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Vol. 65, No. 20 (2016)

2016年10月20日
总论 电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学 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 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
总论
纳米有机薄膜有效导电层的反射光谱法研究
侯艳洁, 胡春光, 张雷, 陈雪娇, 傅星, 胡小唐
2016, 65 (20): 200201. doi: 10.7498/aps.65.200201
摘要 +
为研究纳米厚度有机薄膜生长过程中有效导电层的判定方法,揭示反射光谱蕴含的薄膜生长机理,基于多相膜层等效结构和光学菲涅耳方程建立了材料光学系数和膜层厚度为参数的差分反射光谱数学模型,提出了依据相对拟合误差的拟合度评价方法.通过分析室温真空环境纳米厚度并五苯薄膜在Si/SiO2基底上生长过程的差分反射光谱,发现采用四相膜层结构和并五苯薄膜晶体结构光学系数拟合的差分反射光谱与实验数据符合良好,确认并五苯分子主要以薄膜结构的形态进行生长,膜厚生长速率约为0.2 nm/min.该方法避免了反射光谱中多膜层结构产生的干涉信号对生长机理分析的影响.更为重要的是,相对拟合误差随生长时间的变化趋势与由薄膜构建的场效应管结构的电学特性呈现出明显的相关性,不仅反映了生长过程中薄膜成膜模式的演变趋势,还清晰地揭示了有效导电层的形成过程,为光谱法研究薄膜生长机理和无法进行电学测试的条件下监测薄膜电学特性提供了新手段.
混沌背景下非平稳谐波信号的自适应同步挤压小波变换提取
汪祥莉, 王斌, 王文波, 喻敏
2016, 65 (20): 200202. doi: 10.7498/aps.65.200202
摘要 +
针对同步挤压小波变换(SST)在提取混沌背景下非平稳谐波信号时的不足,提出一种改进的自适应最优累加频率范围的SST非平稳谐波信号提取方法.首先根据非平稳谐波信号小波系数与小波基支撑区间的关系,推导非平稳谐波SST提取时自适应累加频率范围的计算公式;然后,利用最小能量误差准则确定自适应累加频率范围公式中参数的最优值,从而实现非平稳谐波信号的SST自适应提取.分别在Lorenz混沌背景和Duffing混沌背景下对不同类型的非平稳谐波信号进行了实验分析,实验结果表明,该方法能有效地从含噪混沌背景中提取非平稳谐波信号,与经典的单一累加频率范围的SST方法相比,提取结果在均方误差和相关系数两方面都有较好的提高.
基于事件触发采样控制的异构混沌系统主从同步
马大中, 李晓瑜, 孙秋野, 张化光
2016, 65 (20): 200501. doi: 10.7498/aps.65.200501
摘要 +
本文针对异构不同维的混沌系统主从同步问题进行了研究.基于事件触发的采样控制器被设计用来实现主从混沌系统的同步.首先针对系统中所包含的传输时滞,构造系统时滞模型.基于所设计的时滞模型,采用输入延迟的方法将同步控制器求解问题转化为所对应时滞系统的稳定性问题.然后通过构造Lyapunov-Krasovskii泛函并结合Wirtinger不等式和自由权矩阵,给出了异构混沌系统同步的条件和采样控制器的求解方法.所设计的采样控制器只有在触发规则满足的条件下,才更新控制参数,降低了网络的使用率.最后通过数值仿真验证了所提出方法的有效性.
基于本征荧光的生物气溶胶测量激光雷达性能
饶志敏, 华灯鑫, 何廷尧, 乐静
2016, 65 (20): 200701. doi: 10.7498/aps.65.200701
摘要 +
为研究本征荧光对生物气溶胶粒子探测精度的影响,本文在阐述生物气溶胶荧光光谱信号探测原理的基础上,设计了一台紫外激光诱导荧光雷达.该雷达选用波长为266 nm的四倍频固体激光器作为激励光源,基于本征荧光波长、探测距离等主要参数,对生物气溶胶荧光光谱回波信号的信噪比及粒子浓度的最小分辨率进行数值仿真分析.仿真结果表明,在探测误差小于10%的情况下,距离为1.5 km时,系统对生物气溶胶荧光波长的有效探测范围为300–800 nm;而在距离为2.1 km时,荧光波长的有效探测范围为300–310 nm.此外,在探测距离定义为0.1 km,荧光波长为350和600 nm时,系统对物气溶胶粒子浓度的最小分辨率分别为2个颗粒/L和4个颗粒/L,最小分辨率的差值为2个颗粒/L.仿真结果有利于了解荧光波长变动时激光雷达系统的探测准确度,进而实现大气生物气溶胶更加有效的探测.

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基于两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统
王观, 胡华, 伍康, 李刚, 王力军
2016, 65 (20): 200702. doi: 10.7498/aps.65.200702
摘要 +
在许多精密科学实验和测试中,对地面垂直振动的有效隔离影响着实验结果和测试结果的精度.本文提出一种全新的两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统,在原理分析的基础上,设计并实现了该系统的样机.两根水平摆杆放置在同一竖直平面,绕各自铰链旋转,上摆杆通过普通弹簧悬挂于基座,下摆杆通过零长弹簧悬挂于上摆杆.系统通过光电探测方法检测两根摆杆的夹角作为误差信号,经过闭环控制将反馈力作用于上摆杆,使两根摆杆的夹角为零.零长弹簧悬挂点的位置与系统刚度有着密切关系,通过精细地调节弹簧悬挂点的位置,合理地设置控制参数,可以实现一个本征频率低至0.01 Hz的系统.理论上,该系统相对于被动式垂直隔振系统具有更好的隔振效果和抗干扰能力,相对于传统的主动式垂直隔振系统体积更小,结构更简单,有望应用于精密物理实验和科学研究当中.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
大地土壤表面与浅埋多目标宽带复合电磁散射研究
任新成, 朱小敏, 刘鹏
2016, 65 (20): 204101. doi: 10.7498/aps.65.204101
摘要 +
为了满足浅埋于粗糙面下方多目标测量和检测的需要,采用土水混合物介电常数的Topp方程模型表示大地土壤的介电特性,应用指数型分布粗糙面和Monte Carlo方法模拟大地土壤表面,运用时域有限差分方法研究大地土壤表面与浅埋多目标的宽带复合电磁散射,得出了复合散射系数的频率响应曲线.结果表明,复合散射系数随频率振荡地变化;随土壤表面均方根、土壤含水率、目标截面高度和间距的增大而增大,随目标截面宽度的增大而减小;随电磁波入射角的变化较大且较为复杂;随土壤表面相关长度、目标埋藏深度、目标介电参数的变化较小但较为复杂.与其他数值计算方法相比较,采用时域有限差分方法既可获得较高的准确性,同时又可减少计算时间和内存占用量,而且可以计算地、海粗糙面与附近任意多目标的宽带复合散射.
基于反演场扩散消除的时间反演多目标成像技术
臧锐, 王秉中, 丁帅, 龚志双
2016, 65 (20): 204102. doi: 10.7498/aps.65.204102
摘要 +
基于时间反演腔理论,分析了时间反演场存在的聚焦扩散现象.通过对该现象的分析,提出了利用Clean算法进行单频时间反演场扩散消除,进而实现时间反演多目标成像的技术.全波仿真结果表明,该技术能够消除时间反演场扩散的影响,利用单一频率信号实现多目标的成像.最后,分析了时间反演镜的选取对时间反演场的影响,并在此基础上,提出了非理想情况下相应的时间反演镜信号均衡算法,为时间反演多目标成像技术的实际应用提供了有效的支撑.
低能电子穿越玻璃直管和锥管动力学研究
万城亮, 李鹏飞, 钱立冰, 靳博, 宋光银, 高志民, 周利华, 张琦, 宋张勇, 杨治虎, 邵剑雄, 崔莹, Reinhold Schuch, 张红强, 陈熙萌
2016, 65 (20): 204103. doi: 10.7498/aps.65.204103
摘要 +
我们通过实验测量1.5 keV电子穿越玻璃直管/锥管的二维角分布的时间演化,研究了低能电子与绝缘玻璃管相互作用的动力学过程.观察到了低能电子穿越玻璃直管和锥管后其强度随时间呈现振荡.穿透的强度出现振荡峰结构,在出现峰的地方,透射的电子最开始出现微弱的圆点,随后微弱的圆点变为较明显的亮点,此后亮点逐渐变大变亮,接着变暗,最后亮斑迅速消失,同时透射电子的角分布中心伴随移动.这种行为显示了低能电子在玻璃管内的充放电呈现振荡行为,当入射电荷累积足够大时,存在一个快速放电的通道,后迅速充电产生阻止电子穿越的电场.对比锥管后的角分布和直管的角分布,我们发现锥管的穿透电子束流密度比直管的大40%.锥管的充放电的时间比直管快,这显示了锥管更容易快速放电,其由于充电建立的电场也更容易影响传输的电子.电子在玻璃直管和锥管的快速充放电的动力学过程显示出电子的传输机制与高电荷态离子有很大不同,其快速充放电过程显示了带负电的电子与绝缘体材料相互作用中的充放电过程与带正电离子的不同.
基于复合型光栅的光谱色散匀滑新方案
王健, 侯鹏程, 张彬
2016, 65 (20): 204201. doi: 10.7498/aps.65.204201
摘要 +
针对惯性约束聚变装置对提高靶面辐照均匀性的要求,提出了基于复合型光栅的光谱色散匀滑新方案,即利用复合型光栅中不同的色散区域对激光束进行不同方向的色散,例如,内部色散区域I的色散方向为水平或垂直方向,外部色散区域Ⅱ的色散方向为圆周方向,使得焦斑内部散斑在远场的扫动方向是平动和旋转两种方式的混合,因而可以有效减小焦斑内部条纹状强度调制,进而提高靶面辐照的均匀性.本文建立了基于复合型光栅的光谱色散匀滑理论模型,分析了复合型光栅方案的匀滑效果,并与典型的光谱角色散方案和“星”光栅方案进行了比较.在此基础上,针对复合型光栅的色散区域面积比值、色散区域I和Ⅱ的刻线密度等关键参数进行了讨论.结果表明,色散区域I面积占总色散区域面积比值在0.3–0.5时,复合型光栅方案可有效减小焦斑内条纹状强度调制和沿径向的强度调制;随着色散区域I,Ⅱ的刻线密度在一定范围内增加,焦斑均匀性得到改善,但结合实际的加工情况,应选取合理的光栅刻线密度;与典型一维光谱色散(1D-SSD)匀滑方案相比,该方案的靶面辐照均匀性更好,且可实现与多维光谱色散匀滑类似的效果,而与“星”光栅方案相比,该方案中复合型光栅的加工相对较简单,且其靶面辐照均匀性也更佳.
H2+在强激光脉冲作用下的电离率和原子核间距的关系
俞祖卿, 杨魏吉, 何峰
2016, 65 (20): 204202. doi: 10.7498/aps.65.204202
摘要 +
本文利用蒙特卡罗方法模拟电子在激光场以及分子库仑势作用下的经典轨迹,研究了氢分子离子H2+的电离率和原子核间距的关系,为电荷共振电离增强现象提供了一种基于电子经典运动的解释.当原子核间距为5–6 a.u.时,H2+的电离率显著增大.电子的运动轨迹揭示此时电子先围绕其中一个原子核运动,在逐步获得越来越多的动能后,运动轨迹受到另一个原子核的强烈影响,最后电子逃逸原子核的束缚.原子核之间的库仑势垒和激光调制的库仑势垒的高度差与电离率的大小直接相关.
外光注入半导体环形激光器同时产生两路宽带混沌信号
阎娟, 潘炜, 李念强, 张力月, 刘庆喜
2016, 65 (20): 204203. doi: 10.7498/aps.65.204203
摘要 +
本文将交叉反馈半导体环形激光器(SRL)产生的两路混沌信号平行单向注入到从激光器对应的模式中,构成了宽带混沌激光生成方案.通过建立速率方程,数值分析了失谐频率和注入强度对系统带宽及安全性影响.利用强度时间序列的频域变化规律揭示了带宽增强的物理原因,并且对增强区域不对称进行了解释.仿真结果表明:两路混沌信号的带宽增强路径相似.在非注入锁定区域,选择较高失谐频率以及适当的注入强度可以实现两路信号的带宽以及不可预测度同时增强.通过分析混沌信号的光谱可知注入混沌光与从激光器激光之间的拍频作用产生的高频振荡是导致带宽增强的物理原因.主激光器发生红移现象导致带宽增强区域呈现不对称,并且负失谐频率下容易实现带宽增强.非对称注入强度使得注入锁定区域缩小,拓宽了高注入强度下带宽增强范围.
像散正弦-高斯光束的分数傅里叶变换与椭圆空心光束产生
朱洁, 朱开成
2016, 65 (20): 204204. doi: 10.7498/aps.65.204204
摘要 +
基于分数傅里叶变换(FrFT)关系,推导了像散正弦-高斯光束场分布的解析表达式,利用所得结果和数值方法研究了像散正弦-高斯光束在FrFT平面上的光强分布与位相特性.理论和数值分析结果都表明:像散的存在使得正弦-高斯光束在FrFT过程中从初始输入具有边缘位错的多斑花样转换为具有涡旋的暗空心椭圆花样,且其拓扑荷指数为一,而在这种转换中像散起着关键控制作用.此外,适当选择光束参数与FrFT系统结构参数,暗空心椭圆花样的长轴可以是短轴的百余倍,因此利用这一方案可获得相当细长的暗空心椭圆光束.
NaYF4:Tm3+纳米棒中激光脉宽调控的荧光选择输出特性
张翔宇, 王晋国, 徐春龙, 潘渊, 侯兆阳, 丁健, 高当丽
2016, 65 (20): 204205. doi: 10.7498/aps.65.204205
摘要 +
基于频域和时域的光谱学分析,系统地研究了Tm3+掺杂的NaYF4纳米棒的荧光选择输出特性及荧光输出与激光脉冲宽度、激发波长、抽运功率及环境温度的依赖关系.结果表明:与其他因素相比,输出光色强烈地依赖于激光脉宽.通过合适的脉宽激光激发,在NaYF4:0.5 mol% Tm3+纳米棒中获得了强烈的单带近红外荧光发射,该波段荧光在深层组织成像方面具有极大应用优势.基于多声子无辐射弛豫理论和荧光动力学过程,揭示了脉冲宽度调控的单带近红外荧光的输出机理,其机理为多声子弛豫辅助的下转换荧光和激光脉宽调制的上转换荧光之间的竞争,该研究为光谱调控提供了新的理论依据和途径.

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用于惯性约束核聚变激光驱动器的激光二极管抽运Nd,Y:CaF2激光放大器的实验研究
唐熊忻, 邱基斯, 樊仲维, 王昊成, 刘悦亮, 刘昊, 苏良碧
2016, 65 (20): 204206. doi: 10.7498/aps.65.204206
摘要 +
对Nd,Y:CaF2晶体作为激光放大器的增益介质进行了报道.研制了一台采用激光二极管面阵五向水平侧面抽运5 mm70 mm Nd,Y:CaF2的激光放大器,对其进行了实验研究.测量了Nd,Y:CaF2晶体的吸收谱、发射谱、以及放大器的荧光分布.在相同的抽运功率下,测量了Nd,Y:CaF2与Nd:Glass放大器分别工作在10 Hz和1 Hz重复频率时的小信号增益,在抽运功率为9.63 kW时,Nd,Y:CaF2放大器的小信号增益达6.12,为Nd:Glass的1.5倍.与Nd:Glass相比,Nd,Y:CaF2晶体的重复工作频率不仅大大提高,而且增益性能也更强.测量了种子光和经Nd,Y:CaF2放大器后的光谱,能量放大前后光谱几乎无变化.
基于TPPs-SPPs混合模式的激发以增强单纳米缝异常透射
陆云清, 成心怡, 许敏, 许吉, 王瑾
2016, 65 (20): 204207. doi: 10.7498/aps.65.204207
摘要 +
单纳米金属缝结构,由于其结构紧凑、易于集成、耦合效率高,常常在基于表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)的纳米结构器件中用于构建光源.但是,单纳米缝的低透射率一直是该结构向实际应用转化中的问题;实际上,如何有效地增强其透射率一直是研究的重点.本文提出了一种有效增强单纳米缝异常透射的方法和结构,该结构由分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector,DBR)和金属银薄膜纳米缝构成.当TM偏振光由DBR侧入射至DBR-银纳米缝结构时,DBR-银膜界面上的塔姆激元(Tamm plasmon polaritons,TPPs)和纳米缝中的SPPs能够同时被有效激发,并相互耦合形成TPPs-SPPs混合模式,当TPPs与SPPs满足波矢匹配条件时,利用TPPs的局域场增强效应可显著提高SPPs的激发效率,结合纳米缝中的类法布里-珀罗腔共振效应,最终可实现对单纳米缝异常透射率的有效增强.本文利用传输矩阵法和有限元算法分析了DBR-银纳米缝结构上单纳米缝的透射特性.经过参数优化,在银膜厚度为100 nm、纳米缝宽为11 nm时,DBR-银纳米缝结构的最大透射率为0.166,相对于TiO2银纳米缝结构(无DBR)的透射率(0.01),提高了16倍.该研究从基本物理机理出发,实现了对单纳米缝异常透射的增强,研究结果在纳米光子学、近场光学成像与探测、极化激元激光器等相关领域具有潜在的应用价值.
光子晶体光纤重叠光栅理论模型与光谱特性研究
江鹏, 毕卫红, 齐跃峰, 付兴虎, 武洋, 田朋飞
2016, 65 (20): 204208. doi: 10.7498/aps.65.204208
摘要 +
本文对光子晶体光纤重叠光栅的传输光谱及特性进行了研究.在理论上,提出了基于V-I传输矩阵法的光子晶体光纤重叠光栅分析模型,仿真研究了布拉格叠栅和啁啾叠栅的反射谱和时延特性.在实验上,利用193 nm紫外激光在光敏单模光子晶体光纤中实验制备了定制波长间隔的四重布拉格重叠光栅和波长间隔0.82 nm的啁啾重叠光栅.研究结果显示布拉格光栅的重叠光栅可通过各子光栅写制参数实现光谱灵活定制;基于啁啾光栅的重叠光栅具有周期性宽带滤波特性,谐振周期可由光栅周期偏移调整,且具有平坦的幅度响应和呈良好线性的群时延.实验所得光栅光谱与理论分析很好地符合.研究结果为光子晶体光纤重叠光栅的设计、制备及应用提供了重要的参考依据.
基于连续扫频光时域反射的全同弱光栅高速解调方法
王一鸣, 胡陈晨, 刘泉, 郭会勇, 殷广林, 李政颖
2016, 65 (20): 204209. doi: 10.7498/aps.65.204209
摘要 +
具有大容量复用能力的全同弱反射光栅已成为光纤传感领域的研究热点,然而现有的全同弱光栅时分复用解调技术存在解调复杂和响应时间长等问题.针对此问题,本文提出了一种连续扫频光时域反射的高速解调新方法.不同于光时域反射的脉冲光,本方法采用的是连续光扫频,利用光传输延时来实现不同位置的全同光栅在时域上的分离,利用光谱扫频实现光栅波长信息的解调,在系统解调工作阶段,一次扫频就能同时获取所有光栅的位置信息和完整的反射光谱波长信息.针对光谱高速扫频情况下光传输延时所引入的光栅波长解调误差,本文提出在系统初始阶段采用延时校准方法,通过不同的光谱扫频速度,获取各个光栅固有的延时时间参量,确定各光栅位置,消除光传输延时,完成各光栅的波长解调.实验对18个全同弱光栅组成的传感网络进行了初始校准、静态温度和动态振动实验,结果表明,对全同弱光栅的解调误差小于15 pm,分辨率1 pm,线性度达0.998,系统可分析60 kHz内的频谱信息,解调频率高达120 kHz.
分叉微通道内液滴动力学行为的格子Boltzmann方法模拟
梁宏, 柴振华, 施保昌
2016, 65 (20): 204701. doi: 10.7498/aps.65.204701
摘要 +
本文采用格子Boltzmann方法模拟了液滴在分叉微通道中的迁移过程,主要分析壁面润湿性、毛细数、出口流量比对液滴动力学行为的影响机制.结果表明:当毛细数足够大时,液滴在支通道的迁移行为与壁面润湿性密切相关,对疏水壁面,液滴在主通道发生破裂生成两个子液滴,子液滴完全悬浮在支通道中并流向出口.而对亲水壁面,液滴首先同样破裂成两个子液滴,不同于疏水情形,子液滴紧接着发生二次破裂,导致部分二次子液滴黏附在固体表面上,另一部分流向出口;当毛细数足够小时,液滴则滞留在分叉口处,不发生破裂.最后,还发现通过调节出口流量比可以使液滴发生非对称破裂或者不破裂完全从流速较大的支通道流出.
湍流热对流近底板流态与温度边界层特性
黄茂静, 包芸
2016, 65 (20): 204702. doi: 10.7498/aps.65.204702
摘要 +
本文采用湍流热对流的并行直接数值模拟(PDM-DNS),计算了系列Ra数的二维方腔和三维扁方腔的Rayleigh-Bénard热对流.针对平均场计算结果,选取Ra=109,1010,5×1010,讨论了二维方腔和展向平均三维扁方腔热对流流动特性.发现二维方腔和三维扁方腔流动中都存在大尺度环流和角涡,而且随着Ra数的增加,大尺度环流的形状变圆,角涡尺寸变小.在二维方腔流动中,大尺度环流呈椭圆形,有四个角涡,而展向平均三维扁方腔流动中,大尺度环流呈梭形,只有两个角涡.由于角涡特性的不同,二维方腔流动中羽流向上运动的范围比展向平均三维扁方腔流动更广,造成二维流动局部区域温度分布高温层厚度变大.温度边界层厚度λθ与Ra数之间存在标度关系,二维方腔和三维扁方腔热对流温度边界层变化的标度指数基本一致,标度关系的系数稍有不同.
加热球体入水空泡实验研究
李佳川, 魏英杰, 王聪, 邓环宇
2016, 65 (20): 204703. doi: 10.7498/aps.65.204703
摘要 +
基于高速摄像方法,开展了17–800℃范围内不同温度球体垂直入水实验研究.呈现了随球体温度变化所产生的复杂入水现象:在1.5 m/s入水速度条件下,实验所采用的室温球体不能产生空泡,当球体温度为300℃时空泡生成,增加到400℃空泡消失,继续提高温度至700℃空泡再次形成.根据传热学与流体动力学理论,分析了温度与速度变化对空泡形成的影响机理.结果表明随着温度的升高,球体与水之间的传热效率与传热方式发生改变,汽化生成的汽泡和蒸汽膜改变了周围流体流动的湍动性和球体表面的粗糙度、疏水性,这些变化均会影响空泡的形成;在1.5–3.8 m/s入水速度范围内,当球体具有较高温度时,能否形成入水空泡主要与球体的传热性能有关,速度的提高增强了球体与水的传热效率,使高速入水条件下的较低温度球体同低速入水条件下的较高温度球体入水现象相似,速度本身仅对生成空泡的形态有所影响.
剪切流场中双重乳液稳态形变
张程宾, 于程, 刘向东, 金瓯, 陈永平
2016, 65 (20): 204704. doi: 10.7498/aps.65.204704
摘要 +
建立了不可压缩双重乳液界面行为的理论模型,并可视化实验验证了所建立模型的正确性.基于所建立的理论模型,数值模拟研究了剪切流场中双重乳液的形变机理,探讨了内外液滴半径比及各相工质黏度对其形变特性的影响规律.研究结果表明:在剪切流场中,双重乳液的稳态形变程度随着毛细数的增大而加剧,且内液滴抗形变能力比外液滴更强;随着内外液滴半径比的增大,双重乳液内外液滴间相互作用增强,导致内液滴形变程度增大,同时内液滴抗形变效应逐渐凸显,造成外液滴形变程度减小;双重乳液自身黏性是液滴形变的一种阻力,随着内、外液滴黏度的升高,双重乳液整体形变程度均减小,并且乳液外液滴相黏度变化对双重乳液稳态形变程度的影响更为明显.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
电子辐照LDPE/MWCNTs复合材料的熔融与结晶行为
马国亮, 李兴冀, 杨剑群, 刘超铭, 田丰, 侯春风
2016, 65 (20): 208101. doi: 10.7498/aps.65.208101
摘要 +
电子是空间带电粒子辐射环境的重要组成部分,会对航天用微电子器件产生严重的辐射损伤.因此,对电子器件进行有效的辐射防护至关重要,迫切需要一种轻质、高性能和低成本的辐射防护材料.富氢的聚乙烯(PE)/碳纳米管(CNTs)复合材料是富有前途的空间辐射防护材料.针对PE/CNT复合材料空间辐射防护应用的需要,系统研究低密度聚乙烯/多壁碳纳米管(LDPE/MWCNTs)复合材料电子辐照LDPE/MWCNTs的熔融与结晶行为,具有重要的学术价值与工程实际意义.本文利用差热扫描量热仪(DSC)和同步辐射X射线小角散射(SAXS)及广角衍射(WAXD),针对110 keV低能电子作用下LDPE/MWCNTs复合材料的熔融与结晶行为进行研究.结果表明,MWCNTs的添加,可使LDPE/MWCNTs复合材料在加热过程中的起始融化温度升高,而终止融化温度降低,并使冷却过程中的起始结晶温度提高,而终止结晶温度降低,结晶度增加.在融化过程中,MWCNTs可阻碍LDPE基体非晶区及晶区分子链运动,抑制LDPE基体的初始融化,在开始融化后促进融化过程;在结晶过程中,MWCNTs促进LDPE基体晶体的形成,并抑制晶体长大.110 keV电子辐照可抑制LDPE基体的非晶区膨胀,延缓LDPE基体中片晶的初始融化;结晶过程中,110 keV电子辐照抑制LDPE基体的非晶区收缩,并抑制晶体长大.
微图案化金衬底表面等离子体共振光学特性
陆乃彦, 余雪健, 万佳伟, 翁雨燕, 郭俊宏, 刘宇
2016, 65 (20): 208102. doi: 10.7498/aps.65.208102
摘要 +
表面增强拉曼在复杂的生物体系检测方面具有极高的灵敏度,因而具有广泛的生物化学应用前景.本文通过时域有限差分方法对不同形貌金薄膜的拉曼表面增强情况进行了研究.在实验上通过电子束曝光和软模板压印技术制备了相应的衬底并对常规目标物胱氨酸及三聚氰胺的拉曼光谱进行了测量.结果表明,单位面积内结构越复杂,表面增强拉曼越明显.表面增强拉曼散射光谱和场分布特性的计算与实验较为符合,为进一步使用表面增强拉曼作为研究手段提供指导和理论依据.
地球物理学、天文学和天体物理学
电离层中释放六氟化硫效应的三维精细模拟研究
赵海生, 许正文, 吴振森, 冯杰, 吴健, 徐彬, 徐彤, 胡艳莉
2016, 65 (20): 209401. doi: 10.7498/aps.65.209401
摘要 +
传统的六氟化硫电离层释放效应研究,一般建立的是点源释放模型,仿真结果精度有限.本文开展了电离层中释放六氟化硫的三维精细效应研究,在释放物扩散方程中加入了运载器飞行速度和姿态、释放物释放速度和流量、热层风场等参量对释放物扩散过程的影响;在等离子体扩散方程中考虑了地磁倾角和沿场扩散项对人工扰动结构等关键参数的影响,将二维等离子体扩散方程扩展到三维.同时,采用射线追踪方法,研究电离层人工扰动结构对短波传播路径的影响.本文的研究结果对研究电离层的动力学过程、电离层不均匀体的生成机制和演化规律有重要意义.
基于振动抑制高精度宽带激光扫频干涉测量方法
刘国栋, 许新科, 刘炳国, 陈凤东, 胡涛, 路程, 甘雨
2016, 65 (20): 209501. doi: 10.7498/aps.65.209501
摘要 +
本文研究了基于振动抑制的高精度宽带激光扫频干涉测量方法.在激光扫频干涉测量中振动引起目标位移,导致在测量信号拍频中叠加了多普勒频移,该频移量通常远大于目标实际位移产生的频率变化,直接计算目标距离将造成测距精度下降.为解决该问题,本文首先建立了振动对宽带激光扫频干涉测距系统的影响模型,分析了振动对测距的影响机理,通过对测量系统的色散失配效应进行补偿降低了色散影响,然后对测量信号进行交叠分时Chirp Z变换计算不同时刻目标距离,进一步结合卡尔曼滤波方法对目标距离信息进行状态估计,使测量的标准差由185.4 μupm降低到9.0 μupm,有效降低了环境振动对测量结果的影响,提高了测量精度.该方法在不需要改变激光扫频干涉绝对距离测量装置的条件下,为进一步提高振动环境中的测距精度提供了解决方法,降低了装置复杂度和成本.
电动帆平行双导线鞘层特性与受力分析
陈茂林, 夏广庆, 魏延明, 于洋, 孙安邦, 毛根旺
2016, 65 (20): 209601. doi: 10.7498/aps.65.209601
摘要 +
太阳风等离子体与偏压导线电场间的相互作用是电动帆推力器的基本工作机理.采用二维粒子模拟方法分别对垂直入射和斜入射太阳风等离子体与平行双导线间的动量传递过程开展数值模拟,对比分析了不同条件下耦合电场及偏转离子的运动轨迹及其对动量传递的影响.结果表明:偏压导线的高电势会在导线附近形成离子空洞并向下游扩展;两根导线间由于鞘层相互影响而形成离子阱结构,减速、滞止、反射部分离子;在1 kV的导线偏压和太阳风垂直入射条件下,两根帆导线受力约为30 nN/m;随着导线间距增大,离子阱中约束离子数量表现出先增大后减小的趋势,电动帆推力亦随之先增大后减小;太阳风斜入射情况研究,首次从等离子体动力学仿真出发,确定了电动帆推力受帆姿态影响,可分为沿太阳风方向的水平推力和垂直太阳风方向的升力两个分量;明确了升力与俯仰角α的关系,当电动帆导线平面顺着太阳风方向右倾时,升力小于0,而当电动帆导线平面逆着太阳风方向左倾时,升力大于0;明确了推力角θ变化趋势和范围,随俯仰角α的增大呈现出先减小后增大的非线性变化趋势,大小为-40°θ< 40°.研究结果明确了电动帆的推力矢量及其随姿态的变化,对电动帆航天器轨道动力学的优化设计提供了重要参考.
气体、等离子体和放电物理
锥形腔等离子体压缩的磁流体模拟
杨政权, 李成, 雷奕安
2016, 65 (20): 205201. doi: 10.7498/aps.65.205201
摘要 +
锥形腔内爆压缩是一种新的产生高温高压等离子体的方式,在常规压强驱动下可以实现106–109的体积压缩比,温度达到10 eV以上.为了进一步快速压缩升温,并引入磁场约束能量,我们提出了在流体驱动压缩末端使用θ箍缩的办法,以产生更高温度和密度的等离子体.我们采用磁流体模拟,对锥形腔内只有流体驱动、只有θ箍缩和同时有流体驱动和θ箍缩的混合压缩三种压缩方式进行二维数值计算,结果显示混合压缩能够显著改善压缩和能量约束,产生更高温度的等离子体.模拟还分析了不同参数对混合压缩的影响.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
NiAl中Ni空位对杂质C原子的多重俘获及温度效应的第一性原理研究
胡雪兰, 罗阳, 赵若汐, 胡艳敏, 张艳峰, 宋庆功
2016, 65 (20): 206101. doi: 10.7498/aps.65.206101
摘要 +
本文应用基于密度泛函理论的第一原理方法,研究了NiAl金属间化合物中Ni空位对杂质C元素的多重俘获.研究结果表明:在Ni空位存在时,单个C原子最易于存在于空位中心附近的富Ni八面体间隙位置且与邻近的Ni原子和Al原子之间存在共价键形式的相互作用.多个C原子在NiAl中倾向于以Sequential的方式被Ni空位俘获,进而形成CnVNi(n=1,2,3,4)团簇.通过电荷密度和差分电荷密度分析得到,当Ni空位俘获多个C原子后,C原子之间有着优先于自身成键的特性.进一步,我们应用热力学模型计算了温度对于CnVNi(n=1,2,3,4)团簇浓度及空位浓度的影响.研究表明本征Ni空位的浓度会随着温度的升高而升高.在NiAl金属间化合物中,大多数的杂质C原子会被Ni空位俘获而不是存在于远离Ni空位的八面体间隙位置.由于C原子被Ni空位俘获的过程是一个放热过程,使得体系温度升高,因此会进一步激发更多的Ni空位产生.但是在一定的温度范围内(温度小于700 K时),Ni空位均以CnVNi团簇的形式存在.
Cu离子注入单晶TiO2微结构及光学性质的模拟研究
刘欢, 李公平, 许楠楠, 林俏露, 杨磊, 王苍龙
2016, 65 (20): 206102. doi: 10.7498/aps.65.206102
摘要 +
TiO2是一种新型的第三代半导体材料,具有重要的应用价值.Cu离子掺杂单晶金红石TiO2,可以改善TiO2对光谱的响应范围,提高转化效率.本文利用第一性原理分别研究了Cu离子填隙、Cu替代Ti、氧空位、钛空位以及含有复合缺陷时金红石TiO2结构及其相应光学性质的变化.结果表明,金红石的价带顶主要由O 2p轨道贡献,导带底主要由Ti 3d轨道贡献;掺杂Cu离子后会在能隙中产生两条新的杂质能级;Ti空位使得晶体费米能量降低,在价带顶产生新能级;O空位使得费米能量升高,在导带底产生新能级,表现出n型半导体性质.通过对含有复合缺陷的晶体电子结构的分析,得到同时含有O空位和Cu填隙时对晶体在可见光范围的吸收影响最大.
欧空局监测器单粒子翻转能量和角度相关性
罗尹虹, 郭晓强, 陈伟, 郭刚, 范辉
2016, 65 (20): 206103. doi: 10.7498/aps.65.206103
摘要 +
结合欧空局推广需求,以及国内加速器和国际加速器比对的愿望,将欧空局单粒子翻转监测器(Europe space agency single event upset monitor,ESA SEU Monitor)成功应用于国内串列重离子加速器束流标定.通过和欧洲主要加速器的数据结果进行比对,分析系统内部单粒子翻转物理位图,验证了串列加速器在重离子束流监测技术方面的准确性.结合多方试验数据,观察到在低LET (linear energy transfer)单粒子翻转截面曲线亚阈区,相同LET值不同能量重离子引起ESA SEU Monitor翻转截面相差13个量级.采用基于试验数据的方法,确定了器件灵敏体积的几何尺寸、临界电荷以及收集效率,通过蒙特卡罗仿真揭示了ESA SEU Monitor单粒子翻转能量相关性的物理机理.同时针对试验中低LET值倾斜角度时,ESA SEU Monitor存储阵列中不同模块单粒子翻转所表现的敏感性差异,基于对器件结构的分析和计算验证,表明低LET重离子倾斜入射时,离子穿过不同模块灵敏区上方层间介质的差异是引起单粒子翻转角度相关性的根本原因.
Ti3(SnxAl1-x)C2固溶体电学、力学和热学性能的理论研究
王雪飞, 马静婕, 焦照勇, 张现周
2016, 65 (20): 206201. doi: 10.7498/aps.65.206201
摘要 +
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对Ti3(SnxAl1-x)C2(x=0,0.25,0.5,0.75,1)固溶体的晶格结构、结构稳定性、电子结构、力学和热学性质进行了系统的理论研究.研究结果表明:Ti3(SnxAl1-x)C2固溶体具有金属性,都是热力学和力学稳定的脆性材料;Sn原子掺杂能在一定程度上提高材料的力学性能,当Sn原子掺杂浓度为0.75时有最大的体积模量,而掺杂浓度为0.5时有最大剪切模量.此外,Ti3(SnxAl1-x)C2固溶体都具有较高的熔点和德拜温度,其中Ti3AlC2,Ti3(Sn0.25Al0.75)C2和Ti3(Sn0.5Al0.5)C2在室温下的晶格热导率均能达到40 W/(mK)以上,是良好的导热性材料.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
基于4H-SiC肖特基势垒二极管的射线探测器
杜园园, 张春雷, 曹学蕾
2016, 65 (20): 207301. doi: 10.7498/aps.65.207301
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针对极端环境下耐高温和耐辐照半导体核探测器的研制需求,采用外延层厚度为100 upm的4H碳化硅(4H-SiC)制备成肖特基二极管探测器,研究了该探测器对241Am源射线的能谱响应.采用磁控溅射金属Ni制备了肖特基二极管的欧姆接触和肖特基接触,利用室温电流-电压和电容-电压测试研究了二极管的电学特性.欧姆特性测试表明,1050℃退火时,欧姆接触特性最好.从正向电流-电压曲线得出二极管肖特基势垒高度为1.617 eV,理想因子为1.127,表明探测器具备良好的热电子发射特性.从电容-电压曲线获得二极管外延层净掺杂浓度为2.9031014 cm-3,并研究了自由载流子浓度在外延层中的纵向分布.在反向偏压为500 V时,二极管的漏电流只有2.11 nA,具有较高的击穿电压.测得在-300 V条件下,SiC二极管探测器对能量为59.5 keV的射线的能量分辨率为9.49%(5.65 keV).
CaAlSiN3:Eu2+红色荧光粉的常压氮化制备及发光性能
刘文全, 朝克夫, 武文杰, 包富泉, 周炳卿
2016, 65 (20): 207801. doi: 10.7498/aps.65.207801
摘要 +
本文采用纳米EuB6和Eu2O3粉末为激活剂原料,提出了一步法和两步法,在常压条件下制备获得了CaAlSiN3:Eu2+红色荧光粉.对不同掺杂Eu浓度(2%10%)的样品进行了晶体结构、形貌、发光性能的分析研究.根据能谱与X射线衍射图谱(XRD)分析可知,两步法合成的样品随Eu浓度的增加晶胞体积会逐渐增大,且样品中B的含量增加;而一步法合成的样品随Eu浓度增加晶胞体积先增大后减小,且B含量相对上面的样品含量较少,O含量却较大.另外,在460 nm蓝光激发下,两步法合成的样品(纳米EuB6掺杂)的发射最强峰在652680 nm范围,而一步法合成的样品(纳米Eu2O3掺杂)的发射最强峰只在630637 nm范围,且前者的荧光相对强度都强于后者.结合XRD以及荧光光谱数据可以认为两种常压氮化制备方法都会让B元素引入到基质中,B的引入不但降低基质中O的含量,而且改变Eu2+离子的晶体场环境从而调节CaAlSiN3:Eu2+荧光粉的发光峰位.结合绿光发射荧光粉和纳米EuB6掺杂的Ca0.94AlSiN3:0.06Eu2+荧光粉在蓝光芯片激发下可以获得色温在3364 K,显色指数可以达到91的暖白发光二极管器件.本实验采用的方法简单,避免使用昂贵复杂的气压烧结设备以及还原性气体烧结设备,有望实现工业化应用以及降低生产成本.
银纳米颗粒及阵列光传输性质的理论研究
江智宇, 王子仪, 王金金, 张荣君, 郑玉祥, 陈良尧, 王松有
2016, 65 (20): 207802. doi: 10.7498/aps.65.207802
摘要 +
纳米颗粒及其阵列结构的光学性能与颗粒本身的表面等离子体共振及周期结构参数密切相关.本文根据Mie散射理论和多极子振荡理论,研究了光在银球型纳米颗粒及阵列中的传输性质.对于单个纳米颗粒,当颗粒半径小于50 nm时,消光峰由电偶极子共振产生;当半径大于50 nm时,除电偶极子振荡产生的消光峰外,在短波处将出现由电四极子共振产生的消光峰,且两种极子的共振频率随颗粒半径的增加而减小.由电偶极子共振产生的消光峰位置的理论计算结果与实验结果相符合.对于由球形颗粒组成的无限大二维周期阵列,消光峰主要由单个颗粒产生的消光峰和Wood-Rayleigh反常衍射造成的消光峰组成.通过控制纳米颗粒的尺寸、形状以及阵列的周期、排列方式,可以调节两种极子的共振峰位.本文的结果将对设计具有特定光学性能的纳米结构产生重要的实际意义.

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各向异性海森伯自旋链中的高阶孤子
谢元栋
2016, 65 (20): 207501. doi: 10.7498/aps.65.207501
摘要 +
在Holstain-Primakoff表象中研究了各向异性海森伯自旋链模型.在半经典近似条件下,应用相干态求出了明孤子和暗孤子的精确解析解.结果表明:这些解可以用第一类和第三类椭圆积分来表示.内容丰富的暗孤子解是本论文的创新之处.