2015年 64卷 第5期
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2015, 64(5): 050502.
doi: 10.7498/aps.64.050502
摘要:
当前网络安全防御策略集中部署于高连接度节点主要有2个方面的不足: 一是高连接度节点在很多场合中并不是网络通信的骨干节点; 二是该类节点对信息的转发和传播并非总是最有效的.针对以上传统部署策略的不足, 改进了恶意病毒程序传播的离散扩散模型并采用中间路径跳数来衡量网络节点的重要程度, 提出了基于介数中心控制力和接近中心控制力模型的重要节点优先推荐部署技术.实验结果显示具有高介数中心控制力和低接近中心控制力的节点相对于传统的高连接度节点无论在无标度网络还是小世界网络均能够对恶意病毒程序的疫情扩散和早期传播速度起到更加有效的抑制作用, 同时验证了网络分簇聚类行为产生的簇团特性也将对恶意程序的传播起到一定的负面影响.
当前网络安全防御策略集中部署于高连接度节点主要有2个方面的不足: 一是高连接度节点在很多场合中并不是网络通信的骨干节点; 二是该类节点对信息的转发和传播并非总是最有效的.针对以上传统部署策略的不足, 改进了恶意病毒程序传播的离散扩散模型并采用中间路径跳数来衡量网络节点的重要程度, 提出了基于介数中心控制力和接近中心控制力模型的重要节点优先推荐部署技术.实验结果显示具有高介数中心控制力和低接近中心控制力的节点相对于传统的高连接度节点无论在无标度网络还是小世界网络均能够对恶意病毒程序的疫情扩散和早期传播速度起到更加有效的抑制作用, 同时验证了网络分簇聚类行为产生的簇团特性也将对恶意程序的传播起到一定的负面影响.
2015, 64(5): 050703.
doi: 10.7498/aps.64.050703
摘要:
论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM01模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.
论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM01模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.
2015, 64(5): 050701.
doi: 10.7498/aps.64.050701
摘要:
本文对InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管开启后的电流噪声进行了测试, 结合低频电流噪声的特点和载流子之间的复合机理, 研究了低频电流噪声功率谱密度与发光二极管发光转变机理之间的关系. 结论表明, 当电流从0.1 mA到10 mA逐渐增大的过程中, InGaN/GaN发光二极管的电流噪声行为从产生-复合噪声逐渐接近于低频1/f噪声, 载流子的复合机理从非辐射复合过渡为电子与空穴之间载流子数的辐射复合, 并具有标准1/f噪声的趋势, 此时多量子阱中的电子和空穴之间的复合趋向于稳定. 本文的结论提供了一种表征InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光机理转变的有效方法, 为进一步研究发光二极管中载流子的复合机理、优化和设计发光二极管、提高其发光量子效率提供理论依据.
本文对InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管开启后的电流噪声进行了测试, 结合低频电流噪声的特点和载流子之间的复合机理, 研究了低频电流噪声功率谱密度与发光二极管发光转变机理之间的关系. 结论表明, 当电流从0.1 mA到10 mA逐渐增大的过程中, InGaN/GaN发光二极管的电流噪声行为从产生-复合噪声逐渐接近于低频1/f噪声, 载流子的复合机理从非辐射复合过渡为电子与空穴之间载流子数的辐射复合, 并具有标准1/f噪声的趋势, 此时多量子阱中的电子和空穴之间的复合趋向于稳定. 本文的结论提供了一种表征InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光机理转变的有效方法, 为进一步研究发光二极管中载流子的复合机理、优化和设计发光二极管、提高其发光量子效率提供理论依据.
2015, 64(5): 050503.
doi: 10.7498/aps.64.050503
摘要:
针对含参数不确定的整数阶统一混沌系统, 提出一种鲁棒分数阶比例-微分(PDμ)控制. 通过变换将受控统一混沌系统转换成等效被控对象及其等效控制器. 针对等效被控对象, 基于一种改进Monje-Vinagre方法并考虑到求解性能约束方程组的复杂度, 设计了鲁棒PDμ控制器. 通过基于最小相角边界传递函数和最大增益边界传递函数的设计约束来保证受控统一混沌系统对参数不确定性的鲁棒性能. 数值仿真验证了所提出方法的有效性.
针对含参数不确定的整数阶统一混沌系统, 提出一种鲁棒分数阶比例-微分(PDμ)控制. 通过变换将受控统一混沌系统转换成等效被控对象及其等效控制器. 针对等效被控对象, 基于一种改进Monje-Vinagre方法并考虑到求解性能约束方程组的复杂度, 设计了鲁棒PDμ控制器. 通过基于最小相角边界传递函数和最大增益边界传递函数的设计约束来保证受控统一混沌系统对参数不确定性的鲁棒性能. 数值仿真验证了所提出方法的有效性.
2015, 64(5): 050301.
doi: 10.7498/aps.64.050301
摘要:
本文指出相空间中存在有对应量子力学基本对易关系积分变换, 其积分核是1/exp[2i(q-Q) (p-P), 其中 表示Weyl 排序, Q, P是坐标算符和动量算符, 其功能是负责算符的三种常用排序(P-Q排序、Q-P排序和Weyl 排序)规则之间的相互转化. 此外, 还导出了此积分核与Wigner 算符之间的关系, 以及Wigner函数在这类积分变换下的性质及用途.
本文指出相空间中存在有对应量子力学基本对易关系积分变换, 其积分核是1/exp[2i(q-Q) (p-P), 其中 表示Weyl 排序, Q, P是坐标算符和动量算符, 其功能是负责算符的三种常用排序(P-Q排序、Q-P排序和Weyl 排序)规则之间的相互转化. 此外, 还导出了此积分核与Wigner 算符之间的关系, 以及Wigner函数在这类积分变换下的性质及用途.
2015, 64(5): 050501.
doi: 10.7498/aps.64.050501
摘要:
根据在线社交网络信息传播特点和目前社交网络传播模型研究中存在的问题, 本文定义了网络用户之间的相互影响力函数, 在此基础上提出了一种基于用户相对权重的社交网络信息传播模型, 并对网络中的传播路径及传播过程进行了分析, 讨论了不同路径的信息传播影响力.为验证模型的有效性, 将传统的SIR模型和本文模型在六类不同网络拓扑下进行了仿真实验.仿真结果表明, 两类模型在均匀网络中没有明显差异, 但在非均匀网络中本文模型更能体现真实网络特点, 实验同时验证了节点的地位影响着信息的传播, 并且发现英文社交平台Twitter和中文社交平台新浪微博在拓扑结构上具备一定相似性.
根据在线社交网络信息传播特点和目前社交网络传播模型研究中存在的问题, 本文定义了网络用户之间的相互影响力函数, 在此基础上提出了一种基于用户相对权重的社交网络信息传播模型, 并对网络中的传播路径及传播过程进行了分析, 讨论了不同路径的信息传播影响力.为验证模型的有效性, 将传统的SIR模型和本文模型在六类不同网络拓扑下进行了仿真实验.仿真结果表明, 两类模型在均匀网络中没有明显差异, 但在非均匀网络中本文模型更能体现真实网络特点, 实验同时验证了节点的地位影响着信息的传播, 并且发现英文社交平台Twitter和中文社交平台新浪微博在拓扑结构上具备一定相似性.
2015, 64(5): 050702.
doi: 10.7498/aps.64.050702
摘要:
杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.
杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.
2015, 64(5): 050201.
doi: 10.7498/aps.64.050201
摘要:
本文研究一类切换线性系统在异步切换下的镇定问题. 由于控制器的切换信号中存在时滞使得控制器的切换和系统的切换出现了异步的情况. 首先, 提出了相邻模型依赖平均驻留时间的定义. 然后, 通过合并切换信号的方法和多Lyapunov函数方法, 给出了相邻模型依赖平均驻留时间切换下整个切换系统稳定的充分条件和控制器设计. 这些条件反映了系统的连续动态、切换时滞和平均驻留时间之间的关系. 最后, 通过例子验证了本文方法的有效性.
本文研究一类切换线性系统在异步切换下的镇定问题. 由于控制器的切换信号中存在时滞使得控制器的切换和系统的切换出现了异步的情况. 首先, 提出了相邻模型依赖平均驻留时间的定义. 然后, 通过合并切换信号的方法和多Lyapunov函数方法, 给出了相邻模型依赖平均驻留时间切换下整个切换系统稳定的充分条件和控制器设计. 这些条件反映了系统的连续动态、切换时滞和平均驻留时间之间的关系. 最后, 通过例子验证了本文方法的有效性.
2015, 64(5): 050704.
doi: 10.7498/aps.64.050704
摘要:
本文介绍了一种单模-多模-单模结构的本征型法布里-珀罗传感器, 通过对传感器中渐变型多模光纤的光场分布进行分析和仿真, 实现了传感器腔长的优化设计, 大大降低了插入损耗, 增强了传感器复用能力. 实验证明串联复用中的单个传感器的优化后的插入损耗从4 dB减少至0.83 dB, 多个级联复用时损耗变化平缓, 温度测试结果表明级联的12个传感器均具有较好的灵敏度和线性度.
本文介绍了一种单模-多模-单模结构的本征型法布里-珀罗传感器, 通过对传感器中渐变型多模光纤的光场分布进行分析和仿真, 实现了传感器腔长的优化设计, 大大降低了插入损耗, 增强了传感器复用能力. 实验证明串联复用中的单个传感器的优化后的插入损耗从4 dB减少至0.83 dB, 多个级联复用时损耗变化平缓, 温度测试结果表明级联的12个传感器均具有较好的灵敏度和线性度.
2015, 64(5): 054201.
doi: 10.7498/aps.64.054201
摘要:
本文对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究, 结果表明, 改变透镜列阵与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小. 文中详细分析了相关参数对调焦能力的影响, 并在此基础上设计出一个实用的光学系统. 用数值方法模拟了激光束通过光学系统后的传输, 发现尺寸不同的靶面光斑具有基本一致的强度结构特征. 定量地分析了光斑内部散斑间隔、调制对比度、顶部不均匀度及能量集中度等描述光斑均匀辐照质量的指标, 并研究了它们随靶面离焦量的变化关系.
本文对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究, 结果表明, 改变透镜列阵与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小. 文中详细分析了相关参数对调焦能力的影响, 并在此基础上设计出一个实用的光学系统. 用数值方法模拟了激光束通过光学系统后的传输, 发现尺寸不同的靶面光斑具有基本一致的强度结构特征. 定量地分析了光斑内部散斑间隔、调制对比度、顶部不均匀度及能量集中度等描述光斑均匀辐照质量的指标, 并研究了它们随靶面离焦量的变化关系.
2015, 64(5): 054204.
doi: 10.7498/aps.64.054204
摘要:
依据相干场成像相位闭合实现原理, 在T型多光束发射阵列下推导出一种新的四光束相位闭合算法.定义了基于四重积的闭合比率求解公式, 推导出在消除大气随机相位误差的同时能抑制光强闪烁对成像质量的影响.数值模拟结果证明其有效性, 为多光束相干场成像系统消除大气扰动误差提供了新的途径.
依据相干场成像相位闭合实现原理, 在T型多光束发射阵列下推导出一种新的四光束相位闭合算法.定义了基于四重积的闭合比率求解公式, 推导出在消除大气随机相位误差的同时能抑制光强闪烁对成像质量的影响.数值模拟结果证明其有效性, 为多光束相干场成像系统消除大气扰动误差提供了新的途径.
2015, 64(5): 054101.
doi: 10.7498/aps.64.054101
摘要:
提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.
提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.
2015, 64(5): 054202.
doi: 10.7498/aps.64.054202
摘要:
近前向光学散射图样可以用来表征颗粒物的形状.基于球形芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、类鼻疽伯克氏菌的回转长椭球模型, 采用离散偶极子近似方法, 通过模拟3个不同方位探测器接收的散射光强响应信号, 讨论了非球形生物气溶胶颗粒的形状对前向角分辨光强的影响.结合球形指数反演算法, 在一定取向条件下, 前向5°–20° 内角分辨散射光强具有识别长形颗粒物和非长形颗粒物的能力.该研究可以为颗粒物形态测量仪器设计以及快速检测有害生物气溶胶提供依据.
近前向光学散射图样可以用来表征颗粒物的形状.基于球形芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、类鼻疽伯克氏菌的回转长椭球模型, 采用离散偶极子近似方法, 通过模拟3个不同方位探测器接收的散射光强响应信号, 讨论了非球形生物气溶胶颗粒的形状对前向角分辨光强的影响.结合球形指数反演算法, 在一定取向条件下, 前向5°–20° 内角分辨散射光强具有识别长形颗粒物和非长形颗粒物的能力.该研究可以为颗粒物形态测量仪器设计以及快速检测有害生物气溶胶提供依据.
2015, 64(5): 054203.
doi: 10.7498/aps.64.054203
摘要:
为实现光反馈机理下激光自混合干涉信号相位的精确提取, 本文提出了一种基于经验模态分析(EMD)的方法.首先, 采用EMD算法对含噪的自混合干涉信号进行了降噪预处理, 提取有效的干涉信号.然后在对含有外腔物体运动信息的光反馈相位求解的过程中, 利用希尔伯特黄变换(HHT)原理实时提取每一时刻的瞬时相位, 将其去包裹处理后得到真实相位. 在弱、适度、强光反馈条件下, 分别对基于EMD的相位提取算法进行了仿真研究.最后, 搭建了基于自混合干涉效应的微位移测量实验平台, 进行实验研究.实验结果表明, 利用该方法可以实现对自混合干涉信号的相位提取, 最大误差小于1.6 rad.仿真和实验结果的一致性, 说明了EMD方法的有效性.
为实现光反馈机理下激光自混合干涉信号相位的精确提取, 本文提出了一种基于经验模态分析(EMD)的方法.首先, 采用EMD算法对含噪的自混合干涉信号进行了降噪预处理, 提取有效的干涉信号.然后在对含有外腔物体运动信息的光反馈相位求解的过程中, 利用希尔伯特黄变换(HHT)原理实时提取每一时刻的瞬时相位, 将其去包裹处理后得到真实相位. 在弱、适度、强光反馈条件下, 分别对基于EMD的相位提取算法进行了仿真研究.最后, 搭建了基于自混合干涉效应的微位移测量实验平台, 进行实验研究.实验结果表明, 利用该方法可以实现对自混合干涉信号的相位提取, 最大误差小于1.6 rad.仿真和实验结果的一致性, 说明了EMD方法的有效性.
2015, 64(5): 054205.
doi: 10.7498/aps.64.054205
摘要:
编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术, 该技术在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码, 结合特殊的采样成像方式, 获得满足景物重构的采样数据量, 实现了空间信息和光谱信息的高精度重构, 具有高光通量、高信噪比等优势.但该技术实际的光学系统设计, 以及相应加工和装调过程中各种误差的存在, 将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配, 这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差, 通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法, 在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵, 并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据, 改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制, 提供了相应图像成像反演结果, 由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.
编码孔径光谱成像技术是近年来发展起来的一种新型光谱成像技术, 该技术在一次像面采用特定的编码模板对目标进行编码, 结合特殊的采样成像方式, 获得满足景物重构的采样数据量, 实现了空间信息和光谱信息的高精度重构, 具有高光通量、高信噪比等优势.但该技术实际的光学系统设计, 以及相应加工和装调过程中各种误差的存在, 将逐一传递反映到探测器精度与编码后图谱采样精度的不匹配, 这会引发最终重构图谱质量降低.本文侧重分析研究光学系统设计和研制装调中光学彗差相对设计值间存在的偏差, 通过几何光线追迹与波前像差联合计算的方法, 在成像面仿真出不同数值程度的彗差矩阵, 并以此来分析不同彗差下对重构图像质量的影响结果.并用其分析结论作为依据, 改进了编码孔径光谱成像仪的设计和研制, 提供了相应图像成像反演结果, 由此确保了编码孔径光谱成像仪的成像优势.
2015, 64(5): 054207.
doi: 10.7498/aps.64.054207
摘要:
通过求解包含拉曼增益和自陡峭效应的高阶非线性薛定谔方程, 运用MATLAB模拟了拉曼增益和自陡峭效应共同作用对孤子脉冲在各向同性光纤中传输特性的影响, 结果表明, 自陡峭效应会导致孤子产生时域位移, 而且会使高阶孤子产生孤子分裂现象. 与此同时, 拉曼增益改变了孤子的传输特性, 抑制了自陡峭效应, 从而导致脉冲宽度增大、脉冲偏移程度减弱、高阶孤子分裂成基阶孤子所需的传输距离增大.
通过求解包含拉曼增益和自陡峭效应的高阶非线性薛定谔方程, 运用MATLAB模拟了拉曼增益和自陡峭效应共同作用对孤子脉冲在各向同性光纤中传输特性的影响, 结果表明, 自陡峭效应会导致孤子产生时域位移, 而且会使高阶孤子产生孤子分裂现象. 与此同时, 拉曼增益改变了孤子的传输特性, 抑制了自陡峭效应, 从而导致脉冲宽度增大、脉冲偏移程度减弱、高阶孤子分裂成基阶孤子所需的传输距离增大.
2015, 64(5): 054301.
doi: 10.7498/aps.64.054301
摘要:
远场高分辨率成像是近几年来声学和光学领域的研究焦点之一, 倏逝波无法在介质中传播成为将高分辨率成像带入远场的最大困难.本文提出了一种均匀排列的散射钢柱构成的超构散射体成像方式, 利用周期结构负反射现象将倏逝波信息转化为可传播波来增强成像.有限元数值模拟被用来研究和验证该方案的可行性, 结果显示波长3.4 mm的声波可以在20 cm外的远场获得大约0.6个波长的成像分辨能力. 通过减小散射体的晶格常数有希望达到更高分辨率成像.
远场高分辨率成像是近几年来声学和光学领域的研究焦点之一, 倏逝波无法在介质中传播成为将高分辨率成像带入远场的最大困难.本文提出了一种均匀排列的散射钢柱构成的超构散射体成像方式, 利用周期结构负反射现象将倏逝波信息转化为可传播波来增强成像.有限元数值模拟被用来研究和验证该方案的可行性, 结果显示波长3.4 mm的声波可以在20 cm外的远场获得大约0.6个波长的成像分辨能力. 通过减小散射体的晶格常数有希望达到更高分辨率成像.
2015, 64(5): 054206.
doi: 10.7498/aps.64.054206
摘要:
跨倍频程超连续光谱的产生是光学频率梳系统中测量载波包络相移频率的关键.本文采用拉锥单模光纤作为非线性光谱展宽介质, 将半导体激光(LD)抽运的掺镱硼酸钙氧钇(Yb:YCOB)振荡器输出的飞秒激光耦合到该拉锥光纤中, 通过飞秒激光在光纤中发生的相位调制、四波混频等非线性效应将光谱展宽至超过倍频程的范围.振荡器输出的飞秒激光脉冲宽度为130 fs, 中心波长为1052 nm, 重复频率为76.8 MHz, 平均功率为620 mW, 耦合进单模拉锥光纤后获得了光谱覆盖范围从550 nm至1350 nm的跨倍频程超连续光谱, 最大输出平均功率为323 mW, 耦合效率达到52%.为进一步实现全固态飞秒激光光学频率梳提供了重要基础.
跨倍频程超连续光谱的产生是光学频率梳系统中测量载波包络相移频率的关键.本文采用拉锥单模光纤作为非线性光谱展宽介质, 将半导体激光(LD)抽运的掺镱硼酸钙氧钇(Yb:YCOB)振荡器输出的飞秒激光耦合到该拉锥光纤中, 通过飞秒激光在光纤中发生的相位调制、四波混频等非线性效应将光谱展宽至超过倍频程的范围.振荡器输出的飞秒激光脉冲宽度为130 fs, 中心波长为1052 nm, 重复频率为76.8 MHz, 平均功率为620 mW, 耦合进单模拉锥光纤后获得了光谱覆盖范围从550 nm至1350 nm的跨倍频程超连续光谱, 最大输出平均功率为323 mW, 耦合效率达到52%.为进一步实现全固态飞秒激光光学频率梳提供了重要基础.
2015, 64(5): 054701.
doi: 10.7498/aps.64.054701
摘要:
超疏水表面因其优异的自洁作用一直是表面科学领域关注的重点.本文使用多体耗散粒子动力学(many-body dissipative particle dynamics, MDPD)方法模拟研究了不同粗糙结构下液滴的浸润特性, 并与Cassie-Baxter理论进行了对比. 研究使用了一种具有长吸短斥作用的流固作用函数来获得不同的液滴浸润性, 并利用一种简洁的数值方法来测量接触角. 模拟结果表明本研究方法能够稳定地捕捉到液滴在粗糙表面的静态和动态特性. 模拟了粗糙结构对三相接触线运动的黏滞作用, 与物理实验结果相符合, 表明Cassie-Baxter理论在实际应用中尚存在一定局限性. 研究分析了在动态铺展过程中的能量转化关系, 并指出在低值表面容易引起液滴反弹.
超疏水表面因其优异的自洁作用一直是表面科学领域关注的重点.本文使用多体耗散粒子动力学(many-body dissipative particle dynamics, MDPD)方法模拟研究了不同粗糙结构下液滴的浸润特性, 并与Cassie-Baxter理论进行了对比. 研究使用了一种具有长吸短斥作用的流固作用函数来获得不同的液滴浸润性, 并利用一种简洁的数值方法来测量接触角. 模拟结果表明本研究方法能够稳定地捕捉到液滴在粗糙表面的静态和动态特性. 模拟了粗糙结构对三相接触线运动的黏滞作用, 与物理实验结果相符合, 表明Cassie-Baxter理论在实际应用中尚存在一定局限性. 研究分析了在动态铺展过程中的能量转化关系, 并指出在低值表面容易引起液滴反弹.
2015, 64(5): 054702.
doi: 10.7498/aps.64.054702
摘要:
利用含时变分法研究了二维光晶格中准二维玻色-爱因斯坦凝聚中的调制不稳定性. 在平均场近似下, 由准二维Gross-Pitaevskii方程出发, 利用变分法给出了调制波振幅和相位所满足的时间演化方程, 通过求解时间演化方程和能量分析法给出了发生调制不稳定性的条件, 决定于平面波振幅, 晶格强度, 调制波的波矢量和原子之间的两体相互作用.
利用含时变分法研究了二维光晶格中准二维玻色-爱因斯坦凝聚中的调制不稳定性. 在平均场近似下, 由准二维Gross-Pitaevskii方程出发, 利用变分法给出了调制波振幅和相位所满足的时间演化方程, 通过求解时间演化方程和能量分析法给出了发生调制不稳定性的条件, 决定于平面波振幅, 晶格强度, 调制波的波矢量和原子之间的两体相互作用.
2015, 64(5): 054704.
doi: 10.7498/aps.64.054704
摘要:
统一色噪声近似方法对简单一维色噪声问题研究较为充分, 本文将统一色噪声法应用到高度复杂的多维气固两相湍流系统之中.首先从颗粒运动Langevin方程出发, 利用统一色噪声法获得两相湍流Fokker-Planck方程, 然后以此为基础建立颗粒轨道两阶矩模型.文中建立的新模型成功应用于后台阶两相湍流流场的数值模拟, 预报合理正确.研究表明, 对于多维两相湍流系统, 统一色噪声法仍然行之有效.
统一色噪声近似方法对简单一维色噪声问题研究较为充分, 本文将统一色噪声法应用到高度复杂的多维气固两相湍流系统之中.首先从颗粒运动Langevin方程出发, 利用统一色噪声法获得两相湍流Fokker-Planck方程, 然后以此为基础建立颗粒轨道两阶矩模型.文中建立的新模型成功应用于后台阶两相湍流流场的数值模拟, 预报合理正确.研究表明, 对于多维两相湍流系统, 统一色噪声法仍然行之有效.
2015, 64(5): 054703.
doi: 10.7498/aps.64.054703
摘要:
通过实验分析比较了对于相同高度不同宽度的四种矩形喷嘴, 当压力在0.2 MPa到0.8 MPa 之间变动时, 欠膨胀超音速自由射流的啸叫特性和对应的流场纹影结构.结果表明: 不同宽高比喷嘴的超音速自由射流辐射噪声中的单频离散啸叫存在两种不同的啸叫模式, 且随着射流压力的变化会出现模式间的切换.所谓模式切换是指不同模式的轮流占优和消失的现象.啸叫模式间的切换及占优区间的宽度随着喷嘴宽高比的减小而缩短.其中, 宽高比为2的射流啸叫模式中的一种模式所占的射流压降区间异常小, 此现象未在相关文献中提及; 喷嘴宽高比为4的射流啸叫占优区间内, 啸叫基频-射流压力曲线在0.49 MPa时出现了间断、跳跃现象.随着压力的降低激波纹影的轴线出现了抖动, 不同宽高比下流场结构的稳定性随压力变化的规律各异.射流压力在0.70 MPa到0.45 MPa区间内, 随着宽高比减小, 第一波节格栅的激波致密度减弱, 且出现轴向脉动, 第二波节后方的流场变得紊乱; 当射流压力低于0.45 MPa 时, 激波串结构随着宽高比的增大而趋于稳定, 在此压力区间内周期性激波格栅结构较射流压力在0.45 MPa以上时有所减弱.结合啸叫频谱及纹影图分析, 可初步认为, 第二、三波节也会对啸叫频率的声压幅值起到反馈增强作用.
通过实验分析比较了对于相同高度不同宽度的四种矩形喷嘴, 当压力在0.2 MPa到0.8 MPa 之间变动时, 欠膨胀超音速自由射流的啸叫特性和对应的流场纹影结构.结果表明: 不同宽高比喷嘴的超音速自由射流辐射噪声中的单频离散啸叫存在两种不同的啸叫模式, 且随着射流压力的变化会出现模式间的切换.所谓模式切换是指不同模式的轮流占优和消失的现象.啸叫模式间的切换及占优区间的宽度随着喷嘴宽高比的减小而缩短.其中, 宽高比为2的射流啸叫模式中的一种模式所占的射流压降区间异常小, 此现象未在相关文献中提及; 喷嘴宽高比为4的射流啸叫占优区间内, 啸叫基频-射流压力曲线在0.49 MPa时出现了间断、跳跃现象.随着压力的降低激波纹影的轴线出现了抖动, 不同宽高比下流场结构的稳定性随压力变化的规律各异.射流压力在0.70 MPa到0.45 MPa区间内, 随着宽高比减小, 第一波节格栅的激波致密度减弱, 且出现轴向脉动, 第二波节后方的流场变得紊乱; 当射流压力低于0.45 MPa 时, 激波串结构随着宽高比的增大而趋于稳定, 在此压力区间内周期性激波格栅结构较射流压力在0.45 MPa以上时有所减弱.结合啸叫频谱及纹影图分析, 可初步认为, 第二、三波节也会对啸叫频率的声压幅值起到反馈增强作用.
2015, 64(5): 054705.
doi: 10.7498/aps.64.054705
摘要:
高速飞行器表面不可避免的存在突起物并形成复杂流场, 从而引起飞行器气动特性和热载荷的变化; 同时, 突起物是流动控制的重要方法之一, 合适的突起物形状及安装位置对于改善冲压发动机进气道性能有重要意义. 本文采用基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)研究了马赫3.0来流边界层为层流的平板上三个不同高度圆台突起物绕流流场, 主要关注了突起物后方的尾迹边界层, 并采用高精度的显式五阶精度加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)离散求解Navier-Stokes方程模拟了该流场. 获得了超声速圆台绕流精细流场结构, 观察到突起物后方尾迹区域边界层发展的过程. 结合实验和数值模拟结果可以发现, 当圆台高度接近或者小于当地边界层厚度时, 突起物对边界层的扰动非常弱, 圆台后方尾迹边界层能够维持较长距离的层流状态, 在边界层转捩阶段也有清晰的发卡涡结构出现; 反之, 边界层受到的扰动明显增大, 在突起物后方很快发展为湍流; 风洞噪声对本文研究圆台引起的边界层扰动有一定影响, 实验获得的边界层转捩位置要比数值结果靠前. 基于NPLS流场图像, 采用间歇性方法分析了圆台突起物后方边界层的特性, 对于高度大于边界层厚度的圆台其间歇性曲线较为接近并且更加饱满, 边界层的脉动也更为强烈.
高速飞行器表面不可避免的存在突起物并形成复杂流场, 从而引起飞行器气动特性和热载荷的变化; 同时, 突起物是流动控制的重要方法之一, 合适的突起物形状及安装位置对于改善冲压发动机进气道性能有重要意义. 本文采用基于纳米粒子的平面激光散射技术(NPLS)研究了马赫3.0来流边界层为层流的平板上三个不同高度圆台突起物绕流流场, 主要关注了突起物后方的尾迹边界层, 并采用高精度的显式五阶精度加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)离散求解Navier-Stokes方程模拟了该流场. 获得了超声速圆台绕流精细流场结构, 观察到突起物后方尾迹区域边界层发展的过程. 结合实验和数值模拟结果可以发现, 当圆台高度接近或者小于当地边界层厚度时, 突起物对边界层的扰动非常弱, 圆台后方尾迹边界层能够维持较长距离的层流状态, 在边界层转捩阶段也有清晰的发卡涡结构出现; 反之, 边界层受到的扰动明显增大, 在突起物后方很快发展为湍流; 风洞噪声对本文研究圆台引起的边界层扰动有一定影响, 实验获得的边界层转捩位置要比数值结果靠前. 基于NPLS流场图像, 采用间歇性方法分析了圆台突起物后方边界层的特性, 对于高度大于边界层厚度的圆台其间歇性曲线较为接近并且更加饱满, 边界层的脉动也更为强烈.
2015, 64(5): 054706.
doi: 10.7498/aps.64.054706
摘要:
高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.
高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.
2015, 64(5): 054208.
doi: 10.7498/aps.64.054208
摘要:
认识玻璃组成-性能-结构之间关系是玻璃科学中经久不衰的研究课题之一. 在制得(100-x) GeS2-xIn2S3 (x=10, 15, 20, 25或30 mol%) 系列玻璃和玻璃陶瓷样品的基础上, 利用可见-近红外透过光谱, DSC, XRD和Raman光谱等测试技术表征了随组份变化的光学带隙, 玻璃转变温度以及晶化行为等, 并结合GeS2-Ga2S3玻璃研究结果探讨了Ga, In 元素及其形成的网络结构对玻璃性质的影响.研究发现, 在硫系玻璃中In比Ga对光学带隙和玻璃转变温度等性质的影响要大. 它们所形成玻璃的晶化行为也截然不同, 但与其各自的材料相图有着密切的联系. 利用偏振拉曼光谱获得玻璃网络中的基本结构单元信息.最后, 结合材料相图, 玻璃随组成变化的物化性质和晶化行为以及基本网络结构单元的认识, 探讨了玻璃的化学拓扑与网络拓扑之间的联系, 为今后研究提供一种新的研究思路.
认识玻璃组成-性能-结构之间关系是玻璃科学中经久不衰的研究课题之一. 在制得(100-x) GeS2-xIn2S3 (x=10, 15, 20, 25或30 mol%) 系列玻璃和玻璃陶瓷样品的基础上, 利用可见-近红外透过光谱, DSC, XRD和Raman光谱等测试技术表征了随组份变化的光学带隙, 玻璃转变温度以及晶化行为等, 并结合GeS2-Ga2S3玻璃研究结果探讨了Ga, In 元素及其形成的网络结构对玻璃性质的影响.研究发现, 在硫系玻璃中In比Ga对光学带隙和玻璃转变温度等性质的影响要大. 它们所形成玻璃的晶化行为也截然不同, 但与其各自的材料相图有着密切的联系. 利用偏振拉曼光谱获得玻璃网络中的基本结构单元信息.最后, 结合材料相图, 玻璃随组成变化的物化性质和晶化行为以及基本网络结构单元的认识, 探讨了玻璃的化学拓扑与网络拓扑之间的联系, 为今后研究提供一种新的研究思路.
2015, 64(5): 054209.
doi: 10.7498/aps.64.054209
摘要:
在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.
在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.
2015, 64(5): 054302.
doi: 10.7498/aps.64.054302
摘要:
天然气的成分构成会随产地来源变化而不同, 使其具有不同的燃烧特性和经济价值.本文利用声吸收谱峰值点随气体成分变化而改变的声分子弛豫现象, 提出一种天然气燃烧特性检测理论.它基于两频点上声测量值可合成声吸收谱峰值点, 且依赖于频率的声吸收谱可由峰值点重建的物理原理; 可利用峰值点对应的特征量——弛豫频率和弛豫吸收最大值与气体成分的关系, 从两个维度同时定量检测天然气成分.该理论避免了传统上测量声吸收谱峰值点方法需要不断改变气体腔体压强的问题, 还具有无需测量气体密度的优点.
天然气的成分构成会随产地来源变化而不同, 使其具有不同的燃烧特性和经济价值.本文利用声吸收谱峰值点随气体成分变化而改变的声分子弛豫现象, 提出一种天然气燃烧特性检测理论.它基于两频点上声测量值可合成声吸收谱峰值点, 且依赖于频率的声吸收谱可由峰值点重建的物理原理; 可利用峰值点对应的特征量——弛豫频率和弛豫吸收最大值与气体成分的关系, 从两个维度同时定量检测天然气成分.该理论避免了传统上测量声吸收谱峰值点方法需要不断改变气体腔体压强的问题, 还具有无需测量气体密度的优点.
2015, 64(5): 054303.
doi: 10.7498/aps.64.054303
摘要:
本文针对一个感兴趣子区域内的宽带波束形成问题, 提出一种基于信号子空间重构的鲁棒Frost波束形成算法. 该算法的基本思想是利用一个矩阵滤波器从所估计的信号加干扰子空间中提取感兴趣信号(SOI)的特征分量; 然后利用该特征分量重构信号子空间; 最后利用重构的信号子空间构造一组线性约束最小方差(LCMV)准则, 来保证SOI近似无失真通过. 与现有的其他鲁棒Frost波束形成算法相比, 本文算法的一个显著优点是在未知SOI实际波达方向与频带等先验信息的情况下, 其导向与带宽均能够自适应地匹配SOI. 因此在整个感兴趣子区域内, 它都能获得接近最优值的输出信干噪比. 理论分析与仿真研究验证了算法的有效性.
本文针对一个感兴趣子区域内的宽带波束形成问题, 提出一种基于信号子空间重构的鲁棒Frost波束形成算法. 该算法的基本思想是利用一个矩阵滤波器从所估计的信号加干扰子空间中提取感兴趣信号(SOI)的特征分量; 然后利用该特征分量重构信号子空间; 最后利用重构的信号子空间构造一组线性约束最小方差(LCMV)准则, 来保证SOI近似无失真通过. 与现有的其他鲁棒Frost波束形成算法相比, 本文算法的一个显著优点是在未知SOI实际波达方向与频带等先验信息的情况下, 其导向与带宽均能够自适应地匹配SOI. 因此在整个感兴趣子区域内, 它都能获得接近最优值的输出信干噪比. 理论分析与仿真研究验证了算法的有效性.
2015, 64(5): 054304.
doi: 10.7498/aps.64.054304
摘要:
相位光时域反射链路监测系统是一种利用光纤作为传感介质的传感系统, 能够监测、定位、识别入侵信号.模式识别模块是其重要组成部分, 实时智能区分安全扰动和危险入侵.本文提出一种用于光纤链路振动信号模式识别的复合特征提取方法.利用改进的双门限方法确定有效信号段的起止位置, 结合最大能量与最高信噪比挑选出采样周期内主要入侵扰动的特征段.综合利用特征段时域持续时间和小波包能量谱提取复合特征向量, 使用支持向量机进行模式识别.实验表明, 基于本文提出的规整化特征提取方法的模式识别准确率有了显著提高.
相位光时域反射链路监测系统是一种利用光纤作为传感介质的传感系统, 能够监测、定位、识别入侵信号.模式识别模块是其重要组成部分, 实时智能区分安全扰动和危险入侵.本文提出一种用于光纤链路振动信号模式识别的复合特征提取方法.利用改进的双门限方法确定有效信号段的起止位置, 结合最大能量与最高信噪比挑选出采样周期内主要入侵扰动的特征段.综合利用特征段时域持续时间和小波包能量谱提取复合特征向量, 使用支持向量机进行模式识别.实验表明, 基于本文提出的规整化特征提取方法的模式识别准确率有了显著提高.
2015, 64(5): 054401.
doi: 10.7498/aps.64.054401
摘要:
采用RNG k-ε 湍流模型对超临界CO2流体在内径为4 mm, 长度2000 mm, 节距为10 mm, 曲率为0.1的水平螺旋管内的冷却换热进行了数值模拟.研究了质量流量、热流量以及压力对换热系数的影响, 并和超临界CO2在水平直管内的冷却换热进行了对比.研究结果表明, 超临界CO2在水平螺旋管内流动产生的二次流强于水平直管内的二次流, 前者的换热系数大于后者; 换热系数随质量流量的增加而增大; 在似气体区, 换热系数随着热流量的增加而增大, 而在似液体区, 热流量对换热系数几乎没有影响; 换热系数峰值点随着压力的升高而下降, 并向高温区偏移.
采用RNG k-ε 湍流模型对超临界CO2流体在内径为4 mm, 长度2000 mm, 节距为10 mm, 曲率为0.1的水平螺旋管内的冷却换热进行了数值模拟.研究了质量流量、热流量以及压力对换热系数的影响, 并和超临界CO2在水平直管内的冷却换热进行了对比.研究结果表明, 超临界CO2在水平螺旋管内流动产生的二次流强于水平直管内的二次流, 前者的换热系数大于后者; 换热系数随质量流量的增加而增大; 在似气体区, 换热系数随着热流量的增加而增大, 而在似液体区, 热流量对换热系数几乎没有影响; 换热系数峰值点随着压力的升高而下降, 并向高温区偏移.
2015, 64(5): 054402.
doi: 10.7498/aps.64.054402
摘要:
基于绝热过程(火积)耗散极值原理, 分别在对流传热和复合传热(对流和辐射传热)边界条件下, 对轧钢加热炉壁变截面绝热层进行构形优化, 得到(火积)耗散率最小的绝热层最优构形. 结果表明: 与等截面绝热层相比, (火积)耗散率最小的变截面绝热层整体绝热性能更优. 热损失率最小和(火积)耗散率最小的绝热层最优构形是不同的. 热损失率最小的绝热层最优构形使得其能量损失减小, 而(火积)耗散率最小的绝热层最优构形使得其整体绝热性能提高. (火积)耗散率最小和最大温度梯度最小的变截面绝热层最优构形差别较小, 此时(火积)耗散率最小的绝热层最优构形在提高绝热层整体绝热性能的同时也提高了其热安全性. 基于(火积)理论的绝热层构形优化为绝热系统的优化设计提供了新的指导.
基于绝热过程(火积)耗散极值原理, 分别在对流传热和复合传热(对流和辐射传热)边界条件下, 对轧钢加热炉壁变截面绝热层进行构形优化, 得到(火积)耗散率最小的绝热层最优构形. 结果表明: 与等截面绝热层相比, (火积)耗散率最小的变截面绝热层整体绝热性能更优. 热损失率最小和(火积)耗散率最小的绝热层最优构形是不同的. 热损失率最小的绝热层最优构形使得其能量损失减小, 而(火积)耗散率最小的绝热层最优构形使得其整体绝热性能提高. (火积)耗散率最小和最大温度梯度最小的变截面绝热层最优构形差别较小, 此时(火积)耗散率最小的绝热层最优构形在提高绝热层整体绝热性能的同时也提高了其热安全性. 基于(火积)理论的绝热层构形优化为绝热系统的优化设计提供了新的指导.
2015, 64(5): 054601.
doi: 10.7498/aps.64.054601
摘要:
研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.
研究了加载应力幅值对延性金属高纯无氧铜动态损伤演化特性的影响. 层裂实验在一级轻气炮上开展, 利用不同的飞片击靶速度实现不同加载应力幅值(2.5 GPa, 2.75 GPa和3.75 GPa), 采用DISAR位移干涉诊断技术测量样品自由面的速度剖面, 利用基于白光轴向色差的表面轮廓测试技术测试软回收的样品截面. 结果显示: 随着加载应力幅值的升高, 层裂强度几乎没有变化, 但自由面速度剖面上Pull back信号后的回跳速率和幅值显著增大, 损伤演化速率显著升高.进一步分析表明: 延性金属动态损伤演化过程中微孔洞成核对加载应力幅值单一因素不敏感, 但加载应力幅值是微孔洞长大和聚集的主导因素之一.
2015, 64(5): 056102.
doi: 10.7498/aps.64.056102
摘要:
通过随机搜索和第一性原理计算, 系统研究了不同数目硫原子在不同尺寸纳米金刚石上修饰的结构稳定性和电子性质. 得到了可能稳定的链状的, 环状的和笼状等结构, 并结合相图确定了不同氢(H)、硫(S)化学势下稳定的结构同时, 研究了硫修饰对纳米金刚石结构的电子性质的影响, 包括对体系的光学带隙、轨道空间电荷分布等.
通过随机搜索和第一性原理计算, 系统研究了不同数目硫原子在不同尺寸纳米金刚石上修饰的结构稳定性和电子性质. 得到了可能稳定的链状的, 环状的和笼状等结构, 并结合相图确定了不同氢(H)、硫(S)化学势下稳定的结构同时, 研究了硫修饰对纳米金刚石结构的电子性质的影响, 包括对体系的光学带隙、轨道空间电荷分布等.
2015, 64(5): 056101.
doi: 10.7498/aps.64.056101
摘要:
准弹性中子散射(quasi-elastic neutron scattering, QENS)实验是研究水泥老化过程中水动态的一种新颖的实验方法.本文利用老化时间分别为7, 14和30 d水泥样品的QENS谱实验数据, 通过应用四个高斯项的和的能量分辨函数R(Q, E)代替一个高斯项的能量分辨函数来改进经验扩散模型(empirical diffusion model, EDM), 再进行非线性最小二乘拟合.由此导出水泥样品中水动态的相关物理参数: 不动水数密度A, 自由水指数FWI=B1/(A+B1+B2), 洛伦兹函数的半高宽Γ, 移动水跳跃之间的平均停留时间τ 0及自扩散系数Dt, 而且可得出更为精准的QENS谱拟合曲线.拟合得到的物理参数可定量描述水泥老化过程中水动态过程, 从而为QENS实验在水泥老化过程中水动态研究的应用提供一种合理实用的谱分析方法.
准弹性中子散射(quasi-elastic neutron scattering, QENS)实验是研究水泥老化过程中水动态的一种新颖的实验方法.本文利用老化时间分别为7, 14和30 d水泥样品的QENS谱实验数据, 通过应用四个高斯项的和的能量分辨函数R(Q, E)代替一个高斯项的能量分辨函数来改进经验扩散模型(empirical diffusion model, EDM), 再进行非线性最小二乘拟合.由此导出水泥样品中水动态的相关物理参数: 不动水数密度A, 自由水指数FWI=B1/(A+B1+B2), 洛伦兹函数的半高宽Γ, 移动水跳跃之间的平均停留时间τ 0及自扩散系数Dt, 而且可得出更为精准的QENS谱拟合曲线.拟合得到的物理参数可定量描述水泥老化过程中水动态过程, 从而为QENS实验在水泥老化过程中水动态研究的应用提供一种合理实用的谱分析方法.
2015, 64(5): 056401.
doi: 10.7498/aps.64.056401
摘要:
在自由落体条件下实现了液态Al-4 wt.%Ni亚共晶、Al-5.69 wt.%Ni共晶和Al-8 wt.%Ni过共晶合金的深过冷与快速凝固. 计算表明, (Al+Al3Ni)规则纤维状共晶的共生区是4.8–15 wt.%Ni成分范围内不闭合区域, 且强烈偏向Al3Ni相一侧. 实验发现, 随液滴直径的减小, 合金熔体冷却速率和过冷度增大, (Al)和Al3Ni相枝晶与其共晶的竞争生长引发了Al-Ni 共晶型合金微观组织演化. 在快速凝固过程中, Al-4 wt.%Ni亚共晶合金发生完全溶质截留效应, 从而形成亚稳单相固溶体. 当过冷度超过58K时, Al-5.69 wt.%Ni 共晶合金呈现从纤维状共晶向初生(Al) 枝晶为主的亚共晶组织演变. 若过冷度连续增大, Al-8 wt.%Ni过共晶合金可以形成全部纤维状共晶组织, 并且最终演变为粒状共晶.
在自由落体条件下实现了液态Al-4 wt.%Ni亚共晶、Al-5.69 wt.%Ni共晶和Al-8 wt.%Ni过共晶合金的深过冷与快速凝固. 计算表明, (Al+Al3Ni)规则纤维状共晶的共生区是4.8–15 wt.%Ni成分范围内不闭合区域, 且强烈偏向Al3Ni相一侧. 实验发现, 随液滴直径的减小, 合金熔体冷却速率和过冷度增大, (Al)和Al3Ni相枝晶与其共晶的竞争生长引发了Al-Ni 共晶型合金微观组织演化. 在快速凝固过程中, Al-4 wt.%Ni亚共晶合金发生完全溶质截留效应, 从而形成亚稳单相固溶体. 当过冷度超过58K时, Al-5.69 wt.%Ni 共晶合金呈现从纤维状共晶向初生(Al) 枝晶为主的亚共晶组织演变. 若过冷度连续增大, Al-8 wt.%Ni过共晶合金可以形成全部纤维状共晶组织, 并且最终演变为粒状共晶.
2015, 64(5): 053201.
doi: 10.7498/aps.64.053201
摘要:
报道了在兰州重离子加速器国家实验室测量动能为2.4 MeV的Xeq+(q=10, 15, 20, 26)轰击Au表面辐射的X射线的实验数据. 实验结果表明, Au的M-X射线有不同程度的能移, 这是由于入射过程引起了靶原子内壳层的多电离, 多电离的程度主要取决于离子的外壳层电子分布. 计算了X射线产额, 并与BEA理论计算值进行了比较, 讨论了电荷态对X射线产额的影响.
报道了在兰州重离子加速器国家实验室测量动能为2.4 MeV的Xeq+(q=10, 15, 20, 26)轰击Au表面辐射的X射线的实验数据. 实验结果表明, Au的M-X射线有不同程度的能移, 这是由于入射过程引起了靶原子内壳层的多电离, 多电离的程度主要取决于离子的外壳层电子分布. 计算了X射线产额, 并与BEA理论计算值进行了比较, 讨论了电荷态对X射线产额的影响.
2015, 64(5): 053301.
doi: 10.7498/aps.64.053301
摘要:
气体吸收谱线的线宽主要包括碰撞作用引起的洛伦兹线宽和分子热运动引起的高斯线宽, 是可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的重要参数. 本项研究在弱吸收条件下, 通过对波长调制法中二次与四次谐波峰值比进行理论分析和仿真计算, 发现无论洛伦兹和高斯线宽如何变化, 二次和四次谐波峰值比具有恒过不动点的特征. 本文基于该不动点提出了一种线宽在线测量的方法, 并以CO2分子6982.0678 cm-1 吸收谱线为例进行实验验证. 实验结果表明, 该方法可以精确测量线宽, 进而根据测量得到的线宽确定气体分压和总压, 可有效地提高TDLAS技术在工业现场中的测量精度.
气体吸收谱线的线宽主要包括碰撞作用引起的洛伦兹线宽和分子热运动引起的高斯线宽, 是可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的重要参数. 本项研究在弱吸收条件下, 通过对波长调制法中二次与四次谐波峰值比进行理论分析和仿真计算, 发现无论洛伦兹和高斯线宽如何变化, 二次和四次谐波峰值比具有恒过不动点的特征. 本文基于该不动点提出了一种线宽在线测量的方法, 并以CO2分子6982.0678 cm-1 吸收谱线为例进行实验验证. 实验结果表明, 该方法可以精确测量线宽, 进而根据测量得到的线宽确定气体分压和总压, 可有效地提高TDLAS技术在工业现场中的测量精度.
2015, 64(5): 053701.
doi: 10.7498/aps.64.053701
摘要:
提出了一种利用双周期弧向非满额相位调制的方法产生双空心光束的方案. 当准直氦氖激光通过1.5 mm半径透光孔照射到该相位图样时, 在200 mm成像透镜像空间获得长30 mm, 间距57.6m, 单管束宽度0.110.14 mm的双空心光束. 该方案结构简单, 产生的双空心光束具有较好的可控性, 双光管间距由相位调制因子p决定, 能够实现从双空心光束到单空心光束的双向演化. 对所提出的方案进行了实验研究并得到与理论相符的结果. 利用多种组合方式讨论了将该方案拓展到蓝失谐光学囚禁势阱, 可以实现可控的空心双光阱、四光阱与光学晶格等, 有望在冷原子、冷分子囚禁与操控等领域的实验研究中发挥重要作用.
提出了一种利用双周期弧向非满额相位调制的方法产生双空心光束的方案. 当准直氦氖激光通过1.5 mm半径透光孔照射到该相位图样时, 在200 mm成像透镜像空间获得长30 mm, 间距57.6m, 单管束宽度0.110.14 mm的双空心光束. 该方案结构简单, 产生的双空心光束具有较好的可控性, 双光管间距由相位调制因子p决定, 能够实现从双空心光束到单空心光束的双向演化. 对所提出的方案进行了实验研究并得到与理论相符的结果. 利用多种组合方式讨论了将该方案拓展到蓝失谐光学囚禁势阱, 可以实现可控的空心双光阱、四光阱与光学晶格等, 有望在冷原子、冷分子囚禁与操控等领域的实验研究中发挥重要作用.
2015, 64(5): 053702.
doi: 10.7498/aps.64.053702
摘要:
提出了产生轴对称矢量光束的新方案, 根据晶体的双折射性质设计波晶片, 形成o光和e光相位板, 能够把线偏振光转换为具有旋转对称性的径向或角向矢量空心光束, 光路简单, 调节方便. 应用Richards-Wolf的经典矢量衍射模型, 分析计算了空心高斯光束照明、高数值孔径透镜聚焦条件下所产生的衍射光波电磁场分布, 结果表明: 用功率为0.5 W的激光照明, 所获得的矢量空心光束具有很高的光强、光强梯度和很强的纵向电磁场分布, 同时还能产生可实时调控的光子角动量分布, 方案在微观粒子的操控方面有很好的应用前景.
提出了产生轴对称矢量光束的新方案, 根据晶体的双折射性质设计波晶片, 形成o光和e光相位板, 能够把线偏振光转换为具有旋转对称性的径向或角向矢量空心光束, 光路简单, 调节方便. 应用Richards-Wolf的经典矢量衍射模型, 分析计算了空心高斯光束照明、高数值孔径透镜聚焦条件下所产生的衍射光波电磁场分布, 结果表明: 用功率为0.5 W的激光照明, 所获得的矢量空心光束具有很高的光强、光强梯度和很强的纵向电磁场分布, 同时还能产生可实时调控的光子角动量分布, 方案在微观粒子的操控方面有很好的应用前景.
2015, 64(5): 055201.
doi: 10.7498/aps.64.055201
摘要:
针对等离子体隐身技术在航空航天领域的良好应用前景, 开展垂直入射到具有金属衬底的非磁化等离子体中电磁波衰减特性的理论与实验研究. 利用WKB方法对电磁波衰减随等离子体参数的变化规律进行了理论分析. 利用射频电感耦合放电方式产生稳定的大面积等离子体层, 搭建了等离子体反射率弓形测试系统, 进行了电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究. 利用微波相位法和光谱诊断法, 得到不同放电功率下的等离子体电子密度, 其范围为8.17×109–7.61× 1010 cm-3. 本实验获得的等离子体可以使2.7 GHz 和10.1 GHz电磁波分别得到一定的衰减, 且电磁波衰减的理论与实验结果符合较好. 结果表明, 提高等离子体电子密度和覆盖均匀性有利于增强等离子体对电磁波的衰减效果.
针对等离子体隐身技术在航空航天领域的良好应用前景, 开展垂直入射到具有金属衬底的非磁化等离子体中电磁波衰减特性的理论与实验研究. 利用WKB方法对电磁波衰减随等离子体参数的变化规律进行了理论分析. 利用射频电感耦合放电方式产生稳定的大面积等离子体层, 搭建了等离子体反射率弓形测试系统, 进行了电磁波在非磁化等离子体中衰减效应的实验研究. 利用微波相位法和光谱诊断法, 得到不同放电功率下的等离子体电子密度, 其范围为8.17×109–7.61× 1010 cm-3. 本实验获得的等离子体可以使2.7 GHz 和10.1 GHz电磁波分别得到一定的衰减, 且电磁波衰减的理论与实验结果符合较好. 结果表明, 提高等离子体电子密度和覆盖均匀性有利于增强等离子体对电磁波的衰减效果.
2015, 64(5): 057301.
doi: 10.7498/aps.64.057301
摘要:
运用第一性原理密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法, 研究了[111]Au纳米线与1, 4-二硫苯酚(DTB)构成的分子结的电子输运性质. 构建并优化不同的Au-DTB接触构型, 计算发现: 尖端顶位构型最利于电流输运; 非对称构型大多具有很好的整流特性(最大整流比为25.6); 部分结构出现双重负微分电阻(NDR)效应. 分析表明, 整流效应主要源于非对称接触构型两端S-Au键的稳定性差别; 尖端金原子与硫原子的耦合能级中, 近费米面的能级对低压区电子传输起主要作用; 电压增大, 离费米面较远的能级对输运起主导作用, DTB的本征能级也逐渐参与, 这一转变致使电流出现两峰一谷的双重NDR效应.
运用第一性原理密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法, 研究了[111]Au纳米线与1, 4-二硫苯酚(DTB)构成的分子结的电子输运性质. 构建并优化不同的Au-DTB接触构型, 计算发现: 尖端顶位构型最利于电流输运; 非对称构型大多具有很好的整流特性(最大整流比为25.6); 部分结构出现双重负微分电阻(NDR)效应. 分析表明, 整流效应主要源于非对称接触构型两端S-Au键的稳定性差别; 尖端金原子与硫原子的耦合能级中, 近费米面的能级对低压区电子传输起主要作用; 电压增大, 离费米面较远的能级对输运起主导作用, DTB的本征能级也逐渐参与, 这一转变致使电流出现两峰一谷的双重NDR效应.
2015, 64(5): 057501.
doi: 10.7498/aps.64.057501
摘要:
本文采用高温有机溶剂法制备了(Fe1-xCox)3BO5纳米棒, 通过控制反应物中乙酰丙酮钴的含量合成了不同Co含量的(Fe1-xCox)3BO5. 利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、超导量子干涉磁强计(SQUID)对其形貌和磁性能进行了表征. 高分辨透射电子显微镜结果表明制备出的纳米(Fe1-xCox)3BO5为多晶棒状, 且具有多折孪晶结构; 磁性测量的结果表明,(Fe1-xCox)3BO5纳米棒在室温下表现出铁磁性, 随着Co含量的增加, 纳米棒的铁磁性逐渐增加, 该纳米棒有望用来研究生物大分子的机械性能.
本文采用高温有机溶剂法制备了(Fe1-xCox)3BO5纳米棒, 通过控制反应物中乙酰丙酮钴的含量合成了不同Co含量的(Fe1-xCox)3BO5. 利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、超导量子干涉磁强计(SQUID)对其形貌和磁性能进行了表征. 高分辨透射电子显微镜结果表明制备出的纳米(Fe1-xCox)3BO5为多晶棒状, 且具有多折孪晶结构; 磁性测量的结果表明,(Fe1-xCox)3BO5纳米棒在室温下表现出铁磁性, 随着Co含量的增加, 纳米棒的铁磁性逐渐增加, 该纳米棒有望用来研究生物大分子的机械性能.
2015, 64(5): 057801.
doi: 10.7498/aps.64.057801
摘要:
基于麦克斯韦方程组所要求的电磁场边界条件首次从理论上严格推导得到超薄导电体及其复合多层介质结构光学特性的一般计算方法及其特征矩阵公式, 其优点在于只要借助于导电体的电导率而无需知道其介电常数和磁导率即可计算得到反射、透射和吸收等光学特性, 克服了传统的传输矩阵方法必需知道组成材料的介电常数和磁导率才能获得其光学性质的问题, 并利用此方法获得了石墨烯及其复合多层结构在THz频率范围内反射、透射和吸收等光学行为.
基于麦克斯韦方程组所要求的电磁场边界条件首次从理论上严格推导得到超薄导电体及其复合多层介质结构光学特性的一般计算方法及其特征矩阵公式, 其优点在于只要借助于导电体的电导率而无需知道其介电常数和磁导率即可计算得到反射、透射和吸收等光学特性, 克服了传统的传输矩阵方法必需知道组成材料的介电常数和磁导率才能获得其光学性质的问题, 并利用此方法获得了石墨烯及其复合多层结构在THz频率范围内反射、透射和吸收等光学行为.
2015, 64(5): 057401.
doi: 10.7498/aps.64.057401
摘要:
考虑铁基超导中能带间的相互作用和界面对每一个能带的散射作用, 利用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk模型, 并通过求解Bogoliubov-de Gennes 方程研究了具有不同类型双能隙系统的量子线/铁基超导隧道结中准粒子的输运系数和隧道谱. 研究表明: 1)在弹道极限时, 随着带间相互作用的增大, s 波隧道谱中零偏压附近的平台演变成电导峰; s++ 波的平台演变成凹陷; p波的零偏压电导峰被压低. 2)界面对两个能带的散射作用不为零时, 随着带间相互作用的增大, s 波和s++ 波两能隙处的峰值将降低, 而两峰间的凹陷值将变大; p波的零偏压电导峰被压低, 非零偏压电导增大. 3)界面对每个能带的散射, 可使其产生的电导峰变得更加尖锐, 但可压低和抹平另一个带产生的电导峰值. 这些结果对于澄清铁基超导体的能隙结构和区别不同类型铁基超导体有所帮助.
考虑铁基超导中能带间的相互作用和界面对每一个能带的散射作用, 利用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk模型, 并通过求解Bogoliubov-de Gennes 方程研究了具有不同类型双能隙系统的量子线/铁基超导隧道结中准粒子的输运系数和隧道谱. 研究表明: 1)在弹道极限时, 随着带间相互作用的增大, s 波隧道谱中零偏压附近的平台演变成电导峰; s++ 波的平台演变成凹陷; p波的零偏压电导峰被压低. 2)界面对两个能带的散射作用不为零时, 随着带间相互作用的增大, s 波和s++ 波两能隙处的峰值将降低, 而两峰间的凹陷值将变大; p波的零偏压电导峰被压低, 非零偏压电导增大. 3)界面对每个能带的散射, 可使其产生的电导峰变得更加尖锐, 但可压低和抹平另一个带产生的电导峰值. 这些结果对于澄清铁基超导体的能隙结构和区别不同类型铁基超导体有所帮助.
2015, 64(5): 059201.
doi: 10.7498/aps.64.059201
摘要:
本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料, 探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异, 并分析了其对微气候的反馈机理. 结果表明, 四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势, 低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力. 总体来看, 高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高, 尤其在生长季更明显. 利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献. 随着植被覆盖程度的提高, 净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用, 且为正贡献; 地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反. 此外, 沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林, 主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献, 同时抵消了净辐射减小引起的降温效应, 表明在相同气候和天气背景下, 不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.
本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料, 探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异, 并分析了其对微气候的反馈机理. 结果表明, 四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势, 低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力. 总体来看, 高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高, 尤其在生长季更明显. 利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献. 随着植被覆盖程度的提高, 净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用, 且为正贡献; 地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反. 此外, 沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林, 主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献, 同时抵消了净辐射减小引起的降温效应, 表明在相同气候和天气背景下, 不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.
2015, 64(5): 058702.
doi: 10.7498/aps.64.058702
摘要:
神经元在自突触作用下可以诱发各类放电活动的迁移, 神经元动作电位对电自突触的响应比较敏感. 通常用包含延迟因子和增益的反馈回路电流来刻画自突触对神经元动作电位的影响. 基于Pspice软件, 设计了包含自突触效应的神经元电路, 用以延迟反馈电路来模拟电自突触对电位的调制作用. 研究结果发现: 1)在外界刺激和电自突触回路协同作用下, 神经元电路输出信号可以呈现静息态, 尖峰放电, 簇放电状态. 2)在时变增大的外界刺激下和自突触回路驱动下, 神经元电路的输出电位序列在多种电活动模式之间(静息, 尖峰放电, 簇放电)交替出现, 其机理在于自突触回路具有记忆特性, 神经元对于不同的外界刺激可以做出不同模式的响应. 3)在给定比较大外界刺激下, 改变反馈回路的增益, 发现电路输出的序列也可以呈现不同模式交替, 即神经元对于相同的刺激可以通过自我调节自突触增益来产生不同模式的响应, 其机理可能在于回路的有效反馈, 这有助于理解突触的可塑性.
神经元在自突触作用下可以诱发各类放电活动的迁移, 神经元动作电位对电自突触的响应比较敏感. 通常用包含延迟因子和增益的反馈回路电流来刻画自突触对神经元动作电位的影响. 基于Pspice软件, 设计了包含自突触效应的神经元电路, 用以延迟反馈电路来模拟电自突触对电位的调制作用. 研究结果发现: 1)在外界刺激和电自突触回路协同作用下, 神经元电路输出信号可以呈现静息态, 尖峰放电, 簇放电状态. 2)在时变增大的外界刺激下和自突触回路驱动下, 神经元电路的输出电位序列在多种电活动模式之间(静息, 尖峰放电, 簇放电)交替出现, 其机理在于自突触回路具有记忆特性, 神经元对于不同的外界刺激可以做出不同模式的响应. 3)在给定比较大外界刺激下, 改变反馈回路的增益, 发现电路输出的序列也可以呈现不同模式交替, 即神经元对于相同的刺激可以通过自我调节自突触增益来产生不同模式的响应, 其机理可能在于回路的有效反馈, 这有助于理解突触的可塑性.
2015, 64(5): 058501.
doi: 10.7498/aps.64.058501
摘要:
囿于材料和工艺稳定性等原因, 纳米级集成电路制造依然基于193 nm激发光的工艺, 光刻波长远大于版图尺寸, 使得制造中光的干涉和衍射现象极大降低了分辨率, 影响了芯片质量, 因此版图在制造前需要使用可制造性模型进行查错. 传统模型对制造过程进行物理建模, 通过对模型中的矩阵进行分解得到卷积核, 所使用的物理模型不仅复杂, 而且应用难度高, 加之还有物理模型缺失的情况, 因此难以描述具有上千参数的生产线. 本文使用卷积的形式作为可制造性模型的框架, 通过优化算法提取版图到硅片轮廓这一过程的信息并以卷积核的形式体现出来, 卷积核中的每一个元素均为根据已知的生产线输入输出数据优化得出, 是描述制造过程的一个维度. 该模型克服了传统模型需要工艺参数等机密信息的缺陷, 同时具有更强的描述制造过程的能力; 模型甚至可以包含版图校正信息, 描述从版图到硅片轮廓这一全流程. 该模型在65 nm工艺下的实验结果表明该模型具有8 nm的精度.
囿于材料和工艺稳定性等原因, 纳米级集成电路制造依然基于193 nm激发光的工艺, 光刻波长远大于版图尺寸, 使得制造中光的干涉和衍射现象极大降低了分辨率, 影响了芯片质量, 因此版图在制造前需要使用可制造性模型进行查错. 传统模型对制造过程进行物理建模, 通过对模型中的矩阵进行分解得到卷积核, 所使用的物理模型不仅复杂, 而且应用难度高, 加之还有物理模型缺失的情况, 因此难以描述具有上千参数的生产线. 本文使用卷积的形式作为可制造性模型的框架, 通过优化算法提取版图到硅片轮廓这一过程的信息并以卷积核的形式体现出来, 卷积核中的每一个元素均为根据已知的生产线输入输出数据优化得出, 是描述制造过程的一个维度. 该模型克服了传统模型需要工艺参数等机密信息的缺陷, 同时具有更强的描述制造过程的能力; 模型甚至可以包含版图校正信息, 描述从版图到硅片轮廓这一全流程. 该模型在65 nm工艺下的实验结果表明该模型具有8 nm的精度.
2015, 64(5): 058701.
doi: 10.7498/aps.64.058701
摘要:
静息态脑功能连接分析是近年来脑研究的一个热点问题, 对于某些脑疾病的诊断及成因理解具有重要意义. 已有的脑功能连接研究基本上都假设功能连接网络在一段时间内是稳定不变的, 但越来越多的证据表明它应该是随时间动态变化的. 对25名被试睁眼和闭眼状态的64电极脑电生理信号, 采用独立成分分析、滑动时间窗、低分辨率脑电断层溯源、图论等方法和技术进行动态功能连接分析, 展现了睁眼和闭眼两种基线状态下视觉网络、默认网络等功能连接网络随时间的动态变化, 并对动态连接矩阵进行主成分分析得到了在整个时间段内具有代表意义的功能连接模式. 该结论支持和补充了传统稳态脑功能连接的研究, 也将为相关实验设计以及脑电信号临床研究提供基线选择依据.
静息态脑功能连接分析是近年来脑研究的一个热点问题, 对于某些脑疾病的诊断及成因理解具有重要意义. 已有的脑功能连接研究基本上都假设功能连接网络在一段时间内是稳定不变的, 但越来越多的证据表明它应该是随时间动态变化的. 对25名被试睁眼和闭眼状态的64电极脑电生理信号, 采用独立成分分析、滑动时间窗、低分辨率脑电断层溯源、图论等方法和技术进行动态功能连接分析, 展现了睁眼和闭眼两种基线状态下视觉网络、默认网络等功能连接网络随时间的动态变化, 并对动态连接矩阵进行主成分分析得到了在整个时间段内具有代表意义的功能连接模式. 该结论支持和补充了传统稳态脑功能连接的研究, 也将为相关实验设计以及脑电信号临床研究提供基线选择依据.
2015, 64(5): 058703.
doi: 10.7498/aps.64.058703
摘要:
心音分析与识别目前主要局限在一维信号处理方面, 为了获得心音信号更直观特征表现形式, 提高分类识别效果, 拓展心音识别研究领域, 提出了一种将心音与图像处理技术相结合、基于心音窗函数的心音纹理图特征提取与识别算法. 本文首先给出心音的模型, 定义心音时频图和心音纹理图, 然后讨论如何利用心音窗函数和短时傅里叶变换获取二维心音时频图, 并且针对心音的特点, 重点研究了心音窗函数的构造原则和实现方法, 最后通过改进的脉冲耦合神经网络模型实现了对心音纹理图的特征提取与身份识别. 仿真实验表明, 心音窗函数与传统窗函数相比较, 所获得的心音时频图具有第一、第二心音纹理更加清晰, 噪声纹理得到较好抑制的优点, 并且改进的脉冲耦合神经网络模型具有更低的计算成本, 与3种典型识别方法相比较, 呈现更高的识别率, 因而基于图像处理技术对心音进行特征提取与身份识别是一种行之有效的方法.
心音分析与识别目前主要局限在一维信号处理方面, 为了获得心音信号更直观特征表现形式, 提高分类识别效果, 拓展心音识别研究领域, 提出了一种将心音与图像处理技术相结合、基于心音窗函数的心音纹理图特征提取与识别算法. 本文首先给出心音的模型, 定义心音时频图和心音纹理图, 然后讨论如何利用心音窗函数和短时傅里叶变换获取二维心音时频图, 并且针对心音的特点, 重点研究了心音窗函数的构造原则和实现方法, 最后通过改进的脉冲耦合神经网络模型实现了对心音纹理图的特征提取与身份识别. 仿真实验表明, 心音窗函数与传统窗函数相比较, 所获得的心音时频图具有第一、第二心音纹理更加清晰, 噪声纹理得到较好抑制的优点, 并且改进的脉冲耦合神经网络模型具有更低的计算成本, 与3种典型识别方法相比较, 呈现更高的识别率, 因而基于图像处理技术对心音进行特征提取与身份识别是一种行之有效的方法.
2015, 64(5): 058704.
doi: 10.7498/aps.64.058704
摘要:
半覆盖螺旋锥束计算机断层成像能够扩展传统螺旋锥束计算机断层成像的成像视野, 实现小面板探测器成像超视野物体. 但是, 各角度下的投影都存在数据截断, 会使重建结果中产生截断伪影, 降低图像质量. 本文提出了一种基于Radon逆变换的半覆盖螺旋锥束重建算法, 该算法在滤波时先使用局部算子, 再使用全局算子. 局部算子不受数据截断的影响, 并且降低了运算后的值由于数据截断所造成的不连续性, 因此, 减少了随后全局运算产生的截断误差. 仿真和实际实验结果均验证了本文算法的有效性. 和现有算法的对比也表明, 本文算法针对半覆盖螺旋锥束投影具有更强的截断伪影抑制能力, 能够有效提高重建图像的质量.
半覆盖螺旋锥束计算机断层成像能够扩展传统螺旋锥束计算机断层成像的成像视野, 实现小面板探测器成像超视野物体. 但是, 各角度下的投影都存在数据截断, 会使重建结果中产生截断伪影, 降低图像质量. 本文提出了一种基于Radon逆变换的半覆盖螺旋锥束重建算法, 该算法在滤波时先使用局部算子, 再使用全局算子. 局部算子不受数据截断的影响, 并且降低了运算后的值由于数据截断所造成的不连续性, 因此, 减少了随后全局运算产生的截断误差. 仿真和实际实验结果均验证了本文算法的有效性. 和现有算法的对比也表明, 本文算法针对半覆盖螺旋锥束投影具有更强的截断伪影抑制能力, 能够有效提高重建图像的质量.
2015, 64(5): 058901.
doi: 10.7498/aps.64.058901
摘要:
密码芯片运行时的光辐射可泄露其操作和数据的重要特征信息. 基于单光子探测技术, 设计并构建了针对CMOS半导体集成电路芯片光辐射信号的采集、传输、处理和分析的光电实验系统. 以AT89C52单片机作为实验对象, 采用时间相关单光子计数技术, 对不同工作电压下密码芯片的光辐射强度进行了对比, 分析了芯片指令级光辐射信息的操作依赖性和数据依赖性. 此外, 使用示波器对时间相关单光子计数技术在芯片光辐射分析上的可行性进行了验证. 实验结果表明, 采用时间相关单光子计数技术对密码芯片进行光辐射分析, 是一种直接有效的中低等代价光旁路分析攻击手段, 对密码芯片的安全构成了严重的现实威胁.
密码芯片运行时的光辐射可泄露其操作和数据的重要特征信息. 基于单光子探测技术, 设计并构建了针对CMOS半导体集成电路芯片光辐射信号的采集、传输、处理和分析的光电实验系统. 以AT89C52单片机作为实验对象, 采用时间相关单光子计数技术, 对不同工作电压下密码芯片的光辐射强度进行了对比, 分析了芯片指令级光辐射信息的操作依赖性和数据依赖性. 此外, 使用示波器对时间相关单光子计数技术在芯片光辐射分析上的可行性进行了验证. 实验结果表明, 采用时间相关单光子计数技术对密码芯片进行光辐射分析, 是一种直接有效的中低等代价光旁路分析攻击手段, 对密码芯片的安全构成了严重的现实威胁.
2015, 64(5): 058902.
doi: 10.7498/aps.64.058902
摘要:
复杂网络中的结构洞节点对于信息传播具有重要作用, 现有关键节点排序方法多数没有兼顾结构洞节点和其他类型的关键节点进行排序. 本文根据结构洞理论与关键节点排序相关研究选取了网络约束系数、介数中心性、等级度、效率、网络规模、PageRank值以及聚类系数7个度量指标, 将基于ListNet的排序学习方法引入到复杂网络的关键节点排序问题中, 融合7个度量指标, 构建了一个能够综合评价面向结构洞节点的关键节点排序方法. 采用模拟网络和实际复杂网络进行了大量实验, 人工标准试验结果表明本文排序方法能够综合考虑结构洞节点和核心节点, 关键节点排序与人工排序结果具有较高的一致性. SIR传播模型评估实验结果表明由本文选择TOP-K节点发起的传播能够在较短的传播时间内达到最大的传播范围.
复杂网络中的结构洞节点对于信息传播具有重要作用, 现有关键节点排序方法多数没有兼顾结构洞节点和其他类型的关键节点进行排序. 本文根据结构洞理论与关键节点排序相关研究选取了网络约束系数、介数中心性、等级度、效率、网络规模、PageRank值以及聚类系数7个度量指标, 将基于ListNet的排序学习方法引入到复杂网络的关键节点排序问题中, 融合7个度量指标, 构建了一个能够综合评价面向结构洞节点的关键节点排序方法. 采用模拟网络和实际复杂网络进行了大量实验, 人工标准试验结果表明本文排序方法能够综合考虑结构洞节点和核心节点, 关键节点排序与人工排序结果具有较高的一致性. SIR传播模型评估实验结果表明由本文选择TOP-K节点发起的传播能够在较短的传播时间内达到最大的传播范围.
2015, 64(5): 052801.
doi: 10.7498/aps.64.052801
摘要:
在反应堆pin-by-pin精细建模及蒙特卡罗模拟计算研究中, 由于不同栅元的功率密度差异较大, 导致蒙特卡罗方法临界计算的样本在不同栅元之间的分配不均衡, 由此引起栅元内的各种计数的统计误差差异较大. 为使大部分栅元内计数的统计误差降至一个合理的水平, 单纯增加总样本已不是一个高效的解决方法. 通过在特定临界计算迭代算法的基础上改进并实现均匀裂变源算法的思想, 对大亚湾压水堆pin-by-pin模型取得了具有较高效率的数值结果. 本工作为具有自主知识产权的蒙特卡罗粒子输运模拟软件JMCT最终达到反应堆pin-by-pin模型(包括一系列国际基准模型)的模拟性能要求提供了一个有效的工具.
在反应堆pin-by-pin精细建模及蒙特卡罗模拟计算研究中, 由于不同栅元的功率密度差异较大, 导致蒙特卡罗方法临界计算的样本在不同栅元之间的分配不均衡, 由此引起栅元内的各种计数的统计误差差异较大. 为使大部分栅元内计数的统计误差降至一个合理的水平, 单纯增加总样本已不是一个高效的解决方法. 通过在特定临界计算迭代算法的基础上改进并实现均匀裂变源算法的思想, 对大亚湾压水堆pin-by-pin模型取得了具有较高效率的数值结果. 本工作为具有自主知识产权的蒙特卡罗粒子输运模拟软件JMCT最终达到反应堆pin-by-pin模型(包括一系列国际基准模型)的模拟性能要求提供了一个有效的工具.
2015, 64(5): 058707.
doi: 10.7498/aps.64.058707
摘要:
肿瘤细胞和所处微环境的物理性质, 以及它们之间的相互物理作用对于肿瘤的产生、发展与转移都有极大的影响, 这使得从物理学角度探索肿瘤研究成为了必然趋势. 肿瘤转移是癌症致死的最大因素, 而肿瘤细胞迁移中的极化是肿瘤转移的重要一步. 本文总结了物理学实验和模型在揭示细胞迁移和极化机理方面的贡献. 实验上应用最新的微流控芯片技术与表面微模型化技术等手段, 研究空间维度、黏附行为、机械力等物理信号对于细胞极性的建立与保持以及细胞迁移行为的影响后, 发现物理信号与生化反应之间的相互耦合对于细胞迁移有着至关重要的作用; 理论上基于扩散反应方程, 已经建立了一系列表征细胞极化的模型. 今后的研究将结合物理实验建立肿瘤细胞迁移中的极化模型, 进而发展针对肿瘤细胞感知物理信号的新的治疗肿瘤转移方法.
肿瘤细胞和所处微环境的物理性质, 以及它们之间的相互物理作用对于肿瘤的产生、发展与转移都有极大的影响, 这使得从物理学角度探索肿瘤研究成为了必然趋势. 肿瘤转移是癌症致死的最大因素, 而肿瘤细胞迁移中的极化是肿瘤转移的重要一步. 本文总结了物理学实验和模型在揭示细胞迁移和极化机理方面的贡献. 实验上应用最新的微流控芯片技术与表面微模型化技术等手段, 研究空间维度、黏附行为、机械力等物理信号对于细胞极性的建立与保持以及细胞迁移行为的影响后, 发现物理信号与生化反应之间的相互耦合对于细胞迁移有着至关重要的作用; 理论上基于扩散反应方程, 已经建立了一系列表征细胞极化的模型. 今后的研究将结合物理实验建立肿瘤细胞迁移中的极化模型, 进而发展针对肿瘤细胞感知物理信号的新的治疗肿瘤转移方法.
2015, 64(5): 058201.
doi: 10.7498/aps.64.058201
摘要:
文章以第一类胶原纤维网络为例, 着重分析了癌细胞三维微环境的多尺度结构及力学特征. 对于细胞与细胞外介质结合的蛋白集团、单个细胞以及细胞群体, 分别由单个纤维(或亚纤维)、纤维集束以及纤维网络整体来决定相应的力学环境. 文章同时也讨论了胶原纤维(及其类似材料) 的局限性.
文章以第一类胶原纤维网络为例, 着重分析了癌细胞三维微环境的多尺度结构及力学特征. 对于细胞与细胞外介质结合的蛋白集团、单个细胞以及细胞群体, 分别由单个纤维(或亚纤维)、纤维集束以及纤维网络整体来决定相应的力学环境. 文章同时也讨论了胶原纤维(及其类似材料) 的局限性.
2015, 64(5): 058705.
doi: 10.7498/aps.64.058705
摘要:
癌症致命的主要原因是癌细胞在临床上的转移性. 癌细胞的侵袭和转移是一个非常复杂的三维过程, 但现有的癌症研究在活体上有诸多观测和操作上的困难. 而体外实验又通常在培养皿中进行, 其二维的生长环境已完全不能满足对癌细胞空间转移性的深入研究, 故在活体外构建出癌细胞侵袭和转移的三维物理模型具有十分重要的意义. 然而如何在体外尽可能真实地模拟体内癌细胞的生长微环境一直是困扰科学家的难题. 本文系统介绍了三维微纳米制造的几种主流技术, 探讨了它们在癌症生物物理研究中的应用和发展. 在此基础上为了在未来实现对体外三维模型的制造、观测和精确操作, 文章还创新性地提出了一种结合紫外线固化生物型水凝胶的三维成型技术、光片三维成像技术以及微纳米探针控制技术的一体化研究平台. 这些先进的技术和理念, 势必会逐步升级现有传统的癌症研究手段, 为未来理解和治疗癌症揭开全新的篇章.
癌症致命的主要原因是癌细胞在临床上的转移性. 癌细胞的侵袭和转移是一个非常复杂的三维过程, 但现有的癌症研究在活体上有诸多观测和操作上的困难. 而体外实验又通常在培养皿中进行, 其二维的生长环境已完全不能满足对癌细胞空间转移性的深入研究, 故在活体外构建出癌细胞侵袭和转移的三维物理模型具有十分重要的意义. 然而如何在体外尽可能真实地模拟体内癌细胞的生长微环境一直是困扰科学家的难题. 本文系统介绍了三维微纳米制造的几种主流技术, 探讨了它们在癌症生物物理研究中的应用和发展. 在此基础上为了在未来实现对体外三维模型的制造、观测和精确操作, 文章还创新性地提出了一种结合紫外线固化生物型水凝胶的三维成型技术、光片三维成像技术以及微纳米探针控制技术的一体化研究平台. 这些先进的技术和理念, 势必会逐步升级现有传统的癌症研究手段, 为未来理解和治疗癌症揭开全新的篇章.
2015, 64(5): 058706.
doi: 10.7498/aps.64.058706
摘要:
肿瘤的侵袭和转移行为, 常常是导致病人的死亡的原因. 而人们对这些由复杂的肿瘤宿主以及肿瘤细胞与细胞之间相互作用而产生的群体性行为知之甚少. 对这一过程了解的加深, 需要多学科间的合作. 在本篇文章中, 作者将简要回顾肿瘤物理领域的一种新手段, 即近年来由作者参与的通过元胞自动机(CA)模型来研究微环境促进的实体瘤侵袭性生长的研究, 该模型整合了一系列微观的肿瘤宿主相互作用, 包含了肿瘤细胞对细胞外基质的降解, 肿瘤细胞趋向养分的迁移, 肿瘤生长导致的局部组织压力累积以及该压力对局部的肿瘤宿主界面稳定性的影响, 并且, 肿瘤生长时细胞间的粘连也被明确地考虑进来. 该元胞自动机模型能成功地重现出一系列的标志性的肿瘤侵袭行为, 这有力地表明出该模型的有效性和预测能力. 这一模型, 如果能与临床数据结合, 理论上能够拓展从医学数据中得到的现有结论, 帮助设计新的实验, 检验假说, 并且在实验难以检测到的情形下, 预测肿瘤的行为, 协助癌症的早期诊断和预后, 并针对不同病人, 提出最优的个体化医疗方案.
肿瘤的侵袭和转移行为, 常常是导致病人的死亡的原因. 而人们对这些由复杂的肿瘤宿主以及肿瘤细胞与细胞之间相互作用而产生的群体性行为知之甚少. 对这一过程了解的加深, 需要多学科间的合作. 在本篇文章中, 作者将简要回顾肿瘤物理领域的一种新手段, 即近年来由作者参与的通过元胞自动机(CA)模型来研究微环境促进的实体瘤侵袭性生长的研究, 该模型整合了一系列微观的肿瘤宿主相互作用, 包含了肿瘤细胞对细胞外基质的降解, 肿瘤细胞趋向养分的迁移, 肿瘤生长导致的局部组织压力累积以及该压力对局部的肿瘤宿主界面稳定性的影响, 并且, 肿瘤生长时细胞间的粘连也被明确地考虑进来. 该元胞自动机模型能成功地重现出一系列的标志性的肿瘤侵袭行为, 这有力地表明出该模型的有效性和预测能力. 这一模型, 如果能与临床数据结合, 理论上能够拓展从医学数据中得到的现有结论, 帮助设计新的实验, 检验假说, 并且在实验难以检测到的情形下, 预测肿瘤的行为, 协助癌症的早期诊断和预后, 并针对不同病人, 提出最优的个体化医疗方案.
