Vol. 60, No. 10 (2011)
2011年05月20日
总论
2011, 60 (10): 100201.
doi: 10.7498/aps.60.100201
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研究了一类薄板弯曲问题. 对四阶奇摄动边值问题, 引入伸长变量, 构造边界附近的内层解, 然后与外部解匹配. 最后用合成展开式理论, 得到了原问题的的渐近解.
2011, 60 (10): 100202.
doi: 10.7498/aps.60.100202
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用平均模型分析了单周期控制Boost变换器的运行,分析表明在参考电压变化的情况下,单周期控制Boost变换器会出现Hopf分岔.Hopf分岔使得变换效率下降,器件应力增加.为了消除Hopf分岔,提出了采用washout滤波器的方法.建立了采用washout滤波器的单周期控制Boost变换器平均模型,对于washout滤波器中的两个新参数,可以用Routh-Hurwitz准则来确定.仿真和电路实验验证了所提方法的效果.
2011, 60 (10): 100203.
doi: 10.7498/aps.60.100203
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针对Lorenz混沌系统,研究其有限时间稳定控制问题.考虑系统存在不确定非线性,提出一种可使受控Lorenz系统实现近似有限时间稳定的控制方法.改进并设计一种扩张状态观测器,解决了受控Lorenz系统中不确定非线性未知问题.通过引入奇异扰动性理论,分析了闭环系统的近似有限时间稳定性.仿真实验结果验证了该控制方法及扩张状态观测器的有效性.
2011, 60 (10): 100204.
doi: 10.7498/aps.60.100204
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采用粒子模拟,得到了阳极杆箍缩二极管阳极钨针上电子的空间分布和入射角分布,分析二极管工作状态得到了电子的能量分布.在此基础上建立阳极杆箍缩二极管的蒙特卡罗模型,模拟得到了阳极杆箍缩二极管的辐射能谱和X射线的平均能量,并与实验结果进行了比较.结果表明:09006炮光子平均能量为0.441 MeV,计算该能谱射线经过不同厚度铅衰减片后的剂量衰减情况,与叠片法PIN探测器所测的实验数据基本一致.
2011, 60 (10): 100205.
doi: 10.7498/aps.60.100205
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桥域方法是一种典型的跨尺度仿真研究方法.基于桥域理论,本文分析了原子和连续介质耦合区域的处理问题,即在耦合区采用不同的权重计算系统的能量,通过Lagrange乘子法对原子和连续介质位移进行约束.采用桥域方法,建立了单晶Cu米纳切削的跨尺度仿真模型,获得了单晶Cu纳米切削的材料变形机理.同时,研究了不同切削速度对纳米切削过程和原子受力分布的影响,仿真结果表明:随着切削速度的提高,切削区原子所受的力值增大,切屑变形系数减小,已加工表面变质层厚度增加.本文基于桥域理论,实现了Cu单晶纳米切削跨尺度的建模和仿真,
2011, 60 (10): 100301.
doi: 10.7498/aps.60.100301
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基于改造的弱相干态光源,提出了一种非正交编码被动诱骗态量子密钥分配方案.该方案不主动制备诱骗态,而是根据发送端探测器是否响应,将接收端的探测结果分为响应集合和未响应集合,以此分别作为信号态和诱骗态,并利用这两个集合来估计参量和生成密钥.数值仿真表明,非正交编码被动诱骗态方案的密钥生成效率和安全传输距离都优于现有的被动诱骗态方案,且性能非常接近主动无穷诱骗态方案的理论极限值;未响应集合对密钥生成的参与使方案性能免受发送端探测效率的影响,弥补了实际探测器探测效率低下的缺陷;由于不需要主动制备诱骗态,该方案实现非常简单,适用于高速量子密钥分配的场合.
2011, 60 (10): 100501.
doi: 10.7498/aps.60.100501
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推广了Baek等人最近提出的一个双向行人流模型,提出了两种改进策略,并从行人平均速度-密度关系、行人空间分布密度和位置分布等方面进行了数值分析. 研究发现,引入的两个新策略不仅可以提高行人流的平均速度,而且可以提高道路系统(尤其是道路中央区域)利用率,减轻拥堵状况,有效避免严重堵塞的发生. 改进的策略对行人的心理特点和行为特性等方面考虑更加全面,而且可以较好地模拟高密度的双向行人流.
2011, 60 (10): 100502.
doi: 10.7498/aps.60.100502
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由单粒子的弱相对论能谱及泊松公式,导出强磁场中费米气体的热力学势函数.在此基础上,运用热力学关系求解低温条件下系统的统计特征量的解析式,分析相对论效应对统计性质的影响机理.研究表明,磁场愈强,相对论效应愈明显.相对论效应引发的单调项与相应的振荡项的振幅相比,对总能,单调项远大于振幅;对化学势及磁矩,单调项与振幅几乎同一量级.
2011, 60 (10): 100503.
doi: 10.7498/aps.60.100503
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提出了一种新的具有恒Lyapunov指数谱的三维混沌系统,该系统含有六个参数,其中一个方程含有一个非线性乘积项,一个方程含有平方项.通过理论推导、数值仿真、Lyapunov维数、Poincare截面图、Lyapunov指数谱和分岔图研究了系统的动力学特性,并分析了不同参数变化对系统动力学行为的影响,其中,平方项系统参数变化时,系统的Lyapunov指数谱保持恒定,输出信号中的两维信号的幅值与参数呈幂函数关系变化,其指数为－1/2,第三维信号的幅值保持在同样的数值区间.最后,设计了该混沌系统的硬件电路并运用Multisim软件对该电路进行仿真实验,证实了该混沌系统的可实现性.
2011, 60 (10): 100504.
doi: 10.7498/aps.60.100504
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利用非线性薛定谔方程对飞秒脉冲在硅波导中的传输以及超连续谱的产生进行了研究,计算和分析了色散参量及非线性损耗在超连续谱的产生过程中的影响.结果表明,孤子分裂是飞秒脉冲在硅波导中产生超连续谱的主要机理.飞秒脉冲中心波长与波导零色散点的相对位置对超连续谱的产生有极大影响.当中心波长位于近零色散点的反常色散区时,孤子分裂现象最明显,谱宽远大于在零色散波长及正常色散处入射时的情况,并且达到稳定展宽所需波导长度最短.其次,高阶色散的大小也会影响光谱展宽,三阶色散绝对值较小时,能够获得较大的展宽.另外,由于双光子吸收效应带来大量损耗,限制了谱宽,并且随着初始脉冲功率的逐渐增大,展宽出现饱和现象.
2011, 60 (10): 100505.
doi: 10.7498/aps.60.100505
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神经元电活动理论模型Hindmarsh-Rose(HR)模型提示有位于周期1和周期2放电模式之间的一类特殊的混沌放电,但长期以来对其没有获得足够认识.依据回归映射的确定性结构和非线性预报的短期可预报性,确认了在大鼠的实验性神经起步点的实验中发现的位于周期1和周期2放电模式之间的非周期放电是混沌放电模式,还将该混沌放电模式区分为3个不同表观样式.其中1个表观形式与HR模型的仿真结果相类似,验证了HR模型的理论预期;其余2个样式与仿真结果并不相似.进一步揭示了3个表观样式的动力学特征以及相互之间的区别与联系,并与位于周期2和周期3节律之间、周期3和周期4节律之间的混沌比较了异同,也区别了从周期1到混沌再到周期2放电模式的节律转迁历程与其他的从周期1到周期2节律的分岔过程的不同.研究结果确认了该类特殊混沌节律和相应分岔过程的新特征,丰富了混沌放电节律和节律分岔序列的种类.还对仿真该混沌的多样性和非光滑特性,以及揭示该类混沌的产生途径等进行了讨论.
2011, 60 (10): 100506.
doi: 10.7498/aps.60.100506
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建立了一种能够描述随机信号结构基本特征的双参数脉冲信号统计模型.基于此模型,脉冲信号群幅度计数分布q(lV),宽度计数分布p(l)及给定宽度信号子集的幅度计数分布l(lV),给定幅度信号子集的宽度计数分布lV(l)均能很稳定的服从以序列自然数为自变量的对数正态分布.且计数分布的统计特征量lnV,ln,lnV,ln与信号的特征参数lV,l之间存在内在联系,这种联系的形式即随机信号分形特性的表现,表明随机信号特征参数的统计分布之间具有非整数维分形特征.
2011, 60 (10): 100507.
doi: 10.7498/aps.60.100507
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研究了分数阶系统有限时间稳定性理论及分数阶混沌系统的同步问题.根据分数阶微分性质及分数阶系统稳定性理论,建立了分数阶系统有限时间稳定性理论并进行了证明.根据该理论设计控制器实现了分数阶超混沌Lorenz系统有限时间同步并运用数值仿真进行了验证.
2011, 60 (10): 100508.
doi: 10.7498/aps.60.100508
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为揭示供热负荷时间序列蕴含的内在动态特性,采用非线性分析方法对供热负荷时间序列混沌特性进行识别.以集中供热热源和热力站负荷时间序列为研究对象,进行相空间重构,求得了饱和关联维数和最大Lyapunov指数,验证了供热负荷时间序列的混沌特性,为供热负荷预报研究提供了混沌理论基础.针对现有供热负荷预报方法多为主观模型方法,本文提出了一种基于Volterra自适应滤波器的供热负荷预报方法,该方法不必事先建立主观模型,而直接根据负荷序列本身的特性进行预报,避免了负荷预报的人为主观性.最后,给出了供热负荷预报算例,仿真结果表明二阶Volterra自适应滤波器模型预报精度较高,可满足供热工程节能控制及热力调度的需要.
2011, 60 (10): 100509.
doi: 10.7498/aps.60.100509
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研究非周期信号激励下Duffing振子动力学行为变化特征时,发现处于倍周期分岔的环形耦合Duffing振子系统,在一定的参数条件下,脉冲信号能引起其中一个振子与其他振子运动轨迹间出现短暂失同步的现象即瞬态同步突变现象.利用这种现象可以快速检测出强噪声背景中的微弱脉冲信号,从而扩展了现有的Duffing振子对非周期信号的检测范围及应用领域.
2011, 60 (10): 100510.
doi: 10.7498/aps.60.100510
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分别用状态观测器法、主动控制法和Backstepping法研究了含有常数项的新Lü混沌系统的自同步问题.针对非严格反馈的新Lü混沌系统,分别基于以上三种方法设计了自适应控制器,依据Lyapunov稳定性原理证明了这些控制器能够较好地实现新Lü混沌系统的渐近自同步.数值仿真实验进一步验证了以上三种同步方法的有效性.经对三种同步方法比较分析,发现基于状态观测器的同步方法更加灵活高效.
2011, 60 (10): 100601.
doi: 10.7498/aps.60.100601
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实验利用商品光纤飞秒激光器,自行构建了一套完整的光学频率梳系统,并获得了约30 dB信噪比的系统频移(fceo)信号.实现了光频梳重复频率(frep)信号及系统频移(fceo)信号的高稳定度锁定,并通过实验验证了光频梳锁定的跟踪精度.基于此稳定光频梳完成了对1064 nm碘稳频Nd:YAG固体激光器的绝对频率测量.实验结果表明,frep的跟踪精度在100 s取样时间时优于3.710-14,测量得到的1064 nm激光器绝对频率为:281630111757362 Hz.这一测量结果与国际计量委员会(CIPM)给出的国际推荐值符合到不确定度之内.
2011, 60 (10): 100701.
doi: 10.7498/aps.60.100701
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利用相场法建立了一个可应用于研究温度梯度影响下的晶粒生长行为的二维模型,模拟了多晶材料退火过程中由温度梯度引起的非均匀晶粒生长和定向晶粒生长行为.结果表明:退火过程中,在静态温度梯度的影响下,体系的晶粒呈现不均匀生长,且从晶粒生长指数来看,不同程度地偏离了正常晶粒生长;在动态温度梯度的影响下,体系内部常出现柱状晶粒生长,柱状晶粒前端持续生长至温度最高位置;柱状晶粒生长与动态热源的移动速率密切相关,只有当动态热源的移动速率处于最小和最大晶粒生长速率之间时,柱状晶粒才会出现.
2011, 60 (10): 100702.
doi: 10.7498/aps.60.100702
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稀疏光学合成孔径系统成像质量的提高需要综合考虑子孔径间相位平移误差和子孔径自身像差的影响.本文基于稀疏光学合成孔径系统的光瞳结构,利用傅里叶光学基本原理对系统的斯特列尔比(Strehl Ratio,SR)进行了理论推导,得到了包含相位平移误差和子孔径自身像差分离形式的该类系统的SR指标的理论公式.以两子孔径系统为例,计算并分析了在相位平移误差校正后和未校正时,系统SR指标在不同子孔径像差下的变化规律,研究了相位平移误差与子孔径像差对系统SR指标的综合影响.结果阐明了该类系统的成像质量受相位平移误差和子孔径自身像差双重制约的物理机理,且表明只有将子孔径自身像差校正至某限度内时,相位平移误差的校正才对系统SR指标的提高有明显意义.
基本粒子物理学与场
2011, 60 (10): 101201.
doi: 10.7498/aps.60.101201
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根据质量劈裂公式计算了轴矢介子多重态(11P1)中底偶素的质量,然后利用粒子表上最新的实验数据,在雷吉唯象的框架下计算轴矢介子多重态中双重介子Bc1、奇异偶素(ss-bar和奇异介子K1B的质量. 最后在介子-介子混合的框架下,计算了K1A - K1B混合角和轴矢介子九重态中两个同位旋标量态的混合角. 我们建议实验上在1478 MeV能量附近进一步研究轴矢介子h1(1380)的性质,在6774 MeV能量附近寻找和研究轴矢介子Bc1(1P).本文的计算结果对于实验上寻找还没有观测到的双重介子态Bc1以及理解K1A - K1B混合和轴矢介子九重态的混合有一定的意义.
核物理学
2011, 60 (10): 102301.
doi: 10.7498/aps.60.102301
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最近的研究表明13N的beta衰变对于Ia型超新星爆炸前的电子丰度有着重要的影响.本文在壳模型的基础上,首先计算13N基态到基态以及基态到不同激发态的Gamow-Teller(GT)跃迁强度,并将其与实验数据进行了比较.在理论计算的GT强度基础上,对不同温度和密度天体环境下13N的电子俘获率进行了细致的计算,并重点讨论基态到激发态的GT跃迁对电子俘获率变化的影响.结果表明,考虑基态到激发态的跃迁后,超新星的电子丰度下降,中微子能量损失增大.基态到激发态跃迁对电子俘获率的影响主要由低激发能级贡献.
2011, 60 (10): 102901.
doi: 10.7498/aps.60.102901
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采用电路模拟得到的柱孔结构处向外磁绝缘传输线传输的电压反射波来等效Z箍缩装置中的柱孔结构至丝阵负载部分,实现了Z箍缩装置四层外磁绝缘传输线的全尺寸粒子模拟.为了进一步提高柱孔结构和丝阵负载等效电路模型的精度,通过粒子模拟,对电路模拟得到的电压反射波进行了修正.PBFA Z装置四层外磁绝缘传输线部分的全尺寸粒子模拟结果表明,修正电压反射波后得到的绝缘堆处电压波形和电流波形比原有电路模拟结果更接近实验结果.另外,利用粒子模拟结果分析和解释了丝阵负载内爆对外磁绝缘传输线脉冲功率传输物理过程的影响.
2011, 60 (10): 102902.
doi: 10.7498/aps.60.102902
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基于反冲质子法建立了一种测量D-T中子与平板型宏观样品作用的次级中子角度谱的实验方法.为保证探测器的能量线性并在较低的中子有效测量下阈(0.5 MeV)情况下获得好的中子-伽马射线甄别性能,采用高、低能段分别测量的方法.采用事件记录法,同时记录了次级中子和伴随伽马射线的脉冲形状甄别和脉冲幅度二维信息,利用基于ROOT数据分析平台编写的离线数据分析程序,完成了伴随伽马射线的挑选和扣除,以及高、低两能段反冲质子谱的拼接,并成功的将神经网络技术应用于中子能谱的解谱,获得了D-T中子与9和18 cm厚平板型聚乙烯材料作用的0.515 MeV的次级中子角度谱实验结果.实验模型的MC模拟由MCNP5完成,数据库采用ENDF-VI,实验结果和MC计算结果在实验不确定度范围内一致.
原子和分子物理学
2011, 60 (10): 103101.
doi: 10.7498/aps.60.103101
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采用不同方法B3P86,B3LYP,MP2和LSDA,结合Dunning的相关一致基组cc-PVTZ,对聚合型硼氢化物(BH3)n(n=13)分子的可能几何构型进行优化计算,得出最稳定构型的几何参数、电子结构、振动频率和光谱等性质参数,并给出了最稳定结构的总能量(ET),结合能(EBT),平均结合能(Eav),电离势(EIP),能隙(Eg),费米能级(EF)等.结果表明:采用密度泛函DFT中的方法B3P86计算的能量最低,结构参数更接近文献值;三种硼氢化物分子基态都为1重态,电子态分别为1A',1A和1A; BH3分子的最稳定几何构型为平面三角形结构;B2H6为对称性乙烯式D2h立体结构,HB之间生成氢桥式三中心双电子键;B3H9为C3立体结构,也生成氢桥式三中心双电子键,但三个氢桥三中心双电子键彼此隔离.最后分析了三种氢化物的红外和拉曼光谱、平均结合能、电离势、能隙和费米能级等特性,说明(BH3)n(n=13)三分子中B2H6最稳定,HB桥键键长比端键更长,最强峰红外光谱强度最大.
2011, 60 (10): 103102.
doi: 10.7498/aps.60.103102
摘要 +
采用密度泛函理论中的广义梯度近似(GGA) 对 Run Au和Run 团簇的几何构型进行优化,并对能量、频率、电子性质和磁性质进行了计算. 结果表明,Run Au团簇的最低能量结构可以通过Au原子代替Run+1团簇中的Ru原子生长而成.除了局域的结构畸变,Run Au和Run+1团簇具有相似的几何结构.二阶能量差分、电离势、亲和势和分裂能表明Ru5, Ru8, Ru5Au, Ru8Au 是稳定的团簇,Au的掺杂没有改变Run 的相对稳定性.通过电子性质的分析发现,当Au原子掺杂在Run 中,团簇的化学活性增加,且团簇的能隙主要由电子的配对效应决定;对于大多数团簇来说,Au原子掺杂提高了Run Au的磁矩.
2011, 60 (10): 103103.
doi: 10.7498/aps.60.103103
摘要 +
基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了宽度N=8的边缘氢化和非氢化条带的结构和电子性质. 研究表明,扶手形无氢化石墨纳米条带的边缘碳原子是以三重键相互结合,它在边缘的成键强度比氢化时要高,具有更强的化学活性,可作为纳米化学传感器的基础材料. 能带结构计算表明,无论是扶手形条带还是锯齿形条带,它们都是具有带隙的半导体,且无氢化条带的带隙要比氢化的条带带隙宽度大,氢化对于条带的电子性质具有显著修饰作用. 通过锯齿形石墨纳米条带顺磁性、铁磁性和反铁磁性的计算,发现反铁磁的状态最稳定,并且边缘磁性最强,这有利于条带在自旋电子器件中的应用.
2011, 60 (10): 103104.
doi: 10.7498/aps.60.103104.1
摘要 +
运用多组态Dirac-Fock(MCDF)方法,考虑不同的电子关联效应,详细地研究了类Li,类Be,类B,类Na,类Mg,类Al,类Cu,类Zn,以及类Ga金离子的特性.结果表明,考虑价电子与原子实的电子相互作用,其结果更加符合实验和其他理论结果.
2011, 60 (10): 103201.
doi: 10.7498/aps.60.103201
摘要 +
应用塞曼扫频的方法对减速前后锶原子束的速度分布进行了测量,减速前锶原子束的最可几速度为420 m/s,减速后锶原子束的最可几速度为60 m/s,速度分布线宽相应压窄.塞曼扫频法实验装置简单,操作方便,原子束的速度分布源自对原子束荧光的直接观测,测量精度较高.
2011, 60 (10): 103202.
doi: 10.7498/aps.60.103202
摘要 +
通过数值模拟三维传播方程研究了双色场产生高次谐波过程中宏观效应的影响,重点分析了阿秒脉冲的时域形状.在6 fs/800 nm和21.3 fs/400 nm组成的双色场中,通过调节双色场间的相对延时,双色场各焦点相对于气体盒子入口的间距和双色场束腰半径和气体压强等参数,可以在平台区得到超宽带连续谱.对该连续谱中420—540 eV的谐波直接进行滤波后可以得到时间同步性很好的单个阿秒脉冲.这种性质对实验上通过双色场方案产生超短的阿秒脉冲非常有利.
2011, 60 (10): 103203.
doi: 10.7498/aps.60.103203
摘要 +
分析了椭圆激光驻波场的偏斜对中性原子运动过程和沉积过程的影响,对不同偏斜角度椭圆激光驻波场作用下中性铬原子沉积纳米光栅结构的特性进行了仿真研究,由仿真结果可以看出,随着偏斜椭圆形激光束偏斜角的增加,对应于不同y平面,激光驻波场汇聚中性原子所形成纳米光栅条纹的对比度不断减小、半高宽不断增大.当椭圆长短轴之比为2:1条件下,椭圆激光驻波场的偏斜角为0时,纳米光栅的条纹半高宽为3.2 nm,条纹对比度为36:1,而当偏斜角为15时,激光驻波场中心位置处的沉积条纹的半高宽为6.5 nm,条纹对比度为24:1,而当椭圆激光驻波场偏斜角度达到30时,沉积条纹的单峰结构将会产生分裂,形成了双峰结构,且随着偏斜角的增加,沉积条纹的分裂越严重,纳米光栅的沉积质量越差.对于其他长短轴比例条件下的激光场亦可根据比例关系获得相应的纳米光栅沉积特性.
2011, 60 (10): 103401.
doi: 10.7498/aps.60.103401
摘要 +
利用波包演化和自关联函数方法对H-在金属面附近光剥离的波包动力学进行了研究.结果表明,金属面附近光剥离电子的波包演化和回归结构与H-到金属面的距离、激光脉冲的脉冲宽度和初始动量都有一定的关系.因此,可以通过改变离子表面距离和激光脉冲的参数对光剥离电子的动力学性质进行调控研究.除此之外,光剥离电子的镜像态寿命对波包的演化和自关联函数也会产生一定的影响:考虑镜像态寿命的影响时,随着时间的演化,波包概率密度的振幅逐渐减小,波包整体上有明显的衰减,寿命对波包演化过程中的干涉有削弱的作用;通过对电子波包的自关联函数研究,发现无限长寿命的电子波包有很好的量子回归现象,而当考虑寿命因素后光剥离电子波包随着时间的演化会发生周期性的坍塌和扩散,经过一段时间后,该回归现象消失.本文的理论研究可以为表面附近电子波包动力学的实验研究提供一定的参考价值.
2011, 60 (10): 103402.
doi: 10.7498/aps.60.103402
摘要 +
用BBK模型和修正后的BBK模型在电子垂直入射几何条件下对氦原子的三重微分散射截面进行了理论计算,并把计算结果与实验测量结果进行比较,对截面的结构进行了分析,并对交换效应进行了系统的研究.
2011, 60 (10): 103601.
doi: 10.7498/aps.60.103601
摘要 +
采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法,在Lanl2dz基组水平上对WnNim(n+m=8)团簇的各种可能构型进行了几何参数全优化,得到了它们的基态构型;并对基态构型的平均结合能、Wiberg键级(WBI)、磁学性质、NBO进行了分析,结果表明:团簇随着W原子数的增多,稳定性增强,n5时,结构中都含有纯钨团簇的结构基元;WW键级高于WNi键和NiNi键;W5Ni3,W6Ni2团簇发生了磁矩猝灭的现象;在W,Ni原子内部,轨道电荷发生了转移,产生了轨道杂化现象,W,Ni原子之间也发生了电荷转移形成了较强的化学键.
2011, 60 (10): 103701.
doi: 10.7498/aps.60.103701
摘要 +
高强度的亚稳态惰性原子束流在原子分子物理实验研究中具有广泛的应用.使用射频电离方法和激光横向冷却技术制备了高强度的亚稳态氪原子束流,并使用数值模拟方法对横向冷却激光场中的原子径迹进行了分析.通过激光诱导荧光光谱方法测量原子束的束流特性,结果显示,横向冷却后在束流源下游230 cm处的原子束流强度达1.6atoms/(s*sr),束流强度提高了两个量级.利用这种高强度原子束流,我们成功囚禁了1.31010个亚稳态84Kr原子,同时冷原子装载速率达到了3.01011atoms/s;并利用该装置成功地实现了高亮度的亚稳态氩原子束和原子阱.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2011, 60 (10): 104101.
doi: 10.7498/aps.60.104101
摘要 +
时间反演电磁波聚焦特性的主要影响因素来自于时间反演镜(time reversal mirror,TRM).利用电磁仿真工具,对各种影响因素进行分析,给出了改善时间反演电磁波聚焦特性的方法.最后,通过实验对改善方法的有效性进行了验证.
2011, 60 (10): 104102.
doi: 10.7498/aps.60.104102
摘要 +
提出了一种将时域积分方程(time domain integral equation, TDIE)方法和时域有限差分(finite differnce time domain, FDTD)方法相结合计算分层有耗半空间上方导线瞬态电磁响应的新方法.其中,一维FDTD方法用于计算入射电磁波经分层半空间反射的时域波形.TDIE用于求解细导线在加入两个激励源(直接入射电磁波和经分层半空间反射的电磁波)时的瞬态响应.相关计算理论和数值模拟结果说明了本文方法是一种解决了分层有耗介质上方水平放置导线瞬态响应的高效解决方案.
2011, 60 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.60.104201
摘要 +
基于几何光学理论和矢量绕射理论,研究了将回旋管及其他高功率微波器件的振荡输出模式转换成准光高斯波束的模式变换器,采用伏拉索夫(Vlasov)辐射器和三级准光反射面实现了准高斯模TEM00的横向输出.研究了Vlasov辐射器的工作机理,运用矢量绕射理论计算出波导辐射场,口面电流分布的方法计算反射面辐射场.通过编写程序设计了将94 GHz,模式为TE62的毫米波转化为准光高斯波束的内置式准光模式变换器.
2011, 60 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.60.104202
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为满足惯性约束聚变(ICF)系统中,对焦斑均匀辐照的条件,研究了连续位相板(CPP)面形特征对远场光斑质量的影响.从波动光学和几何光学两个不同的角度建立分析模型,并利用均方根梯度这一参数将其统一起来.利用所建立的分析模型,通过数值计算研究了CPP面形均方根梯度对低频畸变光束的匀滑效果.结果表明:随着CPP均方根梯度增大,匀滑后的远场焦斑半径增大;光束顶部不均匀性先很快减小,再缓慢降低,最后趋于不变,可见CPP对光束的匀滑效果明显;束匀滑过程对能量利用率的影响先几乎不变,然后逐渐减小.当CPP的相关长度不变,均方根梯度在0.20.8 wave/mm范围内时,光斑尺寸、光束顶部不均匀性及能量利用率都在较好的范围.
2011, 60 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.60.104203
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以拉盖尔-高斯(L-G)光束为例,详细研究了单色光束傍轴度的变化.结果表明,模指数、相对束腰宽度等光束参数的变化,通过近轴ABCD光学系统的传输,以及光阑衍射都会引起光束傍轴度的变化.但是,在自由空间中传输时,光束的傍轴度不变.对上述结果以数值计算例加以说明,并用光束傍轴度与远场发散角间的联系做了物理解释.
2011, 60 (10): 104204.
doi: 10.7498/aps.60.104204
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用全量子理论研究二能级原子单模腔耦合系统,通过理论推导和数值计算得出系统的自发辐射光谱和平均粒子数密度.共振时腔与原子的发射光谱在强耦合与弱耦合区域有所不同,腔发射光谱分裂只出现于强耦合区域,而原子发射光谱由于腔感应透明效应在弱耦合区域出现了缺口.本文系统地研究了原子与腔在失谐时的发射光谱,在好腔机理(腔线宽小于原子线宽g)原子与腔即使在大失谐时腔发射出腔频率的光子,这给当前实验上困惑的特性提供了一个理论依据.为了给腔感应透明效应一个新的深入了解,还研究了原子与腔平均粒子数密度随时间的演化,以及平均粒子数密度与光强度之间的关系.
2011, 60 (10): 104205.
doi: 10.7498/aps.60.104205
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提出了一种利用微波场的相对相位调控电磁诱导透明(EIT)光谱特性的方法. 在外加双微波驱动场的准Λ型四能级原子系统中,通过求解系统的密度矩阵方程得到探测场的吸收谱,分析了电磁诱导透明窗口的位置随微波驱动场相位的变化规律,并借助缀饰态理论给出了准确解释. 结果表明,对于确定的作用场强度,调节微波驱动场的相位可实现电磁诱导透明的频率位置及间隔的准确控制.
2011, 60 (10): 104206.
doi: 10.7498/aps.60.104206
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通过直接对减反膜外腔反馈半导体激光器进行电流调制的方法,得到了两束位相锁定且频率差在6.09.3GHz范围内连续可调的激光,其中6.835和9.192GHz分别对应Rb87和Cs133原子基态超精细能级之间的频率差,激光功率分别可以达到6.87mW和5.09mW. 根据减反膜外腔反馈半导体激光器的特点,通过调整外腔腔长、激光器工作温度、电流以及所加射频调制信号的功率和频率,在调制频率小于等于4.0GHz时可以将载波完全压制. 调制频率大于4.0GHz时,虽不能将载波完全压制,但由于外腔与调制频率共振时对调制的增强也得到了调制深度很高的激光,并对其中的物理机理作了分析. 通过后续滤波等方法处理以后,该拉曼光源可以广泛应用到原子的量子操控中.
2011, 60 (10): 104207.
doi: 10.7498/aps.60.104207
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纳秒量级激光驱动的类氖锗软X射线激光具有出光稳定和输出强度大等优点,在诸多领域拥有很好的应用价值. 研究了通过在光路中增加一块多层膜反射镜实现双程放大对出光特性的影响. 通过估算和实验,证实了增加反射镜双程放大确实能够提高类氖锗软X射线激光的输出强度,对于24mm的双程放大长度,总输出强度会增加约2.3倍. 但同时这种模式也带来了光束质量的下降,对应用研究并非完全有益.
2011, 60 (10): 104208.
doi: 10.7498/aps.60.104208
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应用光线光学的理论,对透镜的几何像差、热非线性等因素对光纤激光光束质量的影响进行了分析和计算,给出了激光通过多透镜光学系统后,光束质量参数M2与系统参数的一般关系. 研究了高能光纤激光通过准直系统后的光束质量. 研究结果表明,随着激光功率的增大,经准直系统后光束的光束质量存在最佳值,其对应的激光功率与准直系统参数有关,为高能光纤激光准直系统的设计提供了参考.
2011, 60 (10): 104209.
doi: 10.7498/aps.60.104209
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采用固相烧结法制备了六方晶型结构的MgTiO3粉体. 经高温原位X射线衍射分析(2931473 K)进行了表征与确认,获得了晶胞参数及其随温度的变化,测量了高温原位拉曼光谱(2731623 K),并运用第一性原理理论计算方法对应核实了拉曼谱峰的归属. 结果表明,随着温度升高,MgTiO3晶面间距和晶格常数增大,从而反映对于拉曼光谱较为敏感的键长和键角的变化;温致拉曼位移可以反映TiO,MgO等键长以及TiOTi,TiOMg与MgOMg等键角随温度的细微变化,相关关系则独立于温度,有效提升了原位拉曼光谱微探针诊断技术的分析能力;拉曼谱峰随温度升高而展宽,表明原子瞬间运动振幅加剧,弥散性增加,稳定性有所下降,但仍维持六方晶型.
2011, 60 (10): 104210.
doi: 10.7498/aps.60.104210
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基于KTP键合晶体采用Hansch-Couillaud频率锁定技术实现了双波长外腔同时共振,理论和实验上分别研究了基于键合KTP晶体的HC频率锁定方案. 研究表明,与采用单KTP晶体的结果相比,采用键合KTP晶体进行HC锁频时,能将激光频率分别锁定到e1光或e2光的共振峰值. 实验中将环形腔腔模频率锁定到938nm激光器的输出频率上,1583nm激光器的输出频率锁定到环形腔腔模频率上,从而实现了三者之间的相位关联锁定.
2011, 60 (10): 104211.
doi: 10.7498/aps.60.104211
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报道了光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA)的影响. 实验表明,光脉冲编码能够在保证较高空间分辨率的同时减小布里渊频移的不确定性. 实验实现了49.6 km传感距离, 在整段传感光纤上温度分辨率1 ℃,空间分辨率2.5 m. 本文实验测量并分析了系统的信噪比和光功率分布特性.
2011, 60 (10): 104212.
doi: 10.7498/aps.60.104212
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为了使受激布里渊散射(SBS)光限幅器的输出能量更平,提出了一种基于SBS光限幅和金属酞菁光限幅相结合的复合型光限幅器的方案,即SBS光限幅后边放置金属酞菁光限幅,在两种光限幅器的共同限幅作用下,使复合型光限幅器的输出光能量更平. 数值模拟了该复合型光限幅器的输出光能量随入射光强度的变化曲线,并在Countinuum's Nd: YAG种子注入式激光器中进行了实验验证. 理论和实验结果均表明,复合型光限幅器的输出光能量比单独SBS光限幅器更平.
2011, 60 (10): 104213.
doi: 10.7498/aps.60.104213
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以一维耦合映象格子为对象,研究了相位共轭波时空混沌系统特性. 基于Lyapunov稳定性定理,通过选取耦合参数,实现了CO2激光器对相位共轭波时空混沌系统的控制,以及驱动多个相位共轭波时空系统达到并行同步. 数值模拟结果显示,耦合参数对相位共轭波时空混沌系统的控制和同步速度有影响,即耦合参数越大同步时间越短.
2011, 60 (10): 104214.
doi: 10.7498/aps.60.104214
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采用平面波展开法对二维光子晶体分别在E和H极化下的带隙进行了计算. 考虑了填充比、晶格结构、介电常数对最大绝对帯隙的影响. 结果表明,不论是正方晶格还是三角晶格,TM模在介质柱型光子晶体中更容易形成带隙;TE模在空气孔型光子晶体中更容易形成带隙. 填充比一定,最大绝对帯隙宽度并非随着介电常数增大总是增大,而是存在一个峰值. 相对介电常数一定,最大绝对帯隙宽度随填充比的变化也存在一个峰值. 不论空气孔型还是介质柱型结构,三角晶格比正方晶格更容易形成帯隙.
2011, 60 (10): 104215.
doi: 10.7498/aps.60.104215
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研究及分析了光波在分束结构中的传播行为和特性,发现当增大波导邻近两侧空气孔半径时,能形成完全光子禁带范围内某一频率光波单一偏振态的传播,基于此原理提出了一种全新结构的偏振光分束器,计算与模拟结构表明,该结构可以实现TE模与TM模高效大角度分离. 器件尺寸不超过17.6 μm×9.8 μm,在集成光回路中无疑有着很大的应用潜力.
2011, 60 (10): 104216.
doi: 10.7498/aps.60.104216
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研究了正方晶格和三角晶格空气背景硅介质柱光子晶体线缺陷波导导模左带隙边缘处的亮孤子脉冲传播特性及其慢光延迟特性. 采用平面波展开法仿真分析了波导相邻两行介质柱大小r1和r2以及波导宽度D对孤子脉冲传输所需峰值功率P0和延迟时间Ts的影响,总结了其变化规律. 通过调整波导结构得到了正方晶格和三角晶格优化波导结构,优化后,正方晶格结构波导P0减小了81.17%,Ts增加了66.32%;三角晶格结构波导P0减小了73.7%,Ts增加了67.63%,实现了孤子传输性能的大幅度优化.
2011, 60 (10): 104217.
doi: 10.7498/aps.60.104217
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研究了光波在没有光子带隙的三角晶格型光子晶体多模波导中的传播特性. 利用等效折射率法,将该结构等效为三层平板介质波导,基于自映像原理,数值分析和模拟了其多模干涉效应. 研究结果表明,由于全内反射和分布式布拉格反射的联合效应,光场类似于传统波导模式,能高效地传输;随着填充率的增大,高透射区域将向波长减小的方向移动,带宽和透射率也随之增加, 研究结果为实际应用中选择适当的填充率提供了理论依据.
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2011, 60 (10): 104218.
doi: 10.7498/aps.60.104218
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研究了一种基于稀土掺杂材料的新型周期性微拉锥玻璃光纤及其弯曲传感应用技术. 该光纤的纤芯和包层分别由两种硅酸铅玻璃材料组成,具有可塑性好和易于形成微拉锥的特点. 该传感器的核心敏感体由聚焦的CO2激光束对稀土掺杂光纤进行周期性和等间距加热方式制备. 论文以该敏感体为核心,结合精密位置移动平台和光学测量平台,构建了基于强度调制的弯曲传感测量系统. 理论研究和实验结果表明,这种弯曲传感测量系统的传输光强灵敏度达到-28.2 μW/m,测量误差低于±1%,具备实际的工程应用价值.
2011, 60 (10): 104219.
doi: 10.7498/aps.60.104219
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提出了一种新型高双折射的混合格子太赫兹光子晶体光纤,通过对芯区亚波长尺寸的空气孔进行多种格子组合排列,增加结构的非对称性实现高的模式双折射. 全文仿真建模采用专业的有限元计算软件COMSOL Multiphysics 4.0,结果表明:混合格子太赫兹光子晶体光纤在很宽的频率范围内都具有较高的双折射(达到10-2)和低的限制损耗,且通过改变光纤的某些参数可以灵活地控制其双折射或限制损耗特性. 相比于同类光通信波段光纤,由于太赫兹波波长较大,能够降低芯区微结构加工的难度,具有可行性.
2011, 60 (10): 104220.
doi: 10.7498/aps.60.104220
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提出了一种基于光参量放大的高速实时光取样方案. 利用色散介质对光纤锁模激光器产生的窄脉冲源进行色散展宽,从而产生线性啁啾光信号. 将该信号和被取样信号同时送入高非线性光纤,利用高非线性光纤中的参量放大效应,将被取样信号的强度信息调制到线性啁啾光信号上. 在接收端利用不同中心波长的滤波器即可滤出不同时间点的取样信号,从而在光域同时完成了高速实时光取样和取样信号的串并转换. 是实现高速实时取样技术的一种极具竞争力的实现方案. 实验中,实现了对10 Gb/s非归零码OOK信号的40 GS/s的高速实时取样系统,并转换为4路10 GS/s取样信号输出. 在接收端成功根据4路取样信号恢复出被取样信号波形,验证了该实时光取样方案的可行性.
2011, 60 (10): 104221.
doi: 10.7498/aps.60.104221
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亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景.
2011, 60 (10): 104222.
doi: 10.7498/aps.60.104222
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光子晶体光纤的最内层空气孔在拉制过程中容易发生形变,从而严重影响色散. 基于多极法,模拟了当最内层空气孔为不易发生形变的较小值时,第二、三层空气孔对色散的影响,结果表明这种简单的色散控制方法也可以实现零色散点的快速平移,且保持色散平坦. 以此为基础,设计了应用于C波段具有近零平坦色散的光子晶体光纤,色散系数为-0.240.33 ps/(kmnm). 模拟表明,从第五层开始增加空气孔的层数对已设计光纤的色散影响很小,可以通过增加空气孔的层数得到理想的限制损耗. 这一方法亦适用于S,L波段具有类似性质PCF的设计.
2011, 60 (10): 104223.
doi: 10.7498/aps.60.104223
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基于Wheeler变换模型,提出了一种分析多层介质微波特征参数的方法Wheeler's Conforming Mapping扩展变换法,并利用该方法得到了微波特征参数与各层介质参数之间的表达式,在此基础上分析了微带电极的微波特性参数. 与准静态有限元法(QS-FEM)相比,Wheeler's Conforming Mapping扩展变换法不仅计算准确而且具有更高的计算效率. 将该方法应用于聚合物电光调制器的特性研究,对传统模型进行改进,通过添加补偿层来调整微波等效折射率和特征阻抗,改善微波与光波有效折射率的失配度,在理论上实现了聚合物电光调制器的速率和阻抗的同时匹配.
2011, 60 (10): 104301.
doi: 10.7498/aps.60.104301
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基于有限时域差分方法将大气中近似到二阶的非线性波动方程进行离散化,得到了数值模拟所采用的差分方程. 在此基础上,对线阵列辐射的脉冲声波在非均匀运动大气中的垂直和斜向传播进行了二维数值模拟,模拟了武汉地区(114:20E, 30:37N)在夏季和冬季UT=29000 s时开始传播的脉冲声波在不同时刻的声压分布. 模拟时通过采用Msise00和HWM93 两个大气模型,考虑了由于大气温度和密度变化以及大气风场存在所引起的大气不均匀性和运动性. 通过研究上述两季有风与无风条件下的声压差值pr,可以发现:风场对次声波在传播中声压分布的影响较大;由于不同季节和不同传播距离上有效声速的不同,导致了两季pr分布波形存在差异;风场对声波非线性传播的影响要远大于其对线性传播的影响.
2011, 60 (10): 104302.
doi: 10.7498/aps.60.104302
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以水为工作介质,考虑了液体的可压缩性,研究了声场中气泡的运动特性,模拟了声波频率、声压幅值、气泡初始半径以及液体的表面张力和黏滞系数的变化对气泡运动状态的影响. 分析了空化处理效果与气泡运动状态之间关系. 结果表明:气泡运动处于混沌状态,是提高声空化降解有机污染物能力的最重要因素.
2011, 60 (10): 104303.
doi: 10.7498/aps.60.104303
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超声技术可用于对功能梯度材料(FGMs)的性质进行评估. 由于FGMs性质的非均匀性,采用分布函数来描述FGMs弹性常数和密度沿厚度方向的变化趋势,并提出利用Taylor展开的方法来解决分布函数为任意函数时的FGMs中Lamb波的传播问题. 利用本征函数展开法得到了铁基氧化铝FGMs中Lamb波的相速度色散曲线,讨论了材料性质分布对铁基氧化铝FGMs中Lamb波传播特性的影响. 为FGMs性质(沿板厚方向变化)的反演提供了理论依据.
2011, 60 (10): 104304.
doi: 10.7498/aps.60.104304.2
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研究了采用时滞反馈来控制自参数振动系统中饱和控制的减振频带的分布问题.在原始的无时滞自参数振动系统中,饱和控制的减振频带在某些内共振解谐参数范围内出现不稳定区域,饱和控制的减振频带分布不合理.通过引进时滞反馈可以控制减振频带的分布.主要分析了反馈增益系数和时滞量两控制参数对饱和控制减振频带分布的影响.研究结果表明,通过调节反馈增益系数和时滞量两参数,可以消除饱和控制减振频带中的不稳定区域,同时能够保证减振频带的宽度不变窄,从而控制和改善了饱和控制减振频带的分布.
2011, 60 (10): 104304.
doi: 10.7498/aps.60.104304
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旋转机械产生的辐射声场具有循环平稳特性,传统的平面近场声全息技术无法准确反映其调制特性,往往在边频带上出现虚假的能量的分布. 采用循环谱密度取代功率谱密度作为重建物理量,则可准确提取循环平稳声场的调制和载波信息. 考虑到循环谱密度的计算量以及特征提取的准确性,提出了循环谱密度组合切片分析法,并分析了加性白噪声对重建的影响. 仿真分析及实验结果表明,此方法有较强的噪声抑制能力,全息重建的结果可准确反映声源的位置.
2011, 60 (10): 104701.
doi: 10.7498/aps.60.104701
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正压流体中,从有外源的准地转位涡方程出发采用摄动方法和时空伸长变换推导了具有效应、地形效应和外源的强迫Rossby孤立波包方程,得到孤立Rossby波振幅的演变满足带有地形与外源强迫的非齐次非线性Schrdinger方程的结论. 通过分析孤立Rossby波包振幅的演变,指出了效应、地形效应以及外源都是诱导Rossby孤立波产生的重要因素,说明了在地形强迫效应和非线性作用相平衡的假定下,Rossby孤立波包振幅的演变满足非齐次非线性Schrdinger
2011, 60 (10): 104702.
doi: 10.7498/aps.60.104702
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利用光学多通道分析仪(OMA)对酒精和煤油在大气中燃烧时的火焰发射光谱进行了分析.实验发现上述火焰发射光谱在275600 nm波段范围内存在多支辐射强度很大的带状分子光谱,其中以OH自由基A2+X2r(300330 nm),CH自由基A2X2(410440 nm)和C2自由基A3gX3u(500520 nm)电子带系的发射光谱最为强烈.实验中采用高分辨率光栅对OH自由基A2+X2r和CH自由基A2X2电子带系发射光谱的精细结构进行了分析.与此同时,本文基于分子光谱理论计算了不同转动温度和振动温度条件下OH自由基A2+X2r和CH自由基A2X2电子带系发射光谱的强度分布,同时通过理论计算光谱和实验光谱进行比较确定了酒精燃烧火焰的转动温度和振动温度.
气体、等离子体和放电物理
2011, 60 (10): 105201.
doi: 10.7498/aps.60.105201
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设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出.
2011, 60 (10): 105202.
doi: 10.7498/aps.60.105202
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采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导.
2011, 60 (10): 105203.
doi: 10.7498/aps.60.105203
摘要 +
对飞秒激光等离子体单丝的导电性能进行空间分辨研究. 在消除测量时引入的接触电阻的影响后,得到单丝电阻在280630 k/cm范围. 为了进一步研究单丝的导电性能,对单丝诱导放电能力进行了空间分辨测量. 结果显示,最低放电阈值降低至自发放电的~50%. 从每段细丝的电阻和诱导放电阈值的空间分布看出:在成丝阶段,二者的变化趋势基本一致,细丝的电阻值和放电阈值均在焦点附近出现迅速下降. 将每段细丝的电阻和放电阈值相对应,建立了细丝诱导放电阈值-电阻的线性拟合关系,证实了细丝电阻对放电阈值的影响.
2011, 60 (10): 105204.
doi: 10.7498/aps.60.105204
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在ECR等离子体装置上进行了磁电加热研究,利用离子灵敏探针(ISP)测量了磁电加热前后离子温度的变化,研究了电极环偏压、磁场强度、气压等参数对磁电加热过程以及加热效率的影响.结果表明:等离子体的整体加热是通过离子在电极环鞘层中的磁电加热及被加热的离子沿径向的输运来完成的.轴心处离子温度随电极环偏压的升高呈非线性增加.磁电加热效率随偏压的增大而增大,在电极环偏压为1000 V时,磁电加热效率为2%2.5%,ECR等离子体中的离子温度能够提高20 eV以上.磁场强度在磁电加热过程中对离子的限制和加热起到重要作用,当磁场强度在6.310-28.710-2T之间变化时,磁电加热的效率随磁场强度的增大而增大.气压在0.020.8 Pa范围内,磁电加热的效率随气压的减小而增大.
2011, 60 (10): 105205.
doi: 10.7498/aps.60.105205
摘要 +
利用可见光条纹相机对单排和双排平面丝阵内爆动力学过程诊断中的初步实验结果,并对其进行了分析. 实验结果表明,单排平面丝阵相邻单丝等离子体之间并不是发生完全非弹性碰撞,部分等离子体会越过丝阵平面在中心形成先驱等离子体柱;双排平面丝阵中流过外部丝的电流要比内部丝大,烧蚀过程占整个内爆时间约65%,且只有部分质量参与了内爆过程.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2011, 60 (10): 106101.
doi: 10.7498/aps.60.106101
摘要 +
本文采用多尺度准连续介质法(quasi-continuum method, QC)模拟体心立方(body-centered-cubic, bcc)金属钽(Ta)Ⅱ型裂纹尖端位错的形核与发射过程,获得位错发射位置与应力强度因子关系曲线,分析裂纹尖端缺陷萌生过程,研究全位错分解以及扩展位错形成机理. 位错活动在不同阶段表现出不一致的特征,新位错的发射对于位错运动具有促进作用. 研究表明,裂纹扩展初始阶段首先萌生点缺陷,点缺陷随着加载强度增加会萌生新的点缺陷,点缺陷最终运动到边界,导致Ⅱ型断裂破坏. 在全位错发射之前有不全位错的形核与发射表明全位错的分解分步进行,从势能曲线上来看,也就是两个极小值点的形成机理不同.
2011, 60 (10): 106102.
doi: 10.7498/aps.60.106102
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鉴于碳纳米管复合材料具有较强气敏性,该性质对于指导剧毒气体探测器的研发具有重要意义,因此,本文采用密度泛函方法对CO气体在本征、金原子掺杂(8,0)单壁碳纳米管的吸附行为进行研究. 通过对吸附体系的几何、电子结构研究表明,CO分子在金原子掺杂的碳纳米管外壁的金原子位置处的吸附能力远大于CO在本征碳纳米管处的吸附,此外,还计算了两种典型位置的电子密度、态密度,进一步支持了掺金碳纳米管对CO气体具有超强的敏感性,因此,金原子掺杂的碳纳米管有望成为探测CO气体的新一代气敏元件.
2011, 60 (10): 106103.
doi: 10.7498/aps.60.106103
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采用平面波展开法及平面波超元胞法研究缺陷态对4340钢-环氧树脂二维声子晶体带隙的影响. 以环氧树脂作为基底,把正方形结构排列的4340钢均匀的插入基底中,计算完整晶体、45线缺陷态晶体、90线缺陷态晶体、135线缺陷态晶体、180线缺陷态晶体的带隙. 结果表明,缺陷态的带隙宽度与完整晶体的带隙宽度相比最大可增大约31倍;对于不同的缺陷结构在F=0.10.9的范围内均有带隙出现且随着缺陷态角度的增大. 同时讨论带隙数目N,最低带隙相对宽度/g与填充率F之间的关系.
2011, 60 (10): 106104.
doi: 10.7498/aps.60.106104
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对SOI基片上的Si薄膜进行了一系列Si+自注入和热退火的改性实验,并利用低温光致发光(PL)光谱对这些Si薄膜样品的发光性能进行了测试. 在这些SOI样品的PL光谱中观察到了丰富的光学结构,包括D1,D2,D3,X以及异常尖锐的W线. 通过对比在同等光谱测试条件下的W线归一化强度,获得了针对SOI基片发射W线较为理想的自注入和热退火参数. 同时,还对D系列发光峰以及W线的缺陷起源和光学性质进行了很好的讨论.
2011, 60 (10): 106401.
doi: 10.7498/aps.60.106401
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在火炮和二级轻气炮上利用反向碰撞技术,通过测量飞片击靶速度以及飞片/窗口的界面粒子速度,获得了金属铋(Bi)在1045 GPa压力范围内的Hugoniot数据. 该方法克服了电探针法在测量低压Hugoniot数据时由于导通一致性差而不能准确得到冲击波速度的难题,同时又避免了精确测量样品中冲击波走时的问题. 实验获得的冲击波速度(D)-波后粒子速度(u)Hugoniot数据表明,Bi在粒子速度u=0.9 km/s附近D-u曲线发生了明显拐折,产生这一拐折的原因推测与冲击导致的Bi的固液相变有关.
2011, 60 (10): 106501.
doi: 10.7498/aps.60.106501
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采用区域熔炼法成功制备出了高质量,高纯度,大尺寸的LaB6单晶体. 系统分析了制备过程中每个参数对LaB6单晶生长的影响,确定了晶体生长最佳工艺为:样品转速为30 r/min,生长速度为810 mm/h. 分析了单晶LaB6 (100) 晶面的热电子发射性能,结果表明,当阴极温度为1873 K时,最大热发射电流密度为44.36 A/cm2;利用 Richardson 直线法求出了绝对零度逸出功和有效逸出功分别为1.99和2.59 eV. 场发射测试结果表明,单晶LaB6场发射单尖最大场发射电流密度达到4.9106 A/cm2,场发射因子为41500 cm-1,表现出良好的场发射性能. 因此单晶LaB6作为热阴极和冷阴极都具有很广阔的应用前景.
2011, 60 (10): 106601.
doi: 10.7498/aps.60.106601
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采用分子动力学方法模拟了氦在金属钨中的扩散聚集行为. 首先,建立了氦与钨原子间相互作用势,短程部分采用ZBL势形式,长程部分采用从头算法数据,实现了两者之间的平滑连接. 通过计算氦在钨中不同间隙位的形成能发现,单个氦原子更易存在于金属钨中的四面体间隙位,这与最新的研究成果是一致的. 在4001200 K的温度范围内,考察了氦原子在金属钨中的扩散行为,获得了扩散迁移能,其值介于实验值和从头算法结果之间. 最后,研究了氦的聚集行为,从能量的角度考察了氦团簇形成初期的生长机理. 研究发现,在氦团簇形成初期,氦团簇对氦的结合能随着氦团簇的生长有逐渐增大的趋势,说明氦团簇吸收氦的能力逐渐增强.
2011, 60 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.60.106801
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采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,计算了TiO2分子在GaN(0001)表面的吸附成键过程、吸附能量和吸附位置. 计算结果表明不同初始位置的TiO2分子吸附后,Ti在fcc或hcp位置,两个O原子分别与表面两个Ga原子成键,GaO化学键表现出共价键特征,化学结合能达到7.9327.943eV,OO连线与GaN[1120]方向平行,与实验观测(100)[001] TiO2//(0001)[1120]GaN一致. 通过动力学过程计算分析,TiO2分子吸附过程经历了物理吸附、化学吸附与稳定态形成的过程,稳定吸附结构和优化结果一致.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2011, 60 (10): 107101.
doi: 10.7498/aps.60.107101
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采用完全势线性缀加平面波方法(FP-LAPW)结合密度泛函+U(DFT+U)模型计算了金红石相VO2的电子结构和光学性质. 电子态密度计算结果表明所采用的方法可以较好的描述体系的导带电子结构. 计算得到体系为导体,VO键主要由O原子的2 p轨道与V原子的3 d轨道杂化形成,外加光场垂直和平行于c轴时体系的等离子振荡频率为3.44 eV和2.74 eV,光电导率在01 eV之间有一个与带内跃迁有关的德鲁德峰,而大于1 eV的光电导率主要由电子带间跃迁产生,得到并分析了带内跃迁过程和带间跃迁过程各自对反射谱和电子能量损失谱的贡献.
2011, 60 (10): 107102.
doi: 10.7498/aps.60.107102
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采用基于第一性原理的GGA+U方法研究了BaFe18O27的晶体结构和基态电子结构. 以实验数据为初始结构的离子弛豫显示,由于稳定结构中离子半径的差异和2d位Fe的存在,位于BaO层中6h位的O离子脱离了实验结构中原胞的表面位置,产生畸变. 计算得到晶体磁矩为28 B/f.u.,与实验相符. 电子态密度及能带计算表明该材料具有微弱的半金属特性,而且与c轴平行方向和垂直方向的能带色散关系有着很大不同,6g位Fe在该材料的输运特性中起着关键作用,它们形成一种导电层,导致垂直电导率和平行电导率出现非常大的差异.
2011, 60 (10): 107104.
doi: 10.7498/aps.60.107104
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利用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法,结合广义梯度近似,对full-Heusler X2YGa(X=Co,Fe,Ni;Y=V,Cr,Mn)合金的电子结构、磁性及半金属特性进行了研究,并讨论了自旋-轨道耦合作用对它们的影响.计算结果表明,自旋-轨道耦合作用对full-Heusler X2YGa(X=Co,Fe,Ni;Y=V,Cr,Mn)合金的电子结构,磁性与半金属特性的影响很小. 当未考虑自旋-轨道耦合作用时,Co2VGa,Co2CrGa,和Fe2CrGa合金为半金属或准半金属铁磁体,加入自旋-轨道耦合作用后体系的自旋极化率将降低1%左右, 它们依然保持很高的自旋极化率.Fe2MnGa,Co2MnGa,Ni2CrGa和Ni2MnGa合金为一般铁磁体,Fe2VGa和Ni2VGa合金为顺磁体.
2011, 60 (10): 107105.
doi: 10.7498/aps.60.107105
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基于密度泛函理论,从头计算了N以及N和Sb共掺BaSnO3的电子结构和光学性质.结果表明N单掺BaSnO3与N和Sb共掺BaSnO3均为p型透明导电材料,在可见光区透过率均在80%以上,且N和Sb共掺具有更高的电导率.计算结果为实验上制备p型钙钛矿结构透明导电材料提供了强有力的理论指导.
2011, 60 (10): 107201.
doi: 10.7498/aps.60.107201
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最近实验表明纳米尺度MOSFET中的过剩噪声主要为散粒噪声,而此前研究认为MOSFET中不存在散粒噪声,短沟道MOSFET中的过剩噪声为热噪声. 本文基于器件电流模型分析散粒噪声取代热噪声成为过剩噪声主要成分的转变条件,根据该条件对纳米尺度MOSFET噪声特性的预测与文献报道的实验现象、模拟结果以及介观散粒噪声相关结论相符合.
2011, 60 (10): 107202.
doi: 10.7498/aps.60.107202
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为了表征PbS薄膜光导红外探测器的材料缺陷,详细推导了1/f和产生-复合(g-r)噪声物理模型,并由实验数据验证了模型的准确性. 利用1/f噪声与表面缺陷关系,计算了不同偏压下表面陷阱密度. 得到该值随偏压升高而增加,由此得出1/f噪声与所加偏压成正比变化,与实验测试结果相一致. 在此模型基础上,研究了g-r噪声与深能级缺陷特征参量的关系,提出由低频噪声表征缺陷激活能、简并因子、俘获截面等缺陷参数的方法.
2011, 60 (10): 107203.
doi: 10.7498/aps.60.107203.2
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将DPVBi薄层插入结构为ITO/2T-NATA/NPB/DPVBi: DSA-ph/Alq3/LiF/ Al有机荧光电致发光器件的发光层中,通过控制DPVBi插层的层数和位置,制备了高效率的蓝光器件.DPVBi薄层的引入增强了器件的电子注入,平衡了载流子在发光区的分布,同时DPVBi薄层的空穴阻挡作用,增大了发光层中激子的形成区域.当发光层中插入2层DPVBi薄层时,器件性能最佳,最大亮度为22790 cd/m2,最大效率为6.77 cd/A.与不含插层的器件相比效率提高了67.6%.该器件在亮度为1000 cd/m2时效率为6.49 cd/A,对应色坐标为(0.179, 0.317).
2011, 60 (10): 107203.
doi: 10.7498/aps.60.107203.1
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利用实验测量和理论计算相结合的方法,研究了介于B2结构CoFe低有序合金和L21结构Co2FeSi高有序合金之间的Co50Fe50-xSix合金的结构相变、磁相变、分子磁矩和居里温度.采用考虑Coulomb相互作用的广义梯度近似(GGA+U)方法计算了合金的能带结构.研究发现,合金出现较强的原子有序倾向,表现出较强的共价成相作用.合金的晶格常数、磁矩、居里温度随Si含量的增加而线性地降低,极限成分Co2FeSi合金的分子磁矩和居里温度分别达到5.92B和777 ℃.原子尺寸效应导致合金晶格发生变化,但并未成为居里温度和分子磁矩变化的主导因素.分子磁矩的变化符合Slater-Pauling原理,但发现原子磁矩的变化并非线性,据此提出了共价成相对磁性影响的观点.采用Stearns理论解释了居里温度的变化趋势,排除了原子间距对居里温度的主导影响作用.能带计算的结果还表明,Co2FeSi作为半金属材料并非十分完美,可能在实际应用中会出现自旋极化率降低的问题.发现该系列合金的结构相变和磁相变随着成分的变化聚集在窄小的成分和温度范围内.
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2011, 60 (10): 107204.
doi: 10.7498/aps.60.107204
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在2到50 K温度范围内测量了单层石墨烯量子霍尔平台与平台之间转变的标度律关系. 发现石墨烯的标度律指数不是普适的,在低温段的大约是0.13,在高温段的大约是0.33. 这一结果进一步验证了石墨烯中长程散射的主导地位.
2011, 60 (10): 107301.
doi: 10.7498/aps.60.107301
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在获得太赫兹波段碳纳米管薄膜的介电特性基础上,利用数值THz时域光谱技术研究了碳纳米管薄膜栅周期结构的表面等离子激元的传播特性和局域化现象. 研究结果表明,在栅周期为168 m时,频率在0.52.5 THz之间出现两个等离子模式的共振峰值,分别位于0.99 THz和1.95 THz,这与理论计算结果相符合. 数值计算的表面等离子激元传播距离与理论预测值相一致,达到了146 m. 此外,分析了栅厚度与栅宽度变化对表面等离子波特性的影响.
2011, 60 (10): 107302.
doi: 10.7498/aps.60.107302
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用机械剥离法制备了数10 m长的石墨烯纳米带,并在0.3 K的低温下对其电输运性质进行了测量研究,看到了法布里-珀罗干涉现象. 实验结果表明,机械剥离法得到的石墨烯纳米带具有很高的质量,使得其中的电子在低温下能够形成一个很好的一维体系.
2011, 60 (10): 107303.
doi: 10.7498/aps.60.107303
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采用Anderson模型哈密顿量和非平衡态格林函数方法对量子点环以不同构型嵌入A-B干涉器中电子输运的退耦合态及反共振现象进行了理论研究. 结果表明,量子点环A-B干涉器的结构对称性以及穿过A-B干涉器的磁通量是诱发退耦合现象的两种物理机理. 耦合量子点结构的对称性越高,体系在相干电子输运过程中表现出来的退耦合及反共振现象越明显. 而且在具有高度对称性的耦合量子点结构中,通过磁场调节体系的结构参数可以分别使第奇数或第偶数分子本征态从电极上退耦合,从而使电子输运电导表现出奇偶对等振荡现象. 这为设计纳米电子开关器件提供了一个新的物理模型.
2011, 60 (10): 107304.
doi: 10.7498/aps.60.107304
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研究了常关型SiC 双极模式结型场效应晶体管(BJFET)的工作机理并建立了数值模型. 仿真结果表明SiC BJFET的双极工作模式可以有效的降低器件的开态电阻,折中器件的正反向特性而不增加工艺难度. 仿真结果还表明SiC BJFET的双极工作模式会延长器件的开关时间.
2011, 60 (10): 107305.
doi: 10.7498/aps.60.107305
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利用光子能量为0.12 eV的10.6 m连续激光分别辐照了禁带宽度为0.91和0.33 eV的光伏碲镉汞探测器. 实验表明,激光辐照下禁带宽度为0.91 eV的探测器输出正电压,而禁带宽度为0.33 eV的探测器对激光的响应方向却与之相反. 为了研究此现象,利用功率密度一定的10.6 m激光辐照不同开路电压状态下禁带宽度为0.91 eV的探测器,实验结果证实初始开路电压是产生输出电压反向现象的原因. 对这一机理进一步分析发现,光伏探测器在光子能量小于禁带宽度的激光辐照下,其开路电压是热激发载流子导致的热生电动势和自由载流子吸收导致的晶格热效应共同决定的.
2011, 60 (10): 107306.
doi: 10.7498/aps.60.107306
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利用非自耗真空电弧熔炼法制备了NdNi2Ge2化合物样品,采用X射线粉末衍射技术和Rietveld全谱拟合分析方法测定了其晶体结构. 结果显示该化合物的空间群为I4/mmm,点阵参数为:a=4.120(1),c=9.835(0),Z=2,Nd原子占据2a晶位,Ni原子占据4d晶位,Ge原子占据4e晶位. NdNi2Ge2化合物呈现顺磁性,应用居里-外斯定律拟合计算得到居里-外斯常数为25.8,居里-外斯温度为6.24 K. 有效势磁矩为3.69B,这与理论计算Nd3+的磁矩相符,表明磁矩主要源于Nd3+. 电阻率变化范围为0.3 m-11 m,电阻曲线拟合显示NdNi2Ge2呈半金属性.
2011, 60 (10): 107501.
doi: 10.7498/aps.60.107501
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对定向凝固方法制备的Ni47Mn32Ga21多晶合金,通过扫描电镜、金相、电子能谱等手段研究其组份和组织形貌,通过对合金磁化强度与温度关系、等温磁化曲线及磁感生应变曲线等的测量分析,研究了合金结构相变和磁相变过程中的磁熵变及不同压力下的磁感生应变. 研究结果表明:合金组份与设计组份基本一致,室温下合金大部分为马氏体相. 升温过程中合金的磁熵变在居里温度(365 K)附近有最大值,并有较大的磁熵变峰值半高宽,747 kA/m的磁场下该磁熵变最大值为-1.45 J/kg K,磁熵变峰值的半高宽为21 K. 合金在室温(298 K)下有较好的双向可恢复磁感生应变,480 kA/m磁场下,无压力时合金的磁感生应变值达到-67010-6,并趋饱和;而在与磁场方向平行的27.3 MPa外压力作用下合金的磁感生应变值增大到-130010-6,且未饱和.
2011, 60 (10): 107502.
doi: 10.7498/aps.60.107502
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考虑Pr-4f及Ni-3d电子间的库仑作用U和交换作用J,采用局域自旋密度近似LSDA(Local spin-density approximation)及LSDA+U(在位库仑势)近似,对Ni4PrB化合物进行结构优化,并计算体系电子结构,能带结构和磁性能. 结果显示,Ni4PrB具备金属半导体性质,存在Pr-Ni铁磁耦合. U的引入对体系磁特性和结构稳定性有关键作用,加U前体系磁性来源为Ni原子磁矩,加U后体系磁性来源为Pr原子,且体系稳定性提高,U值的作用对于修正体系强关联有重要影响,可以合理描述由强关联和自旋排斥引发的排斥效应.
2011, 60 (10): 107503.
doi: 10.7498/aps.60.107503
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采用一维原子链模型研究了反铁磁耦合的硬磁/软磁/硬磁三层膜体系的反磁化过程. 研究结果表明,当考虑了软磁层的磁晶各向异性能后,软磁层厚度和界面交换耦合强度的改变都有可能导致软磁层的交换弹性反磁化过程由可逆过程转变为不可逆过程. 对软磁层很薄的体系,其反磁化过程是典型的可逆交换弹性反磁化过程. 然而,当软磁层厚度超过某一临界厚度tc时,反磁化过程转变为不可逆的交换弹性反磁化过程. 软磁-硬磁界面交换耦合强度Ash对反磁化行为也有很大的影响. 对于软磁层厚度小于临界厚度tc的体系,也存在一个临界界面交换耦合强度Ashc. 当Ash大于Ashc时,软磁层的反磁化过程是可逆的交换弹性反磁化过程;而当Ash小于Ashc时,这一过程变为不可逆. 给出了体系的可逆与不可逆交换弹性反磁化过程随软磁层厚度和界面交换耦合强度变化的磁相图. 同时还研究了偏转场随软磁层厚度的变化关系.
2011, 60 (10): 107504.
doi: 10.7498/aps.60.107504
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采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究Finemet合金中析出相-Fe(Si)的晶体结构与磁性,探讨影响立方结构-Fe(Si)相磁性能的各个因素. 从电子自旋角度出发,分别计算分析了不同比例的Si置换-Fe超晶格中不同位置的Fe原子后-Fe(Si)体系的磁性能. 计算结果表明,自旋态密度是影响磁性能的关键因素. 发现Si置换-Fe超晶格顶角处Fe原子得到的体系比取代体心位置Fe原子的体系磁性要好. 由此可以得出结论,在一定的含量范围内,随着Si含量的增加,Si出现在-Fe超晶格中顶角位置的概率增大,-Fe(Si)相的软磁性能提高,与实验结果相符. 本文的研究工作有助于理解Finemet合金的磁性机理.
2011, 60 (10): 107701.
doi: 10.7498/aps.60.107701
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研究了在铌酸钾钠基陶瓷中,A位等价与非等价取代对陶瓷极化温度和极化电场的影响,结果表明:A位等价取代的陶瓷对极化温度和极化电场没有强烈依赖性,可以使极化足够充分,能有效提高铌酸钾钠基陶瓷的压电性能;相反,A位非等价取代的陶瓷对极化温度和极化电场敏感,容易击穿,极化不充分,限制了铌酸钾钠基陶瓷的压电性能.
2011, 60 (10): 107702.
doi: 10.7498/aps.60.107702
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对三明治复合结构TbxDy1-xFe2-y/Pb(Zr, Ti)O3/TbxDy1-xFe2-y的电容与频率及磁场的函数关系进行了实验和理论研究. 实验发现,该复合材料样品的电容随频率的增加而出现多个谐振峰,并且其谐振点随磁场的增加而发生频移. 在谐振点附近,观察到样品的阻抗随磁场的增加由容抗性转变为感抗性,从而同时观察到巨大的正磁电容效应和负磁电容效应. 由复合材料的弹性力学本构方程出发,对该类样品的电容随频率及磁场的变化进行了理论模拟. 结果显示,模拟曲线与实验结果符合得很好. 理论表明该磁致伸缩/压电复合材料的磁电容效应源于磁场诱变的铁磁相柔顺系数.
2011, 60 (10): 107703.
doi: 10.7498/aps.60.107703
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研究了铌掺杂锆锡钛酸铅铁电陶瓷Pb0.99Nb0.02[(Zr0.90Sn0.10)0.96Ti0.04]0.98O3(PZST 90/10-4-2Nb)在静水压(0300 MPa)下的电荷释放量和介电性能. 对压力诱导的低温铁电三方(FR(LT))反铁电正交(AO)相变进行了研究. PZST 90/10-4-2Nb铁电陶瓷分为未极化、极化和压力去极化三种. 极化PZST 90/10-4-2Nb陶瓷FR(LT)AO相变过程中,电荷释放量为29.3 C/cm2,相变压力为140 MPa. 介电性能表明:极化PZST 90/10-4-2Nb陶瓷相变压力为136 MPa,而未极化陶瓷相变压力为104 MPa,压力去极化陶瓷未表现出明显的相变特征.
2011, 60 (10): 107704.
doi: 10.7498/aps.60.107704
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采用高温熔融法制备出了尺寸达5 mm3 mm1 mm的(K0.45Na0.55)NbO3(KNN)无铅铁电晶体. XRD测试结果表明KNN晶体结构为纯的钙钛矿正交相结构,晶体的显露面为〈001〉结晶面. SEM显微结构分析表明晶体沿[001]方向呈现层状生长台阶,采用负离子配位多面体生长基元模型解释了晶体层状台阶的生长机理. 研究了晶体样品在室温至500 ℃温度范围内的介电性能,两个介电异常峰出现在240和405 ℃,分别对应正交铁电-四方铁电以及四方铁电-立方顺电相相变温度. 采用修正后的居里外斯定律研究了KNN晶体的介电弛豫特性,结果表明KNN晶体的介电弛豫特性接近于普通铁电体特征.
2011, 60 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.60.107801
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基于手性结构设计了一种极化不敏感和双面吸波的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由手性结构和介质基板组成.仿真的电磁波正、反向入射时超材料吸波体的吸收率表明:该吸波结构的正、反面是互易的,具有双面吸波特性.仿真的不同极化角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体具有极化不敏感特性.仿真的不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明:该超材料吸波体的入射角较窄.仿真的吸波体单元的表面电流和磁能密度分布表明:电、磁场之间存在交叉耦合,吸波与手性有关.仿真的不同损耗情况下超材料吸波体的吸收率表明:基板的介质损耗在吸波过程中起主导作用,金属的电阻热可以忽略不计.该超材料吸波体可能在要求双面吸波的领域中具有潜在的应用.
2011, 60 (10): 107802.
doi: 10.7498/aps.60.107802
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为了探索高性能透射式GaAs光电阴极的特征结构,对光电阴极量子效率公式进行了光谱反射率与短波截止限的修正,并利用修正后的公式对ITT透射式GaAs光电阴极量子效率(43%)曲线进行了拟合,得到拟合相对误差小于5%时的结构参数为:窗口层Ga1-xAlxAs的厚度介于0.30.5 m,Al组分x值为0.7,发射层GaAs的厚度介于1.11.4 m.另外,根据拟合结果讨论了均匀掺杂透射式GaAs光电阴极的优化结构参数,如果光电阴极具有0.4 m厚的Ga1-xAlxAs(x=0.7)窗口层和1.11.5 m厚的GaAs发射层,则积分灵敏度可以达到2350 A/lm以上.
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2011, 60 (10): 107803.
doi: 10.7498/aps.60.107803
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研究了Er0.1Gd0.9VO4晶体材料的红外量子剪裁现象, 发现了较为有趣的基质敏化的红外量子剪裁现象. 即对于1537.5 nm的4I13/24I15/2红外荧光的激发谱存在一个宽而强的337.0 nm波长的激发谱峰,仔细分析可以认定337.0 nm的激发峰对应着基质GdVO4材料的吸收. 同时,发光谱的测量显示337.0 nm光激发Er0.1Gd0.9VO4材料的基质吸收带时导致的1537.5 nm4I13/24I15/2红外荧光的积分强度比其他所有荧光的积分强度的总和大了接近10倍, 它的红外量子剪裁效率仅次于最强的2H11/2能级受激的红外量子剪裁效率且比其他能级都强.
2011, 60 (10): 107804.
doi: 10.7498/aps.60.107804
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基于金属短板对和连续金属线(short-slab pair and continuous wires)复合结构,从理论上系统地研究了在THz波段结构参量对左手材料通带位置的影响.数值模拟结果表明,改变金属板宽度或厚度、连续金属线的长度或厚度都会引起左手材料通带位置向较高频段偏移.
2011, 60 (10): 107805.
doi: 10.7498/aps.60.107805
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利用正电子湮没技术研究了10 at.% Co掺杂的Co3O4/ZnO纳米复合物中退火对缺陷的影响. 利用X射线衍射(XRD)测量了Co3O4/ZnO纳米复合物的结构和晶粒尺寸. 随着退火温度升高,Co3O4相逐步消失,ZnO晶粒尺寸也有显著增加. 经过1000 ℃以上退火后,Co3O4相完全消失,并出现了CoO的岩盐结构. 正电子湮没寿命测量显示出Co3O4 /ZnO纳米复合物中存在大量的Zn空位和空位团. 这些空位缺陷可能存在于纳米复合物的界面区域. 当退火温度达到700 ℃后Zn空位开始恢复,空位团也开始收缩. 900 ℃以上退火后,所有空位缺陷基本消失,正电子寿命接近ZnO完整晶格中的体态寿命值. 符合多普勒展宽谱测量也显示Co3O4 /ZnO纳米复合物经过900 ℃以上退火后电子动量分布与单晶ZnO基本一致,表明界面缺陷经过退火后得到消除.
前沿领域综述
2011, 60 (10): 107307.
doi: 10.7498/aps.60.107307
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介绍了一维氧化锌(ZnO)纳米结构的形态(纳米线和纳米带等)及其特点,阐述了该结构生长及器件制备的方法,例如水热法和化学气相沉积法等. 概述了该结构在发光二极管和纳米发电机等方面的应用进展. 最后,对一维ZnO纳米结构的未来发展趋势进行了展望,并在新方法和新工艺等方面提出了一些建议.
2011, 60 (10): 107901.
doi: 10.7498/aps.60.107901
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结合国内和国外的最新研究成果,论述了目前在NEA GaN真空面电子源研究方面的现状. 从光电发射理论、表面净化方法、阴极激活工艺、光谱响应测试以及材料本身特性等方面针对GaN真空电子源的研究取得了一定成绩:初步研究了NEA GaN电子源的光电发射机理;给出了可获得原子级清洁表面的净化方法;采用Cs或Cs/O对GaN材料进行了有效激活;测试了GaN真空电子源材料的光谱响应;探讨了影响电子源量子效率的材料特性. 指出了下一步研究需要关注的内容.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2011, 60 (10): 108101.
doi: 10.7498/aps.60.108101
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采用自由落体和单辊急冷技术研究了三元Fe62.1Sn27.9Si10偏晶合金的相分离和组织形成规律,理论分析了两种快速凝固条件下合金的传热特性.自由落体条件下,由于Marangoni迁移和表面偏析势的作用,液滴凝固组织主要形成富Sn相包裹富Fe相的两层壳核结构.随着液滴直径减小,冷却速率和温度梯度增大,促进偏晶胞快速生长.在单辊急冷条件下,随着辊速的增大,冷却速率从1.1107增大至6.5107 K/s,合金熔体内部的液相流动和相分离受到抑制,凝固组织发生九层结构两层结构无分层结构的转变.同时,凝固过程中FeSn+L2FeSn2包晶反应受到抑制,形成与自由落体条件下不同的相组成.EDS分析显示,Fe相在快速凝固过程中发生显著溶质截留效应.
2011, 60 (10): 108102.
doi: 10.7498/aps.60.108102
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通过制备栅内不同掺杂条件的Ni全硅化金属栅电容并分析其C-V和Vfb-EOT特性发现,Ga和Yb较常规的杂质而言具有更好的栅功函数调节能力,能够分别将Ni全硅化金属栅电极功函数调节到价带顶和导带底附近,满足高性能体硅平面互补金属氧化物半导体(CMOS)器件对栅电极功函数的要求. 同时根据电偶极子(Dipole)理论分析了Ga和Yb具有较强栅功函数调节能力的原因. 另外,研究发现栅内掺入Ga或Yb杂质后的Ni全硅化金属栅电容的电容值变大、栅极泄漏电流反而变小,通过对C-V和栅极泄漏电流特性进行分析,对这一现象进行了解释.
2011, 60 (10): 108401.
doi: 10.7498/aps.60.108401
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提出了一种考虑绝缘栅极双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT) 基区载流子不同注入条件的物理模型. 在小注入和大注入情况下,分别建立描述IGBT基区载流子运动的输运方程(ambipolar transport equation,ATE),并确定边界条件. 采用傅里叶级数法求解载流子输运方程,并将计算结果分别与IGBT手册提供的实验数据和Hefner模型计算结果相比较,验证了本文提出物理模型的正确性.
2011, 60 (10): 108402.
doi: 10.7498/aps.60.108402
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提出了利用基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法来反演合成孔径雷达图像海面风向的新方法. 首先将高分辨率合成孔径雷达图像去噪、降采样并分割成数个子图像,利用基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法求解所关注子图像每一个点的梯度方向,在此基础上通过带有距离权重的目标函数确定子图像整体强度的梯度方向,该梯度的垂线方向就是所要求解的风向,然后进行模拟试验,在添加误差为10%的随机扰动情况下,分别基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法与基于有限差分的Sobel算子方法来反演风向,结果表明,前者误差为0.7293,后者误差为13.5069,最后进行了实例试验,结果显示,Sobel算子方法的部分风向反演结果偏离整体风向明显,而基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法的风向反演结果一致性较好. 将三个船舶报风向与相应位置合成孔径雷达图像的海面风向反演结果进行对比,Sobel算子方法的风向反演结果平均误差在9.0331,而基于Tikhonov正则化的二维数值微分方法的风向反演结果平均误差仅为1.1148.
2011, 60 (10): 108501.
doi: 10.7498/aps.60.108501
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过渡族元素掺杂ZnO生成稀磁半导体, 成为近期国际材料科学研究的热点. 在本文中, 研究Fe离子注入ZnO单晶的结构和磁性变化, 目标是建立磁性和结构的对应关系, 澄清铁磁性的来源. 采用卢瑟福背散射/沟道技术 (RBS/Channelling)、同步辐射X射线衍射 (SR-XRD)和超导量子干涉仪 (SQUID), 研究注入温度和退火对样品的晶格损伤、结构及磁性的影响. 研究表明: 样品注入区损伤随注入温度升高而降低; 低温253 K注入样品中, SR-XRD未检测到新相, Fe离子分布于Zn位, ZnO (0002) 峰右侧肩峰可能属于Zn1-xFexO, 5 K下测试样品不具有铁磁性; 623 K注入和823 K真空退火 (253 K注入) 样品中形成和相金属Fe, 5 K下样品具有明显的剩磁和矫顽力, 零场冷却和场冷却 (ZFC/FC) 曲线和300 K下的磁滞回线显示纳米Fe颗粒具有超顺磁性. Fe离子注入ZnO的磁性源于第二相-Fe和-Fe.
2011, 60 (10): 108701.
doi: 10.7498/aps.60.108701
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研究了非高斯噪声激励下含周期信号的FHN模型的动力学行为. 通过计算神经元的平均响应时间、观察神经元的共振活化和噪声增强稳定现象,分析了非高斯噪声对神经元动力学行为的影响. 发现通过改变非高斯噪声的相关时间可以有效地改变共振活化和噪声增强稳定现象. 观察到在强相关噪声下不同强度的非高斯噪声抑制了神经元的噪声增强稳定现象而共振活化现象几乎不变,也就是非高斯噪声有效地增强了神经响应的效率. 观察了平均响应时间与非高斯噪声参数q之间的关系,当q为一个有限的小于1的值时,平均响应时间取得最小值. 最后表明在一定条件下,非高斯噪声出现重尺度现象,即非高斯噪声产生的效果可以由高斯白噪声来估计.
2011, 60 (10): 108901.
doi: 10.7498/aps.60.108901
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设计了一种基于超材料的吸波材料,吸波材料由周期性排列的电阻片,基体以及金属背底构成. 采用时域有限差分法(FDTD)计算了吸波材料的反射率,并用遗传算法优化了吸波材料的吸波带宽,得到一种反射率在818 GHz小于-10 dB的吸波材料,材料厚度仅为3 mm. 采用手糊工艺制备了空心石英纤维增强环氧树脂基体,丝网印刷制备了电阻片,实现了所设计的吸波材料,测试表明,实验结果和设计结果一致.
2011, 60 (10): 108902.
doi: 10.7498/aps.60.108902
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突现是复杂系统的重要特性之一,但目前在突现行为的起因方面缺乏明确的理论依据. 以Swarm模型为研究对象,为便于理论分析,首先给出了该模型的具体定义. 选取了适当的动力学特征,引入Swarm能量属性,发现在特定条件下发生突现行为后,各动力学参量均方差具有一定的取值范围. 随后通过仿真实验验证了这一结论的合理性. 结果表明,在特定条件下,通过设定初始状态及模型参数,可以有效约束Swarm模型的整体行为.
2011, 60 (10): 108903.
doi: 10.7498/aps.60.108903
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针对回声状态网络模型易受异常点影响的问题, 提出一种基于拉普拉斯先验分布的鲁棒回声状态网络模型. 通过采用对异常点不敏感的拉普拉斯分布代替高斯分布作为模型输出的先验, 以增强网络对于异常点的抑制能力. 此外, 为解决由引入拉普拉斯分布所造成的求解困难的问题, 根据边际优化方法, 构建适当的替代函数, 使拉普拉斯先验等价转化为易于计算的高斯形式, 并通过贝叶斯方法实现模型参数的自适应估计. 仿真结果表明, 在异常点存在的情况下, 本文所提出的模型具有较好的鲁棒性, 并仍能保持较高的预测精度.
地球物理学、天文学和天体物理学
2011, 60 (10): 109101.
doi: 10.7498/aps.60.109101
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研究大介电常数对多分量感应测井的影响,并通过不同磁场分量的组合量来同时提取地层电阻率和介电常数以及地层纵向边界信息,实现地层参数的重构,直观识别烃源岩地层.
2011, 60 (10): 109201.
doi: 10.7498/aps.60.109201
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利用NCEP-DOE Reanalysis 2 19792009年位势高度场、温度场、湿度场和风场逐日再分析资料,采用考虑面积权重的区域多要素最优分割法,对东亚地区大气环流的季节进行划分,并分析了四季起始时间的时空变化特征.研究结果表明:1)东亚地区春季最早始于中高纬地区的平流层和副热带的对流层中下层;夏季最早始于中高纬的平流层和副热带、中纬度地区的对流层中上层;秋、冬季开始最早的地区集中在东亚地区东部和东北部的对流层中低层,以及中高纬的平流层. 2)季节变化与环流形势密切相关,且对流层各个层次的夏季和冬季起始时间的分布均有较好的垂直一致性,平流层与对流层各季节起始时间分布有较大的差异性,平流层中层和下层也并不一致. 3)华北地区四季平均起始时间距平序列的逐年演变特征表明近30年该地区出现了6个四季起始时间异常偏早的年份,与El Nio活跃年份相一致,反映了海温等外强迫对大气环流季节变化的影响.
2011, 60 (10): 109202.
doi: 10.7498/aps.60.109202
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将去趋势波动分析法(detrended fluctuation analysis,DFA)和替代数据法相结合,同时引入启发式分割算法和卡方检验,提出了一种确定极端气候事件阈值的新方法,称为随机重排去趋势波动分析(stochastic re-sort detrended fluctuation analysis, S-DFA)方法. 同百分位阈值方法相比,S-DFA方法明确指出了极端事件和非极端事件之间的临界值. 基于中国气象局公布的中国165个国际交换站19612006年无缺测的逐日日平均气温资料,利用随机重排去趋势波动分析(S-DFA)方法计算并分析了中国极端低温事件阈值的空间分布特征,并对S-DFA方法在实际资料中的应用进行了检验. 从可预报性的角度给出了极端低温事件综合指标的定义. 这一综合指标将极端低温事件的发生频次和强度综合起来,且兼顾了不同地区各自特有的区域气候背景,进一步说明了综合指标定义的合理性. 基于极端低温事件综合指标的空间分布规律,将中国19612006年间极端低温事件分为四个不同等级的地区. 极端低温综合指标整体表现出下降趋势,在20世纪80年代初期之前综合指标的变化具有两个明显的准10年周期,而在这之后则一直处于下降趋势且大大低于平均值,直到90年代中期以后才再次上升至平均值附近.
2011, 60 (10): 109203.
doi: 10.7498/aps.60.109203
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将去趋势波动分析法(detrended fluctuation analysis,DFA)和替代数据法相结合,同时引入启发式分割算法和卡方检验,提出了一种确定极端气候事件阈值的新方法,称为随机重排去趋势波动分析(stochastic re-sort detrended fluctuation analysis, S-DFA)方法. 同百分位阈值方法相比,S-DFA方法明确指出了极端事件和非极端事件之间的临界值. 基于中国气象局公布的中国165个国际交换站19612006年无缺测的逐日日平均气温资料,利用随机重排去趋势波动分析(S-DFA)方法计算并分析了中国极端低温事件阈值的空间分布特征,并对S-DFA方法在实际资料中的应用进行了检验. 从可预报性的角度给出了极端低温事件综合指标的定义. 这一综合指标将极端低温事件的发生频次和强度综合起来,且兼顾了不同地区各自特有的区域气候背景,进一步说明了综合指标定义的合理性. 基于极端低温事件综合指标的空间分布规律,将中国19612006年间极端低温事件分为四个不同等级的地区. 极端低温综合指标整体表现出下降趋势,在20世纪80年代初期之前综合指标的变化具有两个明显的准10年周期,而在这之后则一直处于下降趋势且大大低于平均值,直到90年代中期以后才再次上升至平均值附近.
2011, 60 (10): 109204.
doi: 10.7498/aps.60.109204
摘要 +
利用19612009年中国逐日最高温度资料,分成19611990年、19712000年和19812009年三个气候态(分别称为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ态),基于偏态概率密度函数定义极端温度事件,从频次、强度两个角度研究了不同气候态下中国夏季和冬季极端温度事件的时空变化特征. 空间分布上,夏季极端高温的频次、强度在Ⅰ态黄淮、江淮流域显著减小,在Ⅲ态,干旱半干旱以及经济发达的长江沿岸、长江三角洲以及东南沿海地区显著增加;冬季极端低温频次在Ⅱ态中的北方、长江三角洲以及Ⅲ态中的高原、东北东南部、长江三角洲显著降低. 冬季极端低温强度整体呈降低趋势,但区域特征不明显. 极端温度频次和强度在空间上一致性较好;时间演化上,夏季极端高温频次、强度均在Ⅱ,Ⅲ态显著增加,冬季极端低温频次、强度降低的趋势有所减缓. 在当前气候态(Ⅲ态)夏季极端高温在经济发达地区发生比较频繁且极端性在增强;冬季极端低温的发生维持在一个稳定状态且极端性也相对比较稳定. 极端温度事件的频次与强度在时间变化趋势上存在较好的一致性. 在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ态共同时段内,后一气候态检测出的极端高温频次均比前一气候态少,极端低温频次均比前一气候态多,这与背景温度随气候态逐渐升高是相一致的;后一气候态检测出的极端高温强度均比前一气候态小,极端低温强度均比前一气候态大. 在20世纪70年代末80年代初全球气候系统突变前,极端高温频次具有明显的下降趋势,突变后显著上升;极端低温频次在突变前后变化不明显. 极端高温强度突变前表现出轻微的下降趋势,在突变后上升趋势明显;极端低温强度在突变前后大致相当,突变后的整体强度稍低于突变前.
2011, 60 (10): 109701.
doi: 10.7498/aps.60.109701
摘要 +
采用两种新的乌龟坐标变换,用改进的Damour-Ruffini方法研究了动态Kinnersley黑洞的Hawking辐射.在新乌龟坐标变换下,将Klein-Gordon方程在视界附近变换成平直时空的标准波动方程形式,得到了黑洞的表面引力及Hawking温度,该温度在黑洞表面不同点有不同的值.值得注意的是,旧的乌龟坐标变换存在量纲错误,新乌龟坐标变换没有量纲问题,选不同的旧乌龟坐标变换计算同一黑洞所得结果不同,但是采用不同的新乌龟坐标变换所得结果仍然不同.
