2015年 64卷 第14期
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2015, 64(14): 140101.
doi: 10.7498/aps.64.140101
摘要:
针对无线传感器网络中节点因干扰过大导致重传能耗增加, 进而节点过早失效、网络生命期缩短的问题, 根据网络拓扑信息和路由信息设计节点的负载模型, 从而构建了节点的生命期模型. 然后利用博弈论将路径增益、交叉干扰和节点生命期等性能参数融入到效益函数中, 构建信道分配博弈模型. 理论分析证明该博弈模型存在纳什均衡. 进而运用最佳回应策略, 在所构建的信道分配博弈模型的基础上, 设计了一种优化网络生命期的抗干扰信道分配算法. 该算法使节点在选择信道时避免与网络中交叉干扰较大的节点和生命期较小的节点使用相同信道, 实现干扰小、能耗低且均衡的信道选择. 理论分析与仿真结果证明该算法最终能够快速地收敛到纳什均衡, 且具有较小的信息复杂度, 从而减小算法本身的通信能耗. 同时, 该算法具有良好的抗干扰性和信道均衡性, 能够有效地延长网络生命期.
针对无线传感器网络中节点因干扰过大导致重传能耗增加, 进而节点过早失效、网络生命期缩短的问题, 根据网络拓扑信息和路由信息设计节点的负载模型, 从而构建了节点的生命期模型. 然后利用博弈论将路径增益、交叉干扰和节点生命期等性能参数融入到效益函数中, 构建信道分配博弈模型. 理论分析证明该博弈模型存在纳什均衡. 进而运用最佳回应策略, 在所构建的信道分配博弈模型的基础上, 设计了一种优化网络生命期的抗干扰信道分配算法. 该算法使节点在选择信道时避免与网络中交叉干扰较大的节点和生命期较小的节点使用相同信道, 实现干扰小、能耗低且均衡的信道选择. 理论分析与仿真结果证明该算法最终能够快速地收敛到纳什均衡, 且具有较小的信息复杂度, 从而减小算法本身的通信能耗. 同时, 该算法具有良好的抗干扰性和信道均衡性, 能够有效地延长网络生命期.
2015, 64(14): 140202.
doi: 10.7498/aps.64.140202
摘要:
双向温差驱动下的Marangoni-热毛细对流在许多工程技术领域具有重要作用, 但是, 已有的大部分研究集中于单向温差作用下的流动. 因此, 采用数值模拟的方法研究了水平温差对双向温差驱动下的环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响. 在一个给定的顶部换热条件下, 确定了不同水平温差作用下流动由轴对称稳态流动向三维非稳态流动转变的临界底部热流密度. 结果表明, 水平温差使得Marangoni-热毛细对流不稳定; 随着水平温差的持续增强, 稳态流动转变为一种规律的振荡流动, 最终变得混乱; 发现两种新的状态演化过程; 确定了水平温差和垂直温差在共同驱动流体运动时各自发挥的作用; 随着水平温差的增强, 最初出现在中间区域的最高表面温度不断向热壁移动, 在此过程中, 内壁附近的流动增强, 而外壁附近的流动减弱.
双向温差驱动下的Marangoni-热毛细对流在许多工程技术领域具有重要作用, 但是, 已有的大部分研究集中于单向温差作用下的流动. 因此, 采用数值模拟的方法研究了水平温差对双向温差驱动下的环形浅液池内Marangoni-热毛细对流的影响. 在一个给定的顶部换热条件下, 确定了不同水平温差作用下流动由轴对称稳态流动向三维非稳态流动转变的临界底部热流密度. 结果表明, 水平温差使得Marangoni-热毛细对流不稳定; 随着水平温差的持续增强, 稳态流动转变为一种规律的振荡流动, 最终变得混乱; 发现两种新的状态演化过程; 确定了水平温差和垂直温差在共同驱动流体运动时各自发挥的作用; 随着水平温差的增强, 最初出现在中间区域的最高表面温度不断向热壁移动, 在此过程中, 内壁附近的流动增强, 而外壁附近的流动减弱.
2015, 64(14): 140301.
doi: 10.7498/aps.64.140301
摘要:
提出了一种制备三光子纠缠W态的方案, 该方案利用携带轨道角动量为lħ的光子(其中l可取(-∞, +∞)的任意整数)可构成无穷维向量空间的特性, 采用两种类型的参量下转换, 产生轨道角动量-自旋角动量纠缠的两对光子和一对偏振纠缠光子, 通过纠缠交换制备三光子多自由度的W态, 实现三光子体系纠缠的高维度、大容量量子信息处理. 方案采用q-plate相位光学器件和单模光纤等器件制备两个不同自由度(轨道角动量与偏振)混合的W态, 并利用计算机全息相位图改进方案制备三个不同自由度(轨道角动量、线动量和偏振)混合的W态. 本方案可稳定产生两种等概率互为对称的W态, 具有高维度、强纠缠特性与抗比特丢失能力, 信息量达log2m+2比特(m为l的可取值个数), 有望实现可扩容量子比特的安全通信.
提出了一种制备三光子纠缠W态的方案, 该方案利用携带轨道角动量为lħ的光子(其中l可取(-∞, +∞)的任意整数)可构成无穷维向量空间的特性, 采用两种类型的参量下转换, 产生轨道角动量-自旋角动量纠缠的两对光子和一对偏振纠缠光子, 通过纠缠交换制备三光子多自由度的W态, 实现三光子体系纠缠的高维度、大容量量子信息处理. 方案采用q-plate相位光学器件和单模光纤等器件制备两个不同自由度(轨道角动量与偏振)混合的W态, 并利用计算机全息相位图改进方案制备三个不同自由度(轨道角动量、线动量和偏振)混合的W态. 本方案可稳定产生两种等概率互为对称的W态, 具有高维度、强纠缠特性与抗比特丢失能力, 信息量达log2m+2比特(m为l的可取值个数), 有望实现可扩容量子比特的安全通信.
2015, 64(14): 140201.
doi: 10.7498/aps.64.140201
摘要:
2000年以来, 有关非对易空间的各种物理问题一直是研究的热点, 并在量子力学、场论、凝聚态物理、天体物理等各领域中已被广泛地探讨. 采用统计物理方法讨论非对易效应对谐振子体系热力学性质的影响. 先以对易相空间中确定二维和三维谐振子的配分函数求出谐振子体系的热力学函数; 非对易相空间中的坐标和动量通过坐标-坐标和动量-动量之间的线性变换而以对易相空间中的坐标和动量来表示; 最终以非对易相空间中求出配分函数来讨论非对易效应对谐振子体系热力学性质的影响. 结果显示, 在非对易相空间中谐振子体系的配分函数和熵表达式均包含因非对易引起的修正项. 从分析结果得出如下结论: 非对易效应对谐振子的配分函数和熵函数等微观状态函数有一定的影响, 但对谐振子体系的内能、热容量等宏观热力学函数没有影响. 研究结果只是对应于满足玻尔兹曼统计的经典体系, 对于满足费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计的量子体系需进一步推广研究.
2000年以来, 有关非对易空间的各种物理问题一直是研究的热点, 并在量子力学、场论、凝聚态物理、天体物理等各领域中已被广泛地探讨. 采用统计物理方法讨论非对易效应对谐振子体系热力学性质的影响. 先以对易相空间中确定二维和三维谐振子的配分函数求出谐振子体系的热力学函数; 非对易相空间中的坐标和动量通过坐标-坐标和动量-动量之间的线性变换而以对易相空间中的坐标和动量来表示; 最终以非对易相空间中求出配分函数来讨论非对易效应对谐振子体系热力学性质的影响. 结果显示, 在非对易相空间中谐振子体系的配分函数和熵表达式均包含因非对易引起的修正项. 从分析结果得出如下结论: 非对易效应对谐振子的配分函数和熵函数等微观状态函数有一定的影响, 但对谐振子体系的内能、热容量等宏观热力学函数没有影响. 研究结果只是对应于满足玻尔兹曼统计的经典体系, 对于满足费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计的量子体系需进一步推广研究.
2015, 64(14): 140203.
doi: 10.7498/aps.64.140203
摘要:
为提高人工免疫优化算法的优化能力, 将非基因信息的记忆机制引入智能算法, 提出了一种基于非基因信息的免疫记忆优化算法. 算法通过对先验知识(非基因信息)的短期记忆并指导后续进化, 降低盲目搜索和重复搜索, 增加了搜索的智能性和有效性. 结合标准测试函数在高维下的仿真实验表明, 与其他智能算法相比, 新算法在收敛速度、收敛精度和全局收敛性方面均优于对比算法. 此外, 在超高维下的仿真结果表明新算法具有在大规模维度解空间中的全局寻优能力.
为提高人工免疫优化算法的优化能力, 将非基因信息的记忆机制引入智能算法, 提出了一种基于非基因信息的免疫记忆优化算法. 算法通过对先验知识(非基因信息)的短期记忆并指导后续进化, 降低盲目搜索和重复搜索, 增加了搜索的智能性和有效性. 结合标准测试函数在高维下的仿真实验表明, 与其他智能算法相比, 新算法在收敛速度、收敛精度和全局收敛性方面均优于对比算法. 此外, 在超高维下的仿真结果表明新算法具有在大规模维度解空间中的全局寻优能力.
2015, 64(14): 140302.
doi: 10.7498/aps.64.140302
摘要:
从量子相干性包括l1 norm相干性和量子相对熵相干性的角度建立了判定开放量子系统中非马尔可夫过程的方法, 并给出了相应的判别条件. 作为它们的具体应用, 研究了一个两能级系统分别经历相位衰减通道、 随机幺正通道和振幅耗散通道作用时对应的非马尔可夫过程发生必须满足的条件. 对于三种通道模型, 得到了l1 norm相干性对系统任意态非马尔可夫过程发生的判别条件, 并发现在相位衰减通道和振幅耗散通道中其非马尔可夫过程发生 的条件与用其他方式如信息回流、可分性和量子互熵给出的条件是相同的, 而在随机幺正通道中给出了一个新的且不完全等价于基于信息回流和可分性对应的条件. 至于量子相对熵相干性, 在相位衰减通道中得到了对系统任意态的非马尔可夫过程发生的具体条件, 并发现该条件也等同于基于信息回流、可分性和量子互熵给出的条件. 而在随机幺正通道和振幅耗散通道中得到了系统最大相干态对应的非马尔可夫过程发生的条件.
从量子相干性包括l1 norm相干性和量子相对熵相干性的角度建立了判定开放量子系统中非马尔可夫过程的方法, 并给出了相应的判别条件. 作为它们的具体应用, 研究了一个两能级系统分别经历相位衰减通道、 随机幺正通道和振幅耗散通道作用时对应的非马尔可夫过程发生必须满足的条件. 对于三种通道模型, 得到了l1 norm相干性对系统任意态非马尔可夫过程发生的判别条件, 并发现在相位衰减通道和振幅耗散通道中其非马尔可夫过程发生 的条件与用其他方式如信息回流、可分性和量子互熵给出的条件是相同的, 而在随机幺正通道中给出了一个新的且不完全等价于基于信息回流和可分性对应的条件. 至于量子相对熵相干性, 在相位衰减通道中得到了对系统任意态的非马尔可夫过程发生的具体条件, 并发现该条件也等同于基于信息回流、可分性和量子互熵给出的条件. 而在随机幺正通道和振幅耗散通道中得到了系统最大相干态对应的非马尔可夫过程发生的条件.
2015, 64(14): 140304.
doi: 10.7498/aps.64.140304
摘要:
针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.
针对量子中继器短时间内难以应用于长距离量子密钥分配系统的问题, 提出了基于量子存储的长距离测量设备无关量子密钥分配协议, 分析了其密钥生成率与存储效率、信道传输效率和安全传输距离等参数间的关系, 研究了该协议中量子存储单元的退相干效应对最终密钥生成率的影响, 比较了经典测量设备无关量子密钥分配协议和基于量子存储的测量设备无关量子密钥分配协议的密钥生成率与安全传输距离的关系. 仿真结果表明, 添加量子存储单元后, 协议的安全传输距离由无量子存储的216 km增加至500 km, 且量子存储退相干效应带来的误码对最终的密钥生成率影响较小. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率, 为实用量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.
2015, 64(14): 140701.
doi: 10.7498/aps.64.140701
摘要:
针对垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件中的微型彩色像素建立了三维光学模型. 首先, 对彩色液晶器件的机电特性进行了分析; 其次, 利用扩展琼斯矩阵计算出器件的光反射率; 最后, 采用标准RGB协议将所研究的垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件中各像素点的光反射特性还原成彩色图像. 用上述过程所建立的三维光学模型进行了垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件的光学特性研究, 并与实验数据进行了比较. 比较结果显示, 模拟得到的垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件的光学特性与实验结果非常符合.
针对垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件中的微型彩色像素建立了三维光学模型. 首先, 对彩色液晶器件的机电特性进行了分析; 其次, 利用扩展琼斯矩阵计算出器件的光反射率; 最后, 采用标准RGB协议将所研究的垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件中各像素点的光反射特性还原成彩色图像. 用上述过程所建立的三维光学模型进行了垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件的光学特性研究, 并与实验数据进行了比较. 比较结果显示, 模拟得到的垂直向列型彩色滤光膜硅覆液晶微显示器件的光学特性与实验结果非常符合.
2015, 64(14): 140702.
doi: 10.7498/aps.64.140702
摘要:
为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.
为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.
2015, 64(14): 140303.
doi: 10.7498/aps.64.140303
摘要:
宏观-微观纠缠最早起源于薛定谔的猫思想实验, 是指在宏观体系与微观体系之间建立量子纠缠. 实现宏观-微观纠缠可以利用多种物理体系来完成, 本文重点介绍了在光学体系中制备和检验宏观-微观纠缠的发展过程. 从最初的受激辐射单光子量子克隆到光学参量放大, 再到相空间的位移操作, 实验上制备宏观-微观纠缠的方法取得了长足的进步. 利用非线性光学参量放大过程制备的宏观-微观纠缠的光子数可以达到104量级, 人眼已经可以观察到, 因此使用人眼作为探测器来检验宏观-微观纠缠的实验开始出现. 但随后人们意识到, 粗精度的光子数探测器, 例如人眼, 无法严格判定宏观-微观纠缠的存在. 为了解决这个难题, 提出了一种巧妙的方法, 即在制备宏-微观纠缠后, 利用局域操作过程将宏观态再变为微观态, 通过判定微观纠缠存在的方法来判定宏微观纠缠的存在. 之后相空间的位移操作方法将宏观态的粒子数提高到108, 并且实现了纠缠的严格检验. 利用光机械实现宏观-微观纠缠的方案也被提出. 由于量子密钥分配中纠缠是必要条件, 而宏观-微观纠缠态光子数较多这一优势可能会对量子密钥分配的传输距离有所提高. 本文介绍了利用相位纠缠的相干态来进行量子秘钥分配的方案, 探讨了利用宏观-微观纠缠实现量子密钥分配的可能性.
宏观-微观纠缠最早起源于薛定谔的猫思想实验, 是指在宏观体系与微观体系之间建立量子纠缠. 实现宏观-微观纠缠可以利用多种物理体系来完成, 本文重点介绍了在光学体系中制备和检验宏观-微观纠缠的发展过程. 从最初的受激辐射单光子量子克隆到光学参量放大, 再到相空间的位移操作, 实验上制备宏观-微观纠缠的方法取得了长足的进步. 利用非线性光学参量放大过程制备的宏观-微观纠缠的光子数可以达到104量级, 人眼已经可以观察到, 因此使用人眼作为探测器来检验宏观-微观纠缠的实验开始出现. 但随后人们意识到, 粗精度的光子数探测器, 例如人眼, 无法严格判定宏观-微观纠缠的存在. 为了解决这个难题, 提出了一种巧妙的方法, 即在制备宏-微观纠缠后, 利用局域操作过程将宏观态再变为微观态, 通过判定微观纠缠存在的方法来判定宏微观纠缠的存在. 之后相空间的位移操作方法将宏观态的粒子数提高到108, 并且实现了纠缠的严格检验. 利用光机械实现宏观-微观纠缠的方案也被提出. 由于量子密钥分配中纠缠是必要条件, 而宏观-微观纠缠态光子数较多这一优势可能会对量子密钥分配的传输距离有所提高. 本文介绍了利用相位纠缠的相干态来进行量子秘钥分配的方案, 探讨了利用宏观-微观纠缠实现量子密钥分配的可能性.
2015, 64(14): 140501.
doi: 10.7498/aps.64.140501
摘要:
提出了一种基于强跟踪滤波器的混沌保密通信方法. 在发送端, 混沌映射和信息符号被建模成非线性状态空间模型, 信息符号被加性混沌掩盖或乘性混沌掩盖调制, 然后通过信道输出. 在接收端, 驱动信号被接收, 使用带有贝叶斯分类器(信息符号估计)的强跟踪滤波器算法动态地恢复信息符号. Logistic混沌映射的仿真表明, 当信息符号为二进制编码时, 不管是加性混沌掩盖调制还是乘性混沌掩盖调制, 强跟踪滤波器均能较好地从混沌信号中恢复信息符号. 与扩展卡尔曼滤波器相比, 由于卡尔曼滤波器对于离散的信息符号跟踪能力差, 混沌映射中信息符号难以恢复, 比特误码率高. 因此, 这种基于强跟踪滤波器的混沌保密通信方法是有效的.
提出了一种基于强跟踪滤波器的混沌保密通信方法. 在发送端, 混沌映射和信息符号被建模成非线性状态空间模型, 信息符号被加性混沌掩盖或乘性混沌掩盖调制, 然后通过信道输出. 在接收端, 驱动信号被接收, 使用带有贝叶斯分类器(信息符号估计)的强跟踪滤波器算法动态地恢复信息符号. Logistic混沌映射的仿真表明, 当信息符号为二进制编码时, 不管是加性混沌掩盖调制还是乘性混沌掩盖调制, 强跟踪滤波器均能较好地从混沌信号中恢复信息符号. 与扩展卡尔曼滤波器相比, 由于卡尔曼滤波器对于离散的信息符号跟踪能力差, 混沌映射中信息符号难以恢复, 比特误码率高. 因此, 这种基于强跟踪滤波器的混沌保密通信方法是有效的.
2015, 64(14): 143201.
doi: 10.7498/aps.64.143201
摘要:
利用量子S-矩阵理论, 借助一致近似方法, 研究了波长分别为800, 1300与2000 nm的强激光场下氩原子高阶阈上电离光电子能谱的类共振增强结构. 结果表明: 在近红外和中红外波段的强激光场下, 阈上电离光电子能谱中均会出现类共振增强结构, 而出现的光强正好满足通道关闭条件, 从而进一步证实了类共振增强的通道关闭机理解释; 发现随着激光波长和光强的增加, 光电子能谱中类共振增强和抑制会交替出现, 该原因可能是电子返回次数不同的“量子轨道”间的相干叠加, 这可以解释实验观察到的长波长下出现的类共振增强能量范围展宽的现象. 研究表明, 在中红外波段的强激光场下, 也会出现与近红外波段类似的type-Ⅰ和type-Ⅱ类共振增强结构.
利用量子S-矩阵理论, 借助一致近似方法, 研究了波长分别为800, 1300与2000 nm的强激光场下氩原子高阶阈上电离光电子能谱的类共振增强结构. 结果表明: 在近红外和中红外波段的强激光场下, 阈上电离光电子能谱中均会出现类共振增强结构, 而出现的光强正好满足通道关闭条件, 从而进一步证实了类共振增强的通道关闭机理解释; 发现随着激光波长和光强的增加, 光电子能谱中类共振增强和抑制会交替出现, 该原因可能是电子返回次数不同的“量子轨道”间的相干叠加, 这可以解释实验观察到的长波长下出现的类共振增强能量范围展宽的现象. 研究表明, 在中红外波段的强激光场下, 也会出现与近红外波段类似的type-Ⅰ和type-Ⅱ类共振增强结构.
2015, 64(14): 143302.
doi: 10.7498/aps.64.143302
摘要:
实验获得了超冷铯分子6S1/2+6P1/2离解限下0u+长程态振动能级v=187的转动常数. 首先利用调制的荧光光谱技术获得了高分辨的转动量子数J=06的超冷铯分子纯转动光谱. 利用双光缔合光谱技术, 构建了高精度的频率参考信号, 进而得到了相邻转动能级间的频率间隔. 最后通过非刚性转子模型拟合得到了转动常数和离心畸变常数.
实验获得了超冷铯分子6S1/2+6P1/2离解限下0u+长程态振动能级v=187的转动常数. 首先利用调制的荧光光谱技术获得了高分辨的转动量子数J=06的超冷铯分子纯转动光谱. 利用双光缔合光谱技术, 构建了高精度的频率参考信号, 进而得到了相邻转动能级间的频率间隔. 最后通过非刚性转子模型拟合得到了转动常数和离心畸变常数.
2015, 64(14): 143301.
doi: 10.7498/aps.64.143301
摘要:
物质分子振动退相时间测量是一种非标记无损分子检测方法, 用超连续谱时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射方法可同时获得分子振动谱和退相时间. 实验以苯甲腈和甲醇为样品, 研究当分子环境变化时, 其主要振动谱的振动退相时间变化情况. 将苯甲腈与无水乙醇混合, 测量了苯甲腈分子1017, 2247和3085 cm-1三个典型分子振动的退相时间随环境变化的规律, 并得到了变化后的振动退相时间. 测量了甲醇分子2851, 2960 cm-1两个相邻分子振动的退相时间随环境的变化情况, 给出实验变化规律. 这种方法具有检测分子所处环境变化和分子相互作用的能力, 在生命科学、分子生物学和材料科学等研究领域中具有重要的应用前景.
物质分子振动退相时间测量是一种非标记无损分子检测方法, 用超连续谱时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射方法可同时获得分子振动谱和退相时间. 实验以苯甲腈和甲醇为样品, 研究当分子环境变化时, 其主要振动谱的振动退相时间变化情况. 将苯甲腈与无水乙醇混合, 测量了苯甲腈分子1017, 2247和3085 cm-1三个典型分子振动的退相时间随环境变化的规律, 并得到了变化后的振动退相时间. 测量了甲醇分子2851, 2960 cm-1两个相邻分子振动的退相时间随环境的变化情况, 给出实验变化规律. 这种方法具有检测分子所处环境变化和分子相互作用的能力, 在生命科学、分子生物学和材料科学等研究领域中具有重要的应用前景.
2015, 64(14): 143303.
doi: 10.7498/aps.64.143303
摘要:
利用三态模型和含时波包法, 研究了K2分子在强飞秒抽运-探测激光场中延时、脉宽以及抽运波长对光电子能谱和波包动力学过程的影响. 研究结果表明, 激光场强较弱或者脉宽较短都可能不发生Autler-Townes分裂, 光电子能谱呈现出单峰结构; 延时和抽运波长的改变影响能峰结构、位置和相对峰高; 对于不同的抽运波长, 波包的振动周期是相同的, 波包振荡幅度随脉宽增大而减小; 光电子能谱反映了波包动力学信息. 研究结果可以为实验上实现分子的光控制以及量子调控过程提供一定的参考, 并为进一步研究K2分子的动力学性质提供有用的信息.
利用三态模型和含时波包法, 研究了K2分子在强飞秒抽运-探测激光场中延时、脉宽以及抽运波长对光电子能谱和波包动力学过程的影响. 研究结果表明, 激光场强较弱或者脉宽较短都可能不发生Autler-Townes分裂, 光电子能谱呈现出单峰结构; 延时和抽运波长的改变影响能峰结构、位置和相对峰高; 对于不同的抽运波长, 波包的振动周期是相同的, 波包振荡幅度随脉宽增大而减小; 光电子能谱反映了波包动力学信息. 研究结果可以为实验上实现分子的光控制以及量子调控过程提供一定的参考, 并为进一步研究K2分子的动力学性质提供有用的信息.
2015, 64(14): 143401.
doi: 10.7498/aps.64.143401
摘要:
原子间相互作用势是预测惰性气体输运性质的必要输入条件. 文章对描述惰性气体原子间相互作用的Lennard-Jones势、指数排斥势、Hartree-Fock-Dispersion-B (HFD-B)势和唯象势的形式和特点进行了分析. 基于Chapman-Enskog方法, 计算得到了惰性气体在300–5000 K温度区间内基于四种原子相互作用势的黏性和热导率, 并与文献报道的实验和理论计算结果进行了比较. 研究结果表明, 基于Hartree-Fock排斥理论与色散理论发展起来的HFD-B势能够合理反映惰性气体原子相互作用的趋势与特征, 因而可以较好地预测惰性气体的宏观输运性质.
原子间相互作用势是预测惰性气体输运性质的必要输入条件. 文章对描述惰性气体原子间相互作用的Lennard-Jones势、指数排斥势、Hartree-Fock-Dispersion-B (HFD-B)势和唯象势的形式和特点进行了分析. 基于Chapman-Enskog方法, 计算得到了惰性气体在300–5000 K温度区间内基于四种原子相互作用势的黏性和热导率, 并与文献报道的实验和理论计算结果进行了比较. 研究结果表明, 基于Hartree-Fock排斥理论与色散理论发展起来的HFD-B势能够合理反映惰性气体原子相互作用的趋势与特征, 因而可以较好地预测惰性气体的宏观输运性质.
2015, 64(14): 143101.
doi: 10.7498/aps.64.143101
摘要:
硅功能化石墨烯(硅化烯)作为锂离子电池的负极材料, 一旦发生分层或粉化等损伤现象, 会严重地降低材料的电子输运能力和储锂容量, 减少电池的使用寿命, 因此要求负极材料具有较强的力学可靠性. 考虑到传统分子动力学方法的模拟尺度很难达到硅化烯负极材料的真实尺度, 首先采用Tersoff 势函数和Lennard-Jones 势函数建立了多种硅化烯的全原子数值模型, 计算材料的各种弹性模量和吸附能; 然后采用珠子-弹簧结构, 根据力学平衡条件和能量守恒定律, 结合全原子模型的计算结果, 建立了硅化烯粗粒模型及其系统的能量方程; 最后, 通过对比石墨烯粗粒模型与其全原子模型的拉伸性能, 验证了硅化烯粗粒模型的有效性.
硅功能化石墨烯(硅化烯)作为锂离子电池的负极材料, 一旦发生分层或粉化等损伤现象, 会严重地降低材料的电子输运能力和储锂容量, 减少电池的使用寿命, 因此要求负极材料具有较强的力学可靠性. 考虑到传统分子动力学方法的模拟尺度很难达到硅化烯负极材料的真实尺度, 首先采用Tersoff 势函数和Lennard-Jones 势函数建立了多种硅化烯的全原子数值模型, 计算材料的各种弹性模量和吸附能; 然后采用珠子-弹簧结构, 根据力学平衡条件和能量守恒定律, 结合全原子模型的计算结果, 建立了硅化烯粗粒模型及其系统的能量方程; 最后, 通过对比石墨烯粗粒模型与其全原子模型的拉伸性能, 验证了硅化烯粗粒模型的有效性.
2015, 64(14): 144101.
doi: 10.7498/aps.64.144101
摘要:
通过将两个金属开口环谐振器口对口地放置, 实现了超材料谐振子间的电耦合谐振. 对电耦合谐振的微波等效电路进行了理论分析和数值计算, 结果表明耦合后的超材料谐振子能产生两个谐振频率, 其中一个随耦合强度的增加逐渐向低频方向移动, 而另一个固定在单谐振子的谐振频率处不变. 微波透射谱的实验测试和电磁仿真结果表明, 两个谐振峰随耦合强度的增加分别向低频和高频方向移动. 分析表明: 低频谐振峰的位置主要是由超材料谐振子间的电耦合强度决定的; 高频谐振偏离单谐振子的谐振频率主要是由不可避免的磁耦合引起的, 而且在耦合间距越小时磁耦合影响越大. 提出的基于超材料谐振子间的电磁耦合实现的双频谐振及其可调性极大地增加了超材料的设计与应用空间.
通过将两个金属开口环谐振器口对口地放置, 实现了超材料谐振子间的电耦合谐振. 对电耦合谐振的微波等效电路进行了理论分析和数值计算, 结果表明耦合后的超材料谐振子能产生两个谐振频率, 其中一个随耦合强度的增加逐渐向低频方向移动, 而另一个固定在单谐振子的谐振频率处不变. 微波透射谱的实验测试和电磁仿真结果表明, 两个谐振峰随耦合强度的增加分别向低频和高频方向移动. 分析表明: 低频谐振峰的位置主要是由超材料谐振子间的电耦合强度决定的; 高频谐振偏离单谐振子的谐振频率主要是由不可避免的磁耦合引起的, 而且在耦合间距越小时磁耦合影响越大. 提出的基于超材料谐振子间的电磁耦合实现的双频谐振及其可调性极大地增加了超材料的设计与应用空间.
2015, 64(14): 144102.
doi: 10.7498/aps.64.144102
摘要:
研究表明, 峰值强度为1022–1025 W/cm2量级的圆偏振激光脉冲的有质动力场可以直接加速并产生GeV–TeV的单能电子束, 其中被加速电子的能量与激光脉冲的峰值强度成线性定标关系. 为了获得更高能量的电子束, 通过对一维解析模型的分析得到: 如果电子束在激光传播的方向上具一个初始能量E0, 那么这种线性的定标关系可以被打破, 被加速电子束最终的能量可以被放大E0倍. 这是由于具有一定初始能量的电子束不容易被激光脉冲抛在后面, 进而获得更高的加速距离. 二维粒子模拟结果显示: 当电子束的初始能量E0为MeV量级时这个方法是有效的, 而当E0过大时这个方法失效. 这是因为当电子的加速距离远大于激光脉冲的瑞利长度时, 激光强度的衰减使得电子束的加速错过了最佳加速场.
研究表明, 峰值强度为1022–1025 W/cm2量级的圆偏振激光脉冲的有质动力场可以直接加速并产生GeV–TeV的单能电子束, 其中被加速电子的能量与激光脉冲的峰值强度成线性定标关系. 为了获得更高能量的电子束, 通过对一维解析模型的分析得到: 如果电子束在激光传播的方向上具一个初始能量E0, 那么这种线性的定标关系可以被打破, 被加速电子束最终的能量可以被放大E0倍. 这是由于具有一定初始能量的电子束不容易被激光脉冲抛在后面, 进而获得更高的加速距离. 二维粒子模拟结果显示: 当电子束的初始能量E0为MeV量级时这个方法是有效的, 而当E0过大时这个方法失效. 这是因为当电子的加速距离远大于激光脉冲的瑞利长度时, 激光强度的衰减使得电子束的加速错过了最佳加速场.
2015, 64(14): 144201.
doi: 10.7498/aps.64.144201
摘要:
基于Zernike模式的波前重构算法通常忽略实际波前像差构成的差异, 而用一定数量的低阶Zernike模式进行波前重构, 导致模式混淆或耦合等问题, 进而影响波前重构的精度. 根据信息论中的最小描述长度准则对重构模型的阶数进行了选择, 在此基础上应用非线性优化算法计算重构系数, 并最终实现波前重构; 对不同信噪比条件下振幅均匀分布入射光束的波前进行了重构. 结果表明: 该算法不但能够实现相对于现有算法相对较高的波前重构精度, 并且具有优良的噪声适应性, 体现了模型选择在模式法波前重构算法中的意义.
基于Zernike模式的波前重构算法通常忽略实际波前像差构成的差异, 而用一定数量的低阶Zernike模式进行波前重构, 导致模式混淆或耦合等问题, 进而影响波前重构的精度. 根据信息论中的最小描述长度准则对重构模型的阶数进行了选择, 在此基础上应用非线性优化算法计算重构系数, 并最终实现波前重构; 对不同信噪比条件下振幅均匀分布入射光束的波前进行了重构. 结果表明: 该算法不但能够实现相对于现有算法相对较高的波前重构精度, 并且具有优良的噪声适应性, 体现了模型选择在模式法波前重构算法中的意义.
2015, 64(14): 144202.
doi: 10.7498/aps.64.144202
摘要:
针对谐振式微腔的应用需求, 提出了一种新型三环谐振式微腔结构, 类似于原子系统中的电磁诱导透明, 耦合诱导透明(CRIT)效应在一个新的光学微腔系统中已被实验证明. 该结构在硅基上由三个尺寸完全一样的微环腔组成, 通过理论分析、制备和实验测试, 能够观察到CRIT现象, 其频谱具有低群速的狭窄透明峰, 与光栅耦合器的耦合效率为34%, 并且谐振器的品质因数达到了0.65×105, 同时, 失谐的谐振波长可以通过温度变化来控制, 这在旋转传感、光滤波器、光存储器等方面的应用有重要意义.
针对谐振式微腔的应用需求, 提出了一种新型三环谐振式微腔结构, 类似于原子系统中的电磁诱导透明, 耦合诱导透明(CRIT)效应在一个新的光学微腔系统中已被实验证明. 该结构在硅基上由三个尺寸完全一样的微环腔组成, 通过理论分析、制备和实验测试, 能够观察到CRIT现象, 其频谱具有低群速的狭窄透明峰, 与光栅耦合器的耦合效率为34%, 并且谐振器的品质因数达到了0.65×105, 同时, 失谐的谐振波长可以通过温度变化来控制, 这在旋转传感、光滤波器、光存储器等方面的应用有重要意义.
2015, 64(14): 144204.
doi: 10.7498/aps.64.144204
摘要:
报道了一种基于全啁啾镜腔内色散补偿的、可长期稳定运行的亚8 fs钛宝石激光器.在4 W绿光抽运下, 可获得300 mW、86 MHz脉冲输出.腔内用于色散补偿的两对啁啾镜是国内自主设计自行镀膜的, 其对色散的精确控制可以在腔内不加尖劈对的情况下获得半宽超过150 nm超宽带输出.利用腔外色散补偿, 脉冲宽度被压缩至7.9 fs, 这是目前采用国产啁啾镜获得的最短脉宽, 也是无尖劈对谐振腔获得的最短脉宽.同时, 利用电路系统提供实时反馈调节, 可保证钛宝石激光器长期稳定运行, 24 h内功率抖动约0.6%.
报道了一种基于全啁啾镜腔内色散补偿的、可长期稳定运行的亚8 fs钛宝石激光器.在4 W绿光抽运下, 可获得300 mW、86 MHz脉冲输出.腔内用于色散补偿的两对啁啾镜是国内自主设计自行镀膜的, 其对色散的精确控制可以在腔内不加尖劈对的情况下获得半宽超过150 nm超宽带输出.利用腔外色散补偿, 脉冲宽度被压缩至7.9 fs, 这是目前采用国产啁啾镜获得的最短脉宽, 也是无尖劈对谐振腔获得的最短脉宽.同时, 利用电路系统提供实时反馈调节, 可保证钛宝石激光器长期稳定运行, 24 h内功率抖动约0.6%.
2015, 64(14): 144205.
doi: 10.7498/aps.64.144205
摘要:
渐变折射率分布的光波导分析对光波导器件的设计和研究至关重要, 近年来已提出了多种分析方法, 然而在简便性或准确性上都存在着不足. 为此, 提出了一种分析渐变折射率分布光波导的方法, 能够结合现有的Wentzel-Kramers-Brillouin近似法和离散化的波动方程, 构建模场分布, 再结合变分运算方程和修正的模式本征方程, 计算出较为精确的有效折射率. 与其他分析方法相比, 该方法较为简单, 而且有一定的精度.
渐变折射率分布的光波导分析对光波导器件的设计和研究至关重要, 近年来已提出了多种分析方法, 然而在简便性或准确性上都存在着不足. 为此, 提出了一种分析渐变折射率分布光波导的方法, 能够结合现有的Wentzel-Kramers-Brillouin近似法和离散化的波动方程, 构建模场分布, 再结合变分运算方程和修正的模式本征方程, 计算出较为精确的有效折射率. 与其他分析方法相比, 该方法较为简单, 而且有一定的精度.
2015, 64(14): 144203.
doi: 10.7498/aps.64.144203
摘要:
光正交频分复用系统中的光纤非线性效应制约着系统进一步的扩容. 针对此问题, 提出一种数字相干叠加的方法, 用于提高相干光正交频分复用系统对光纤非线性的容忍性. 仿真中, 5通道的波分复用下偏振复用相干光正交频分复用系统的每个通道传输四进制正交振幅调制映射的71.53 Gbit/s信号在光纤中传输400 km. 首先, 通道间隔为25 GHz, 与传统相干光正交频分复用系统相比, 色散补偿前后, 使用数字相干叠加的相干光正交频分复用系统的信噪比分别提升了6.02 dB和9.05 dB, 最佳入纤光功率均增大了2 dB; 其次, 通道间隔为50 GHz, 色散补偿前后, 信噪比分别提升了4.9 dB和8.75 dB. 通过理论推导及仿真, 验证了所提方法能有效消除相干光正交频分复用系统的一阶非线性失真, 进而提高系统对光纤非线性的容忍性.
光正交频分复用系统中的光纤非线性效应制约着系统进一步的扩容. 针对此问题, 提出一种数字相干叠加的方法, 用于提高相干光正交频分复用系统对光纤非线性的容忍性. 仿真中, 5通道的波分复用下偏振复用相干光正交频分复用系统的每个通道传输四进制正交振幅调制映射的71.53 Gbit/s信号在光纤中传输400 km. 首先, 通道间隔为25 GHz, 与传统相干光正交频分复用系统相比, 色散补偿前后, 使用数字相干叠加的相干光正交频分复用系统的信噪比分别提升了6.02 dB和9.05 dB, 最佳入纤光功率均增大了2 dB; 其次, 通道间隔为50 GHz, 色散补偿前后, 信噪比分别提升了4.9 dB和8.75 dB. 通过理论推导及仿真, 验证了所提方法能有效消除相干光正交频分复用系统的一阶非线性失真, 进而提高系统对光纤非线性的容忍性.
2015, 64(14): 144302.
doi: 10.7498/aps.64.144302
摘要:
建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.
建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.
2015, 64(14): 144701.
doi: 10.7498/aps.64.144701
摘要:
血栓引发的各种心血管疾病一直威胁着人们的健康. 在已经产生血栓的血管中, 脉动对于疏通血管有良好的作用. 由于血液的黏滞作用以及红细胞的惯性, 脉动流的频率会影响血管通栓的效果. 在分叉管模型中, 低压差的条件下, 由于另一畅通管子的导通作用减少了回流, 导致通栓效果不理想. 通过增大压差和提高脉动流的振幅, 降低畅通管子导通作用的影响, 研究脉动流在分叉管中的通栓效果. 研究发现, 脉动低频通栓效果好, 但是通栓需要的时间较长; 高频通栓时间短, 但是当频率高于一定值, 则通栓效果不明显. 细胞和管壁的摩察系数对通栓效果也有影响.
血栓引发的各种心血管疾病一直威胁着人们的健康. 在已经产生血栓的血管中, 脉动对于疏通血管有良好的作用. 由于血液的黏滞作用以及红细胞的惯性, 脉动流的频率会影响血管通栓的效果. 在分叉管模型中, 低压差的条件下, 由于另一畅通管子的导通作用减少了回流, 导致通栓效果不理想. 通过增大压差和提高脉动流的振幅, 降低畅通管子导通作用的影响, 研究脉动流在分叉管中的通栓效果. 研究发现, 脉动低频通栓效果好, 但是通栓需要的时间较长; 高频通栓时间短, 但是当频率高于一定值, 则通栓效果不明显. 细胞和管壁的摩察系数对通栓效果也有影响.
2015, 64(14): 144301.
doi: 10.7498/aps.64.144301
摘要:
针对海中声源在海-气界面低频异常声透射问题, 根据两层媒质声传输模型, 分析了大气声速和密度与气压、气温、湿度及海水中声速和密度与海温、盐度间的关系, 研究了低频声透射和传输受温度、气压、盐度、湿度等因素的影响, 分析了各因素对声透射和传输的影响程度. 结果表明: 1) 声透射到大气中的声功率与气温、湿度负相关, 与海温、盐度、气压正相关; 2) 单极子与水平偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度负相关, 而垂直偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度正相关; 3) 声透射指向性与海温正相关, 与气温负相关; 4) 低频声透射受温度影响最大, 其次是盐度, 受气压和湿度影响较小, 垂直偶极子声源的声透射受温度影响大于水平偶极子和单极子声源.
针对海中声源在海-气界面低频异常声透射问题, 根据两层媒质声传输模型, 分析了大气声速和密度与气压、气温、湿度及海水中声速和密度与海温、盐度间的关系, 研究了低频声透射和传输受温度、气压、盐度、湿度等因素的影响, 分析了各因素对声透射和传输的影响程度. 结果表明: 1) 声透射到大气中的声功率与气温、湿度负相关, 与海温、盐度、气压正相关; 2) 单极子与水平偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度负相关, 而垂直偶极子声源辐射到海中的声功率与海温、盐度正相关; 3) 声透射指向性与海温正相关, 与气温负相关; 4) 低频声透射受温度影响最大, 其次是盐度, 受气压和湿度影响较小, 垂直偶极子声源的声透射受温度影响大于水平偶极子和单极子声源.
2015, 64(14): 145201.
doi: 10.7498/aps.64.145201
摘要:
在低密等离子体通道中, 横向有质动力可以有效调制电子的横向振荡过程. 一方面, 横向有质动力可以向外推动电子, 增大电子横向振荡振幅, 减小失相率, 使电子获得能量增益; 另一方面, 横向有质动力也可以通过对失相率的非线性调制来降低失相率, 在电子横向振荡振幅很小的情况下导致激光直接加速. 横向有质动力调制的大小由等离子体密度、激光强度和束宽共同决定. 三维模型结果也证实可以通过参数放大实现激光直接加速, 弥补了准二维模型的局限性.
在低密等离子体通道中, 横向有质动力可以有效调制电子的横向振荡过程. 一方面, 横向有质动力可以向外推动电子, 增大电子横向振荡振幅, 减小失相率, 使电子获得能量增益; 另一方面, 横向有质动力也可以通过对失相率的非线性调制来降低失相率, 在电子横向振荡振幅很小的情况下导致激光直接加速. 横向有质动力调制的大小由等离子体密度、激光强度和束宽共同决定. 三维模型结果也证实可以通过参数放大实现激光直接加速, 弥补了准二维模型的局限性.
2015, 64(14): 145203.
doi: 10.7498/aps.64.145203
摘要:
利用蒙特卡罗方法模拟六孔球形黑腔中的辐射输运, 研究靶球辐照均匀性问题. 对于几何结构简单的解析模型, 研究了不同黑腔靶球半径比的靶球辐照均匀性变化规律, 得出的结论与解析的“视因子”方法给出的一致. 对于几何结构复杂的黑腔模型, 如放置有挡板的模型, 解析方法计算困难, 但利用蒙特卡罗方法仍然能够准确模拟计算. 不同挡板大小的理论模型计算结果表明, 挡板对X光输运到靶球表面的分布状况有明显的影响, 如果设置得当则可以提高X光利用效率并显著改善靶球辐照均匀性, 否则可能严重破坏靶球辐照均匀性. 因此, 黑腔中的挡板位置及大小需要精心设计. 应用表明, 蒙特卡罗方法对于具有复杂结构的黑腔辐射输运问题具有很好的适应性.
利用蒙特卡罗方法模拟六孔球形黑腔中的辐射输运, 研究靶球辐照均匀性问题. 对于几何结构简单的解析模型, 研究了不同黑腔靶球半径比的靶球辐照均匀性变化规律, 得出的结论与解析的“视因子”方法给出的一致. 对于几何结构复杂的黑腔模型, 如放置有挡板的模型, 解析方法计算困难, 但利用蒙特卡罗方法仍然能够准确模拟计算. 不同挡板大小的理论模型计算结果表明, 挡板对X光输运到靶球表面的分布状况有明显的影响, 如果设置得当则可以提高X光利用效率并显著改善靶球辐照均匀性, 否则可能严重破坏靶球辐照均匀性. 因此, 黑腔中的挡板位置及大小需要精心设计. 应用表明, 蒙特卡罗方法对于具有复杂结构的黑腔辐射输运问题具有很好的适应性.
2015, 64(14): 145202.
doi: 10.7498/aps.64.145202
摘要:
实验测量了100 keV的质子束穿过部分电离氢等离子体靶后的能量损失. 等离子体靶由气体放电方式产生, 其自由电子密度在1016 cm-3量级, 电子温度约1–2 eV, 维持时间在微秒量级. 研究结果表明: 质子束在等离子体靶中的能量损失与自由电子密度密切相关且明显大于在同密度条件下中性气体靶中的能量损失; 在自由电子密度达到峰值处, 通过实验结果计算得到此时的自由电子库仑对数约为10.8, 与理论计算结果符合较好, 该值比Bethe公式给出的中性气体靶中束缚电子库仑对数高4.3倍,相应的能损增强因子为2.9.
实验测量了100 keV的质子束穿过部分电离氢等离子体靶后的能量损失. 等离子体靶由气体放电方式产生, 其自由电子密度在1016 cm-3量级, 电子温度约1–2 eV, 维持时间在微秒量级. 研究结果表明: 质子束在等离子体靶中的能量损失与自由电子密度密切相关且明显大于在同密度条件下中性气体靶中的能量损失; 在自由电子密度达到峰值处, 通过实验结果计算得到此时的自由电子库仑对数约为10.8, 与理论计算结果符合较好, 该值比Bethe公式给出的中性气体靶中束缚电子库仑对数高4.3倍,相应的能损增强因子为2.9.
2015, 64(14): 146301.
doi: 10.7498/aps.64.146301
摘要:
有序晶态Fe3Pt因瓦合金处于一种特殊的磁临界状态, 这种磁临界状态下体系的晶格动力学稳定性对压力极为敏感. 基于密度泛函理论的第一性原理的投影缀加平面波方法研究了不同晶态合金的Fe3Pt的焓和磁性随压力的变化规律, 结果表明, 在压力小于18.54 GPa下, P4/mbm结构是热力学稳定的相. Pm3m结构、I4/mmm结构、DO22结构的Fe3Pt在铁磁性坍塌临界压力附近体系的总磁矩急剧下降并具有振荡现象, 且I4/mmm结构和DO22结构的Fe3Pt 在临界压力附近出现了Fe1原子磁矩反转现象. 在43 GPa下, DO22结构的Fe3Pt出现了亚铁磁微观磁特性突然增强且伴随着体积突然增大的现象. 在高压下, 对Pm3m结构Fe3Pt的晶格动力学计算表明, 压力小于26.95 GPa的铁磁态下体系的自发磁化诱导了体系横向声学支声子软化, 表明体系中存在很强的自发体积磁致伸缩. 特别是在铁磁性坍塌临界压力41.9 GPa至磁性完全消失的57.25 GPa压力区间, 晶格动力学稳定性对压力更加敏感. 压力大于57.25 GPa时, 压力诱导了体系声子谱的稳定.
有序晶态Fe3Pt因瓦合金处于一种特殊的磁临界状态, 这种磁临界状态下体系的晶格动力学稳定性对压力极为敏感. 基于密度泛函理论的第一性原理的投影缀加平面波方法研究了不同晶态合金的Fe3Pt的焓和磁性随压力的变化规律, 结果表明, 在压力小于18.54 GPa下, P4/mbm结构是热力学稳定的相. Pm3m结构、I4/mmm结构、DO22结构的Fe3Pt在铁磁性坍塌临界压力附近体系的总磁矩急剧下降并具有振荡现象, 且I4/mmm结构和DO22结构的Fe3Pt 在临界压力附近出现了Fe1原子磁矩反转现象. 在43 GPa下, DO22结构的Fe3Pt出现了亚铁磁微观磁特性突然增强且伴随着体积突然增大的现象. 在高压下, 对Pm3m结构Fe3Pt的晶格动力学计算表明, 压力小于26.95 GPa的铁磁态下体系的自发磁化诱导了体系横向声学支声子软化, 表明体系中存在很强的自发体积磁致伸缩. 特别是在铁磁性坍塌临界压力41.9 GPa至磁性完全消失的57.25 GPa压力区间, 晶格动力学稳定性对压力更加敏感. 压力大于57.25 GPa时, 压力诱导了体系声子谱的稳定.
2015, 64(14): 146501.
doi: 10.7498/aps.64.146501
摘要:
纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.
纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要. 理论和实验都表明, 在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应. 基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型, 可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应. 不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算, 总体影响则通过马西森定则进行耦合. 对于热流方向的约束, 采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程; 对于侧面边界约束, 采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响. 得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化. 与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.
2015, 64(14): 146801.
doi: 10.7498/aps.64.146801
摘要:
研究了多孔金属薄膜的阻尼性能和微观机理. 采用分子动力学方法及扫描电镜(SEM) 原位观察实验手段对多孔金属薄膜阻尼进行研究, 得出金属薄膜应变滞后于应力周期性变化以及弹性势能周期性衰减的规律, 并通过应变滞后应力的时间差求得损耗因子; 从微观结构上可看出, 在薄膜孔缺陷附近\langle110angle晶向上经历了位错产生、 并且位错呈阶梯状向前发射的变化; 在SEM原位拉伸、卸载实验中观察到有微裂纹的萌生、斜向阶梯扩展、收缩及消失的周期过程. 结果表明: 在周期载荷作用下, 多孔金属薄膜的孔缺陷附近产生的位错可以挣脱开弱钉扎点并限制在强钉扎点上, 由于位错的变化及附近晶界间的相对滑动产生内摩擦, 消耗了系统的部分弹性势能, 引起金属薄膜的阻尼减振效应, 从而揭示了多孔金属涂层阻尼产生的微观机理.
研究了多孔金属薄膜的阻尼性能和微观机理. 采用分子动力学方法及扫描电镜(SEM) 原位观察实验手段对多孔金属薄膜阻尼进行研究, 得出金属薄膜应变滞后于应力周期性变化以及弹性势能周期性衰减的规律, 并通过应变滞后应力的时间差求得损耗因子; 从微观结构上可看出, 在薄膜孔缺陷附近\langle110angle晶向上经历了位错产生、 并且位错呈阶梯状向前发射的变化; 在SEM原位拉伸、卸载实验中观察到有微裂纹的萌生、斜向阶梯扩展、收缩及消失的周期过程. 结果表明: 在周期载荷作用下, 多孔金属薄膜的孔缺陷附近产生的位错可以挣脱开弱钉扎点并限制在强钉扎点上, 由于位错的变化及附近晶界间的相对滑动产生内摩擦, 消耗了系统的部分弹性势能, 引起金属薄膜的阻尼减振效应, 从而揭示了多孔金属涂层阻尼产生的微观机理.
2015, 64(14): 147102.
doi: 10.7498/aps.64.147102
摘要:
采用基于第一性原理的赝势平面波方法, 对BiTiO3的多种结构进行了计算. 计算结果表明, C1C1结构最为稳定, 对应晶格参数为a=b=5.606 Å, c=9.954 Å; α=β=105.1°, γ=61.2°. 进一步对C1C1结构的BiTiO3的能带结构、电子性质和光学性质进行了研究, 发现BiTiO3是间接带隙半导体, 其费米面附近的能带主要由Ti-3d和O-2p层的电子态构成. 通过介电函数、复折射率和反射率等的研究, 发现BiTiO3的光学性质为近各向同性.
采用基于第一性原理的赝势平面波方法, 对BiTiO3的多种结构进行了计算. 计算结果表明, C1C1结构最为稳定, 对应晶格参数为a=b=5.606 Å, c=9.954 Å; α=β=105.1°, γ=61.2°. 进一步对C1C1结构的BiTiO3的能带结构、电子性质和光学性质进行了研究, 发现BiTiO3是间接带隙半导体, 其费米面附近的能带主要由Ti-3d和O-2p层的电子态构成. 通过介电函数、复折射率和反射率等的研究, 发现BiTiO3的光学性质为近各向同性.
2015, 64(14): 147104.
doi: 10.7498/aps.64.147104
摘要:
根据实验发现的有机器件如Co/有机半导体/La0.7Sr0.3MnO3中磁性原子渗透现象, 利用自旋漂移-扩散方程, 理论研究了磁性渗透层中极化子-双极化子的转化对自旋极化输运的影响. 研究发现: 磁性渗透层具有不同于纯净有机层的迁移率和自旋反转时间, 都将影响极化子-双极化子的转化, 进而影响自旋极化的输运; 在磁性渗透层中极化子自旋反转时间的劈裂是引起自旋弛豫的主要因素, 而极化子和双极化子之间的转化是重要因素.
根据实验发现的有机器件如Co/有机半导体/La0.7Sr0.3MnO3中磁性原子渗透现象, 利用自旋漂移-扩散方程, 理论研究了磁性渗透层中极化子-双极化子的转化对自旋极化输运的影响. 研究发现: 磁性渗透层具有不同于纯净有机层的迁移率和自旋反转时间, 都将影响极化子-双极化子的转化, 进而影响自旋极化的输运; 在磁性渗透层中极化子自旋反转时间的劈裂是引起自旋弛豫的主要因素, 而极化子和双极化子之间的转化是重要因素.
2015, 64(14): 147301.
doi: 10.7498/aps.64.147301
摘要:
基于第一性原理计算方法系统地研究了L21和B2结构下的Heusler合金Co2MnAl(100)表面原子的原子弛豫、电子结构、磁性和自旋极化行为. L21和B2结构的Co2MnAl(100)表面由于Co–Mn和Co–Al的成键差异, 使得不同原子分别发生不同程度的伸缩. 与块体相比, Co和Mn原子的自旋磁矩由于表面效应而明显增大, 电子结构计算显示L21结构块体中的带隙被表面态破坏, 表面效应使得两种结构的CoCo端面自旋极化率降低, 但MnAl端面并未受到显著影响, 呈现了较大的自旋极化, 预测其在隧道结中可能具有很好的应用潜力.
基于第一性原理计算方法系统地研究了L21和B2结构下的Heusler合金Co2MnAl(100)表面原子的原子弛豫、电子结构、磁性和自旋极化行为. L21和B2结构的Co2MnAl(100)表面由于Co–Mn和Co–Al的成键差异, 使得不同原子分别发生不同程度的伸缩. 与块体相比, Co和Mn原子的自旋磁矩由于表面效应而明显增大, 电子结构计算显示L21结构块体中的带隙被表面态破坏, 表面效应使得两种结构的CoCo端面自旋极化率降低, 但MnAl端面并未受到显著影响, 呈现了较大的自旋极化, 预测其在隧道结中可能具有很好的应用潜力.
2015, 64(14): 147302.
doi: 10.7498/aps.64.147302
摘要:
为实现近红外波段表面等离子体共振(SPR)模式的分裂和移动, 同时提高光栅基SPR传感器的品质因数, 提出了一种由双金属光栅构成的新型复合结构光栅, 并研究了其气体传感特性. 运用有限时域差分算法对该结构进行了数值模拟, 发现由复合金属光栅激发的SPR出现模式分裂的现象. 通过增大双金属光栅阵列间的相对位移改变原结构的对称性, 导致复合金属光栅分裂的SPR模式朝相反方向移动. 当相对位移量进一步增大到双光栅合并成新的单一光栅时, 随光栅结构对称性的恢复, 分裂的两共振模式最后又重新合并为一个模式. 如果待测物的折射率为1.01≤na≤1.05, 当相对位移量为0时, 基于复合光栅结构气体传感器的折射率灵敏度为1207.5 nm/RIU, 且品质因数达到1290.7; 当相对位移量为100 nm时, 与双共振模式对应的折射率灵敏度分别为1205.0 nm/RIU和1210.0 nm/RIU, 品质因数分别为1295.4和762.3. 因此, 复合光栅SPR传感器具有超高品质因数的性能, 使得它在生物化学传感领域中有巨大的应用潜力.
为实现近红外波段表面等离子体共振(SPR)模式的分裂和移动, 同时提高光栅基SPR传感器的品质因数, 提出了一种由双金属光栅构成的新型复合结构光栅, 并研究了其气体传感特性. 运用有限时域差分算法对该结构进行了数值模拟, 发现由复合金属光栅激发的SPR出现模式分裂的现象. 通过增大双金属光栅阵列间的相对位移改变原结构的对称性, 导致复合金属光栅分裂的SPR模式朝相反方向移动. 当相对位移量进一步增大到双光栅合并成新的单一光栅时, 随光栅结构对称性的恢复, 分裂的两共振模式最后又重新合并为一个模式. 如果待测物的折射率为1.01≤na≤1.05, 当相对位移量为0时, 基于复合光栅结构气体传感器的折射率灵敏度为1207.5 nm/RIU, 且品质因数达到1290.7; 当相对位移量为100 nm时, 与双共振模式对应的折射率灵敏度分别为1205.0 nm/RIU和1210.0 nm/RIU, 品质因数分别为1295.4和762.3. 因此, 复合光栅SPR传感器具有超高品质因数的性能, 使得它在生物化学传感领域中有巨大的应用潜力.
2015, 64(14): 147802.
doi: 10.7498/aps.64.147802
摘要:
利用偶然简并方法在二维正方格子介质环形柱结构光子晶体中成功实现了Dirac点, 并利用平面波展开法对实现Dirac点的过程进行了研究. 研究结果表明, 对于二维正方格子介质环形柱结构光子晶体, 在一定的外径RO范围内(0.37aROa), 当Dirac点存在时(n>1.4), 介质环内径RI与外径RO满足一个不随介质环折射率n变化的恒定关系式. 同时, Dirac点对应的光子约化频率f随折射率n及外径RO的增大而减小. 利用所得的关系式对特定介质环折射率n条件下能实现Dirac点的环形光子晶体进行了预判设计.
利用偶然简并方法在二维正方格子介质环形柱结构光子晶体中成功实现了Dirac点, 并利用平面波展开法对实现Dirac点的过程进行了研究. 研究结果表明, 对于二维正方格子介质环形柱结构光子晶体, 在一定的外径RO范围内(0.37aROa), 当Dirac点存在时(n>1.4), 介质环内径RI与外径RO满足一个不随介质环折射率n变化的恒定关系式. 同时, Dirac点对应的光子约化频率f随折射率n及外径RO的增大而减小. 利用所得的关系式对特定介质环折射率n条件下能实现Dirac点的环形光子晶体进行了预判设计.
2015, 64(14): 147103.
doi: 10.7498/aps.64.147103
摘要:
共掺杂是提高二氧化钛纳米管可见光催化性能的一种有效方式. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了N单掺杂、F单掺杂及N-F共掺杂二氧化钛纳米管的原子结构、电子性质和光学性质. 计算结果表明, 相比N单掺杂和F单掺杂, N-F共掺杂二氧化钛纳米管的形成能更低, 掺杂后的体系热力学稳定性更好. 此外, 相比未掺杂时的带隙, N-F共掺杂后体系的带隙变化最多, 减少了0.557 eV, 而这主要源于价带顶附近的杂质能级的贡献. 此外, 通过分析掺杂后的光催化活性发现, N-F共掺杂时纳米管的还原性和氧化性都有所降低, 但并没有丧失活性, 并且光吸收谱表明, 共掺杂体系的红移现象最为明显. 因此, N-F共掺杂可有效提高二氧化钛纳米管可见光的光催化性能.
共掺杂是提高二氧化钛纳米管可见光催化性能的一种有效方式. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了N单掺杂、F单掺杂及N-F共掺杂二氧化钛纳米管的原子结构、电子性质和光学性质. 计算结果表明, 相比N单掺杂和F单掺杂, N-F共掺杂二氧化钛纳米管的形成能更低, 掺杂后的体系热力学稳定性更好. 此外, 相比未掺杂时的带隙, N-F共掺杂后体系的带隙变化最多, 减少了0.557 eV, 而这主要源于价带顶附近的杂质能级的贡献. 此外, 通过分析掺杂后的光催化活性发现, N-F共掺杂时纳米管的还原性和氧化性都有所降低, 但并没有丧失活性, 并且光吸收谱表明, 共掺杂体系的红移现象最为明显. 因此, N-F共掺杂可有效提高二氧化钛纳米管可见光的光催化性能.
2015, 64(14): 147304.
doi: 10.7498/aps.64.147304
摘要:
碳纳米管作为最先进的纳米材料之一, 在电子和光学器件领域有潜在的应用前景, 因此引起了广泛关注. 掺杂、变形及形成超晶格为调制纳米管电子、光学性质提供了有效途径. 为了理解相关机理, 利用第一性原理方法研究了不同剪切形变下扶手椅型硼氮交替环状掺杂碳纳米管超晶格的空间结构、电子结构和光学性质. 研究发现, 剪切形变会改变碳纳米管的几何结构, 当剪切形变大于12%后, 其几何结构有较大畸变. 结合能计算表明, 剪切形变改变了掺杂碳纳米管超晶格的稳定性, 剪切形变越大, 稳定性越低. 电荷布居分析表明, 硼氮掺杂碳纳米管超晶格中离子键和共价键共存. 能带和态密度分析发现硼氮交替环状掺杂使碳纳米管超晶格从金属转变为半导体. 随着剪切形变加剧, 纳米管超晶格能隙逐渐减小, 当剪切形变大于12%后, 碳纳米管又从半导体变为金属. 在光学性能中, 剪切形变的硼氮掺杂碳纳米管超晶格的光吸收系数及反射率峰值较未受剪切形变的均减小, 且均出现了红移.
碳纳米管作为最先进的纳米材料之一, 在电子和光学器件领域有潜在的应用前景, 因此引起了广泛关注. 掺杂、变形及形成超晶格为调制纳米管电子、光学性质提供了有效途径. 为了理解相关机理, 利用第一性原理方法研究了不同剪切形变下扶手椅型硼氮交替环状掺杂碳纳米管超晶格的空间结构、电子结构和光学性质. 研究发现, 剪切形变会改变碳纳米管的几何结构, 当剪切形变大于12%后, 其几何结构有较大畸变. 结合能计算表明, 剪切形变改变了掺杂碳纳米管超晶格的稳定性, 剪切形变越大, 稳定性越低. 电荷布居分析表明, 硼氮掺杂碳纳米管超晶格中离子键和共价键共存. 能带和态密度分析发现硼氮交替环状掺杂使碳纳米管超晶格从金属转变为半导体. 随着剪切形变加剧, 纳米管超晶格能隙逐渐减小, 当剪切形变大于12%后, 碳纳米管又从半导体变为金属. 在光学性能中, 剪切形变的硼氮掺杂碳纳米管超晶格的光吸收系数及反射率峰值较未受剪切形变的均减小, 且均出现了红移.
2015, 64(14): 147801.
doi: 10.7498/aps.64.147801
摘要:
从极化团簇的随机涨落出发, 利用维纳过程模型, 推导了铁电体中极化长程涨落的弛豫规律以及光强自相关函数所可能的表现形式. 阐述了微观极化团簇的弛豫过程与宏观测量弛豫规律之间的联系. 通过对原有氦氖激光光子关联谱实验装置进行改进, 观测了BaTiO3和0.71Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3单晶中极化团簇长程涨落在居里点和立方到四方相变点附近的弛豫过程. 在BaTiO3中发现极化团簇长程涨落在居里点之上4 K存在双弛豫现象, 此现象与其有序无序相变机理相联系. 在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3中发现极化团簇长程涨落在相变点两侧都存在双弛豫现象. 利用推导的理论结果很好地拟合了实验结果并提取了极化团簇长程涨落的弛豫时间. 两种样品中极化团簇长程涨落的弛豫时间都在相变点出现突变, 并呈现临界慢化现象.
从极化团簇的随机涨落出发, 利用维纳过程模型, 推导了铁电体中极化长程涨落的弛豫规律以及光强自相关函数所可能的表现形式. 阐述了微观极化团簇的弛豫过程与宏观测量弛豫规律之间的联系. 通过对原有氦氖激光光子关联谱实验装置进行改进, 观测了BaTiO3和0.71Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3单晶中极化团簇长程涨落在居里点和立方到四方相变点附近的弛豫过程. 在BaTiO3中发现极化团簇长程涨落在居里点之上4 K存在双弛豫现象, 此现象与其有序无序相变机理相联系. 在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3中发现极化团簇长程涨落在相变点两侧都存在双弛豫现象. 利用推导的理论结果很好地拟合了实验结果并提取了极化团簇长程涨落的弛豫时间. 两种样品中极化团簇长程涨落的弛豫时间都在相变点出现突变, 并呈现临界慢化现象.
2015, 64(14): 147101.
doi: 10.7498/aps.64.147101
摘要:
如何确定精确的原子间作用势一直是模拟计算的重要基础问题. 以面心立方金属金和银为对象, 采用第一性原理方法, 分别得到金和银的晶格内聚能-原子距离曲线及基态原子能曲线. 根据陈-莫比乌斯(Chen-Möbius)晶格反演理论和自编程序, 得到了精确的反演对势曲线. 对该曲线进行拟合, 通过比较不同势函数的拟合结果, 提出了双指数型的势函数解析式, 并得到具有全局性且高精度的拟合效果. 为了验证反演势的有效性, 利用反演势结果计算了金和银的声子谱并与Sutton-Chen提出的嵌入原子势和第一性原理计算得到的声子谱做比较. 分析表明, 反演势能够合理反映原子间的相互作用. 最后, 利用得到的结果, 计算了金和银的热膨胀系数和弹性模量等物理量, 计算结果与实验数据基本符合, 表明构建的金和银的反演势是准确有效的.
如何确定精确的原子间作用势一直是模拟计算的重要基础问题. 以面心立方金属金和银为对象, 采用第一性原理方法, 分别得到金和银的晶格内聚能-原子距离曲线及基态原子能曲线. 根据陈-莫比乌斯(Chen-Möbius)晶格反演理论和自编程序, 得到了精确的反演对势曲线. 对该曲线进行拟合, 通过比较不同势函数的拟合结果, 提出了双指数型的势函数解析式, 并得到具有全局性且高精度的拟合效果. 为了验证反演势的有效性, 利用反演势结果计算了金和银的声子谱并与Sutton-Chen提出的嵌入原子势和第一性原理计算得到的声子谱做比较. 分析表明, 反演势能够合理反映原子间的相互作用. 最后, 利用得到的结果, 计算了金和银的热膨胀系数和弹性模量等物理量, 计算结果与实验数据基本符合, 表明构建的金和银的反演势是准确有效的.
2015, 64(14): 147303.
doi: 10.7498/aps.64.147303
摘要:
金属纳米粒子在光激发作用下的增强作用是纳米科学领域的一个研究热点. 针对分子和多个不同位形下的金属纳米粒子在光激发下的相互作用展开了理论研究. 应用密度矩阵理论描述分子和金属纳米粒子同时激发产生表面等离激元后的电荷输运过程. 研究发现, 表面等离激元增强效应与分子和各个金属纳米粒子的相对位置有密切关系. 详细分析了金属纳米粒子间的耦合强度、分子和金属纳米粒子间的耦合强度、表面等离激元能级杂化、分子激发能和外场频率对表面等离激元增强效应的影响.
金属纳米粒子在光激发作用下的增强作用是纳米科学领域的一个研究热点. 针对分子和多个不同位形下的金属纳米粒子在光激发下的相互作用展开了理论研究. 应用密度矩阵理论描述分子和金属纳米粒子同时激发产生表面等离激元后的电荷输运过程. 研究发现, 表面等离激元增强效应与分子和各个金属纳米粒子的相对位置有密切关系. 详细分析了金属纳米粒子间的耦合强度、分子和金属纳米粒子间的耦合强度、表面等离激元能级杂化、分子激发能和外场频率对表面等离激元增强效应的影响.
2015, 64(14): 148101.
doi: 10.7498/aps.64.148101
摘要:
采用相场法数值模拟研究了定向凝固过程中随机噪声条件下枝晶侧向分枝生成行为与强制扰动条件下侧向分枝调控规律. 模拟结果表明: 随机噪声条件下, 侧向分枝整体上并无规则性, 但产生频率存在一定分布范围, 且在一定时间段内会出现生成频率一致且具有极强相关性的一组侧向分枝, 即波包; 不同波包之间不具有相关性, 但不同波包内部的侧枝生成频率基本相同, 且与侧枝整体频谱曲线峰值位置处的频率基本相当; 强制周期扰动条件下, 当扰动频率处于侧向分枝整体生成频率范围内时, 可激发枝晶产生规则侧向分枝, 且扰动频率与波包内侧枝生成频率一致时侧向分枝最发达. 研究结果可为向定向凝固枝晶形态的调控提供理论指导.
采用相场法数值模拟研究了定向凝固过程中随机噪声条件下枝晶侧向分枝生成行为与强制扰动条件下侧向分枝调控规律. 模拟结果表明: 随机噪声条件下, 侧向分枝整体上并无规则性, 但产生频率存在一定分布范围, 且在一定时间段内会出现生成频率一致且具有极强相关性的一组侧向分枝, 即波包; 不同波包之间不具有相关性, 但不同波包内部的侧枝生成频率基本相同, 且与侧枝整体频谱曲线峰值位置处的频率基本相当; 强制周期扰动条件下, 当扰动频率处于侧向分枝整体生成频率范围内时, 可激发枝晶产生规则侧向分枝, 且扰动频率与波包内侧枝生成频率一致时侧向分枝最发达. 研究结果可为向定向凝固枝晶形态的调控提供理论指导.
2015, 64(14): 148502.
doi: 10.7498/aps.64.148502
摘要:
在发光二极管(LED)的透明电极层上制作单层六角密排的聚苯乙烯(polystyrene, PS) 纳米球, 研究提高GaN基蓝光LED的出光效率. 采用自组装的方法在透明电极铟锡氧化物层上制备了直径分别约为250, 300, 450, 600和950 nm的PS纳米球, 并且开展了电致发光的研究. 结果表明, 在LED的透明电极层上附有PS纳米球能有效地提高LED的出光效率; 当PS纳米球的直径与出射光的波长比较接近时, LED的出光效率最优. 与参考样品相比, 在20 mA和150 mA工作电流下, 附有PS纳米球的样品的发光效率分别增加1.34倍和1.25倍. 三维时域有限差分方法计算表明, 该出光增强主要归因于附有PS纳米球的LED结构可以增大LED结构的光输出临界角, 从而提高LED的出光效率. 因此, 这是一种低成本的实现高效率LED的方法.
在发光二极管(LED)的透明电极层上制作单层六角密排的聚苯乙烯(polystyrene, PS) 纳米球, 研究提高GaN基蓝光LED的出光效率. 采用自组装的方法在透明电极铟锡氧化物层上制备了直径分别约为250, 300, 450, 600和950 nm的PS纳米球, 并且开展了电致发光的研究. 结果表明, 在LED的透明电极层上附有PS纳米球能有效地提高LED的出光效率; 当PS纳米球的直径与出射光的波长比较接近时, LED的出光效率最优. 与参考样品相比, 在20 mA和150 mA工作电流下, 附有PS纳米球的样品的发光效率分别增加1.34倍和1.25倍. 三维时域有限差分方法计算表明, 该出光增强主要归因于附有PS纳米球的LED结构可以增大LED结构的光输出临界角, 从而提高LED的出光效率. 因此, 这是一种低成本的实现高效率LED的方法.
2015, 64(14): 148102.
doi: 10.7498/aps.64.148102
摘要:
基于磁致塑性效应探讨了磁场作用下位错受力和运动机制, 对磁场下的位错动力学机制进行了定性和定量分析. 选择氧化铝纳米颗粒强化铝基复合材料为实验对象, 在不同磁感应强度下(0–3 T范围)对试样进行磁场处理. 结果表明, 随着磁感应强度增加, 位错密度提高, 表现出塑性变形特征. 分析认为, 磁场力不足以驱动位错运动, 位错增殖诱因在于磁致塑性效应, 即磁场改变了顺磁性位错芯与障碍间自由基对中的电子自旋状态, 促使自由基对从强键结合单线态向弱键结合三重态转化, 位错穿越障碍时所需能量减小, 退钉扎趋势明显; 位错运动中的限速环节是位错在障碍处的停留, 磁场诱发的电子激发和原子重排速度很快, 表现出磁场作用的高效性. 磁场起作用的临界磁感应强度约为3 T, 低于3 T时磁场作用随磁场强度增加而变得明显, 高于3 T 后磁场效果会减小. 计算得到3 T 时位错运动速度是10-3 m/s, 位错线长度比未加磁场时增加两个数量级, 位移与磁感应强度平方和磁场作用时间成正比. 实验和理论研究表明磁场具有改善材料塑性变形能力的显著作用.
基于磁致塑性效应探讨了磁场作用下位错受力和运动机制, 对磁场下的位错动力学机制进行了定性和定量分析. 选择氧化铝纳米颗粒强化铝基复合材料为实验对象, 在不同磁感应强度下(0–3 T范围)对试样进行磁场处理. 结果表明, 随着磁感应强度增加, 位错密度提高, 表现出塑性变形特征. 分析认为, 磁场力不足以驱动位错运动, 位错增殖诱因在于磁致塑性效应, 即磁场改变了顺磁性位错芯与障碍间自由基对中的电子自旋状态, 促使自由基对从强键结合单线态向弱键结合三重态转化, 位错穿越障碍时所需能量减小, 退钉扎趋势明显; 位错运动中的限速环节是位错在障碍处的停留, 磁场诱发的电子激发和原子重排速度很快, 表现出磁场作用的高效性. 磁场起作用的临界磁感应强度约为3 T, 低于3 T时磁场作用随磁场强度增加而变得明显, 高于3 T 后磁场效果会减小. 计算得到3 T 时位错运动速度是10-3 m/s, 位错线长度比未加磁场时增加两个数量级, 位移与磁感应强度平方和磁场作用时间成正比. 实验和理论研究表明磁场具有改善材料塑性变形能力的显著作用.
2015, 64(14): 148103.
doi: 10.7498/aps.64.148103
摘要:
利用Si(111)衬底, 以Au-Al为金属催化剂, 基于固-液-固生长机理, 在温度为1100℃, N2气流量为1.5 L/min、生长时间为30–90 min等工艺条件下, 制备了直径约为100 nm、长度为数微米的高密度、均匀分布、大面积的Si纳米线(～1010 cm-2). 对Si纳米线进行了Eu掺杂, 实验研究了不同长度的Si纳米线以及不同掺杂温度、掺杂时间等工艺参数对Eu离子红光发射的影响, 利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对Si纳米线表面形貌和Eu掺杂后Si纳米线的结晶取向进行了测量和表征; 室温下利用Hitachi F-4600型荧光分光光度计对样品的激发光谱和发射光谱进行了测试和分析. 结果表明: 在Si纳米线生长时间为30 min、掺杂温度为1000℃、 最佳激发波长为395 nm时, 样品最强荧光波长为619 nm (5D0→7F2); 同时, 还出现了576 nm (5D0→7F0), 596 nm (5D0→7F1), 658 nm (5D0→7F3)和708 nm (5D0→7F4)四条谱带.
利用Si(111)衬底, 以Au-Al为金属催化剂, 基于固-液-固生长机理, 在温度为1100℃, N2气流量为1.5 L/min、生长时间为30–90 min等工艺条件下, 制备了直径约为100 nm、长度为数微米的高密度、均匀分布、大面积的Si纳米线(～1010 cm-2). 对Si纳米线进行了Eu掺杂, 实验研究了不同长度的Si纳米线以及不同掺杂温度、掺杂时间等工艺参数对Eu离子红光发射的影响, 利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对Si纳米线表面形貌和Eu掺杂后Si纳米线的结晶取向进行了测量和表征; 室温下利用Hitachi F-4600型荧光分光光度计对样品的激发光谱和发射光谱进行了测试和分析. 结果表明: 在Si纳米线生长时间为30 min、掺杂温度为1000℃、 最佳激发波长为395 nm时, 样品最强荧光波长为619 nm (5D0→7F2); 同时, 还出现了576 nm (5D0→7F0), 596 nm (5D0→7F1), 658 nm (5D0→7F3)和708 nm (5D0→7F4)四条谱带.
2015, 64(14): 148501.
doi: 10.7498/aps.64.148501
摘要:
忆阻器被定义为第四种基本电子元器件, 其模型的研究呈现多样性. 目前, 忆阻器模型与忆阻器实际特性的切合程度引起了研究者的广泛关注. 通过改变离子扩散项, 提出了一种新的WOx忆阻器模型, 更好地匹配了忆阻器的实际行为特性. 首先, 新的模型不仅能够描述忆阻器的一般特性, 而且能够俘获记忆丢失行为. 另外, 将新的忆阻器作为神经突触, 分析了脉冲速率依赖可塑性、短期可塑性、长期可塑性, 并发现了与生物系统中极为相似的“经验学习”现象. 最后, 考虑到温度与离子扩散系数的关系, 探讨了温度对突触权值弛豫过程的影响. 实验表明, 新忆阻器模型比原来的模型更切合实际, 且更适合作为突触而应用到神经形态系统之中.
忆阻器被定义为第四种基本电子元器件, 其模型的研究呈现多样性. 目前, 忆阻器模型与忆阻器实际特性的切合程度引起了研究者的广泛关注. 通过改变离子扩散项, 提出了一种新的WOx忆阻器模型, 更好地匹配了忆阻器的实际行为特性. 首先, 新的模型不仅能够描述忆阻器的一般特性, 而且能够俘获记忆丢失行为. 另外, 将新的忆阻器作为神经突触, 分析了脉冲速率依赖可塑性、短期可塑性、长期可塑性, 并发现了与生物系统中极为相似的“经验学习”现象. 最后, 考虑到温度与离子扩散系数的关系, 探讨了温度对突触权值弛豫过程的影响. 实验表明, 新忆阻器模型比原来的模型更切合实际, 且更适合作为突触而应用到神经形态系统之中.
2015, 64(14): 148701.
doi: 10.7498/aps.64.148701
摘要:
能量和相位是分析脑节律的重要物理量, 虽有许多研究, 但其与脑组织电特性和脑节律源的关系尚不完全清楚, 弄清这一问题有助于脑电测量及脑功能和疾病的分析. 为此, 借鉴脑电正问题研究方法, 大脑可看作均匀球, 脑组织电特性用导体各向同性和各向异性电导率来表示, 脑节律源用准静态偶极子电流来模拟, 其活动表达为较低频率的正弦振荡, 在改变该活动的振幅和相位时程时, 用球表面剖分网格的振荡电位仿真脑节律, 提取节律的能量和相位, 计算源和节律的窄带相位稳定性. 结果表明: 仿真节律的能量随电导率增大而减小, 受网格位置、电导率各向异性、偶极子电流幅值和偏心位置影响较大; 但仿真节律的相位稳定性只与自身的相位时程有关. 说明能量与相位稳定性电学意义无交集, 同时用来分析脑节律可提供更多神经信息; 能量的电学意义更复杂, 取决于包括测量条件在内的多种因素; 相位稳定性的优势在于它仅与脑节律相位时程直接相关, 可预测的是脑的非线性导致的相位时程越离散, 则相位稳定性越差.
能量和相位是分析脑节律的重要物理量, 虽有许多研究, 但其与脑组织电特性和脑节律源的关系尚不完全清楚, 弄清这一问题有助于脑电测量及脑功能和疾病的分析. 为此, 借鉴脑电正问题研究方法, 大脑可看作均匀球, 脑组织电特性用导体各向同性和各向异性电导率来表示, 脑节律源用准静态偶极子电流来模拟, 其活动表达为较低频率的正弦振荡, 在改变该活动的振幅和相位时程时, 用球表面剖分网格的振荡电位仿真脑节律, 提取节律的能量和相位, 计算源和节律的窄带相位稳定性. 结果表明: 仿真节律的能量随电导率增大而减小, 受网格位置、电导率各向异性、偶极子电流幅值和偏心位置影响较大; 但仿真节律的相位稳定性只与自身的相位时程有关. 说明能量与相位稳定性电学意义无交集, 同时用来分析脑节律可提供更多神经信息; 能量的电学意义更复杂, 取决于包括测量条件在内的多种因素; 相位稳定性的优势在于它仅与脑节律相位时程直接相关, 可预测的是脑的非线性导致的相位时程越离散, 则相位稳定性越差.
2015, 64(14): 148201.
doi: 10.7498/aps.64.148201
摘要:
以不同掺杂浓度的单晶n型硅为衬底、金属银为催化剂、硝酸铁作为氧化剂制备硅纳米线, 系统研究了光照对不同硝酸铁浓度条件下用化学腐蚀法制备硅纳米线的作用. 研究发现, 不同掺杂浓度的硅衬底, 光照对硅纳米线长度的影响明显不同. 通过对比硅纳米线的长度, 发现光照对硅纳米线的形成兼具促进和溶解作用, 并分别从能带结构、电化学表征和光致发光等方面对这两种作用的形成机理进行了深入讨论.
以不同掺杂浓度的单晶n型硅为衬底、金属银为催化剂、硝酸铁作为氧化剂制备硅纳米线, 系统研究了光照对不同硝酸铁浓度条件下用化学腐蚀法制备硅纳米线的作用. 研究发现, 不同掺杂浓度的硅衬底, 光照对硅纳米线长度的影响明显不同. 通过对比硅纳米线的长度, 发现光照对硅纳米线的形成兼具促进和溶解作用, 并分别从能带结构、电化学表征和光致发光等方面对这两种作用的形成机理进行了深入讨论.
2015, 64(14): 149101.
doi: 10.7498/aps.64.149101
摘要:
在高压实验科学中, 各类宝石压腔是最为常见的高压设备之一, 其样品腔中压力的精确标定是实验的关键. 目前, 人们主要通过加入红宝石等压标物质来进行定压, 但压标物质的加入会增加实验的装样难度, 改变样品腔中的物理化学环境, 甚至直接与实验样品发生反应, 从而对实验结果产生影响. 在0–6.3 GPa和300–573 K下, 利用共聚焦拉曼显微镜, 根据白宝石压砧砧面的ν12 拉曼频移与温度和压力的变化关系, 建立了一套适用于高温高压水热体系的无压标白宝石压腔系统. 实验结果表明: 白宝石砧面的ν12 峰随着压力的升高发生线性蓝移, 而随着温度升高则发生线性红移, 且温度和压力对拉曼频移的影响存在耦合效应. 利用本实验结果, 可在高温高压下根据白宝石砧面的拉曼频移计算出样品腔的压力P=(Δλ-0.01913×ΔT)/(1.9158-0.00105×ΔT), 在物理学、材料学和地球科学等领域具有重要应用.
在高压实验科学中, 各类宝石压腔是最为常见的高压设备之一, 其样品腔中压力的精确标定是实验的关键. 目前, 人们主要通过加入红宝石等压标物质来进行定压, 但压标物质的加入会增加实验的装样难度, 改变样品腔中的物理化学环境, 甚至直接与实验样品发生反应, 从而对实验结果产生影响. 在0–6.3 GPa和300–573 K下, 利用共聚焦拉曼显微镜, 根据白宝石压砧砧面的ν12 拉曼频移与温度和压力的变化关系, 建立了一套适用于高温高压水热体系的无压标白宝石压腔系统. 实验结果表明: 白宝石砧面的ν12 峰随着压力的升高发生线性蓝移, 而随着温度升高则发生线性红移, 且温度和压力对拉曼频移的影响存在耦合效应. 利用本实验结果, 可在高温高压下根据白宝石砧面的拉曼频移计算出样品腔的压力P=(Δλ-0.01913×ΔT)/(1.9158-0.00105×ΔT), 在物理学、材料学和地球科学等领域具有重要应用.
2015, 64(14): 149501.
doi: 10.7498/aps.64.149501
摘要:
菲佐光干涉望远镜实现高分辨率成像的关键是各子孔径之间相位平移误差的共相检测. 基于物理光学基本原理, 论证了两个子孔径在单色光条件下其远场干涉条纹峰值偏移量与其相位平移误差之间的近似线性关系, 提出了一个波长范围内的平移误差检测方法; 进而提出了基于光栅色散干涉条纹的共相检测方法, 并对其可行性、检测精度和检测范围进行了理论分析与仿真实验. 结果表明, 该方法在原理上可以实现对两孔径的相位平移误差进行直接检测, 50 μm范围内平移误差的检测精度优于20 nm, 解决了既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断平移误差正负的问题. 该方法为共相检测技术的进一步研究提供了新的途径和参考.
菲佐光干涉望远镜实现高分辨率成像的关键是各子孔径之间相位平移误差的共相检测. 基于物理光学基本原理, 论证了两个子孔径在单色光条件下其远场干涉条纹峰值偏移量与其相位平移误差之间的近似线性关系, 提出了一个波长范围内的平移误差检测方法; 进而提出了基于光栅色散干涉条纹的共相检测方法, 并对其可行性、检测精度和检测范围进行了理论分析与仿真实验. 结果表明, 该方法在原理上可以实现对两孔径的相位平移误差进行直接检测, 50 μm范围内平移误差的检测精度优于20 nm, 解决了既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断平移误差正负的问题. 该方法为共相检测技术的进一步研究提供了新的途径和参考.
2015, 64(14): 149201.
doi: 10.7498/aps.64.149201
摘要:
海洋条带结构是近年物理海洋学研究的一个新热点. 在海洋中, 条带结构往往被大尺度环流过程所掩盖. 把这种隐蔽的海水运动现象显现出来的办法是对时间平均的速度场进行空间滤波. 利用全球简单海洋资料同化分析系统资料和中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的气候系统海洋模式模拟数据对三种一维滤波方法进行了比较, 分别是常用的高斯和汉宁滤波方法, 以及本文引入的切比雪夫滤波方法. 结果表明, 尽管三种方法均可获得条带结构, 但以切比雪夫方法为最佳; 另外, 设计高通滤波器时需设定截断频率, 而它的选定取决于对具体数据的频谱分析, 当选取的归一化的截断频率值在0.1和0.4之间时, 可以有效地揭示出条带结构在全球海域内的分布. 因此本文的研究方法为海洋条带结构的深入研究提供了一个有力工具.
海洋条带结构是近年物理海洋学研究的一个新热点. 在海洋中, 条带结构往往被大尺度环流过程所掩盖. 把这种隐蔽的海水运动现象显现出来的办法是对时间平均的速度场进行空间滤波. 利用全球简单海洋资料同化分析系统资料和中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的气候系统海洋模式模拟数据对三种一维滤波方法进行了比较, 分别是常用的高斯和汉宁滤波方法, 以及本文引入的切比雪夫滤波方法. 结果表明, 尽管三种方法均可获得条带结构, 但以切比雪夫方法为最佳; 另外, 设计高通滤波器时需设定截断频率, 而它的选定取决于对具体数据的频谱分析, 当选取的归一化的截断频率值在0.1和0.4之间时, 可以有效地揭示出条带结构在全球海域内的分布. 因此本文的研究方法为海洋条带结构的深入研究提供了一个有力工具.
2015, 64(14): 149202.
doi: 10.7498/aps.64.149202
摘要:
雷暴期间地面宇宙线强度变化的研究对理解大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机理具有重要意义. 分析西藏羊八井ARGO实验中2012年大气电场的数据后发现, 近地雷暴电场的强度可达1000 V/cm甚至更高. 用Monte Carlo方法模拟研究了近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线强度的关联. 当雷暴电场强度(取1500 V/cm)大于逃逸电场时, 宇宙线次级粒子中正、负电子的数目呈指数增长, 在大气深度约520 g/cm2处达到极大值, 与Gurevich等提出的相对论电子逃逸雪崩机理和Dwyer理论相符. 当雷暴电场强度小于逃逸电场时, 在所有负电场范围和大于600 V/cm的正电场范围, 总电子数目随电场强度的增大而增加; 当正电场小于400 V/cm时, 总电子数目均出现一定幅度的下降; 在电场为400600 V/cm范围内, 总电子数目的变化与原初粒子的能量有关, 原初能量小于80 GeV时, 其次级粒子中总电子数目增加, 原初能量在80120 GeV 范围内时, 总电子数目变化不明显, 原初能量大于120 GeV时, 总电子数目出现下降, 下降幅度约4%. 模拟结果可对羊八井ARGO实验的观测结果给予合理的解释.
雷暴期间地面宇宙线强度变化的研究对理解大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机理具有重要意义. 分析西藏羊八井ARGO实验中2012年大气电场的数据后发现, 近地雷暴电场的强度可达1000 V/cm甚至更高. 用Monte Carlo方法模拟研究了近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线强度的关联. 当雷暴电场强度(取1500 V/cm)大于逃逸电场时, 宇宙线次级粒子中正、负电子的数目呈指数增长, 在大气深度约520 g/cm2处达到极大值, 与Gurevich等提出的相对论电子逃逸雪崩机理和Dwyer理论相符. 当雷暴电场强度小于逃逸电场时, 在所有负电场范围和大于600 V/cm的正电场范围, 总电子数目随电场强度的增大而增加; 当正电场小于400 V/cm时, 总电子数目均出现一定幅度的下降; 在电场为400600 V/cm范围内, 总电子数目的变化与原初粒子的能量有关, 原初能量小于80 GeV时, 其次级粒子中总电子数目增加, 原初能量在80120 GeV 范围内时, 总电子数目变化不明显, 原初能量大于120 GeV时, 总电子数目出现下降, 下降幅度约4%. 模拟结果可对羊八井ARGO实验的观测结果给予合理的解释.
2015, 64(14): 149701.
doi: 10.7498/aps.64.149701
摘要:
为标定X射线脉冲星导航用探测器, 设计了一种荧光X射线源, 该射线源的工作原理是 用X射线管的出射线轰击特定荧光靶材, 从而获得能量一定的荧光X射线, 并以此作为标定探测器的荧光X射线光源. 采用硅漂移半导体探测器在大气环境下测试了按上述原理搭建的荧光X射线光源的能谱分布和光子流量, 从光子流量入手推算了该荧光X射线光源用于真空系统中对探测器进行标定的可行性. 研制出了荧光X射线光源样机, 并在真空系统中对荧光X射线光源样机光子流量做了测试. 在探测距离Dx=300 cm, X射线管管流Ia=200 μA时, 所测得的荧光X射线光源光子流量可达19.57 ph/s@4.51 keV, 25.22 ph/s@5.41 keV, 33.27 ph/s@8.05 keV, 确认了所提方法的可行性, 获得了标定探测器的荧光X射线光源.
为标定X射线脉冲星导航用探测器, 设计了一种荧光X射线源, 该射线源的工作原理是 用X射线管的出射线轰击特定荧光靶材, 从而获得能量一定的荧光X射线, 并以此作为标定探测器的荧光X射线光源. 采用硅漂移半导体探测器在大气环境下测试了按上述原理搭建的荧光X射线光源的能谱分布和光子流量, 从光子流量入手推算了该荧光X射线光源用于真空系统中对探测器进行标定的可行性. 研制出了荧光X射线光源样机, 并在真空系统中对荧光X射线光源样机光子流量做了测试. 在探测距离Dx=300 cm, X射线管管流Ia=200 μA时, 所测得的荧光X射线光源光子流量可达19.57 ph/s@4.51 keV, 25.22 ph/s@5.41 keV, 33.27 ph/s@8.05 keV, 确认了所提方法的可行性, 获得了标定探测器的荧光X射线光源.
