控制的同步开关Z源变换器的非线性动力学,建立了连续电流模式下同步开关Z源变换器的离散迭代映射模型;通过特征值的运动轨迹分析了参考电流对系统稳定性的影响,给出了系统稳定运行的参数域;基于分岔图和Lyapunov指数图发现了此变换器存在倍周期分岔、边界碰撞分岔、切分岔和阵发混沌,分析了边界碰撞分岔和混沌演化过程及其产生的机理;最后通过电路仿真和实验验证了理论分析的正确性. 研究结果表明:随着参考电流的增加,峰值电流模式控制同步开关Z源变换器从周期1经历倍周期分岔进入周期2和周期4,然后由于边界碰撞分岔过渡到阵发混沌态,接着通过切分岔进入周期3,最后再次由于边界碰撞分岔进入混沌态.
单输入单输出系统故障检测中匹配混沌激励的设计
杨东东, 马红光, 徐东辉, 冯晓伟
2014, 63 (12): 120508. doi: 10.7498/aps.63.120508
摘要 +
针对单输入单输出系统故障检测定义了混沌激励与被测系统匹配的概念,建立了混沌激励与被测系统匹配的标准,提出了调整混沌激励与被测系统匹配的方法. 利用改进的预测误差实现了对单输入单输出系统的故障检测. 仿真结果表明,匹配混沌激励能够对被测系统故障进行有效检测,而不匹配混沌激励对被测系统进行故障检测时存在不确定性.
变参级联混沌系统中的潜在风险
金建国, 邸志刚, 魏明军
2014, 63 (12): 120509. doi: 10.7498/aps.63.120509
摘要 +
Lyapunov指数是系统是否进入混沌态的判据之一,其大小描述了系统混沌态的发达程度. 为了研究级联混沌系统Lyapunov指数的特性,揭示级联混沌系统中子系统之间的扰动机理,首先从伪噪声扰动的角度,建立了子系统间的扰动模型,研究了有、无外噪声影响的Lyapunov指数差异,指出子系统之间的扰动可视为伪噪声对其的影响;然后,在理论上证明了级联系统的Lyapunov指数等于有前级扰动时的各个子系统的Lyapunov指数的代数和,而不等于各个(独立)子系统的Lyapunov指数的代数和. 并以Logistic映射为例,设计了9种级联验证方案. 研究中发现了一些新的特性和现象:级联系统Lyapunov指数存在着随级次增加反而减小的“过犹不及”和“失之毫厘,差之千里”的现象;即使各个(独立)子系统均是混沌的,其级联后的系统也有不是混沌的情况;反之,即使各个(独立)子系统均不是混沌的,其级联后的系统也有混沌的情况;而且,级联后的系统是否是混沌的,与其构成级联系统的子系统的序有关. 最后,指出了级联级次对级联系统存在着利、弊两种影响,由此揭示了变参级联混沌系统存在的潜在风险. 研究结果为系统安全性、密钥(混乱度)质量的科学评价提供了重要的理论依据.
考虑死区非线性的L滤波单相并网逆变器的精确离散迭代模型及其分岔行为
谢瑞良, 郝翔, 王跃, 杨旭, 黄浪, 王超, 杨月红
2014, 63 (12): 120510. doi: 10.7498/aps.63.120510
摘要 +
并网逆变器系统作为一个时变非线性系统,具有复杂的动力学行为,而死区非线性的引入使系统的非线性行为更为复杂和难以预测. 本文以考虑死区非线性的L滤波单相并网逆变器为研究对象,首先观察不同死区时间下系统的输出电流波形,发现在控制器参数固定的情况下,随着死区时间的增加,系统会出现分岔现象;其次,根据死区非线性特性及其引起的电流过零钳位现象,分多种情况全面地建立了精确完整的离散迭代模型,并在此基础上对系统的分岔行为进行理论分析. 此外,系统的稳定性判定具有重要的工程指导意义,由于死区非线性的引入,常规解析方法使用困难,而图解法的精度又难以令人满意,因此提出了一种基于等效占空比的稳定性判断方法,可以精确地判定系统的稳定边界,为控制器参数设计和死区时间设计提供了可靠依据.
一种考虑小孔尺寸效应的孔阵等效建模方法
任丹, 杜平安, 聂宝林, 曹钟, 刘文奎
2014, 63 (12): 120701. doi: 10.7498/aps.63.120701
摘要 +
对带孔阵腔体的电磁屏蔽特性进行数值计算时,为减少模型网格数量并降低孔阵建模复杂度,提出一种考虑小孔尺寸效应的孔阵等效建模方法. 首先将孔阵等效为面积相同的单孔,然后根据孔数量对单孔尺寸进行缩小. 利用孔阵导纳理论和数值仿真拟合方法分别建立缩小比例与小孔数量的关系,对比得出拟合方法得到的缩小比例公式精度较高的结论. 通过改变干扰源、监测点位置、孔阵面积、孔阵位置、小孔形状及腔体尺寸等参数,验证了等效方法的适用性. 孔阵等效建模方法能在保证仿真精度的前提下显著减少网格数量,可为大型复杂腔体屏蔽特性的数值计算提供一种有效的简化手段.
截面的几何形状决定三维函数的混沌特性
于万波
2014, 63 (12): 120501. doi: 10.7498/aps.63.120501
摘要 +
计算仿真发现,函数f(x,y,z)=sin(k(x2+y2+z2)),f(x,y,z)=k(1-(x2+y2+z2))e(-(x+y+z+u)2),f(x,y,z)=k((x2+y2+z2)/3)(1-(x2+y2+z2)/3)分别与另外两个随机产生的二次多项式函数均可组合成一个三维离散动力系统,当系数k,u在一定范围内取值时,系统出现混沌吸引子的概率可以大于90%. 通过绘制分岔图、Lyapunov指数图等对上述系统的混沌特性进行了分析. 分析发现,出现混沌概率高的原因是这3 个函数的截面都是中间凸起或中间凹陷的曲面,在这样的截面条件下系统容易出现混沌. 这普遍适用于三维函数,利用这些三维离散动力系统绘制出的大量吸引子图形具有使用价值和研究价值.
曲面迭代混沌特性研究
于万波, 赵斌
2014, 63 (12): 120502. doi: 10.7498/aps.63.120502
摘要 +
研究了空间单位区域内两个曲面映射构成的动力系统的混沌特性. 研究发现两个曲面中有一个曲面振荡剧烈,另外一个曲面随机生成时系统更容易出现混沌,能生成众多有特点的混沌吸引子. 如果调整随机曲面使其成为满射,那么所构成的动力系统是混沌的概率可以达到1/2或者更高. 通过计算Lyapunov 指数以及绘制分岔图等方法对系统的混沌特性进行分析,同时给出了由两个曲面构造的系统出现混沌的必要条件. 和二维情形一样,一个三维正弦函数与两个三维多项式函数构造的动力系统是混沌的概率也很高,通过计算可以得到众多的具有观赏和实用价值的三维吸引子.
宽频随机激励下非线性压电能量采集器的相干共振
李海涛, 秦卫阳
2014, 63 (12): 120505. doi: 10.7498/aps.63.120505
摘要 +
近年来随着微机电系统的发展,非线性能量采集系统受到了研究者的极大关注. 本文采用随机线性化方法对一类环境噪声作用下能量采集系统进行了分析. 首先根据受压梁的双稳态特性,建立了等效的随机激励作用下压电能量采集系统的数学模型. 采用随机线性化方法获得了输出电压近似闭合形式的表示,并且通过数值分析说明了系统相干共振现象. 相干共振的相关研究可应用于优化系统参数使能量采集效果最大化.
一类非线性神经网络中噪声改善信息传输
李欢, 王友国
2014, 63 (12): 120506. doi: 10.7498/aps.63.120506
摘要 +
以互信息为测度,通过数值计算和计算机仿真比较详细地讨论了在加性和乘性噪声共同作用下的一类非线性神经网络中噪声改善信息传输的(阈上)随机共振现象. 在一定的系统阈值和固定的乘性(或加性)噪声强度下,互信息随着加性(或乘性)噪声强度的增加显示出上凸变化,(阈上)随机共振出现;系统阈值单元数目的增加可增强信息传输的效果;系统阈值的增加使得信号处在阈下的成分增多,(阈上)随机共振现象更容易发生. 另外,改变加性噪声强度比改变乘性强度时(阈上)随机共振更容易发生. 以上结果说明(阈上)随机共振现象的存在性和噪声改善信息传输的效果与乘性或加性噪声强度、阈值单元数以及系统阈值水平密切相关.
简化Lorenz多涡卷混沌吸引子的设计与应用
艾星星, 孙克辉, 贺少波, 王会海
2014, 63 (12): 120511. doi: 10.7498/aps.63.120511
摘要 +
将简化Lorenz系统线性化成两个线性系统,采用控制方法得到两涡卷混沌系统,通过扩展两涡卷混沌系统的指标2鞍焦点,设计了多涡卷混沌吸引子. 利用相图、分岔图、Poincaré截面和最大Lyapunov 指数等方法,分析了该多涡卷混沌系统的动力学特性. 设计了多涡卷混沌吸引子的模拟电路,并进行了仿真,数值仿真与电路仿真相一致. 将多涡卷混沌系统应用于图像加密,设计了多涡卷混沌与高级加密标准(AES)的改进混合加密算法,并分析了其加密性能. 结果表明,基于多涡卷混沌系统的改进混合加密算法具有更高的安全性.
压缩感知理论在矩量法中的应用
王哲, 王秉中
2014, 63 (12): 120202. doi: 10.7498/aps.63.120202
摘要 +
矩阵填充与线性方程组求解是矩量法中最耗计算资源的环节. 为提高计算效率,提出了一种基于压缩感知理论的矩量法的改进方法. 通过引入稀疏变换矩阵实现对待求响应的稀疏表示,从而可在压缩感知理论框架下构造欠定方程,并优化求解. 数值仿真实验结果表明:该方法不仅可以减小矩阵填充计算量,还可以有效提高解的求解效率.
量子语音多带激励算法
梁彦霞, 聂敏, 刘欣, 张美玲, 姜静
2014, 63 (12): 120301. doi: 10.7498/aps.63.120301
摘要 +
将经典语音多带激励(MBE)算法应用于量子领域,提出经典信息与量子信息的对应关系,并给出相应的信息测度方法. 对量子语音MBE的编解码算法用C语言进行仿真实验,结果证明,语音分解与合成前后的波形相近,用PESQ软件客观测试语音,MOS分数为3.337.
Camassa-Holm-r方程的无穷序列类孤子新解
套格图桑, 伊丽娜
2014, 63 (12): 120201. doi: 10.7498/aps.63.120201
摘要 +
利用函数变换与辅助方程相结合的方法,研究了构造广义Camassa-Holm(CH-r)方程的无穷序列类孤子新解问题,获得了新结果. 首先,通过一些函数变换,把CH-r方程化为可求解的常微分方程;其次,利用可求解的常微分方程的新解和Bäcklund变换,构造了CH-r方程的无穷序列类孤子新解.
核物理学
基于自适应网络模糊推理系统的γ能谱指纹模糊识别
王崇杰, 刘媛媛, 张博超, 张倩妮, 刘金艳, 金鸽, 张敏
2014, 63 (12): 122801. doi: 10.7498/aps.63.122801
摘要 +
提出了以自适应网络模糊推理系统参数为识别特征的γ能谱指纹模糊识别方法. 通过建模和仿真,提取了γ能谱指纹的模糊系统特征参数,并建立了关于系统特征参数的模糊集及模糊识别原则,以较高的置信度实现了γ能谱指纹的类型识别和个体识别. 对实测γ 能谱指纹进行了识别,对方法的识别性能进行了研究和探讨. 研究表明,该方法不但具有较强的类型识别能力和个体识别能力,并具有较低的识别下限和较强的抗噪声能力.
原子和分子物理学
HfO2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究
代广珍, 代月花, 徐太龙, 汪家余, 赵远洋, 陈军宁, 刘琦
2014, 63 (12): 123101. doi: 10.7498/aps.63.123101
摘要 +
随着器件尺寸进一步等比例缩小,高k材料HfO2作为俘获层的电荷俘获型存储器展现了较好的耐受性和较强的存储能力,且工艺相对简单,与传统半导体工艺完全兼容,因此得到了广泛的研究. 为研究HfO2中氧空位引入的缺陷能级对电荷俘获型存储器存储特性的影响,运用第一性原理计算分析了HfO2中的氧空位缺陷. 通过改变缺陷超胞中的电子数模拟器件的写入和擦除操作,发现氧空位对电荷的俘获基本上不受氧空位之间距离的影响,而氧空位个数则影响对电子的俘获,氧空位数多,俘获电子的能力就强. 此外,四价配位的氧空位俘获电子的能力比三价配位的氧空位大. 态密度分析发现四价配位的氧空位引入深能级量子态数大,并且受氧空位之间的距离影响小,对电子的俘获概率大. 结果表明,HfO2中四价配位的氧空位缺陷有利于改善电荷俘获型存储器的存储特性.
BCl分子X1Σ+, a3Π和A1Π态的光谱性质
刘慧, 邢伟, 施德恒, 孙金锋, 朱遵略
2014, 63 (12): 123102. doi: 10.7498/aps.63.123102
摘要 +
采用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用方法(MRCI+Q)及Dunning等的相关一致基aug-cc-pV6Z计算了BCl分子X1Σ+,a3Π和A1Π态的势能曲线. 利用总能量外推公式,将这3个态的总能量分别外推至完全基组极限. 对势能曲线进行核价相关修正及相对论修正计算,得到了同时考虑这两种修正的外推势能曲线. 拟合势能曲线得到了3个态的主要光谱常数Te,Re,ωe,ωexe,Be,αe 和De 等,它们与已有的实验结果较为一致. 利用获得的势能曲线,通过求解双原子分子核运动的径向Schrödinger方程,找到了BCl分子X1Σ+,a3Π 和A1Π态的全部振动态,并得到了相应的振动能级和惯性转动常数等分子常数. 还计算了a3Π–X1Σ+ 和A1Π–X1Σ+的跃迁偶极矩、Franck-Condon 因子,预测了若干跃迁的辐射寿命.

编辑推荐

氦原子精密光谱实验中的精密磁场设计与测量
冯高平, 孙羽, 郑昕, 胡水明
2014, 63 (12): 123201. doi: 10.7498/aps.63.123201
摘要 +
在很多精密原子光谱实验中,杂散磁场或者磁场强度的不均匀所引入的系统误差,是影响实验不确定度的主要因素之一. 为保证测量精度,必须实现精密的磁场控制. 氦原子精细结构的精密光谱测量可用于测定精细结构常数,同时也是检验多电子原子体系量子电动力学理论的一种重要方法. 本文介绍所设计制作的磁屏蔽系统和余弦线圈产生精密可控磁场,并利用He原子光谱对所加磁场进行了精密测定. 磁屏蔽结构可将外磁场降低到小于0.8 mGs(1 Gs=10-4 T),控制磁场在20 Gs 范围内时,光谱测量区域磁场的不均匀性和控制误差均小于10 mGs. 在此实验条件下,氦原子精细结构精密光谱测量中磁场所导致的系统误差小于0.2 kHz.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
一种具有吸波和相位相消特性的共享孔径雷达吸波材料
李文强, 高军, 曹祥玉, 杨群, 赵一, 张昭, 张呈辉
2014, 63 (12): 124101. doi: 10.7498/aps.63.124101
摘要 +
提出了共享孔径雷达吸波材料(shared aperture radar absorbing material,SA-RAM)的设计方法. 该方法将无源人工电磁媒质(metamaterials,MTM)的散射问题等效为有源阵列的辐射问题进行研究,利用阵列天线原理对有限周期MTM单元构成的MTM子孔径的位置信息、幅度信息、相位信息进行优化设计,实现具有不同功能的SA-RAM. 在此基础上,设计了一种基于人工磁导体(artificial magnetic conductor,AMC)子孔径和完美吸波体(perfect metamaterial absorber,PMA)子孔径的SA-RAM,该SA-RAM通过将AMC子孔径与PMA子孔径交错布阵,实现了具有吸波和相位相消特性的SA-RAM. 仿真和实验结果表明,该SA-RAM较金属板的后向雷达散射截面(radar cross section,RCS)在5.5–8.3 GHz都有明显的减缩,在5.54 GHz处的减缩是由于PMA的高吸波率引起的,在7.0 GHz处的减缩是由于AMC子孔径和PMA子孔径相位相消引起的. 研究结果对频域和空域隐身相结合的雷达吸波材料设计具有重要的指导意义.
基于磁偶极子阵列的印制电路板干扰源等效建模方法
曹钟, 杜平安, 聂宝林, 任丹, 张其道
2014, 63 (12): 124102. doi: 10.7498/aps.63.124102
摘要 +
针对电子设备整机电磁兼容分析的需求,提出利用磁偶极子阵列对印制电路板干扰源的电磁辐射特性进行等效建模的方法. 根据电磁场边值问题的特点,将辐射源和影响辐射的结构分开建模,即对真实电磁辐射源进行等效建模,并单独处理结构对辐射的影响. 介绍了等效建模的基本思想,推导了等效磁偶极子阵列的确定方法,并使用贴片天线对建模方法进行了验证. 结果表明,等效方法的模型复杂度、建模时间和计算资源需求大幅度减小.
结构库中二能级原子与自发辐射场间的纠缠演化
李浩珍, 谢双媛, 许静平, 羊亚平
2014, 63 (12): 124201. doi: 10.7498/aps.63.124201
摘要 +
利用量子约化熵对比研究了真空、一维腔、各向同性以及各向异性光子晶体四种不同结构库中二能级原子与自发辐射场间的纠缠演化特性. 研究表明,原子-光场纠缠的演化特性与原子所处结构库的模密度分布密切相关. 在真空和一维腔中,模密度随频率连续变化,原子-光场纠缠将最终衰减至零. 而在各向同性和各向异性光子晶体中,模密度中存在光子禁带,原子-光场纠缠能最终趋于稳态值. 可以通过改变原子所处结构库的模密度来控制原子-光场纠缠的演化特性.
气体、等离子体和放电物理
Z箍缩Al等离子体X特征辐射谱线数值模拟及考虑叠加效应后的修正
高启, 张传飞, 周林, 李正宏, 吴泽清, 雷雨, 章春来, 祖小涛
2014, 63 (12): 125202. doi: 10.7498/aps.63.125202
摘要 +
采用基于细致能级的非局域热动平衡模型,对“强光一号”装置10174发次Z箍缩铝等离子体特征辐射谱进行细致的分析和计算,提取电子密度约为3.5×1021 cm-3. 数值计算结果显示,采用单一等离子体状态参数不能很好地描述等离子体辐射特征谱线. 在进一步的分析计算中,本文初步考虑高温区域和低温区域等离子体特征辐射谱线的叠加效应,将等离子体划分为高温高密度和低温低密度两部分,分析了两部分等离子体辐射对总辐射谱的贡献,并给出了修正后的等离子体辐射谱线. 考虑叠加效应后,He α伴线显著增强,计算结果改善明显.
中国联合球形托卡马克氦放电等离子体的碰撞辐射模型及其在谱线比法诊断的应用
谢会乔, 谭熠, 刘阳青, 王文浩, 高喆
2014, 63 (12): 125203. doi: 10.7498/aps.63.125203
摘要 +
介绍了针对中国联合球形托卡马克氦放电等离子体建立的碰撞辐射(CR)模型. 给出CR模型计算的来自主量子数n=4激发态能级的三条谱线的强度比447.1 nm(23P–43S)/492.2 nm(21P–41D)和492.2 nm/504.8 nm(21P–41S)在电子温度Te和电子密度Ne空间内的计算结果. 建立了根据谱线强度比确定Te与Ne的谱线比法. 将该方法应用在氦放电等离子体诊断上,通过与微波干涉仪测量结果的对比以及CR模型与实验测量的激发态数密度的对比验证了方法的有效性. 分析了引起诊断结果误差的因素,包括实验测量设备误差、CR模型使用的速率系数不确定度与能级选取,以及光谱测量的弦积分特性等.
针对神光Ⅱ升级装置的直接驱动快点火集成实验靶的初步设计
田超, 单连强, 周维民, 高喆, 谷渝秋, 张保汉
2014, 63 (12): 125205. doi: 10.7498/aps.63.125205
摘要 +
神光Ⅱ激光装置升级完成后,激光能量将大幅提高,同时配备皮秒拍瓦激光束,能够满足快点火研究在万焦耳级平台开展集成实验的需求. 神光Ⅱ升级装置设计原则是以间接驱动为主,兼顾直接驱动. 尽管直接驱动只是替代方案,然而由于直接驱动在快点火预压缩中具备一定优势,如能量利用率较高、对快点火导引锥预热较少、便于诊断等,因此需要探索基于神光Ⅱ升级装置的直接驱动快点火靶设计. 本文针对神光Ⅱ升级装置的激光条件,利用辐射流体程序Multi1D对集成实验用快点火直接驱动靶的尺寸进行了初步内爆压缩设计和优化. 在激光条件固定的情况下,优化无充气单层靶球的半径、厚度,尽可能实现高的密度、面密度. 得到最优靶参数为外半径420 μm,壳层厚度35 μm,与靶球定标关系验证一致. 根据超热电子定标关系,计算表明压缩过程实现的最高面密度与皮秒拍瓦激光产生的超热电子射程基本匹配.
快前沿电流产生气化铝单丝Z箍缩负载的研究
吴坚, 李兴文, 李阳, 杨泽锋, 史宗谦, 贾申利, 邱爱慈
2014, 63 (12): 125206. doi: 10.7498/aps.63.125206
摘要 +
为了抑制丝阵Z箍缩单丝电爆炸过程产生的核冕结构,分析了激光探针诊断的物理内涵,并基于约30 ps激光探针研究了负极性快前沿脉冲(90–170 A/ns)下铝丝的电爆炸特性. 直径15 μm,长2 cm的铝丝,阻性电压峰值为35–50 kV,电压击穿前金属丝电阻率增加至30–40 μΩ·cm. 电压峰值时刻沉积能量为1.5–2.5 eV/atom,欧姆加热功率下降至峰值一半时的沉积能量为2.5–4.0 eV/atom,接近铝丝从室温加热至完全气化所需的能量约4.0 eV/atom. 快前沿脉冲可增加金属中的欧姆能量沉积速度,提高负载击穿电压. 激光纹影图像可以观察到气体通道和等离子体通道,得到冕等离子体的平均电离度约为0.3. 由于极性效应,电极附近区域的能量沉积超过负载中部区域,电极附近负载基本完全气化,而负载中部区域仍存在液态或团簇状颗粒. 一些发次中,实现了轴向均匀且完全气化的铝蒸气,在电压击穿后的约127 ns,70%的初始质量分布在直径1 mm的区域内,100%的初始质量分布在直径2 mm 的区域内.
脉冲功率驱动器与Z箍缩负载耦合的全电路数值模拟
薛创, 丁宁, 孙顺凯, 肖德龙, 张扬, 黄俊, 宁成, 束小建
2014, 63 (12): 125207. doi: 10.7498/aps.63.125207
摘要 +
为了研究电磁能量从脉冲功率驱动器到Z箍缩负载的传输与转化过程,采用电路模型描述驱动器关键部件的充放电过程,采用辐射磁流体模型描述负载的动力学过程并获取动态电感和动态电阻参数,建立了驱动器与负载耦合的全电路数值模拟程序. 将该程序应用于“强光一号”装置,研究表明,模拟获得的驱动器电压波形、负载电流波形与实验结果符合较好,各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大. 在典型的钨丝阵Z箍缩辐射源物理实验条件下,当初级储能电容器充电35 kV 时,中储电容处的电磁功率(峰值)为0.23 TW,上升时间(10%–90%)为550 ns,形成线处的电磁功率为0.80 TW,上升时间为160 ns,水介质传输线末端的电磁功率为1.46 TW,上升时间为45 ns. 负载电流为1.5 MA,产生的X射线辐射功率为0.58 TW.
Z箍缩驱动动态黑腔中的基本能量转移特征
宁成, 丰志兴, 薛创
2014, 63 (12): 125208. doi: 10.7498/aps.63.125208
摘要 +
动态黑腔是Z箍缩应用的重要途径,它可以为惯性约束聚变靶丸烧蚀内爆提供均匀对称的辐射场,也可以为辐射不透明度测量的样品提供加热源和背光源. 动态黑腔中的辐射场特征与驱动电流、黑腔结构和材料组成等密切相关,在宏观上它由黑腔中能量转移决定. 为了快速地获得动态黑腔中基本能量的转移特征,以及它们随黑腔结构、线质量、驱动电流参数等的变化趋势,本文采用简单的物理模型来描述动态黑腔的内爆行为. 就泡沫柱内爆动能与一维辐射磁流体力学程序的模拟结果进行了比较,两者比较接近. 在惯性约束聚变应用的动态黑腔中,丝阵等离子体与泡沫柱碰撞时的动能损失对辐射场的形成很重要;而在辐射源应用的动态黑腔中,动能损失和泡沫柱最后内爆达到的动能都重要. 泡沫柱最后获得的最大内爆动能与驱动电流的幅值平方成正比,碰撞动能损失随泡沫柱质量的增加而增大. 电流上升时间变小,则泡沫柱中的质量能量密度要增大,从而辐射功率也要增大.
多目标优化推断内爆芯部温度和密度空间分布
董建军, 邓博, 曹柱荣, 江少恩
2014, 63 (12): 125209. doi: 10.7498/aps.63.125209
摘要 +
内爆芯部的温度和密度分布对理论模拟程序的校验以及深入理解内爆物理非常重要. 本文提出了一种通过内爆芯部X光图像获得归一化的角向平均强度分布,并利用多目标优化算法推断芯部的温度和密度空间分布的方法. 通过吸收模型和无吸收模型加以研究,结果表明无吸收模型推断的温度分布要比吸收模型高大约1倍;在芯部燃料区,两种模型推断的密度分布接近,在芯部边缘,无吸收模型的结果是吸收模型的1/10.
利用软X射线双频光栅剪切干涉技术诊断金等离子体
王琛, 安红海, 王伟, 方智恒, 贾果, 孟祥富, 孙今人, 刘正坤, 付绍军, 乔秀梅, 郑无敌, 王世绩
2014, 63 (12): 125210. doi: 10.7498/aps.63.125210
摘要 +
激光辐照靶产生的等离子体电子密度的诊断对于惯性约束聚变、等离子体物理、 高能量密度物理等相关领域的研究具有重要意义,特别是中、高Z材料等离子体临界面附近的电子密度分布信息的测量. 采用波长13.9 nm的类镍银软X射线激光作为探针,利用双频光栅剪切干涉技术尝试诊断了激光辐照金平面靶产生的等离子体的电子密度分布. 实验获得了清晰的干涉条纹图像,通过对条纹的初步处理,测量到的最高密度达到了约1.4倍临界密度. 通过与相关理论程序模拟结果对比,发现实验与模拟存在一定的偏差,为进一步优化模拟程序提供了有益的参考. 通过实验,充分表明了软X射线激光双频光栅干涉技术在诊断中、高Z材料临界密度附近区域等离子体方面的实用性.
小收缩比内爆实验初步研究
蒲昱东, 康洞国, 黄天晅, 高耀明, 陈家斌, 唐琦, 宋仔峰, 彭晓世, 陈伯伦, 蒋炜, 余波, 晏骥, 江少恩, 刘慎业, 杨家敏, 丁永坤
2014, 63 (12): 125211. doi: 10.7498/aps.63.125211
摘要 +
在神光Ⅲ原型装置上,利用8路激光间接驱动充高气压DT靶丸,开展小收缩比内爆实验. 实验中测量得到中子产额、离子温度、聚变反应速率峰值时刻(bangtime)等关键物理量,以及它们随烧蚀层厚度变化的规律. 从定性和定量两个方面对实验结果进行了分析讨论,推测流体力学不稳定性和内爆不对称性是导致实验结果与一维辐射流体计算结果不一致的原因.
低温等离子体中H2(D2和T2)的振动分布
何曼丽, 王晓, 张明, 王黎, 宋蕊
2014, 63 (12): 125201. doi: 10.7498/aps.63.125201
摘要 +
在边界等离子体中,氢分子具有相当高的密度,这些分子与等离子体发生碰撞可使氢分子的振动分布发生变化. 本文讨论氢分子的行为,采用了最新的截面数据,对于文献中尚无可利用的截面,运用半经典的Gryzinski方法进行计算. 基于准静态近似和准稳态碰撞辐射模型对氢及其同位素分子D2和T2 的振动分布进行了研究. 结果表明:当电子温度低于10 eV时,氢及其同位素分子的振动分布在较低的振动能级随着电子温度的升高而减小;而在较高的振动能级,分布则呈现相反趋势.
双极化频率调制微波反射计在J-TEXT托卡马克上的应用
张重阳, 刘阿娣, 李弘, 陈志鹏, 李斌, 杨州军, 周楚, 谢锦林, 兰涛, 刘万东, 庄革, 俞昌旋
2014, 63 (12): 125204. doi: 10.7498/aps.63.125204
摘要 +
等离子体中电子密度分布是研究等离子体物理的基础诊断之一. 为了测量J-TEXT中电子密度分布,我们在J-TEXT实验装置上搭建了一套频率调制反射计. 该反射计工作在Q波段与V波段,为了增加反射计密度测量范围,采用了双极化的设计,即能够同时测量寻常波模式与非寻常波模式. 得益于双极化的设计,该反射计测量的电子密度范围为0–6.0×1019 m-3,能够覆盖J-TEXT 托卡马克的低场侧全部范围. 频率调制反射计的时间分辨取决于微波系统扫描周期,由于采用了扫频速率更快的扫频固态源,整个频率扫描周期可以达到40 us. 要获得完整的电子密度分布,必须先利用中频频率的跳变计算出密度零点的位置,然后使用两种极化模式的数据反演得到完整的电子密度剖面. 同时,在实验中还观察到在非寻常波模式下低于右旋截止频率的微波在等离子体中也能够传播.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
钢动静态强度计算的电子理论模型
王云飞, 李云凯, 孙川, 朱灵波, 缪勇, 陈雪冰
2014, 63 (12): 126101. doi: 10.7498/aps.63.126101
摘要 +
价电子结构对物性具有本质的影响,以固体与分子经验电子理论为基础,结合材料动态力学过程,构建了计算钢静动态强度的新模型. 该模型预测的多种成分钢的静(动)态强度与实验值符合得较好. 首次把价电子结构参数引入了材料动态性能的预测模型中.
冲击加载下液态水的结构相变
王文鹏, 刘福生, 张宁超
2014, 63 (12): 126201. doi: 10.7498/aps.63.126201
摘要 +
在一级轻气炮上,利用冲击波加载技术结合光透射测量技术获得了水在1–1.6 GPa压力范围内的透射光谱. 结果表明,透射光变化是由于在冲击压缩过程中,液态水结构在P=0.9 GPa左右存在的不连续引起的,与文献报道结果一致. 结合热力学计算结果和水的相图表明,该变化可能是压力导致液态水由低密度到高密度态的转变所致. 实验为在线研究液态水和其他分子液体的结构相变提供了新的途径和方法.
BaTiO3/SrTiO3(1:1)超晶格的晶格动力学、介电和压电性能的第一性原理研究
王江舵, 代建清, 宋玉敏, 张虎, 牛之慧
2014, 63 (12): 126301. doi: 10.7498/aps.63.126301
摘要 +
对于BaTiO3/SrTiO3(BTO/STO)沿[001]方向有序的1:1超晶格,从最高对称性的P4/mmm 结构出发,用第一性原理计算了布里渊区中心声子,通过冻结不稳定声子得到P4mm和Amm2结构,进一步冻结不稳定声子得到其基态单斜Cm结构. 计算了三种畸变结构的自发极化及Cm 结构的电子和声子对介电和压电的贡献. 分析表明:ε22和e26 主要来自于频率为197,146和97 cm-1的A”声子的贡献;ε33 和e33 主要来自于频率为189和139 cm-1 的A’声子的贡献;ε11 和e11 主要来自于频率为246 cm-1的A’声子的贡献. 根据离子对介电和压电张量各分量的贡献可知,Ti 和O 离子对介电和压电有比较大的贡献.
入射能量对Au/Au(111)薄膜生长影响的分子动力学模拟
颜超, 黄莉莉, 何兴道
2014, 63 (12): 126801. doi: 10.7498/aps.63.126801
摘要 +
利用分子动力学模拟了Au原子在Au(111)表面低能沉积的动力学过程. 采用嵌入原子方法的原子间相互作用势,通过对沉积层原子结构的分析和薄膜表面粗糙度、层覆盖率的计算,研究了沉积粒子能量对薄膜质量的影响及其机制. 结果表明:当入射能量Ein Ein≥ 25 eV 时,沉积层表面原子结构出现了较为明显的晶界,沉积原子注入到基体表面第三层及以下,随着入射能量的增加,薄膜表面粗糙度增加,沉积层和基体表层原子排列越不规则,载能沉积会降低基体内部的稳定性,导致基体和薄膜内部缺陷的产生,降低薄膜质量. 此外,当基体内部某层沉积原子数约等于该层总原子数的一半时,沉积原子将能穿过该层进入到基体内部更深层.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
HF+离子在旋轨耦合作用下电子态的特性
李桂霞, 姜永超, 凌翠翠, 马红章, 李鹏
2014, 63 (12): 127102. doi: 10.7498/aps.63.127102
摘要 +
采用多组态准简并微扰理论对旋轨耦合作用下HF+离子的基态 X2Πi和第一激发态A2Σ+的性质进行了研究,得到了电子态X2Π3/2和 2Π1/2的垂直跃迁能v[2Π1/2(v = 0)→ X2Π3/2(v = 0)] = 285.176 cm-1,以及电子态X2 3/2 和2 1/2 的势能曲线;采用Murrell-Sorbie 函数和最小二乘法拟合得到了这两个分裂电子态的解析势能函数;并在此基础上推导出了电子态X2Π3/2,2Π1/2和A2Σ+的光谱常数,而且首次给出了分裂电子态X2Π3/2 和2Π1/2的解析势能函数和光谱数据.
沟槽形状对硅基沟槽式肖特基二极管电学特性的影响
翟东媛, 赵毅, 蔡银飞, 施毅, 郑有炓
2014, 63 (12): 127201. doi: 10.7498/aps.63.127201
摘要 +
随着对电子产品节能环保要求的提高,对广泛应用于电子产品的肖特基二极管电学性能的要求也越来越高. 含金属-氧化物-半导体结构的沟槽式肖特基二极管(trench barrier Schottky diodes,TMBS)由于其优异的性能而备受青睐. 沟槽结构对提高肖特基二极管性能起着至关重要的作用,但是关于沟槽形状对二极管电学性能的影响尚未见有深入的研究报道. 本文提出了两 种新型的沟槽结构——圆角沟槽和阶梯型沟槽. 通过模拟研究发现,圆角沟槽与传统的直角沟槽TMBS器件相比,在维持同样的漏电流和正向导通电压的条件下,击穿电压可以提高15.8%. 阶梯沟槽与传统直角沟槽TMBS 器件相比,可以在击穿电压不减小的情况下,漏电降低35%,正向导通电压仅略有增加. 这归结于圆角沟槽和阶梯沟槽对有源区内部电场强度分布的调节.
三角缺口正三角形纳米结构的共振模式
张志东, 高思敏, 王辉, 王红艳
2014, 63 (12): 127301. doi: 10.7498/aps.63.127301
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设计了一个三角缺口三角形破缺纳米结构,它是从正三角形底边切掉一个三角切片所构成. 应用离散偶极子近似方法研究了其消光光谱及表面电场分布. 结果发现,该破缺纳米结构的消光光谱中出现了具有Fano共振的线形. 分析表明,这个Fano共振线形是由绑定与反绑定混合表面等离激元模式相互作用所致. 研究了三角缺口三角形纳米结构的结构参数对Fano共振的影响.
Ni/Ag/Ti/Au与p-GaN的欧姆接触性能及光反射率
黄亚平, 云峰, 丁文, 王越, 王宏, 赵宇坤, 张烨, 郭茂峰, 侯洵, 刘硕
2014, 63 (12): 127302. doi: 10.7498/aps.63.127302
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研究了不同Ni厚度的Ni/Ag/Ti/Au电极在不同退火温度和退火气氛下与p-GaN之间的欧姆接触性能以及电极的光反射率的变化. 采用矩形传输线模型对各电极的比接触电阻率进行测算,利用分光光度计对电极在不同波长下的反射率进行测量. 结果表明,Ni金属层的厚度越小,电极的光反射率越高,而Ni层厚度对比接触电阻率的影响较小;当退火温度高于400 ℃后,电极的光反射率降低,在氧气氛围中退火后光反射率比在氮气中退火后下降更加明显. 但在氧气氛围中退火有利于减小比接触电阻率. 综合考虑接触电阻和光反射率,电极Ni(1 nm)/Ag/Ti/Au在400 ℃氧气中快速退火后得到了较好的结果,其比接触电阻率为5.5×10-3 Ω·cm2,在450 nm 处反射率为85%. 利用此电极制作了垂直结构发光二极管(LED)器件,LED在350 mA注入电流下,工作电压为3.2 V,发光功率为270 mW,电光转换效率达到24%.
C60富勒烯二聚物的等离激元激发
尹海峰, 张红, 岳莉
2014, 63 (12): 127303. doi: 10.7498/aps.63.127303
摘要 +
基于含时密度泛函理论,研究了C60富勒烯二聚物的等离激元激发. 当两个C60 分子靠近,分子之间的间隙较大,通过电容性相互作用时,二聚物的低能等离激元共振模式随着间隙的减小发生红移.进一步减小间隙时,由于电子的隧穿,C60富勒烯二聚物的等离激元共振模式发生了改变,长程电荷转移激发模式形成.与金属纳米结构二聚物不同,当再继续减小间隙时,长程电荷转移激发模式没有发生蓝移,而是继续红移. 在可见光范围内,C60 富勒烯二聚物有很强的吸收光谱.
La(Fe, Si)13化合物的居里温度机制
王芳, 汪金芝, 冯唐福, 孙仁兵, 余盛
2014, 63 (12): 127501. doi: 10.7498/aps.63.127501
摘要 +
NaZn13型La(Fe,Si)13化合物随Si含量增加,相变性质由一级过渡为二级,化合物晶胞体积收缩,饱和磁化强度降低,居里温度升高. 其居里温度与晶胞体积之间的关系不能用Bethe-Slater曲线给出合理的解释. 本文利用添加间隙原子碳调节La(Fe,Si)13 化合物晶胞体积和居里温度的方法,系统研究了该化合物居里温度与晶胞体积之间的关系. 结果发现二者之间的变化规律遵循Jaccarino-Walker模型,即仅有5%甚至更少的3d电子被认为是真正的巡游电子,其余的3d 电子仍是局域的. 以极化的巡游电子为媒介,局域电子之间产生类似于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida 的长程相互作用,相互作用的符号和大小与距离呈周期性震荡. 随Si 含量的增加,La(Fe,Si)13化合物巡游电子数目增加,化合物的居里温度由晶胞体积和巡游电子的浓度共同决定.
关于InGaN/GaN多量子阱结构内量子效率的研究
王雪松, 冀子武, 王绘凝, 徐明升, 徐现刚, 吕元杰, 冯志红
2014, 63 (12): 127801. doi: 10.7498/aps.63.127801
摘要 +
利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底(0001)面生长了InGaN/GaN多量子阱结构,并测量了其荧光(PL)光谱的峰位能量和发光效率对温度和注入载流子密度的依赖性. 结果显示,该样品PL 的峰位能量对温度的依赖性是“S形”的(降低-增加-降低),并且最大发光效率出现在50 K左右. 前者反映了InGaN阱层中势能的非均一性和载流子复合的局域特征,后者则表明了将极低温度下的内量子效率设定为100%的传统界定方法应当被修正. 进一步的研究结果显示,发光效率不仅是温度的函数,同时也是注入载流子密度的函数. 为此我们对传统的基于PL光谱测量来确定某结构(或器件)内量子效率的方法进行了修正:在不同温度下测量发光效率对注入载流子密度的依赖性,并将发光效率的最大值设为内量子效率是100%,这样,其他温度点和注入载流子密度点所对应的内量子效率也就随之确定.

编辑推荐

CdTe量子点的室温激子自旋弛豫动力学
朱孟龙, 董玉兰, 钟海政, 何军
2014, 63 (12): 127202. doi: 10.7498/aps.63.127202
摘要 +
利用交叉偏振三阶非线性瞬态光栅技术,研究了室温下CdTe胶体量子点激子自旋弛豫动力学的尺寸效应. 在抽运-探测光子能量与CdTe量子点的最低激子吸收(1Se1Sh)跃迁相共振时,量子点激子自旋弛豫显示了时间常数为0.10.5 ps的单指数衰减行为. CdTe量子点激子自旋的快速弛豫源于亮暗激子精细结构态跃迁,即J=1+2跃迁. 激子自旋弛豫主要由空穴的自旋翻转过程决定. 研究结果表明:CdTe量子点激子自旋弛豫速率与量子点尺寸的4 次方成反比.
H2S, HS自由基以及S原子在Fe(111)表面吸附的密度泛函研究
张凤春, 李春福, 张丛雷, 冉曾令
2014, 63 (12): 127101. doi: 10.7498/aps.63.127101
摘要 +
采用广义梯度近似下的密度泛函理论方法,研究了不同覆盖度下H2S,HS自由基以及S 原子在Fe(111)表面的吸附结构和吸附特性,计算了吸附能、功函数、差分电荷密度、态密度和电荷布居,讨论了覆盖度对表面吸附的影响作用,对比分析了H2S,HS自由基,S在Fe(111)表面的吸附强弱. 研究结果表明:随着覆盖度的增大,吸附物与表面的作用力逐渐减弱;H2S,HS自由基,S三者与Fe(111)表面的作用力大小依次为:H2SxSy腐蚀产物膜,只是随着覆盖度的不同,其致密度将发生变化. 各吸附物在低指数晶面上的吸附结果表明:Fe(111)面吸附作用最强,而Fe(110)和Fe(100)吸附作用相对较弱,二者吸附能相差不大.
用锥光纤微球研究Er3+/Yb3+共掺氟氧玻璃陶瓷的发光特性
黄婧, 黄衍堂, 吴天娇, 黄玉, 张培进, 郭长磊
2014, 63 (12): 127802. doi: 10.7498/aps.63.127802
摘要 +
采用高温煅烧法制备了Er3+/Yb3+共掺的氟氧玻璃陶瓷新材料(41.2SiO2-29.4Al2O3-17.6Na2CO3-11.8LaF3-0.5ErF3-2.5YbF3),并制作了透明带柄微球. 提出了用锥光纤微球耦合系统研究Er3+/Yb3+共掺的氟氧玻璃陶瓷材料发光特性的新方法. 它具有所需激发光功率低、制备简便和便于测试的特点. 用锥光纤作为耦合器将976 nm 激光高效耦合入微球,并将产生的荧光和激光耦合出微球输到光谱分析仪,测量到了强的522,545和657 nm 上转换荧光,也测到Er3+产生的1562 nm激光振荡光谱图. 分析了Er3+/Yb3+共掺氟氧玻璃陶瓷微球中Er3+上转换发光的机理、发光效率高的机理,分析了在氟氧玻璃陶瓷微球中产生激光振荡阈值比在SiO2基质微球中高的机理.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
晶体相场法研究晶粒缩小过程中的位错湮灭与晶界迁移
李尚洁, 陈铮, 员江娟, 张静
2014, 63 (12): 128101. doi: 10.7498/aps.63.128101
摘要 +
通过晶体相场法模拟了与基体三种不同取向圆形晶粒在缩小过程中晶界上的位错湮灭机制与晶界迁移机制. 研究结果表明:当圆形晶粒和基体的取向差17°时,圆形晶粒和基体形成位错核心重叠的大角晶界,用位错模型难以解释该演化过程,但结果表明圆形晶粒半径的平方与演化时间成线性关系,该关系与弯曲晶界迁移理论相互印证;当取向差为4°时,圆形晶粒和基体形成由分离位错构成的小角晶界,在该晶粒缩小的过程中,位错以径向攀移为主且会发生晶粒转动以调整位错间距,随着位错间距的减小相互靠近的位错发生反应;当取向差为10°时,晶界既有位错核心重叠较小的部分也有由分离位错构成的部分,在晶粒缩小时晶界演化表现为位错径向攀移和切向运动,两种运动的耦合运动使得能相互反应的位错相互靠近并发生反应.
等离子体增强化学气相沉积工艺制备SiON膜及对硅的钝化
何素明, 戴珊珊, 罗向东, 张波, 王金斌
2014, 63 (12): 128102. doi: 10.7498/aps.63.128102
摘要 +
研究了等离子体增强化学气相沉积工艺条件对氮氧化硅膜的生长厚度及折射率的影响以及氮氧化硅/氮化硅叠层膜对p型硅片的钝化效果. 实验结果表明,NH3的流量和N2O/SiH4 流量比对氮氧化硅膜的影响较大,薄膜折射率能从1.48变化到2.1,厚度从30–60 nm不等. 腔内压力和射频功率主要影响膜厚,压力越大,功率越大,沉积速率加快,生成的膜越厚. 温度对膜厚和折射率的影响可以忽略. 钝化效果显示,在有无NH3下,N2O/SiH4流量比分别为20和30时,退火后氮氧化硅/氮化硅叠层膜对p 型硅的钝化效果最好,其潜在电压和少子寿命分别为652 mV,56.7 μs 和649 mV,50.8 μs,均优于参照组氮化硅膜样品的钝化效果.
基于体积平均法模拟铸锭凝固过程的可靠性分析
李日, 王健, 周黎明, 潘红
2014, 63 (12): 128103. doi: 10.7498/aps.63.128103
摘要 +
采用欧拉方法和体积平均思想,建立了以液相为主相、等轴晶和柱状晶视为两类不同第二相的三相模型,耦合凝固过程质量、动量、能量、溶质的守恒方程和晶粒的传输方程. 以Al-4.7 wt.%Cu二元合金铸锭为例,模拟了合金铸锭二维的流场、温度场、溶质场、柱状晶向等轴晶转变过程以及等轴晶的沉积过程,并将模拟的铸锭组织和偏析结果与实验所得结果对比.温度场、流场和组织的模拟结果与理论基本一致,但由于模型没有考虑收缩以及浇注时的强迫对流,导致铸锭外层的偏析模拟值比实测值低,内层的模拟值比实测值高.所以收缩和逆偏析在模拟中是不可忽略的,这也是本文模型的改进方向.另外在所得模拟结果的基础上分析了体积平均法计算铸锭凝固过程的优点和不足之处.
磁头/磁盘间润滑剂转移机理及影响因素
潘登, 闫辉, 姜洪源
2014, 63 (12): 128104. doi: 10.7498/aps.63.128104
摘要 +
硬盘存储密度的增加促使磁头的飞行高度不断降低. 降低磁头飞行高度所导致的润滑剂在磁头与磁盘之间的转移已成为影响磁头飞行稳定性的一个重要因素. 本文采用改进后的粗粒珠簧模型,应用分子动力学模拟方法,对磁头/磁盘之间润滑剂转移的机理进行研究. 分析了磁盘表面润滑膜厚度、润滑剂种类以及磁头表面局部温度差对磁头/磁盘之间润滑剂转移量的影响. 研究结果表明:转移到磁头上的润滑剂的体积随磁盘表面润滑膜厚度的增加而急剧增加;增加单个分子中羟基的数量,可以显著减少转移到磁头上的润滑剂的体积;磁头表面的局部高温可增加转移到磁头上的润滑剂的体积,且增加单个分子中羟基的数量可显著改善局部温度差对磁头/磁盘之间润滑剂转移的影响.
90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器局部单粒子闩锁传播效应诱发多位翻转的机理
陈睿, 余永涛, 上官士鹏, 封国强, 韩建伟
2014, 63 (12): 128501. doi: 10.7498/aps.63.128501
摘要 +
基于单粒子效应脉冲激光实验装置,开展了90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器的单粒子翻转和闩锁效应实验,并给出了器件单粒子翻转效应位图. 实验发现,器件出现了大量的多位翻转和约20 mA的电源电流脉冲. 借助器件仿真工具,揭示了器件发生单粒子多位翻转效应的原因. 结果表明,器件局部阵列发生单粒子闩锁效应并传播到多个位单元是诱发多位翻转的主要原因. 通过对比分析脉冲激光和器件仿真实验结果,发现P/N阱电势塌陷是导致90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器出现单粒子闩锁传播效应的内在物理机制.
两类纳米级非线性忆阻器模型及串并联研究
董哲康, 段书凯, 胡小方, 王丽丹
2014, 63 (12): 128502. doi: 10.7498/aps.63.128502
摘要 +
忆阻器是一种新型的非线性动态可变电阻器,其阻值的变化依赖于通过它的电荷量或磁通量. 作为第四种基本电路元器件,忆阻器在非易失性存储器、非线性电路及系统、神经形态系统等领域中有巨大的应用潜能. 忆阻器串并联组合电路具有比单个忆阻器更为丰富的器件特性,引起了研究者越来越多的关注. 本文推导了带有窗函数的闭合形式的电荷及磁通量控制的忆阻器非线性模型,能够有效地模拟忆阻器边缘附近的非线性离子迁移现象,同时保证忆阻器的边界条件. 进一步,分别从忆阻器的器件参数和激励阈值两个角度,对忆阻器串并联电路进行了全面的理论推导和数值分析. 为了更加直观地观察忆阻器串并联特性,设计了一种基于Matlab的忆阻器串并联图形用户界面,能够清晰地展示两种分类方式下忆阻系统的器件特性,可为忆阻器组合电路的后续研究提供良好的理论参考和实验依据.
膜量子蜂群优化的多目标频谱分配
高洪元, 李晨琬
2014, 63 (12): 128802. doi: 10.7498/aps.63.128802
摘要 +
为了解决认知无线电系统中最大和网络效益和用户间公平性联合最优化的多目标频谱分配难题,基于量子蜂群理论和膜计算,提出了一种新的离散多目标组合优化算法–-膜量子蜂群优化. 所提算法在基础膜可以搜索到单个目标的全局最优解,在表层膜获得兼顾网络效益和公平的Pareto前端解. 通过膜间的通信规则、量子觅食行为的协同演进和非支配解排序可获得能同时求解单目标和多目标优化问题的多目标优化算法,并与经典的敏感图论着色算法、遗传算法、量子遗传算法和粒子群算法等频谱分配算法在不同的目标函数下进行仿真性能比较. 仿真结果表明:在不同网络效益函数下所提的膜量子蜂群频谱分配算法都能够较好地找到单目标最优解,优于经典的频谱分配算法和已有的智能频谱分配算法,还可获得多目标频谱分配的Pareto前端最优解集.
硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备
陈培专, 侯国付, 索松, 倪牮, 张建军, 张晓丹, 赵颖
2014, 63 (12): 128801. doi: 10.7498/aps.63.128801
摘要 +
从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器. 首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响. 基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器. 通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500–750 nm 波长范围红移至650–1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%. 将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%. 同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响. 研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.
基于节点健康度的无线传感器网络冗余通路控制方法
宋佳, 罗清华, 彭喜元
2014, 63 (12): 128401. doi: 10.7498/aps.63.128401
摘要 +
广泛应用于各种物理参数测量领域的无线传感器网络,因其节点具有能量供应有限、硬件资源有限、数目众多、自组织和动态拓扑等特点,使得网络极易发生故障,从而高可靠、低故障是其运行的基本要求.本文针对多冗余通路设计的无线传感器网络故障预防方法存在工作状态冗余节点过多、能量大量浪费的问题,提出一种基于节点健康度的冗余通路控制方法. 该方法利用汇聚节点收集网络内所有节点能量状态,计算节点健康度等相关参数,使用A-Star算法选择最优工作通路,控制其余冗余通路分批轮流休眠,从而达到减少和均衡网络工作过程能量消耗、预防某些节点能量提前耗尽导致网络能量故障发生的目的. 仿真实验和实际节点实验的结果表明,在保证网络适当冗余通路的前提下,与其他相关方法比较,该方法可以显著均衡网络能量消耗,有效预防节点能量故障提前发生,明显延长网络寿命.
基于版图优化的综合灵敏度模型
王俊平, 戚苏阳, 刘士钢
2014, 63 (12): 128503. doi: 10.7498/aps.63.128503
摘要 +
随着集成电路规模的不断扩大和器件特征尺寸的不断缩减,保持和改善集成电路的制造成品率成为优化电路设计和制造工艺研究的热点. 为了减少由冗余物缺陷和丢失物缺陷所引起的成品率损失,选择优先优化的线网成为版图优化过程中的一个重要课题. 基于关键面积减小的版图优化是提高集成电路成品率的一种有效途径. 本文提出了一种新的短路、开路灵敏度模型,该模型以线网为单位,反映了单位线网上该线网与周围线网间的短路关键面积和自身开路关键面积的大小. 由于本文的灵敏度模型是关于单一线网的,同时又包含候选线网周围线网的信息,因此,在优化时可以同时减少候选线网与周围线网之间的短路关键面积以及线网本身的开路关键面积,提高了版图优化的效率. 实验结果表明,该灵敏度模型可作为版图优化中线网位置选择的依据.

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一种基于成像板的能量卡阈式快中子图像测量方法
章法强, 祁建敏, 张建华, 李林波, 陈定阳, 谢红卫, 杨建伦, 陈进川
2014, 63 (12): 128701. doi: 10.7498/aps.63.128701
摘要 +
为减小散射中子等较低能量的中子对快中子图像的贡献,提出了在成像板前依次紧贴金属卡阈片和富氢元素薄片的能量卡阈式快中子成像方法. 该方法通过改变卡阈片材料、厚度等参数,可有效降低成像结构对某一能段中子的相对灵敏度. 以14 MeV中子照相为例设计的能量卡阈式成像结构为TR 成像板依次覆盖约150 m Pb膜和500 m聚乙烯膜,计算表明该结构对8 MeV以下快中子灵敏度小于其对14 MeV中子灵敏度的30%. 利用K400加速器DT中子源开展了验证实验,结果表明能量卡阈式快中子成像结构能够有效消除样品散射中子引起的边界增强效应.
94 GHz TE6,2模式Denisov辐射器的研究
张天钟, 喻胜, 牛新建, 李宏福, 李浩
2014, 63 (12): 128402. doi: 10.7498/aps.63.128402
摘要 +
准光辐射器是回旋管内置准光模式变换器的重要组成部分. 采用几何光学理论分析了圆波导中高阶旋转模式电磁波的准光传输特性,分析了螺旋非规则光滑圆波导中电磁波的传输和模式耦合机理,推导任意扰动的圆波导内模式间的耦合波方程及其相关系数. 根据耦合波理论编制准光模式变换器的数值计算程序,分析了Denisov型辐射器内激励起的波导模式的功率分布规律和波导壁上的纵向磁场分布,以及辐射器螺旋切口的辐射场的分布和辐射波束的特征,并采用三维全波仿真软件进行对比模拟. 优化了工作频率为94 GHz,TE6,2模式的Denisov型辐射器,其输出功率效率高达98%;加工成实物并内置于回旋振荡内进行热测实验,在回旋管的输出窗处获得了高斯分布的烧斑图. 此结果表明测试结果与计算基本一致.
地球物理学、天文学和天体物理学
微小空间碎片撞击发光信号监测及应用研究
李宏伟, 韩建伟, 吴逢时, 蔡明辉, 张振龙
2014, 63 (12): 129601. doi: 10.7498/aps.63.129601
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超高速撞击实验中,通过对撞击发光信号的监测,利用光谱分析法测量超高速微粒撞击形成等离子体的温度和密度是最有效的方法,也是深入研究微小空间碎片撞击诱发放电效应的基础. 国内外相关机构已利用该方法对毫米以上微粒撞击等离子体的参数进行了监测,但是毫米以下微粒撞击发光信号的监测难度更大,相关研究还未见报道. 本文在等离子体驱动微小碎片加速器上对百微米级微粒超高速撞击的发光信号进行了监测,对该撞击发光信号以及撞击诱发放电过程中发光的基本特征进行了分析,并提出了利用撞击发光信号对微粒速度进行测量的方法.
影响华北盛夏降水的水汽路径客观定量化的研究
叶敏, 吴永萍, 周杰, 吴浩, 涂钢
2014, 63 (12): 129201. doi: 10.7498/aps.63.129201
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基于1951–2011年美国气象环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料以及国家气候中心提供的中国160 站月平均降水资料,定义垂直于某一截面的平均水汽通量为描述水汽路径强度的客观化指标,计算发现与华北降水密切相关的水汽路径有5条:孟加拉湾水汽路径、太平洋水汽路径、西南和东南汇合水汽路径(以下简称汇合水汽路径)、由西输入水汽路径以及南海水汽路径. 研究结果表明,汇合水汽路径、由西输入水汽路径及南海水汽路径有明显的年代际变化,这种年代际变化是与华北盛夏降水量的年代际变化基本一致的. 通过滑动相关分析可以发现,对华北盛夏降水产生影响的主要是由西输入水汽路径,这可能是受西风带的影响. 通过合成分析的结果同样表明由西输入华北的水汽输送增强时,伴随着太平洋水汽路径的输送明显增强,绕过了华南和长江中下游直接输送至华北和东北,从而引起华北和东北的降水量偏多;虽然其他水汽路径对华北盛夏降水的影响相对比较小,但是2000年开始,孟加拉湾水汽路径对华北盛夏降水的影响逐渐增强.