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Vol. 65, No. 14 (2016)

2016年07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
总论
一类高阶非线性波方程的李群分析、最优系统、精确解和守恒律
李凯辉, 刘汉泽, 辛祥鹏
2016, 65 (14): 140201. doi: 10.7498/aps.65.140201
摘要 +
本文运用李群分析的方法研究了一类高阶非线性波方程, 得到了五阶非线性波方程的对称以及方程的最优系统, 进而运用幂级数的方法, 求得了方程的精确幂级数解. 最后, 给出了五阶非线性波方程的一些守恒律.
基于复杂网络理论的多元混合空管技术保障系统网络特征分析
武喜萍, 杨红雨, 韩松臣
2016, 65 (14): 140203. doi: 10.7498/aps.65.140203
摘要 +
为提高空管技术保障系统应对突发事件的能力, 本文以空管技术保障系统导航、通信、监视设备覆盖的航路结构为基础, 构建系统对应的空间网络模型. 提出从灵活性、鲁棒性、高效性三个方面度量空管技术保障系统网络特性, 对北京、上海、广州、昆明、沈阳、兰州飞行情报区的空管技术保障系统网络的平均度、度分布、度-度相关性、聚集系数、平均路径长度、直径等进行分析. 分析结果显示, 各飞行情报区空管技术保障系统的平均聚集系数在0.25-0.39之间, 网络聚集程度偏低; 网络平均路径长度为3.4, 表现出小世界网络特征; 度值3时服从幂律分布, 度-度分布不表现出正相关或负相关. 对网络进行基于度优先的和随机的抗毁性测度, 空管技术保障系统网络抗毁性较差, 网络的可靠性由少数核心节点决定, 应对核心节点进行目标免疫, 提高网络的抗毁性. 这些规律为空管技术保障系统能力提升、新建扩建提供理论依据, 对降低突发事件对空管系统保障能力的影响, 保障空中交通持续安全具有现实意义.
基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法
廖磊, 易旺民, 杨再华, 吴冠豪
2016, 65 (14): 140601. doi: 10.7498/aps.65.140601
摘要 +
本文提出了一种基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法. 系统采用两个带通滤波器产生两个具有一定波长差的单波长, 用于产生合成波长. 本方法结构简单, 能量利用率高. 与双频激光干涉仪在40 mm范围内的比对结果表明, 该方法比对残差的标准差为91 nm.
抗生物素蛋白与DNA相互作用的单分子研究
曹博智, 林瑜, 王艳伟, 杨光参
2016, 65 (14): 140701. doi: 10.7498/aps.65.140701
摘要 +
抗生物素蛋白(avidin)在生物单分子实验中被广泛用于DNA与修饰表面的连接, 同时avidin也可作为一种DNA载体用于基因治疗中. 本文利用原子力显微镜(AFM)、动态光散射(DLS)、 单分子磁镊(MT)技术系统地研究了avidin与DNA之间的相互作用, 以及avidin引起DNA凝聚的机理. 首先通过AFM对avidin-DNA复合体形貌进行观察, 发现不但有avidin导致DNA凝聚的环状形貌, 同时也存在avidin自身聚集引起的DNA凝聚现象, 通过定量分析, 发现其凝聚尺寸越来越小, 而当avidin浓度大于2 ngL-1时, 其凝聚尺寸又突然变大. DLS实验结果也显示了同样的规律, 伴随着avidin浓度的升高, DNA的粒径大小从大约170 nm减小到125 nm左右, 其电泳迁移率由-2.76(10-4 cm2V-1s-1) 变化到-0.1(10-4 cm2V-1s-1). 此外, 通过MT技术的力谱曲线变化, 发现avidin导致的DNA凝聚与其他多价离子相比, 长度的变化曲线几乎呈线性变化, 偶尔存在少而小的阶跃, 这种变化趋势与组蛋白的变化曲线更相似. 因此可以判断, avidin 导致DNA凝聚是由avidin与DNA的静电吸引和avidin自身聚集两种相互作用引起的.
基于车载通信标准街道场景的电磁散射信道模型
周杰, 姚颖莉, 邵根富, 沈晓燕, 刘鹏
2016, 65 (14): 140501. doi: 10.7498/aps.65.140501
摘要 +
针对室外无线信道视距(line of sight, LOS)/非视距(non-line of sight, NLOS)传输环境下的车到车(vehicular-to-vehicular, V2V)通信系统, 本文提出了一种基于标准街道散射的统计信道模型, 其移动发射机(mobile transmitter, MT)与移动接收机(mobile receiver, MR) 处于运动状态, 街道两旁分布的散射体固定. 由几何模型出发又引入了一种随机的参考信道模型, 其散射体有无穷多个, 均以平行于街道两侧的散射条纹形式均匀分布在三维 (three dimensional, 3D)空间的一个二维(two dimensional, 2D)矩形内部. 在室外街道通信环境下, 模型推导了散射信道中发射角(angle of departure, AOD)以及到达角(angle of arrival, AOA)的概率密度函数(probability density functions, PDFs)解析式; 研究了多普勒功率谱密度(power spectral density, PSD)及其时间自相关函数(autocorrelation function, ACF); 分析了模型多普勒参数以及街道散射体等因素对V2V通信系统性能的影响. 与城市、农村的测量信道对比分析, 表明本模型仿真的统计特性符合理论与实际, 拓宽了室外V2V无线通信信道建模的研究. 为评估室外V2V通信系统的传输特性、仿真无线通信系统提供了有力的研究工具.

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离化态原子基态电子结构特征与轨道竞争规律
金锐, 高翔, 曾德灵, 顾春, 岳现房, 李家明
2016, 65 (14): 140702. doi: 10.7498/aps.65.140702
摘要 +
离化态原子广泛存在于等离子体物质中, 其相关性质是天体物理、受控核聚变等前沿科学研究领域的重要基础. 基于独立电子近似, 本文系统研究了扩展周期表元素(2Z 119)所有中性和离化态原子的基态电子结构. 基于设计的原子轨道竞争图, 系统总结了各周期元素轨道竞争的规律, 并结合离化态原子的局域自洽势阐明了其轨道竞争(即轨道塌陷)的机制; 在此基础上, 说明了部分元素性质与轨道竞争的关系. 利用本文研究得到的离化态原子基态电子结构, 可建立更精密计算相关原子的能级结构、跃迁几率等物理量之基础, 从而满足高功率自由电子激光实验分析、原子核质量精密测量等前沿研究的需求.
基于空间应用的透射式微型微束调制X射线源
牟欢, 李保权, 曹阳
2016, 65 (14): 140703. doi: 10.7498/aps.65.140703
摘要 +
针对空间应用对X射线源的需求, 提出了一种透射式微型微束调制X射线源的设计方案, 建立了调制X射线源的理论模型. 相较传统的X射线源, 增加了栅极电压控制和多个聚焦极微束聚焦功能, 通过改变栅极电压实现X射线的幅度调制和脉冲调制. 利用带电粒子光学仿真软件SIMION, 模拟计算了不同管电压下透射式阳极靶的最佳靶厚, 仿真分析了不同栅极电压对电子束运动轨迹的影响, 最终得到了150 m的微束焦斑直径. 完成了原理样机的加工镀膜和真空密封, 搭建了调制X射线源的测试装置, 实验报道了阳极钨靶的谱线特性, 分析了栅极电压影响出射X射线强度的原因, 讨论了栅极幅度调制的可能性, 完成了调制X射线源栅极脉冲调制的验证.
碳纳米管中水孤立子扩散现象的模拟研究
李阳, 宋永顺, 黎明, 周昕
2016, 65 (14): 140202. doi: 10.7498/aps.65.140202
摘要 +
受限于人造或天然纳米通道的分子运动已成为纳米科学的研究热点, 对生物和化学也具有重要意义. 本文采用分子动力学模拟的方法研究了水分子在单壁扶手椅型碳纳米管内的运动. 针对基于水密度缺陷的孤立子输运机理, 我们发展了新的方法用以准确鉴别孤立子, 在此基础上细致研究了孤立子的运动行为, 发现其满足标准一维扩散运动的特征. 我们的模拟还表明, 温度越高, 孤立子扩散速度越大; 孤立子数密度越大, 其扩散速度越小, 这与前人提出的孤立子之间存在弱排斥的设想是一致的.
核物理学
非定常输运问题适应于消息传递并行编程环境的香农熵计算方法
上官丹骅, 邓力, 张宝印, 姬志成, 李刚
2016, 65 (14): 142801. doi: 10.7498/aps.65.142801
摘要 +
在多计算步的非定常输运问题的蒙特卡罗模拟中, 为自动调整每一步的样本数以获得较高的计算效率, 可以有多种准则. 一种可选的方法是在每一步每隔若干样本监测一次系统中未死亡粒子属性分布对应的香农熵的收敛情况以决定何时停止追加样本, 此种方法需要在每一步频繁计算香农熵值. 由于在MPI消息传递并行编程环境下香农熵的经典计算方法必须广播大量的数据, 导致每一步的计算时间随香农熵计算频率的提高而快速增大, 这显然是不能满足实际需求的. 本文提出了一种适应于消息传递并行编程环境的香农熵计算新方法, 该方法计算得到的香农熵值并不等价于经典方法, 但二者之间的差别会随着样本数的增加而趋于零. 新方法的最大优势是高频计算香农熵值的时间代价大为降低, 为最终实现基于香农熵收敛判断的每步样本数的自动调整奠定了必要的基础.
胶子非弹性散射过程对夸克胶子等离子体中双轻子产生的影响
管娜娜
2016, 65 (14): 142501. doi: 10.7498/aps.65.142501
摘要 +
双轻子是研究夸克物质的形成和性质的重要探针. 本文基于化学平衡化的黏滞性夸克胶子等离子体演化模型, 计算了相对论重离子碰撞能量下金-金对心碰撞形成的夸克胶子等离子体中的双轻子产额. 在黏滞性计算中加入了胶子非弹性散射过程对黏滞系数的贡献. 相较仅考虑夸克和胶子弹性散射的情况, 双轻子的产额有较明显的降低. 这表明在黏滞系数中加入胶子非弹性散射的贡献使得系统的演化过程加快, 演化时间变短.
原子和分子物理学
太赫兹波段液晶分子极化率的理论研究
陈泽章
2016, 65 (14): 143101. doi: 10.7498/aps.65.143101
摘要 +
近年来, 太赫兹(THz)波段电磁辐射的研究引起科学技术界广泛的关注. 液晶(LC)材料具有宽带可调的特性且拥有成熟的工业技术基础, 在基于液晶设计的太赫兹可调器件研究中显示了巨大的应用潜力. 因此, 为了快速发展实用的LC-THz调制器件, 对液晶材料在太赫兹频率范围内的光电特性进行系统的了解是至关重要的. 分子极化率是表征分子中电荷分布的重要物理量. 采用密度泛函理论方法对液晶分子PCH5, 5CB和5OCB在太赫兹波段的极化率性质进行计算研究, 从电子结构的角度, 利用极化率密度分析方法考察了分子不同区域对极化率数值的贡献, 详细探讨了尾链、核心结构和极性取代基等不同基团对极化率及其各向异性的影响.

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Xe53+离子与Xe原子碰撞过程中的辐射电子俘获和辐射退激发光谱的理论研究
梁腾, 马堃, 武中文, 张登红, 董晨钟, 师应龙
2016, 65 (14): 143401. doi: 10.7498/aps.65.143401
摘要 +
基于多组态Dirac-Fock方法和密度矩阵理论, 系统地研究了在197 MeV/u的碰撞能量下, Xe53+离子与Xe原子的辐射电子俘获过程(REC)以及电子被俘获到激发态后辐射退激发产生的特征谱线. 计算了炮弹Xe53+离子俘获电子到不同壳层np1/2,3/2 (n=2-5) 的总截面与相应的REC光子能量和角分布, 以及由激发组态1s np1/2,3/2 (n=2-5) Jf=1向基态1s2 Jd=0辐射退激发的跃迁能量、跃迁概率和特征光子的角分布和线性极化度. 计算结果表明, 辐射光子具有显著的角各向异性特征. 此外, 1snp3/2 Jf=11s2 Jd= 0 退激发特征光子也显示出很强的线性极化和角各向异性特征, 而1snp1/2 Jf = 1 1s2 Jd = 0 退激发特征光子的线性极化度趋于零并且角分布也趋于各向同性.
绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统
李仕春, 王大龙, 李启蒙, 宋跃辉, 刘丽娟, 华灯鑫
2016, 65 (14): 143301. doi: 10.7498/aps.65.143301
摘要 +
纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一, 其正常工作需要配置其他并行校正设备, 制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程. 基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性, 提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统. 系统采用波长532 nm且脉冲能量300 mJ的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器, 设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统; 仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系, 优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度, 设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构; 基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法, 并结合标准大气模型, 分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能. 结果表明, 所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线, 在测量时间17 min内, 温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学

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高功率激光终端KDP晶体非共线高效三倍频及远场色分离方案数值模拟分析
刘崇, 季来林, 朱宝强, 林尊琪
2016, 65 (14): 144202. doi: 10.7498/aps.65.144202
摘要 +
为满足高功率激光装置对终端光学系统的改进要求, 控制3光路透射元件厚度以降低激光损伤风险, 避免3非对称聚焦与色分离元件对靶场调靶产生不利影响, 本文利用非共线相位匹配原理讨论了KDP晶体I类和II类两种和频产生351 nm(3)激光及其远场色分离过程. 模拟结果表明, 室温20 ℃环境中除目前常用的共线和频外, 1053 nm()与526.5 nm(2)激光可选择I类或II类两种非共线和频方式实现高效3激光输出并在激光远场实现色分离, 且具有足够的高效转换失谐角容宽. 计算表明, 与I类和频类似, II类和频也存在一个非临界相位匹配过程, 其匹配方向约为 (3) = 86.53. 可通过增加晶体厚度克服其有效非线性系数较低的缺点, 实现3高效输出, 失谐角容宽可达 20 mrad. 为满足靶场需要, 解决非共线角容宽苛刻带来的调节不便, 并进一步使光路紧凑, 将楔角为12的熔石英楔板置于倍频晶体之后, 与2 激光在熔石英楔板后表面可产生约3.5 mrad分离角. 经非共线和频, 使用薄透镜即可实现聚焦及色分离. 该方案完全满足终端光学系统的改进要求, 可作为可靠的备选方案之一.
海洋环境噪声场对称性分析及噪声消除方法
夏麾军, 马远良, 刘亚雄
2016, 65 (14): 144302. doi: 10.7498/aps.65.144302
摘要 +
实际的海洋环境是非常复杂的, 存在着海洋自噪声、舰船噪声、生物发声等, 阵元接收到的噪声信号存在一定的相关性, 此时基于传统阵列信号处理的目标方位估计方法的性能将变差, 针对这一问题, 提出了一种实部消除方法. 首先从阵元接收环境噪声的物理机理出发, 将圆环阵接收的噪声场分解为对称噪声场和非对称噪声场, 并且研究发现对称噪声场只影响数据协方差矩阵的实部. 然后通过消除协方差矩阵实部, 达到消除对称噪声场的目的, 提高信噪比, 但是同时产生了虚假声源. 针对虚假声源的问题, 提出了基于优化算法重构协方差矩阵实部的方法, 消除了虚假声源的影响. 仿真分析与海试数据处理结果表明: 该方法明显消除了对称噪声, 提高了信噪比, 改善了阵列信号处理算法的性能. 实部消除方法易于实现, 有一定的工程应用价值.
基于交替隐式有限差分法的快速早期乳腺癌时域微波断层成像
陈碧云, 张业荣, 王磊, 王芳芳
2016, 65 (14): 144101. doi: 10.7498/aps.65.144101
摘要 +
采用时域微波断层成像技术进行早期乳腺癌检测能够准确地获得乳房的电参数分布, 具有明确的物理解释和医学诊断价值. 临床应用讲究即时性, 为了提高检测的速度, 本文将交替隐式有限差分法应用到乳腺癌检测中, 基于正反演时间步进成像算法进行成像分析, 结果显示在保证精度的前提下, 采用交替隐式有限差分法的成像时间可缩短为传统时域有限差分法的23%, 提高了微波断层成像技术的临床可应用性.
一种含时贝塞尔光束的理论性质研究
乐阳阳, 张兴宇, 杨波, 陆蓉儿, 洪煦昊, 张超, 秦亦强, 朱永元
2016, 65 (14): 144201. doi: 10.7498/aps.65.144201
摘要 +
本文从理论角度提出了一种含时贝塞尔光束的概念. 在非傍轴和非时谐条件下, 直接从麦克斯韦方程出发, 借鉴半贝塞尔光束的处理方法, 同时引入第四维虚数坐标, 由此获得了完整的含时贝塞尔光束的解析表达式. 并从无衍射性质和时空特性两个方面对其进行了探讨和研究, 发现该光束具有如下性质: 符合贝塞尔光束类型的无衍射特征; 在时空双曲线上强度保持不变; 光波时空特性的临界条件类似于相对论中的光锥. 含时贝塞尔光束的概念为无衍射自加速光束的研究开拓了新的思路和方向.
浓悬浮液中纳米SiO2团聚体的渗透率
夏辉, 杨伟国
2016, 65 (14): 144203. doi: 10.7498/aps.65.144203
摘要 +
本文基于悬浮液中渗透性颗粒的短时扩散动力学理论, 采用低相干光纤动态光散射方法, 测量了相同粒径的纳米SiO2团聚体在不同体积分数时的扩散系数, 利用扩散系数随渗透率的变化关系得到纳米SiO2团聚体的渗透率. 结果表明: 恒温条件下, 具有一定渗透率的团聚体颗粒扩散得比硬球颗粒快. 实验测量得到的团聚体渗透率与采用photoshop CS6 对团聚体SEM图像进行处理计算得到的渗透率符合较好.
粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导
张晓晖, 张爽, 孙春生
2016, 65 (14): 144204. doi: 10.7498/aps.65.144204
摘要 +
研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义. 本文采用分形方法模拟粗糙海面, 并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程, 然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束, 依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型, 采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布. 将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析, 结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势, 验证了模型的有效性.
Tm3+掺杂Ge-Ga-S玻璃微球-石英光纤锥耦合系统的荧光回廊模特性
张兴迪, 吴越豪, 杨正胜, 戴世勋, 张培晴, 张巍, 徐铁锋, 张勤远
2016, 65 (14): 144205. doi: 10.7498/aps.65.144205
摘要 +
以熔融淬冷法自制了Tm3+掺杂Ge-Ga-S硫系玻璃, 并以此为基质材料, 用漂浮粉料熔融法制备了直径分布为50-200 m的高品质因数(Q 104)的有源硫系玻璃微球谐振腔. 在显微镜下优选出一颗表面质量好、球形度较高、直径为72.84 m的微球, 与氢氧焰扫描拉锥法制备的一根腰锥直径为1.93 m的石英光纤锥进行近场耦合. 根据基质材料的吸收光谱特性, 选用808 nm的半导体激光器作为抽运源. 实验测得光纤锥倏逝波场激发出了掺Tm3+硫系玻璃微球在1460 nm附近的荧光回廊模式, 其典型共振峰间隔为4.39 nm. 实验测得的荧光回廊模式与米氏散射理论计算结果符合度较高(最大误差仅为0.047%), 验证了本文提出的掺Tm3+硫系微球制备及耦合工艺的可行性.
低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应
王成会, 莫润阳, 胡静
2016, 65 (14): 144301. doi: 10.7498/aps.65.144301
摘要 +
本文在气泡群振动模型的基础上, 考虑气泡间耦合振动的影响, 得到了均匀柱状泡群内振动气泡的动力学方程, 以此为基础分析了低频超声空化场中柱形气泡聚集区内气泡的非线性声响应特征. 气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束, 降低了气泡的自然频率, 增强了气泡的非线性声响应. 随着气泡数密度的增加, 气泡的自然共振频率降低, 受迫振动气泡受到的抑制增强. 数值分析结果表明: 1)驱动声波频率越低, 气泡的初始半径越小, 气泡数密度变化对气泡最大半径变化幅度的影响越大; 2)气泡振动幅值响应存在不稳定区, 不稳定区域分布与气泡初始半径、驱动声波压力幅值、驱动声波频率等因素有关. 在低频超声波作用下, 对初始半径处在1-10 m之间的空化气泡而言, 气泡初始半径越小, 气泡最大半径不稳定区分布范围越大, 表明小气泡具有更强的非线性特征. 因此, 气泡初始半径越小, 声环境变化对空化泡声响应稳定性影响越显著.
陆架斜坡海域声场特性对常规波束形成阵增益的影响
谢磊, 孙超, 刘雄厚, 蒋光禹
2016, 65 (14): 144303. doi: 10.7498/aps.65.144303
摘要 +
常规波束形成是水下阵列信号处理中最基本的处理环节. 陆架斜坡海域特殊地形所带来的水下声场变化会影响阵增益. 以往的研究中, 只关注声场相关性对阵增益的影响. 本文基于水声信号传播理论, 研究常规波束形成阵增益与陆架斜坡海域水下声场之间的关系, 证明声场相关性和传播损失是影响阵增益的内在因素, 并推导了各向同性噪声场中常规波束形成阵增益与两者之间的关系式. 结果表明: 1) 常规波束形成阵增益由声场相关性和声传播损失共同决定, 其最大值不超过10lg M; 2) 当两个不同接收位置的传播损失相似时, 基阵各阵元间的声场相关性越高, 阵增益越大; 3) 当两个不同接收位置的传播损失相差较大时, 阵增益与声场相关性不再是正相关关系. 利用RAM 声场软件, 在陆架斜坡海域上坡波导环境中, 对水平阵常规波束形成阵增益与声场相关性和传播损失的关系进行仿真验证.
气体、等离子体和放电物理
ICP微等离子体射流在快速成形制造中的应用
张一川, 杨宽, 李唤, 朱晓东
2016, 65 (14): 145201. doi: 10.7498/aps.65.145201
摘要 +
本文开展了大气压甚高频感应耦合(ICP)微等离子体射流的特性与应用研究. 在150 MHz 甚高频, 功率为90 W条件下获得温度高达上千度的温热等离子体射流, 射流长度近3 cm. 随着气流量的增加射流将呈现层流到湍流的转变, 长度先增后减; 而功率对于射流长度的影响存在着一个上限, 当等离子体吸收的能量与扩散损失的能量达到平衡时, 射流长度将达到最大. 利用这种ICP微等离子体射流进行了微尺寸金属铜的快速成形制造, 得到了球冠状和柱状铜金属件. 在扫描电子显微镜下观察到沉积物表面最小颗粒尺寸远小于铜粉颗粒; X射线衍射结果显示沉积物表面存在弱氧化物峰, 这是沉积过程中空气被射流卷入所致.
真空二极管辐射微波的机理分析
季曾超, 陈仕修, 高深, 陈俊, 田微
2016, 65 (14): 145202. doi: 10.7498/aps.65.145202
摘要 +
在研究真空开关的过程中, 发现真空二极管能辐射出宽带微波. 这种器件只由带触发装置的阴极和平板阳极组成, 不存在金属波纹慢波结构, 所以真空二极管的辐射机理与等离子体填充微波器件不同, 不能直接套用等离子体填充微波器件的相关理论. 本文描述了真空二极管产生辐射的物理过程, 建立了真空二极管辐射的数学模型, 通过求解波动方程得到产生辐射的色散关系, 并绘制出了色散曲线. 将理论分析得到的色散曲线与已经测得的微波辐射进行比较, 两者能很好地符合. 理论分析和实验结果表明, 电子束和磁化等离子体的相互作用是真空二极管产生微波辐射的原因.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
强磁与应力场耦合作用下AZ31镁合金塑性变形行为
王宏明, 朱弋, 李桂荣, 郑瑞
2016, 65 (14): 146101. doi: 10.7498/aps.65.146101
摘要 +
研究强磁场对AZ31镁合金塑变能力和微观组织的作用, 在3 T脉冲强磁场条件下对合金进行磁场耦合应力时的拉伸实验. 采用电子背散射衍射、X射线衍射和透射电镜分析等方法研究材料的微观组织. 结果表明: 与0 T拉伸试样相比, 3 T拉伸试样抗拉强度和延伸率分别提高了2.2%和28.7%, 说明将强磁场耦合作用于材料塑性变形过程时, 能在不降低材料强度的同时提高镁合金的塑性变形能力, 有助于同步改善材料强韧性. 磁场作用机理主要表现为磁致塑性效应, 计算表明主要合金相 (Mg17Al12)为顺磁性, 有助于发挥磁场作用效果. 磁场提高了位错运动灵活性并促使位错增殖, 晶界处位错堆积和应力集中促进了再结晶形成, 晶粒发生细化, 发挥细晶强韧化效果; 同时磁场诱发塑性变形时的晶粒转动, 新生成非基面取向的晶粒弱化了镁合金(0001)基面织构, 该组织特征有助于提高材料的塑变能力.
空位缺陷和相变对冲击压缩下蓝宝石光学性质的影响
唐士惠, 操秀霞, 何林, 祝文军
2016, 65 (14): 146201. doi: 10.7498/aps.65.146201
摘要 +
为了探究冲击压缩下蓝宝石光学性质的变化行为, 本文采用第一性原理方法, 在180 GPa的压力范围内计算了蓝宝石理想晶体和含空位点缺陷晶体的光学性质. 吸收光谱数据表明, 仅考虑压力和温度因素不能解释冲击消光实验的结果, 而冲击诱导的氧离子空位点缺陷应该是导致该结果的一个重要原因. 波长在532 nm处的折射率数据表明: 1)蓝宝石的两个高压结构相变将导致其折射率明显上升; 在Corundum和Rh2O3相区, 其折射率将随冲击压力增大而降低; 在CalrO3相区, 压力小于172 GPa时, 其折射率随冲击压力增大而缓慢地降低, 但172 GPa以上时折射率却随冲击压力增大而逐渐增大; 2)空位点缺陷对折射率随冲击压力的变化规律有明显的影响. 本文结果不仅有助于增强用空位点缺陷的物理机理来解释蓝宝石冲击透明性损伤现象的可靠性, 而且对未来进一步的实验研究以及发展新型窗口材料有重要的参考作用.
微晶硅锗薄膜作为近红外光吸收层在硅基薄膜太阳电池中的应用
曹宇, 薛磊, 周静, 王义军, 倪牮, 张建军
2016, 65 (14): 146801. doi: 10.7498/aps.65.146801
摘要 +
采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 制备了具有一定晶化率不同Ge 含量的氢化微晶硅锗 (c-Si1-xGex:H)薄膜. 通过X射线荧光谱、拉曼光谱、X 射线衍射 谱、傅里叶红外谱、吸收系数谱和电导率的测试, 表征了c-Si1-xGex:H的材料微结构随Ge含量的演变. 研究表明: 提高Ge含量可以增强c-Si1-xGex:H薄膜的吸收系数. 将其应用到硅基薄膜太阳电池的本征层中可以有效提高电池的短路电流密度 (Jsc). 特别是在电池厚度较薄或陷光不充分的情况下, 长波响应的提高会更为显著. 应用ZnO衬底后, 在Ge含量分别为9%和27%时, c-Si1-xGex:H太阳电池的转换效率均超过了7%. 最后, 将c-Si1-xGex:H太阳电池应用在双结叠层太阳电池的底电池中, 发现c-Si0.73Ge0.27:H底电池在厚度为800 nm时即可得到比1700 nm 厚微晶硅 (c-Si:H) 底电池更高的长波响应. 以上结果体现了c-Si1-xGex:H 太阳电池作为高效近红外光吸收层, 在硅基薄膜太阳电池中应用的前景.
氧化石墨烯基功能纸的简易制备和染料吸附性能
曹海燕, 毕恒昌, 谢骁, 苏适, 孙立涛
2016, 65 (14): 146802. doi: 10.7498/aps.65.146802
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染料污染是水体污染的一个重要方面, 吸附法因具有效率高, 简单易操作等优点, 被认为优于其他的染料废水处理技术. 本文采用一种简单的方法制备了具有高吸附、易分离特性的氧化石墨烯基功能纸, 研究其对水中阳离子染料的吸附, 考察了吸附时间、染料初始浓度、吸附剂用量及温度对吸附性能的影响. 利用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析、热重分析、紫外可见吸收光谱仪等测试方法, 对氧化石墨烯基功能纸的结构、形貌和吸附性能进行表征分析. 结果表明: 氧化石墨烯基功能纸对阳离子染料亚甲基蓝和罗丹明B有良好的吸附效果, 当亚甲基蓝和罗丹明B的初始浓度分别为40和30 mgL-1, 功能纸对两种染料的吸附量分别达到了54.84 和21.74 mgg-1. 而且这种氧化石墨烯基吸附材料很好地解决了吸附剂与水体的分离问题. 另外, 实验还发现, 在氧化石墨烯基功能纸吸附染料的过程中, 氧化石墨烯对染料的吸附作用远远大于纸巾本身对染料的吸附. 例如, 对于罗丹明B, 纸巾的吸附量几乎为零, 当罗丹明B 的初始浓度为30 mgL-1时, 以纸巾上负载的氧化石墨烯质量计算的吸附量达到了183 mgg-1. 动力学研究结果表明吸附过程较好地符合伪二级动力学模型, 热力学数据分析, 氧化石墨烯基功能纸对两种染料的吸附行为是自发吸热的. 研究结果对基于氧化石墨烯的吸附材料的制备和应用提供了参考依据.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
-Fe2O3/NiO核-壳纳米花的合成、微结构与磁性
李志文, 何学敏, 颜士明, 宋雪银, 乔文, 张星, 钟伟, 都有为
2016, 65 (14): 147101. doi: 10.7498/aps.65.147101
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利用溶剂热/热分解的方法合成出微结构可控的-Fe2O3/NiO 核-壳结构纳米花. 分析表明NiO壳层是由单晶结构的纳米片构成, 这些纳米片不规则地镶嵌在-Fe2O3核心的表面. Fe3O4/Ni(OH) 2前驱体的煅烧时间对-Fe2O3/NiO核-壳体系的晶粒生长、NiO相含量和壳层致密度均有很大的影响. 振动样品磁强计和超导量子干涉仪的测试分析表明, 尺寸效应、NiO相含量和铁磁-反铁磁界面耦合效应是决定-Fe2O3/NiO核-壳纳米花磁性能的重要因素. 随着NiO相含量的增加, 磁化强度减小, 矫顽力增大. 在5 K下, -Fe2O3/NiO核-壳纳米花表现出一定的交换偏置效应(HE=46 Oe), 这来自于(亚)铁磁性-Fe2O3 和反铁磁性NiO之间的耦合相互作用. 与此同时, 这种交换耦合效应也进一步提高了样品的矫顽力(HC=288 Oe).
一维金属光栅嵌入磁性介质纳米结构下的横向磁光克尔效应的增强
陈聿, 刘垄, 黄忠, 屠林林, 詹鹏
2016, 65 (14): 147302. doi: 10.7498/aps.65.147302
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本文在一维金属光栅嵌入磁性介质的体系中实现了横向磁光克尔效应的增强. 通过最优化金属光栅的嵌入深度来有效激发磁性介质中的波导模式与金属条带上的局域等离激元模式, 从而使横向磁光克尔效应的响应得到巨大增强. 本文提出了一种用于增强横向磁光克尔效应的新型等离激元微纳结构, 这种结构可以应用于高性能磁光器件的设计.
等价电子数组元Heusler合金Fe2RuSi中的原子占位
辛月朋, 马悦兴, 郝红月, 孟凡斌, 刘何燕, 罗鸿志
2016, 65 (14): 147102. doi: 10.7498/aps.65.147102
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对等价电子数组元Heusler合金Fe2RuSi的原子占位、电子结构与磁性进行了理论与实验研究. 第一性原理计算表明, 虽然Fe2RuSi中Fe, Ru均有8个价电子, 但是Ru仍表现出强烈的占据A, C晶位倾向. 基态总能最低的是Fe与Ru分别占据A, C晶位的XA结构, 次低的是Fe, Ru在A, C位混乱占位的L21B结构, 且两者能量差很小. 这说明决定Heusler 合金中过渡族原子占位的因素除价电子数以外还可能有原子半径和共价杂化作用等. 态密度和差分电荷密度计算表明Heusler合金中主族元素与最近邻过渡族元素之间的p-d共价杂化对Heusler合金的占位有明显影响, 在XA结构中Ru与Si和Fe (B)之间都存在明显的杂化作用, 而在高能的L21结构中, Si与最近邻的Fe 杂化作用相当弱. XRD测试表明在室温Fe2RuSi存在A, C位之间的Fe-Ru反占位, 形成了能量次高的L21B结构, 这主要来自于混合熵对自由能的贡献及其引起的原子自发混乱占位. 在5 K下Fe2RuSi的饱和磁矩为4.87 B/f.u., 与计算值符合得相当好.
基于微波表面等离激元的360电扫描多波束天线
韩亚娟, 张介秋, 李勇峰, 王甲富, 屈绍波, 张安学
2016, 65 (14): 147301. doi: 10.7498/aps.65.147301
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基于微波表面等离激元提出了一种电扫描多波束天线. 该多波束天线由24条相同的端射天线绕同一圆心旋转而成, 相邻端射天线之间的夹角为15. 单条端射天线的设计基于微波表面等离激元的耦合, 将馈电单极子辐射的全向场调制为端射的定向场. 仿真结果表明, 提出的基于微波表面等离激元的多波束天线, 在9.5-10.25 GHz频段内可实现面内360 波束扫描, 且平均增益约为11.8 dBi, 半功率波束宽度约为15.
铈镁交替掺杂Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜高调谐性能
胡一明, 廖家轩, 杨函于, 王思哲, 吴孟强, 徐自强, 冯婷婷, 巩峰
2016, 65 (14): 147701. doi: 10.7498/aps.65.147701
摘要 +
根据Ce掺杂、Mg掺杂以及Y和Mn交替掺杂可分别使Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST)薄膜的介电调谐率、介电损耗和综合介电性能提高、降低和提高的特点, 采用改进的溶胶- 凝胶(sol-gel)法制备了6层Ce和Mg交替掺杂BST薄膜, 并研究其结构及介电性能. X射线衍射表明, 该薄膜为立方钙钛矿结构、主要沿(110)晶面生长、晶化明显增强. 扫描电子显微镜表明, 薄膜表面形貌极大改善, 首层薄膜与基体良好匹配, Ce掺杂层为首层的交替掺杂薄膜表面更均匀致密、晶粒更细小、晶化略微减弱. X射线光电子能谱表明, 薄膜表面非钙钛矿结构显著减少. 薄膜显示高调谐率和高优质因子. Mg掺杂层为首层的交替掺杂薄膜在高频范围的综合介电性能更稳定. Ce 掺杂层为首层的交替掺杂薄膜在低频范围的介电强度更高, 综合性能更突出, 在100 kHz 下, 10, 20和40 V偏压对应的调谐率分别为47.4%, 63.6% 和71.8%, 对应的优质因子分别为27.1, 77.5和86.5, 可满足微波调谐应用. 同时, 就有关机理进行了分析.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于永磁恒定磁场激励的起始磁化曲线测量
邓东阁, 武新军, 左苏
2016, 65 (14): 148101. doi: 10.7498/aps.65.148101
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现有起始磁化曲线测量系统需绕制励磁线圈和感应线圈, 在线应用受限. 为此, 本文提出了一种基于永磁恒定磁场激励的起始磁化曲线测量原理并搭建了相应测量系统. 该系统采用永磁磁化器作为激励磁源, 以对称磁化方法在圆柱棒状构件上激励出随轴向位置变化的恒定磁场作为激励磁场; 采用阵列霍尔探头测量构件表面不同提离下的轴向和法向磁感应强度; 并基于多项式外推法和磁场高斯定理外推法, 推算构件与空气分界面上的轴向和法向磁感应强度; 进一步地, 根据分界面上的磁感应强度获取构件的起始磁化曲线. 系统测量结果表明, 在永磁恒定磁场激励下, 无须励磁线圈和感应线圈即可方便地获取棒状构件的起始磁化曲线, 测量误差小于10%, 测量误差标准差小于0.01, 重复性较好. 该系统可为便捷地在线测量棒状构件起始磁化曲线提供新途径.
一种全局同质化相依网络耦合模式
高彦丽, 陈世明
2016, 65 (14): 148901. doi: 10.7498/aps.65.148901
摘要 +
相依网络的相依模式(耦合模式)是影响其鲁棒性的重要因素之一. 本文针对具有无标度特性的两个子网络提出一种全局同质化相依网络耦合模式. 该模式以子网络的总度分布均匀化为原则建立相依网络的相依边, 一方面压缩度分布宽度, 提高其对随机失效的抗毁性, 另一方面避开对度大节点(关键节点)的相依, 提高其对蓄意攻击的抗毁性. 论文将其与常见的节点一对一的同配、异配及随机相依模式以及一对多随机相依模式作了对比分析, 仿真研究其在随机失效和蓄意攻击下的鲁棒性能. 研究结果表明, 本文所提全局同质化相依网络耦合模式能大大提高无标度子网络所构成的相依网络抗级联失效能力. 本文研究成果能够为相依网络的安全设计等提供指导意义.
非均匀外力对粗粒化DNA穿孔行为影响的模拟研究
马姗, 马军, 杨光参
2016, 65 (14): 148701. doi: 10.7498/aps.65.148701
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通过建立DNA高分子的粗粒化模型, 采用分子动力学方法模拟其穿孔行为, 研究了不同的孔内非均匀外力对DNA高分子穿孔的影响. 外力及高分子链内部势能在分子水平下对单体的综合作用很复杂, 某些条件穿孔过程会产生后面粒子超过前面粒子而使高分子链堵塞在孔内的情况. 研究还发现, 穿孔行为是否成功与孔口力的大小有关, 在成功穿孔的情况下, 非均匀外力相比于恒力情况穿孔时间至少减少了1/2. 这些结果对理解DNA复杂的穿孔机理提供了新的视角.
高倍聚光光伏模组中三结太阳电池沿光轴方向光电性能与优化
连榕海, 梁齐兵, 舒碧芬, 范畴, 吴小龙, 郭银, 汪婧, 杨晴川
2016, 65 (14): 148801. doi: 10.7498/aps.65.148801
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目前, 在高倍聚光光伏模组设计中, 由于对菲涅耳透镜聚光后各波段的光强分布及其非均匀特性缺乏研究和认识, 通常认为在菲涅耳透镜的聚光焦平面处多结太阳电池输出功率最大, 本文通过光线跟踪模拟的方法, 计算并分析菲涅耳透镜聚光下不同波段的光照能量分布和非均匀特性. 同时, 结合三结太阳电池电路网络模型, 研究在高倍聚光光伏模组中, 沿光轴方向不同位置处三结太阳电池的发电性能. 结果表明: 模组输出功率最高位置在焦平面沿光轴方向上下两侧的位置, 优化后模组输出功率比常规设计提高20% 以上. 该模拟结果得到了实验结果的验证.
螺旋上升对自激发锯齿型双壁碳纳米管振荡行为的影响
曾永辉, 江五贵, Qin Qing-Hua
2016, 65 (14): 148802. doi: 10.7498/aps.65.148802
摘要 +
运用分子动力学方法模拟了锯齿型双壁碳纳米管体系的振荡行为, 其中旋转的内管施加了不同大小的螺旋上升长度. 不同于以前关于扶手椅型碳纳米管的工作(Zeng Y H, et al. 2016 Nanotechnology 27 95705), 锯齿型的内管在施加了不同大小的螺旋上升长度之后, 其管壁结构会产生畸变或缺陷. 模拟过程中, 锯齿型内管在施加一定的旋转速度以后保持自由, 而固定的外管为无任何缺陷的理想锯齿型碳纳米管. 分子动力学模拟结果显示锯齿型内管的轴向振荡行为与内管施加的螺旋上升长度密切相关. 内管的振荡频率随着内管螺旋上升长度的增加而增加. 但当内管的螺旋上升长度较大时, 由于螺旋上升所引起的内管缺陷结构造成整个内管的破裂, 从而导致其无法进行稳定的轴向振荡. 模拟结果还显示, 对于无螺旋上升的理想锯齿型碳管, 虽然其轴向振荡效果非常微弱, 但却可以作为一种具有恒定旋转频率的旋转致动器. 此外, 对螺旋上升长度为0.5 nm的内管在不同温度下的振荡性能进行了模拟分析, 结果表明内管振荡的幅度随温度的升高而相应地增加, 但当温度超过一定的临界值后, 内管不能保持稳定的振荡.