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Vol. 67, No. 1 (2018)

2018年01月05日
总论 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 物理学交叉学科及有关科学技术领域 凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质 地球物理学、天文学和天体物理学 综述
综述
总论
多个子玻色-爱因斯坦凝聚气体膨胀叠加形成的量子涡旋现象研究
董毕远, 徐志君
2018, 67 (1): 010501. doi: 10.7498/aps.67.20171708
摘要 +
基于二维模型,研究了多个子玻色-爱因斯坦凝聚气体在谐振势阱内膨胀叠加形成的量子涡旋现象.运用传播子方法,分析了对称分布的三个子玻色-爱因斯坦凝聚气体膨胀叠加形成宏观量子涡旋的物理过程,得到量子涡旋随时间演化的规律;发现涡旋核分布在谐振势阱内出现振荡;涡旋与反涡旋随时间演化而相互转变,并对这些现象进行了物理分析.

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奇异谱分析用于提升双光梳激光测距精度
曹辉, 宋有建, 于佳禾, 师浩森, 胡明列, 王清月
2018, 67 (1): 010601. doi: 10.7498/aps.67.20171922
摘要 +
从含噪数据中提取信号从而提升数据采集系统精度是极为重要的问题.奇异谱分析(singular spectrum analysis,SSA)作为一种无参数频谱估计技术,广泛用于区分系统模型未知情况下的动态系统信号的复杂成分.本文应用SSA方法提取双光梳飞秒激光测距系统中的含噪时间序列的距离信息,数值仿真显示SSA方法可以从含有有色噪声的信号中提取距离信号.实验中,SSA方法成功地从含有量子噪声的测距信号中提取出激光与目标之间的距离信息,提取后的信号有13倍的精度提升.这种方法同样适用于高维信号,如基于飞秒激光测距的高精度、高速率表面形貌测量的图像提取.
多维温度场对光纤环Shupe效应误差影响的理论分析
卓超, 杜建邦
2018, 67 (1): 010701. doi: 10.7498/aps.67.20170271
摘要 +
光纤环作为干涉型光纤陀螺的核心敏感元件,易受时变温度环境引起的Shupe非互易性相移的影响,进而严重降低对于惯性空间转动的测量精度.本文推导了目前广泛应用的四极绕法光纤环的温度效应误差模型,分析了沿光纤环径向、轴向与圆周方向多维温度场对于零偏漂移的影响机理并进行了仿真验证.研究结果表明,径向与轴向的瞬态温场引起的零偏误差正比于光纤环各层外内壁温变速率之差的加权和,并且随着接近光纤进出的顶层,其所占份额将线性增大.圆周方向的零偏误差则取决于光纤进出端与长度中点连线两侧温变速率空间分布的对称性,并且当不均匀的温度场分布远离进出端时,其影响将减小.以上发现可为复杂温度环境下工作的陀螺仪表与惯性导航系统的热结构设计提供理论指导与工程参考.
原子和分子物理学
地面核磁偏共振响应特征与复包络反演方法
蒋川东, 王琦, 杜官峰, 易晓峰, 田宝凤
2018, 67 (1): 013302. doi: 10.7498/aps.67.20171464
摘要 +
地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)方法在地下水探测领域具有直接、定量和解释唯一等优势,但是由于地磁场存在不均匀、随时间变化和易受噪声影响等难以确定的问题,导致偏共振激发,严重影响反演结果的准确性.本文基于地面核磁偏共振(surface nuclear magnetic off-resonance,SNMOR)模型和相应的核函数表达式,讨论了频率偏量对偏共振信号的影响,并提出了基于系统相位自动搜索和信号实部与虚部同时参与的复包络反演方法.通过仿真模型和反演结果对比得到:偏共振信号相位随频率的增加而增大,仿真模型中的信号幅度最大提高了65.9%;当频率偏量大于2 Hz时,利用SNMOR核函数的反演结果的准确度明显优于SNMR核函数的结果;当噪声较大时,复包络方法充分利用测量数据的有用信息,比常规幅度反演具有更高的稳定性和可靠性.最后,通过野外实测数据和反演结果,验证了本文提出的SNMOR模型和复包络反演方法的有效性和准确性,为地下水探测领域提供了新的技术手段.
100 keV质子与低高能质子在绝缘微孔中输运特性的对比分析
朱炳辉, 杨爱香, 牛书通, 陈熙萌, 周旺, 邵剑雄
2018, 67 (1): 013401. doi: 10.7498/aps.67.20171701
摘要 +
为研究中能区带电粒子在绝缘微孔中传输的物理图像,利用MATLAB程序和蒙特卡罗方法建立理论模型,得到入射能量为10 keV,100 keV和1 MeV的质子,以-1倾斜角入射到微孔后,出射粒子角分布、沉积电荷斑分布,以及粒子在微孔内的运动轨迹等传输特性.研究结果表明,在10 keV的低能区,微孔内壁沉积电荷的导向效应是主要的传输机制.在1 MeV的高能区,进入表面以下多次随机非弹性碰撞是主要的输运机制.在100 keV的中能区,无电荷斑时,主要是以进入表面以下的随机二体碰撞为传输机制;在电荷斑累积过程中,增强的库仑排斥力逐渐抑制入射质子在微孔内壁表面发生电子俘获;当达到充放电平衡后,主要传输机制为电荷斑辅助的近表面镜面散射行为.这一特性加深了对中能区质子在微孔中输运行为的认识,有助于对百keV质子微束的控制和应用.
X荧光分析法测定地表灰尘和空调灰中重金属含量
王鑫, 康明铭, 刘军, 陈秀莲, 覃雪
2018, 67 (1): 013301. doi: 10.7498/aps.67.20171400
摘要 +
使用X荧光分析法对地表灰尘和空调滤网灰中所含金属元素(Mn,Fe,Cu,Zn,Pb)做了定量分析.结果表明,5种元素在空调灰中的含量都大于其在地表灰尘中的含量,其中Cu,Zn,Pb 3种元素在地表灰尘和空调灰中的含量远远大于四川省表层土壤中对应的平均含量.通过对不同粒径组地表灰尘中重金属含量的分析表明,地表灰尘中五种元素的含量在测量范围内随灰尘直径的变化规律大致相同.
相对论多组态相互作用方法计算Mg+离子同位素位移
余庚华, 颜辉, 高当丽, 赵朋义, 刘鸿, 朱晓玲, 杨维
2018, 67 (1): 013101. doi: 10.7498/aps.67.20171817
摘要 +
采用相对论多组态相互作用方法研究了Mg+离子3s2S1/23s2P1/2和3s2S1/23s2P3/2两条跃迁谱线的特殊质量位移系数和场位移因子,并计算了中子数8 N 20的Mg+离子的同位素位移.计算结果与其他理论的计算值符合得比较好,与最新的实验测量结果比较,相对误差在0.13%到0.28%范围,是目前最接近Mg+离子同位素位移实验测量的理论计算结果.该计算结果可为Mg+离子同位素位移实验和理论研究提供参考,能够用于Mg+离子的短寿命同位素的光谱测量实验以及利用Mg+离子开展幻中子数N=8和N=20附近的奇异原子核特性研究等.所用的计算方法和电子激发模式也可以推广到其他核外电子数为11的多电子体系,用于开展相应的原子光谱结构计算和同位素位移的理论研究.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
准平行光干涉的滤波型多抖动相控方法研究
柴金华, 陈飞
2018, 67 (1): 014202. doi: 10.7498/aps.67.20171562
摘要 +
提出了一种准平行光干涉的滤波型多抖动相控方案,对该方案的相干光强进行了理论分析,在此基础上提出了滤波型多抖动法的相控原理,进行了滤波型多抖动法的相控数值分析和模拟实验.结果表明:该方法可识别出各路光波的相位差,反馈与相位差信号成比例的直流电压去控制相位调制器,可实现相位差的校正,相位控制电压输出范围为0.034.45 V,控制带宽为2.5 kHz.
基于波长330 nm激光激发多色激光导星回波光子数的数值计算与探讨
刘向远, 钱仙妹, 朱文越, 刘丹丹, 范传宇, 周军, 杨欢
2018, 67 (1): 014205. doi: 10.7498/aps.67.20171025
摘要 +
采用无模激光器发射波长为330 nm的激光激发多色激光导星,需要考虑脉冲激光重频率、激光带宽、激光初始光斑直径以及大气透过率对回波光子数的影响.通过数值模拟,计算了高斯光束的脉冲激光和连续激光激发多色激光导星在实际大气中后向辐射330 nm和2207 nm波长的回波光子数.数值计算结果表明,在垂直发射和接收的情况下,当到达大气中间层的激光能量为1 W时,连续激光能够获得更多的回波光子数,并且回波光子数几乎无起伏.对于脉冲激光,提高脉冲激光重频率达到50 kHz以上时,多色激光导星330 nm的回波光子数随脉冲重频率的增加趋于有限值;当大气能见度小于5 km且大气相干长度为12.8 cm时,大约需要34 W以上的激光发射能量,才能获得满足使用自然星全倾斜探测的330 nm回波光子数.对于连续激光,相同情况下,大约需要20 W以上的激光发射能量.
绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计 及性能
李启蒙, 李仕春, 秦宇丽, 胡向龙, 赵静, 宋跃辉, 华灯鑫
2018, 67 (1): 014207. doi: 10.7498/aps.67.20171834
摘要 +
为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.
基于模场自积增强检测的光纤声光旋转传感器
刘昱, 任国斌, 靳文星, 吴越, 杨宇光, 简水生
2018, 67 (1): 014208. doi: 10.7498/aps.67.20171525
摘要 +
介绍了一种应变不敏感的基于模场自积增强检测的光纤声光旋转传感器.通过调节加载到光纤声致光栅上的微波频率能使双模光纤输出高纯度LP11模式.采用自积增强算法显著提高传感分辨比例,改善探测速度,实现对环境旋转角度变化的动态监测.传感器在0180的测量范围内,角度最大测量误差范围小于11%;在轴向应变为1001500 之间对应变不敏感.

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高分辨紫外电子轰击互补金属氧化物半导体器件的实验研究
刘虎林, 王兴, 田进寿, 赛小锋, 韦永林, 温文龙, 王俊锋, 徐向晏, 王超, 卢裕, 何凯, 陈萍, 辛丽伟
2018, 67 (1): 014209. doi: 10.7498/aps.67.20171729
摘要 +
基于真空紫外光电阴极和背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器研制了紫外光响应的电子轰击CMOS(EBCMOS)器件,实现了EBCMOS器件在40 mlx光照度环境下的高分辨探测,电子图像灰度随电子能量的变化呈现出极好的线性关系.对器件成像分辨率测试的结果表明,在电场强度为5000 V/mm时,器件的空间分辨率可以达到25 lp/mm,与国际相关报道水平相当.研制的EBCMOS器件可直接在紫外弱光探测领域应用,如天文观察、高能物理、遥感测绘等,同时也可为下一步研制可见光和近红外敏感的EBCMOS器件提供参考.
水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究
许昊, 王聪, 陆宏志, 黄文虎
2018, 67 (1): 014703. doi: 10.7498/aps.67.20171617
摘要 +
两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.
基于螺旋相位调制的非相干全息点扩散函数研究
赵忠超, 杨旭锋, 许天旭, 何九如, 弓巧侠, 杜艳丽, 董林, 袁斌, 马凤英
2018, 67 (1): 014203. doi: 10.7498/aps.67.20171442
摘要 +
分析了菲涅耳非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)系统中纯相位空间光调制器(spatial light modulator,SLM)加载螺旋相位掩模时的点扩散函数.以氙灯为照明光源搭建了FINCH系统,电荷耦合器记录的点源全息图与点扩散函数模拟结果一致.采用该系统分别在SLM上加载双透镜掩模和螺旋相位调制双透镜掩模两种情况下对分辨率板和非染色洋葱细胞成像,给出了成像对比结果.结果表明:采用螺旋相位调制的FINCH系统可以在几乎不牺牲分辨率的情况下提高图像的边缘对比度;同样,对相位物体也可以实现图像的边缘提取和识别.该方法在实时监测活细胞的分裂、形变等方面具有重要应用前景.
冷原子系综中两正交光场偏振模高效率存储的实验研究
温亚飞, 王圣智, 徐忠孝, 李淑静, 王海
2018, 67 (1): 014204. doi: 10.7498/aps.67.20171217
摘要 +
高效率光量子信息存储是可扩展光量子信息处理的一个重要工具.本文对一个冷原子系综中两正交光场偏振模的高效率存储进行了实验研究.通过在雪茄型冷原子系统上施加一个中等强度的磁场,消除了原子Zeeman子能级的简并性,从而使磁敏感自旋波从电磁感应透明系统中被移出,由此完成了两正交光场偏振模高效率、长寿命的量子存储.实验测量了两偏振模存储效率与存储时间以及实验重复频率的关系,结果表明,随着重复频率的增加,存储效率逐渐降低,在10 Hz时,测量得到两偏振模存储效率为30%,同时存储寿命达到3 ms.测量结果为偏振纠缠在冷原子系统中的存储提供了重要的实验基础.
一个新的海边光学湍流外尺度和Cn2的廓线模式
蔡俊, 李学彬, 詹国伟, 武鹏飞, 徐春燕, 青春, 吴晓庆
2018, 67 (1): 014206. doi: 10.7498/aps.67.20171324
摘要 +
2016年12月13日至2017年1月2日期间,在茂名博贺海洋气象科学实验基地,采用自行研制的湍流气象探空仪,获取了30份海边温、湿、压、风速、风向和Cn2等探空数据.基于HMNSP99外尺度模式,利用海边的探空数据拟合得到一个茂名大气光学湍流外尺度经验公式.同时对实验测得的高空湍流廓线数据进行统计平均,然后基于Hufnagel-Valley模式拟合得到符合海边湍流廓线规律的统计平均模式(Cn2sea model).根据Tatarski高空湍流参数化方案,将用茂名外尺度公式估算的Cn2分别与探空测量的Cn2以及用其他外尺度模式估算的Cn2进行了比较.对其进行统计性分析发现,利用新拟合的茂名外尺度公式、HMNSP99,Dewan以及Coulman等外尺度模式计算的log10ft({Cn2)与实测值的整体相关系数分别为0.924,0.848,0.763和0.651,在变化趋势和量级上都表现出较好的一致性;以上四种外尺度模式估算结果的误差都很小,其整体平均绝对误差和平均相对误差分别为0.514和2.963%,0.627和3.612%,0.943和5.439%,0.766和4.417%,新拟合的外尺度模式的误差最小.进一步验证了新的海边外尺度和Cn2廓线模式的可靠性和有效性,此外还发现高空大气光学湍流的发生与风切变和温度梯度具有十分密切的关系,为光电工程在海边场景应用所需的大气光学湍流廓线模式提供支持.
湍流热对流Prandtl数效应的数值研究
包芸, 高振源, 叶孟翔
2018, 67 (1): 014701. doi: 10.7498/aps.67.20171518
摘要 +
本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法,计算了Ra=1010,0.05 Pr 20的系列Prandtl(Pr)数二维湍流热对流.通过流动显示技术,讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=1010时,随着Pr数减小,羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质,较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性,当Pr4.3时,流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大,并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时,系统的传热Nusselt(Nu)数随着Pr数增加而增加,当Pr数较高时,Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化,Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re〈u〉和ReUmax,两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律,为Re~ Pr-0.81.
颗粒物质内自旋小球运动行为的数值模拟研究
程琦, 冉宪文, 刘苹, 汤文辉, Raphael Blumenfeld
2018, 67 (1): 014702. doi: 10.7498/aps.67.20171459
摘要 +
针对大耳沙蜥在沙子中的运动行为,以球形物体为研究对象,利用3维离散元数值模拟程序LIGGGHTS模拟了旋转运动模式对颗粒物质中球形物体平动和上升/下降行为的影响,定量分析了旋转速度以及颗粒间摩擦系数等因素的具体影响.研究结果表明:球形物体与颗粒物质基底颗粒间的摩擦系数以及球形物体的自转角速度对球形物体的运动有明显影响,摩擦系数越大物体运动越明显,自转角速度越大物体运动越明显.该结果比较好地解释了沙漠生物外表具有鳞片的原因.
基于单壁碳纳米管调Q锁模低阈值Tm,Ho:LiLuF4激光器
令维军, 夏涛, 董忠, 左银艳, 李可, 刘勍, 路飞平, 赵小龙, 王勇刚
2018, 67 (1): 014201. doi: 10.7498/aps.67.20171748
摘要 +
采用垂直生长法制作的单壁碳纳米管作为可饱和吸收体,结合特殊的低阈值谐振腔设计,首次在Tm,Ho:LiLuF4全固态激光器中实现了低阈值自启动被动调Q锁模运转.以波长可调的掺钛蓝宝石固体激光器作为抽运源,选用1.5%,3%和5%的输出耦合镜,获得了出光阈值低至52,59和62 mW的连续光输出.采用3%输出耦合镜,获得了阈值低至250 mW的稳定调Q锁模脉冲输出,调Q包络的脉宽为2 s,调Q包络下锁模脉冲重复频率178.6 MHz,最大输出功率154 mW,最大的单脉冲能量为0.86 nJ,调制深度接近100%.
气体、等离子体和放电物理
软X射线激光背光阴影成像技术的空间分辨研究
王琛, 安红海, 方智恒, 熊俊, 王伟, 孙今人
2018, 67 (1): 015203. doi: 10.7498/aps.67.20171124
摘要 +
软X射线激光阴影成像技术是一种诊断高温稠密等离子体临界面附近阴影轮廓的诊断技术,具有测量视场大、空间分辨能力高的特点,具有重要的应用前景.对该技术的空间分辨具体能够达到什么程度则没有进行过系统研究.本文分别从光路几何、衍射极限、成像像差三个方面进行了仔细分析,结果表明目前采用该技术的诊断系统能够达到约2 m的空间分辨.主要受限是光路几何因素,通过增加放大倍数、选择单元尺寸更小的接收元器件等方式,有希望达到优于1 m的空间分辨.
一种耦合外部电路的脉冲感应推力器磁流体力学数值仿真模型
车碧轩, 李小康, 程谋森, 郭大伟, 杨雄
2018, 67 (1): 015201. doi: 10.7498/aps.67.20171225
摘要 +
为了深入研究脉冲感应推力器的工作原理,预测其推进性能,建立了一种耦合外部电路的磁流体力学模型,实现了对加速通道内等离子体二维流场结构演化过程及驱动电路放电过程的同步耦合求解.模拟计算所得美国MK-1推力器加速通道内的等离子体瞬态参数分布及推力器比冲、效率等性能参数均与实验数据一致;计算结果成功复现了推力器的工作物理图景.借助这一新模型,实现了对电路-等离子体双向耦合作用的定量分析,分析结果表明:耦合等离子体导致驱动电路等效电阻增大,电感减小;激励线圈与等离子体之间的互感随等离子体整体远离线圈表面而逐渐减小.
电磁波在高密度等离子体微柱腔体结构中的新传输模式
焦蛟, 童继生, 马春光, 郭佶玙, 薄勇, 赵青
2018, 67 (1): 015202. doi: 10.7498/aps.67.20171728
摘要 +
超高声速飞行器再入过程中会因为等离子体鞘层而产生通信中断,俗称黑障.近些年人们针对黑障通信的研究虽取得了一些成果,但仍然没能从根本上解决问题.本文从电磁波在高密度等离子体柱中的传输机理研究出发,借鉴二维光子晶体和表面波局域耦合相关理论,设计出了一种新型的等离子体微柱腔体结构,在这种特殊结构下L和S波段的电磁波在某些频段内出现了不同寻常的传输现象,即从高密度等离子体柱的内部穿过.这种新结构下的传输模式将为黑障通讯研究提供新的技术途径和方法.
凝聚物质:结构、力学和热学性质
漫反射立方腔单次反射平均光程的理论和实验研究
张云刚, 刘如慧, 汪梅婷, 王允轩, 李占勋, 童凯
2018, 67 (1): 016102. doi: 10.7498/aps.67.20171808
摘要 +
根据Beer-Lambert定律可知,增加气体池的有效光程是提高气体监测灵敏度最直接而有效的途径.通过实验研究和分析,漫反射立方腔作为气体池能显著地增加有效光程,因此研究其内部的光线传播规律具有重要意义.基于对漫反射立方腔内光线传播规律的理论分析,得到了单次反射平均光程的理论值,建立了漫反射立方腔内光线传播的理论近似模型,并通过有限元法仿真获得了单次反射平均光程的模拟值.利用可调谐二极管激光吸收光谱技术得到了立方腔的有效光程,间接求得了单次反射平均光程的实验值.对理论值、模拟值和实验值进行比较分析,验证了理论近似模型和有限元法仿真的准确性和稳定性.
激光诱导熔石英表面损伤修复中的气泡形成和控制研究
张丽娟, 张传超, 陈静, 白阳, 蒋一岚, 蒋晓龙, 王海军, 栾晓雨, 袁晓东, 廖威
2018, 67 (1): 016103. doi: 10.7498/aps.67.20171839
摘要 +
基于熔石英材料在CO2激光作用下的温度分布和结构参数变化的计算结果,对熔石英损伤修复中的气泡形成和控制进行了研究.针对损伤尺寸介于150250 m之间的损伤点,提出了一种能够有效控制气泡形成的长时间低温预热修复方法.基于低温下熔石英材料结构弛豫时间常数较长的特点,该方法在不引起熔石英材料结构发生显著变化的同时,能够解吸附表面和裂纹处所附着的气体和杂质,可有效降低裂纹闭合过程中气泡形成的概率.实验结果表明,长时间低温预热修复方法的成功修复概率可达到98%.
基于第一性原理分子动力学的填充方钴矿热输运性质及微观过程的研究
王彦成, 邱吴劼, 杨宏亮, 席丽丽, 杨炯, 张文清
2018, 67 (1): 016301. doi: 10.7498/aps.67.20171406
摘要 +
对于重要热电材料之一的填充方钴矿材料,其低热导率的成因存在两种观点:1)填充原子的局域振动引起共振散射降低热导率;2)填充原子的引入加强了三声子倒逆过程来降低热导率.本文采用含有限温度效应的第一性原理分子动力学方法模拟了YbFe4Sb12的动力学过程,并通过温度相关有效势场方法得到了充分包含非线性作用的等效非谐力常数,研究了微扰近似下的声子输运性质.结果显示,在填充原子振动全部参与三声子倒逆散射过程的近似下,相比于纯方钴矿体系,声子寿命大幅地降低,填充原子的振动是热阻的重要来源.但即便如此,理论计算结果与实验的晶格热导率之间仍存在明显偏离.不同填充原子振动之间的较弱关联性质也揭示其明显偏离经典的声子图像,表现为一种强烈的局域特征振动模式,并以此散射其他晶格声子,因而对热阻的贡献也超出了传统三声子的理论框架.通过将填充原子Yb振动模式的寿命进行共振散射形式的修正,可以使晶格热导率与实验结果符合较好.以上结果表明,YbFe4Sb12的低晶格热导率是由声子间相互作用以及具有局域振动特征的共振散射两方面因素导致.
质子辐照对永磁合金微观结构演化的研究
李哲夫, 贾彦彦, 刘仁多, 徐玉海, 王光宏, 夏晓彬, 沈卫祖
2018, 67 (1): 016104. doi: 10.7498/aps.67.20172025
摘要 +
钐钴和钕铁硼稀土永磁合金已经广泛应用于粒子加速器的波荡器和其他器件中,作为加速器的重要组成部分,永磁合金在辐照环境中长期服役会出现磁性能损失的现象,这会影响束流的品质.为了探讨产生这个现象的微观机理,采用透射电镜对质子辐照前后的钐钴和钕铁硼稀土永磁合金进行了微观结构演化的表征和分析,统计了由辐照析出的纳米晶体积密度和粒径分布,并讨论了微观结构演化对宏观磁性能损失的影响.结果表明,随着质子辐照损伤程度的增加,永磁合金的微观结构从单晶结构转变为纳米晶多晶结构,且纳米晶和基体的晶体结构相同.钕铁硼的纳米晶体积密度先增大后减小,粒径分布先增大后不变;钐钴的纳米晶体积密度逐渐减小,粒径逐渐增大.在2 dpa的质子辐照损伤程度下,钕铁硼稀土永磁合金比钐钴永磁合金的非晶化趋势更明显.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
基于分数阶最大相关熵算法的混沌时间序列预测
王世元, 史春芬, 钱国兵, 王万里
2018, 67 (1): 018401. doi: 10.7498/aps.67.20171803
摘要 +
为提高最大相关熵算法对混沌时间序列的预测速度和精度,提出了一种新的分数阶最大相关熵算法.在采用最大相关熵准则的基础上,利用分数阶微分设计了一种新的权重更新方法.在alpha噪声环境下,采用新的分数阶最大相关熵算法对Mackey-Glass和Lorenz两类具有代表性的混沌时间序列进行预测,并分析了分数阶的阶数对混沌时间序列预测性能的影响.仿真结果表明:与最小均方算法、最大相关熵算法以及分数阶最小均方算法三类自适应滤波算法相比,所提分数阶最大相关熵算法在混沌时间序列预测中能够有效地抑制非高斯脉冲噪声干扰的影响,具有较快收的敛速度和较低的稳态误差.
分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实
罗积润, 唐彦娜, 樊宇, 彭澍源, 薛谦忠
2018, 67 (1): 018402. doi: 10.7498/aps.67.20171831
摘要 +
基于目前国际上实验研究的均匀介质加载和周期介质加载结构,建立了一种分布式损耗加载回旋行波管(gyro-TWT)多模稳态注波互作用理论.利用这一理论,以TE01模式基波gyro-TWT注波互作用为例,将Ka和W波段的理论结果与实验和软件仿真进行比较,以证实理论的合理性.
抗磁悬浮振动能量采集器动力学响应的仿真分析
秦立振, 张振宇, 张坤, 丁建桥, 段智勇, 苏宇锋
2018, 67 (1): 018501. doi: 10.7498/aps.67.20171551
摘要 +
分析了微型抗磁悬浮振动能量采集器中悬浮磁体的受力特性,发现了能量采集器的单稳态和双稳态现象,研究了能量采集器在不同工作状态下该两种稳态类型时的动力学响应特性.当能量采集器处于非工作的单稳态状态时,其动力学响应是在线性系统的基础上加入非线性扰动、幅频响应曲线向右偏转;热解石墨板间距越大,非线性扰动越强烈,右偏现象则越显著.当能量采集器处于非工作的双稳态状态时,其动力学响应比较复杂,出现倍周期、4倍周期以及混沌等非线性系统特有的现象.当能量采集器处于工作状态的双稳态状态时,其振动频率和外界激励频率保持一致,进行周期振动.该研究对抗磁悬浮振动能量采集器的结构设计具有重要的参考价值,为提高能量采集器的响应特性和输出性能提供了理论指导.
非线性晶体产生的空心光束中大尺寸粒子囚禁与导引
宁效龙, 王志章, 裴春莹, 尹亚玲
2018, 67 (1): 018701. doi: 10.7498/aps.67.20171571
摘要 +
提出了一种基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束与光泳力的大尺寸粒子二维囚禁与一维导引、三维囚禁方案.理论上分析并计算了单个非线性ZnSe晶体产生的空心光束内粒子受到的横向与纵向光泳力,纵向光泳力的大小同粒子尺寸与光束尺寸比例的四次方成正比,与空心光束功率成正比,方向与光束传播方向一致.粒子尺寸与空心光束尺寸越接近时,横向光泳力的大小越大.结果表明该光泳力可以实现对大尺寸粒子的二维囚禁,同时可对粒子进行长距离(米量级)一维定向导引;理论上分析并计算了基于双非线性ZnSe晶体产生的局域空心光束内粒子所受横向与纵向光泳力情况,光泳力与系统参数的依赖关系与单个非线性晶体产生的空心光束中的粒子受力情况类似,不同的是该条件下纵向光泳力指向光束中心.结果表明该局域空心光束可以实现大尺寸粒子的三维有效囚禁.基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束或者局域空心光束可以作为大尺寸粒子非接触式有效操控的工具,在现代光学以及生物医学中有潜在的应用.
非一致通信时滞动力学网络上的接连滞后同步
张迪, 张银星, 邱小芬, 祝光湖, 李科赞
2018, 67 (1): 018901. doi: 10.7498/aps.67.20171630
摘要 +
在动力学网络中,节点与节点之间的通信通常存在时滞,并且不同节点之间的通信时滞往往是不同的(即非一致通信时滞),研究非一致通信时滞动力学网络上的接连滞后同步,更具现实意义.为此,本文首先构建含有非一致通信时滞的动力学网络模型.其次分别设计线性反馈控制和自适应反馈控制,利用Lyapunov函数方法,重点分析了该网络的接连滞后同步的稳定性,得到了同步稳定的充分条件.最后,选取蔡氏电路作为局部动力学,又分别选取了链式网络和星型网络这两种拓扑结构来验证理论结果的正确性和有效性.
凝聚物质:电子结构、电学、磁学和光学性质
BaTiO3/La0.67Sr0.33MnO3-复合薄膜的磁致电极化和磁介电特性研究
王建元, 白健英, 罗炳成, 王拴虎, 金克新, 陈长乐
2018, 67 (1): 017701. doi: 10.7498/aps.67.20172019
摘要 +
采用脉冲激光沉积法制备了BaTiO3(BTO)与缺氧的铁磁绝缘态La0.67Sr0.33MnO3-(LSMO)构成的磁电复合薄膜,研究了20300 K温度区间内磁场对电极化特性和介电特性的影响.研究发现,施加磁场使得电滞回线的剩余极化强度和矫顽场均增大,其变化率峰值分别为111.9%和89.6%,峰值温度分别为40 K和60 K.异质结具有显著的磁介电效应,在测量温度区间内,磁场使得介电常数增大,介电损耗减小.在0.8 T场强下,介电常数的最大磁致变化率出现在60 K,达到了300%,而介电损耗也在此温度实现了最大变化,减小为零场时的50.9%.该磁电复合薄膜的磁致电极化和磁介电特性的极值均出现在LSMO层的磁电阻峰值温度附近,这说明磁场对电滞回线和介电参数的调制应该源自电荷相关的耦合作用.其可能的机理是磁场使得锰氧化物中的Mn离子局域磁矩趋于有序排列,并通过自旋-轨道耦合以及界面效应间接影响了BTO的电极化特性.研究结果对于多铁器件的开发和应用具有重要意义.
地球物理学、天文学和天体物理学
电离层中性气体释放的早期试验效应研究
赵海生, 徐朝辉, 高敬帆, 许正文, 吴健, 冯杰, 徐彬, 薛昆, 李辉, 马征征
2018, 67 (1): 019401. doi: 10.7498/aps.67.20171620
摘要 +
在电离层释放电子吸附类中性气体能够引起电离层电子密度耗空,在释放之后快速形成电离层洞;同时,由于释放气体的快速膨胀,挤压背景等离子体,在电离层洞的外边缘产生壳状电子密度增强结构,电离层洞和电子密度增强结构同时存在是释放早期试验效应的显著特征.本文研究了电离层中性气体释放的早期试验效应,建立了释放早期电子密度的时空演化物理模型,仿真了释放早期电子密度的时空演化过程,同时采用射线追踪方法研究了释放后10 s和120 s不同频率信号在扰动区的传播效应,并反演得到了电离层垂直探测电离图,反演结果与一次火箭喷焰的实际观测结果吻合较好,初步验证了本模型的正确性.
综述

编辑推荐

铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景
姚可夫, 施凌翔, 陈双琴, 邵洋, 陈娜, 贾蓟丽
2018, 67 (1): 016101. doi: 10.7498/aps.67.20171473
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非晶合金通常是将熔融的金属快速冷却、通过抑制结晶而获得的原子呈长程无序排列的金属材料.由于具有这种特殊结构,铁基软磁非晶合金具有各向同性特征、很小的结构关联尺寸和磁各向异性常数,因而具有很小的矫顽力Hc,但可和晶态材料一样具有高的饱和磁感强度Bs.优异的软磁性能促进了铁基软磁非晶合金的应用研究.目前,铁基软磁非晶/纳米晶合金带材已实现大规模工业化生产和应用,成为重要的高性能软磁材料.本文回顾了软磁非晶合金的发现和发展历程,结合成分、结构、工艺对铁基非晶/纳米晶合金软磁性能的影响,介绍了相关基础研究成果和工艺技术进步对铁基软磁非晶/纳米晶合金研发和工业化应用的重要贡献.并根据结构、性能特征将铁基软磁非晶合金研发与应用分为三个阶段,指出了目前铁基软磁非晶合金研发与应用中面临的挑战和发展方向.