Vol. 60, No. 11 (2011)
2011年06月05日
总论
2011, 60 (11): 110201.
doi: 10.7498/aps.60.110201
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针对应用于混沌时间序列预测的正则极端学习机(RELM)网络结构设计问题,提出一种基于Cholesky分解的增量式RELM训练算法.该算法通过逐次增加隐层神经元的方式自动确定最佳的RELM网络结构,并以Cholesky分解方式计算其输出权值,有效减小了隐层神经元递增过程的计算代价.混沌时间序列预测实例表明,该算法可有效实现最佳RELM网络结构的自动确定,且计算效率高.利用该算法训练后的RELM预测模型具有预测精度高的优点,适用于混沌时间序列预测.
2011, 60 (11): 110202.
doi: 10.7498/aps.60.110202
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胰岛分泌胰岛素的放电活动以动作电位的簇放电为主要特点.文章考虑具有代表性且较为简单的Vries-Sherman模型,通过其快子系统的双参数分岔分析确定了双参数平面内不同簇放电类型的存在区域,并应用快慢动力学分析研究了参数vm取不同值时所产生的簇放电模式的拓扑类型以及它们之间相互转迁的动力学机理.
2011, 60 (11): 110203.
doi: 10.7498/aps.60.110203
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文章研究了一类带自相容源的sine-Gordon方程(SGESCSs),利用广义双Darboux变换法,得到了该方程的complexiton解,进一步丰富了这类方程的解.
2011, 60 (11): 110204.
doi: 10.7498/aps.60.110204
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利用Clarkson和Kruskal(CK)直接方法,对耦合KdV方程进行相似约化,同时从李群出发对该约化方程作了群论解释.进一步地,借助Ablowitz-Ramani-Segur(ARS)算法对耦合方程展开Painlev测试,找到了3个Painlev可积模型.最后通过形变映射法,求得耦合KdV方程的准确解析解.
2011, 60 (11): 110205.
doi: 10.7498/aps.60.110205
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文章研究了一类扰动Nizhnik-Novikov-Veselov非线性系统, 利用特殊的渐近方法得到了相应系统分形孤子渐近解.
2011, 60 (11): 110206.
doi: 10.7498/aps.60.110206
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文章针对一类输出耦合时延复杂动态网络模型,考虑节点动力学参数未知的情况,基于网络外部同步思想,提出一种对该类复杂动态网络进行故障诊断的方法.利用节点的输出变量作为反馈变量设计控制器,根据Lyapunov稳定性理论,推导网络达到外部同步的条件.该方法可以实时监控时延网络拓扑结构的变化情况,对网络进行故障诊断.通过仿真验证本文方法的有效性.
2011, 60 (11): 110207.
doi: 10.7498/aps.60.110207
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研究了一个大气物理中洛伦兹系统的求解问题.首先利用广义变分原理构造一组变分迭代,其次决定系统的初始近似,最后通过变分迭代方法得到了对应模型的各次近似解.广义变分迭代方法是一个解析方法,得到的解还能够继续进行解析运算.
2011, 60 (11): 110208.
doi: 10.7498/aps.60.110208
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从研究海杂波的电磁散射特性出发,利用随机微分理论对海杂波的物理特性进行了系统地分析.首先建立了海杂波电磁散射所满足的随机微分方程,然后利用It公式得到了海杂波散射信号幅度和相位的扩散过程模型,最后利用海杂波散射信号的规律给出了微弱信号检测的相关处理方法.
2011, 60 (11): 110209.
doi: 10.7498/aps.60.110209
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文章利用数值模拟程序对不同条件下大气等离子体中负氧离子的形成及演化过程进行数值模拟.结果发现:负氧离子数密度衰减过程中出现拐点,进入一个较为平稳的状态;平稳期负氧离子数密度与初始电子数密度近似成线性关系;水分含量对负氧离子的演化过程具有重要影响,水分含量越高,负氧离子或其团簇数密度平稳期后的衰减越缓慢.
2011, 60 (11): 110210.
doi: 10.7498/aps.60.110210
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采用辛算法数值求解了一维立方五次方非线性Schrdinger方程,研究了不同非线性参数下非线性Schrdinger方程的动力学性质.数值结果表明,随着立方非线性参数的增加,系统经历了拟周期状态、混沌状态和周期状态,且在五次方项的调制下,呼吸子解可以退化为单孤子解.
2011, 60 (11): 110301.
doi: 10.7498/aps.60.110301
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对GHZ态与W态叠加的三粒子广义GHZ态,用Svetlichny不等式,给出了其非定域性的解析表达式.用数值计算方法讨论了纠缠与非定域性之间的关系.
2011, 60 (11): 110302.
doi: 10.7498/aps.60.110302
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借助纠缠态表象及Wigner算符在该表象下的表示,得到双模压缩数态的Wigner函数,数值计算画出相空间中Wigner函数的分布图,并加以分析,发现双模压缩数态两模之间相互关联、相互纠缠,对相空间中Wigner函数分布产生影响.
2011, 60 (11): 110303.
doi: 10.7498/aps.60.110303
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文章通过比较主动诱惑态和被动诱惑态的特性,假设所有可测量都围绕渐近值上下波动,得到相应变量的偏离量,采用标准误差法分析实用光源条件下,有限脉冲数编码对密钥生成率和传输距离的影响,比较了主动诱惑态、被动诱惑态 、无限长时间极限情况和不同量子效率条件下密钥生成率随传输距离的变化关系,为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.
2011, 60 (11): 110304.
doi: 10.7498/aps.60.110304
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文章研究了利用双光子受激拉曼绝热暗通道技术实现超冷原子向异核三原子分子转化过程中,可控外场参量(包括拉比脉冲的强度,脉宽以及单光子失谐等)对系统绝热性和转化效率的影响. 结果发现,系统的转化效率随斯托克斯光强度的增大先减小,后振荡,最终趋于小于1的稳定值,而随抽运光强的增大先增大,然后很快趋于1,表明抽运光和斯托克斯光对超冷分子的形成具有不同的作用. 脉冲宽度既能决定最终转化效率的大小,也能反映达到稳定转化所需的时间. 单光子失谐为红失谐时,系统有比较高的稳定转化效率,而蓝失谐光脉冲则不利于超冷分子的形成. 另外,还讨论了超冷异核三原子分子转化系统在经历不同反应通道时绝热性和转化效率的差别.
2011, 60 (11): 110501.
doi: 10.7498/aps.60.110501
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计算了在输入方波信号情况下过阻尼谐振子的输出功率谱和信噪比,详细讨论了相应的随机共振现象,并与输入余弦信号情况进行对比.研究发现:它们均出现随机共振现象,且均存在共振和抑制并存的现象.但这一并存现象,在两模型中分别出现于不同的共振曲线.
2011, 60 (11): 110502.
doi: 10.7498/aps.60.110502
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提出了一种利用单电子晶体管与金属氧化物半导体的混合结构(SET-MOS)实现离散混沌系统的方法.研究了两个并联结构的单电子晶体管在电流源偏置下的传输特性,并建立其相应的S形分段线性函数模型.基于该模型实现了一维离散映射系统,分析了它的动力学特性,包括一维映射过程、分岔图和Lyapunov指数等.最后利用SET-MOS混合电路设计出该离散混沌系统的电子电路,验证了理论分析和实现方法的正确性.研究结果表明,该方法不仅可行,而且物理实现结构简单,利于集成.
2011, 60 (11): 110503.
doi: 10.7498/aps.60.110503
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针对一类混沌系统,通过分析其非线性向量场的结构特征,提出了一种全局快速控制混沌的新方法.利用线性状态反馈,分离出一个稳定的独立状态变量方程,使受控的混沌系统逐渐退化为稳定的线性系统,进而完全消除非线性抖振现象.此方法可应用到Lorenz系统族或具有类似结构的新混沌系统的控制中,相应设计出一种结构简单的控制器,保证闭环系统在原点全局渐近稳定.数值算例验证了所提出方法的快捷性和正确有效性.
2011, 60 (11): 110504.
doi: 10.7498/aps.60.110504
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针对一类参数不确定的异构时延超混沌系统,采用响应系统与驱动系统状态变量误差的线性反馈作为脉冲控制信号,基于Lyapunov稳定性理论实现了超混沌系统的脉冲同步,给出了渐近稳定条件,并构造了一个具有时延的数字保密通信系统.该方案保密性高,鲁棒性强.数值仿真表明系统能快速达到同步,应用混沌密码序列对数字信号进行加密后,信息信号可以在接收端有效地恢复出来.
2011, 60 (11): 110505.
doi: 10.7498/aps.60.110505
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提出一种具有收敛跟踪性能的Hnon混沌系统广义预测函数控制快速算法.基于已有的广义预测函数控制方法,依据混沌系统运动特性和实际中控制量变化趋势选取特殊形式的基函数,避免了控制律中的矩阵求逆计算,并在性能指标函数中引入确定的前馈增益矩阵,实现Hnon混沌系统对参考信号的收敛跟踪.仿真结果验证了该算法的有效性.
2011, 60 (11): 110506.
doi: 10.7498/aps.60.110506
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由于混沌系统存在非线性、不确定性等特点, 常规的控制方法难以获得满意的结果. 提出一种基于PSO优化LSSVM模型参数的混沌系统控制方法. 该方法利用PSO算法的收敛速度快和全局收敛能力, 优化LSSVM模型的惩罚因子和核函数参数, 避免了人为选择参数的盲目性, 提高了LSSVM模型的预测精度. 另外, 该方法不需要被控混沌系统的解析模型, 且当测量噪声存在情况下控制仍然有效. 仿真实验结果表明了该方法的有效性和可行性.
2011, 60 (11): 110507.
doi: 10.7498/aps.60.110507
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在雷达、通信等工程应用中,发射信号时间有限,需要快速混沌同步. 而传统同步算法收敛速度较慢. 针对该问题,文章给出了一种快速混沌同步算法. 根据Taylor展开式,设计非线性控制变量,使得误差方程控制矩阵满足同步判定条件,进一步优选控制矩阵,仅需一步运算,便可快速同步. 此外,考虑到实际工程中往往只发射一个状态变量,文章以典型的连续Duffing系统和离散logistic系统为例,设计了单一变量驱动的快速同步. 仿真结果表明,与常见的单一耦合和OPCL(open-plus-closed-loop)同步相比,此算法收敛速度快,抗噪声能力强,具有更强的实际工程意义.
2011, 60 (11): 110508.
doi: 10.7498/aps.60.110508
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针对许多基于Logistic图像置乱方法的设计只注重置乱规则和方法,没能很好地给出设计原理这一现象,文章遵循从坚实的数学理论到实际应用这一科学过程,给出了一个全新的具有坚实理论基础的基于Logistic图像置乱算法.依据混沌初值敏感性,密钥空间大这一特性,从混沌映射Logistic着手,结合概率相关理论,设计了基于Logistic映射(0,1)区间上的均匀分布随机变量产生算法,利用这一均匀分布变量生成基于位置互换的随机排列.为了度量该随机排列的置乱强度,设计了置乱强度测试算法.最后,利用这一基于Logistic均匀分布的随机排列驱动图像生成置乱图像.比较Baker算法、Ye算法和Yoon算法,结果显示,文章建议的Logistic图像置乱算法具有很大的密钥空间,很强的密钥敏感性,很强的使结构性数据相关性消失的性能,进而能够增加熵值,很好的抗攻击能力,可以有效地满足图像置乱需求.
2011, 60 (11): 110509.
doi: 10.7498/aps.60.110509
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采用两个借助光纤连接的相互注入半导体激光器,实验获取了10 GHz超宽带混沌种子信号.通过8-bit模数转换器将混沌信号转换为二进制数据流,并进行进一步的逻辑异或处理和舍弃最高有效位操作,最终获得了能顺利通过美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standard and Technology,简记为NIST)800-22标准测试以及Diehard测试,速率达17.5 Gbit/s的高速随机码.
2011, 60 (11): 110510.
doi: 10.7498/aps.60.110510
摘要 +
文章研究了参数未知的统一超混沌系统的控制与同步问题.首先基于Lyapunov稳定性理论,设计了自适应控制器,证明了该控制器可使参数未知统一超混沌系统渐近稳定于不动点.其次使用自适应反同步方法,设计了自适应同步控制器,实现了参数未知统一超混沌系统的完全同步,最后数值仿真实验进一步验证了所提出方案的有效性.
2011, 60 (11): 110511.
doi: 10.7498/aps.60.110511
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文章研究了一类四维连续自治系统,在一定条件下它只有一个平衡点,却表现出复杂的动力学行为. 文章首先分析了系统的平衡点及李雅普诺夫指数;其次对该系统的界进行了估计,给出了界的表达式.通过设计一个控制器,研究了该四维超混沌系统的完全同步,并做出了相应的数值模拟.
2011, 60 (11): 110512.
doi: 10.7498/aps.60.110512
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提出一种实现混沌系统投影同步的统一方法.通过构建一个广义比例矩阵和一个合适的响应系统,建立了混沌投影同步的通用模型,依据比例矩阵的不同种类,可实现广义投影同步、错位投影同步和广义混合错位投影同步等各种类型的混沌投影同步.利用Lyapunov稳定性理论给出了相应的证明,最后以多卷波混沌系统和超混沌Qi系统为例,进行了错位投影同步和广义混合错位投影同步的数值仿真,仿真结果进一步表明了该方法的有效性.
2011, 60 (11): 110513.
doi: 10.7498/aps.60.110513
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熵是反映网络异构性的重要指标. 由于只是关注网络结构中点或边的单一作用,基于度分布和度相对值的两种传统熵在刻画网络结构特征时均存在缺陷. 文章综合考虑点和边差异性,定义一种新的网络结构熵,并对规则网络、随机网络和无标度网络等结构熵进行理论分析和仿真实验. 结果表明,这种新网络结构熵可以更有效地反映网络的结构特征,尤其是对于稀疏网络及星型网络的结构差异解释更为合理.
2011, 60 (11): 110514.
doi: 10.7498/aps.60.110514
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研究了非高斯Lvy噪声激励下非对称双稳系统的相转移和首次穿越问题.首先利用Grnwald-Letnikov有限差分方法数值求解系统所对应的分数阶Fokker-Plank方程,得到了系统的稳态概率密度函数.然后分析了系统的非对称参数以及噪声强度和稳定性指标对稳态概率密度函数的影响,发现了非对称参数和稳定性指标的变化都能够诱导系统发生相转移.进一步研究了系统的平均首次穿越时间,得到了非对称参数、噪声强度和稳定性指标影响系统平均首次穿越时间的不同作用机理.
2011, 60 (11): 110515.
doi: 10.7498/aps.60.110515
摘要 +
针对阶次不等的分数阶混沌系统同步问题,提出了一种将不等阶分数阶系统转化为等阶系统的方法,将不等阶分数阶系统的同步问题转化为等阶的异结构同步问题.利用该方法实现了阶次不等的分数阶Lorenz混沌系统的同步,数值仿真结果验证了该理论的正确性.
2011, 60 (11): 110516.
doi: 10.7498/aps.60.110516
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针对半导体器件中普遍存在的1/f噪声提出了一种结合了提升小波变换和维纳滤波器的处理方法.首先利用重新加权迭代最小二乘法拟合1/f噪声的功率谱曲线得到噪声参数的估计,从而选择恰当的小波.其次,对包含了1/f噪声的信号进行提升小波变换.考虑到小波变换对1/f噪声的白化作用,利用维纳滤波器对每一层小波系数进行处理.设计了最优全通滤波器以校正维纳滤波器的相频特性,使得小波系数经滤波后相位不变.最后利用提升小波逆变换获得被1/f噪声淹没的信号.利用实验检验了提出方法的有效性,实验数据采自用于微创外科手术机器人的力传感器.结果表明提出的方法能够有效抑制1/f噪声,并使传感器的分辨力提高了25%.
2011, 60 (11): 110517.
doi: 10.7498/aps.60.110517
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提出了复合符号混沌序列的概念;并以符号动力学的揉序列为基础,将已知的伪随机数与揉序列规则下的短序列复合后得到新的符号混沌序列,再转换成二进制序列,从而得到长度随迭代次数成几何级数增加的伪随机序列(PRN).理论与实证分析都表明这是一个有效的伪随机生成器.为应用到图像的加解密技术中,建立了一个新型元胞自动机.该元胞自动机能有效地避免数据膨胀,加密效率高,并能产生显著的雪崩效应,提高了加密技术的安全性.
基本粒子物理学与场
2011, 60 (11): 110701.
doi: 10.7498/aps.60.110701
摘要 +
文章提出了一种新的标志位频谱感知方法,主要由数据采集和频谱感知两部分组成.前者主要基于标准的压缩感知技术,研究了一种标志位数据采集方法,仅保留测量数据的标志位信息,从而减少了测量数据的存储量.后者基于一致恢复原理和共轭梯度算法来构造频谱感知算法.仿真结果表明,标志位频谱感知方法可以在降低数据采集量及存储量的同时完美获取原始信号的频谱信息.该方法可以应用于无线通信、电子对抗、智能吸波结构以及感知无线电的前端频谱测量设计阶段中.
2011, 60 (11): 111101.
doi: 10.7498/aps.60.111101
摘要 +
研究变质量Chetaev型非完整系统Appell方程的Mei对称性和Mei守恒量.建立变质量Chetaev型非完整系统的Appell方程和系统的运动微分方程; 给出函数沿系统运动轨道曲线对时间t全导数的表示式,并在群的无限小变换下,给出变质量Chetaev型非完整系统Appell方程Mei对称性的定义和判据;得到用Appell函数表示的Mei对称性的结构方程和Mei守恒量的表达式,并举例说明结果的应用.
核物理学
2011, 60 (11): 111102.
doi: 10.7498/aps.60.111102
摘要 +
研究机电系统Mei对称性导致的另一种守恒量.在群的无限小变换下,给出机电系统的Mei对称性的定义和判据,得到机电系统Mei对称性导致的另一种守恒量.举例说明结果的应用.
原子和分子物理学
2011, 60 (11): 112101.
doi: 10.7498/aps.60.112101
摘要 +
在相对论平均场理论的框架下,对Rn同位素链原子核的结合能、形变、同位素位移等若干基态性质进行了较详细的研究.结果表明,理论计算结果与已有的实验数据符合较好.原子核的四极形变主要出现在远离幻数的区域(N=110-124和N=129-142).而在中子数大于幻数的区域(N=127-142),十六级形变也非常明显.对电荷半径的研究显示,Rn同位素链的同位素位移曲线的斜率在中子幻数处出现明显的变化.
2011, 60 (11): 113101.
doi: 10.7498/aps.60.113101
摘要 +
采用基于第一性原理的线性缀加平面波(FP-LAPW)方法,研究Fe掺杂SnO2材料电子结构和光学性质,包括电子态密度、能带结构、介电函数和其他一些光学图谱. 研究结果表明,掺Fe后材料均属于直接跃迁半导体,且呈现半金属性;随掺杂浓度增加,费米能级进入价带,带隙逐渐减小,Fe原子之间耦合作用增强;通过掺杂能够在一定程度上改变成键性质,使其具有金属键性质. 光学谱线(吸收谱、消光系数等)与介电函数虚部谱线相对应,均发生蓝移,各峰值与电子跃迁吸收有关,从理论上指出光学性质和电子结构的内在联系.
2011, 60 (11): 113102.
doi: 10.7498/aps.60.113102
摘要 +
应用群论及原子分子反应静力学的方法, 导出了HNO分子基态电子态和合理的离解极限.利用优选出的密度泛函理论B3LYP方法结合6-311G **优化计算了HNO分子基态的平衡结构和谐振频率.计算结果表明基态HNO分子稳定态为CS构型,电子组态为X1A',平衡核间距分别为RHN=0.1065 nm,RNO=0.1200 nm,键角HNO=108.60,离解能De=15.379 eV.基态简正振动频率分别为:弯曲振动频率1=1575.6351 cm-1,对称伸缩振动频率2=1673.2890 cm-1,反对称伸缩振动频率3=2837.7856 cm-1.在此基础上,应用多体项展式理论导出了基态HNO分子的全空间解析势能函数,该势能函数等值势能图准确再现了HNO分子平衡结构和离解能.
2011, 60 (11): 113201.
doi: 10.7498/aps.60.113201
摘要 +
冷原子具有很小的速度,很窄的速度分布以及良好的相干特性,利用冷原子物质波干涉特性可实现原子干涉仪,具有萨格奈克效应的原子干涉仪即原子陀螺仪,可精密测量转动速率. 冷原子轨迹的精确控制对提高冷原子陀螺仪的测量精度有着重要的意义,文章报道了利用直接数字频率综合器,实现对双向对抛冷原子运动轨迹的精确控制.
2011, 60 (11): 113301.
doi: 10.7498/aps.60.113301
摘要 +
文章用提拉法生长出Li6Gd(BO3)3:Ce晶体,并对其光谱性能与发光过程进行了探索. 借助于真空紫外-紫外透过光谱测试,发现晶体的透过光谱中存在Ce3+离子和Gd3+的特征吸收峰,同时还存在与Ce4+离子相关的电荷迁移带. 对晶体的真空紫外-紫外激发发射光谱进行研究发现,在晶体存在着Ce3+离子的5d4f辐射跃迁发光与Gd3+离子的4f4f辐射跃迁发光,而且存在着Gd3+Ce3+之间的能量传递. 对Li6Gd(BO3)3:Ce晶体的X射线与射线激发发射光谱研究可知,晶体在高能射线激发下的闪烁光主要是Ce3+离子的发光.
编辑推荐
2011, 60 (11): 113401.
doi: 10.7498/aps.60.113401
摘要 +
在对反应显微成像谱仪的工作原理作简要介绍的基础上,全面分析了各种可能影响动量分辨的因素,并结合反应显微成像谱仪的技术参数分别对反冲离子动量分辨以及电子动量与能量分辨进行了详细计算和讨论,确定了反应显微成像谱仪的动量及能量分辨,并为进一步提高分辨提供了重要依据.
2011, 60 (11): 113701.
doi: 10.7498/aps.60.113701
摘要 +
激光汇聚铬原子沉积实验中,铬原子束准直度的好坏非常重要.利用蒙特卡罗随机思想选取原子轨迹初始条件,将52Cr原子以外的其他同位素、纵向速度分布和横向发散角等因素综合考虑,对铬原子束横向一维激光冷却进行了优化分析.经过与均匀取值法比较,这种方法能够更好地体现原子运动的不确定性,挑选出不参与冷却过程的同位素,使考察界面内原子束的横向位置分布更好的符合实验结果.结果显示,冷却过程中其他同位素的存在使原子束横向位置分布的中心最大值减小9.3%,半高宽增加11%,并且增加轮廓曲线的基底.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2011, 60 (11): 114101.
doi: 10.7498/aps.60.114101
摘要 +
分别设计和仿真了一种新型的工作在微波段和光波段的折线形手征介质结构.利用仿真得到的透射系数和反射系数反演计算了该结构的旋光角、椭偏度、相对介电常数、相对磁导率、手征参数以及折射率等参数.结果表明该结构在这两种波段下都显示出极大的旋光角和椭偏度,且因具有大的手征参数,而不再需要介电常数和磁导率同时为负就可实现左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)的负折射率.
2011, 60 (11): 114102.
doi: 10.7498/aps.60.114102
摘要 +
利用容性表面与感性表面之间的耦合机理能够制备微型化频率选择表面(MEFSS),周期单元尺寸将不受工作波长限制.为了提高MEFSS角度与极化的稳定性,展宽MEFSS的-3 dB带宽,文章结合传统频率选择表面Y形单元,利用Y图形构造容性表面的贴片单元与感性表面的网栅单元且以正三角形栅格拓展周期单元,采用矢量模匹配法对MEFSS栅格排布及其他结构参数变化进行精确计算.通过镀膜与光刻技术在0.15 mm厚聚酰亚胺膜两侧制备容性表面、感性表面并利用自由空间法测试.计算与实验结果均表明,采用正三角形栅格排布的MEFSS,-3 dB带宽达到7.6 GHz,不同极化下60扫描时中心频点稳定在f0,为MEFSS应用于曲面天线罩时提供理论与实验参考依据.
2011, 60 (11): 114103.
doi: 10.7498/aps.60.114103
摘要 +
基于元素吸收边附近两个能量上线性吸收系数存在差异,开发了同步辐射K边减影成像技术来标识元素的三维分布.采用略高于和略低于Zn元素K吸收边的能量分别成像,利用其减影像表征了Al-Zn-Mg泡沫铝材料中Zn元素的三维分布和定量化信息.铸态泡沫铝胞壁上Zn的空间分布不均匀,经过长时间固溶处理,Zn的偏聚情况减小;分析了该泡沫铝的断裂行为,发现其胞壁的脆性断裂与Zn元素的不均匀分布有关.研究结果表明,K边减影成像技术为材料三维组织定量表征提供了有力的分析手段.
2011, 60 (11): 114201.
doi: 10.7498/aps.60.114201
摘要 +
基于超材料结构的设计理论,通过长金属线周期阵列和具有Lorentz谐振形式等效介电常数的金属短线的组合可频率选通特性.由不同周期排布和结构尺寸的长金属线和金属短线组合而成的频率选择表面具有不同频段的选通特性.文章提出了双层及单面两种具有极化选择特性的频率选择表面,两种结构均可实现对特定频段TE及TM波选通.具有极化选择特性的超材料频率选择表面的设计为极化滤波器以及极化波产生器的设计提供了借鉴.
编辑推荐
2011, 60 (11): 114202.
doi: 10.7498/aps.60.114202
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选取不同路数和不同填充因子的合成光束模型,模拟并分析了倾斜相差对相干合成的影响.介绍了倾斜校正的关键器件自适应光纤光源准直器.在主振荡功率放大器结构的光纤激光相干合成系统中,模拟了随机并行梯度下降(SPGD)算法校正七路激光阵列间时变倾斜相差的动态过程,分析了不同倾斜相差幅值和频率对校正能力的影响.实验表明,要提高相干合成的效果,必须校正倾斜相差;而SPGD算法校正倾斜相差的能力随着倾斜相差幅值和频率的增加而降低.文章为在实际大气环境中实现多路高功率光纤激光的相干合成提供了参考.
2011, 60 (11): 114203.
doi: 10.7498/aps.60.114203
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在圆柱坐标系中研究了傍轴线偏振拉盖尔-高斯光束在两种各向同性介质界面反射和折射后光强质心的偏移. 基于菲涅耳近似和泰勒级数展开,分别得到了部分反射和全反射两种情形下,质心的横向偏移和纵向偏移与光束拓扑荷的解析关系式. 研究表明,部分反射时,反射和折射光束的横向偏移的大小与光束的拓扑荷成正比,方向由拓扑荷的符号决定;而纵向偏移仅仅大小与光束的拓扑荷有关. 全反射时,反射光束质心偏移不受拓扑荷影响. 通过数值模拟验证了解析结果的正确性,并得到了解析公式的适用条件. 拉盖尔-高斯光束的质心偏移特性可应用于测量光
2011, 60 (11): 114204.
doi: 10.7498/aps.60.114204
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波前编码景深延拓技术是在非相干光学系统的出瞳处加入三次位相板,对成像进行解码处理而获得清晰图像以扩大光学系统景深的技术.文章通过深入研究波前编码光学成像系统的调制传递函数(MTF),分析离焦量和位相板的调制系数对MTF的影响,并通过数值计算和曲线拟合得到位相板调制系数、系统带宽、景深延拓性能之间的关系.该研究成果为位相板的调制系数的选择和景深延拓光学系统的设计提供依据.
2011, 60 (11): 114205.
doi: 10.7498/aps.60.114205
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提出了一种利用DCT变换和小波变换的特征层图像融合算法.其基本思想是先对多幅源图像进行分块DCT变换,选取较大方差对应的变换系数,将图像压缩为原图像大小的1/4,保留系数的对应坐标作为提取信息时的密钥;其次将经处理后的DCT系数直接作为小波变换的分解系数,经小波逆变换后得到融合信息.实验结果表明,该算法实现了多幅不同大小图像的融合,同时单一密钥只能提取单一图像.
2011, 60 (11): 114206.
doi: 10.7498/aps.60.114206
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文章利用脉冲激光抽运色散位移光纤,通过自发四波混频过程产生的关联光子对,实验演示了一种光通讯波段的窄带宣布式单光子源. 实验测得-3 dB带宽为1.1 nm单光子场的二阶关联函数g(2)(0)=0.090.01,宣布效率可达0.5以上. 这种单光子源在量子通信中有潜在的应用前景.
2011, 60 (11): 114207.
doi: 10.7498/aps.60.114207
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基于铯原子6S1/2 6P3/2 8S1/2的阶梯型能级系统,对室温下铯原子气室中的电磁感应透明(EIT)谱进行了研究.由于探测光的频率锁定于基态6S1/2(F=3)到中间态6P3/2的超精细跃迁线上,耦合光在中间态6P3/2和激发态8S1/2之间扫描,得到的EIT谱具有平坦的背景,提高了光谱的精度.理论上,采用了一个多能级的EIT模型,将其计算结果与所观察的实验现象进行了比较,二者符合得比较好.
2011, 60 (11): 114208.
doi: 10.7498/aps.60.114208
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文章研究了k光子Jaynes-Cummings模型与运动原子相互作用中的熵相互关系及纠缠特性.发现原子与光场之间具有熵交换特性.讨论了原子运动、光子数k和场模结构等因素对原子与光场熵相互关系的影响.此外,讨论了原子与场系统熵交换与纠缠之间的关系.
2011, 60 (11): 114209.
doi: 10.7498/aps.60.114209
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基于"热像"的衍射理论模型,并利用空间频谱的传输矩阵,理论分析了位置和尺寸均随机分布的缺陷在高功率激光系统中产生"热像"的机理,作为理论分析结果的对比验证,数值模拟了高功率激光束受到这种随机分布缺陷调制后所形成"热像"的演化规律,进而从统计平均的角度讨论了"热像"强度的变化趋势与缺陷分布数目和尺寸范围之间的关系. 结果表明,当缺陷的尺寸接近某个特定值时,受其调制的光束会形成强度最大的"热像"点,且"热像"所在平面强度极大值点的横向位置与光学元件表面的缺陷横向分布相对应;在一定范围内,"热像"的强度最大值随
2011, 60 (11): 114210.
doi: 10.7498/aps.60.114210
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以帧转移型面阵CCD图像传感器为例,采用有限元法研究了波长1.06 m,脉宽ms量级长脉冲Nd:YAG激光与组成CCD传感器的MOS光敏单元的作用过程及硬破坏机理.建立了长脉冲激光辐照MOS光敏单元的热力耦合模型,模拟了MOS光敏单元的温度分布和应力分布.研究结果表明:在长脉冲激光作用下,由于S层表面径向压应力超过其抗压强度引起MOS光敏单元出现了OS层间分裂,进而受径向、环向和轴向压应力的共同作用下,在光敏单元还未熔融时,层间分裂就扩大至光敏单元的整个OS层间.OS层间完全分裂会使光敏单元发生硬破坏,并造成CCD传感器中激光照射区的单个或一列光敏单元的功能完全失效.文章的研究结果可为CCD图像传感器的激光损伤及防护提供必要的理论依据.
2011, 60 (11): 114211.
doi: 10.7498/aps.60.114211
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文章根据平稳重调脉冲(SRP)在梳状光纤(CPF)结构中的压缩原理,对色散渐减光纤(DDF)的色散特性进行设计,结果发现该色散渐减光纤的色散特性呈线性递减.对于平稳重调脉冲其压缩比与功率比等于光纤始末两端二阶色散系数的比值.当色散渐减光纤的斜率足够小时,无啁啾基阶孤子可以近似为平稳重调脉冲,当色散渐减光纤的色散斜率较大时,无啁啾基阶孤子不能近似为平稳重调脉冲.当基阶孤子带有与光纤色散斜率成正比的线性啁啾时,脉冲的压缩比与功率比更接近于光纤始末两端二阶色散系数的比值.说明带有线性啁啾的基阶孤子比不带啁啾的基阶孤子更接近于平稳重调脉冲.
2011, 60 (11): 114212.
doi: 10.7498/aps.60.114212
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用传统的熔融淬冷法制备了一系列新型Ge-Te-PbI2硫系玻璃,并且讨论了玻璃的形成区域. 利用X射线衍射(XRD)、差热分析(DTA)、可见/近红外吸收光谱、红外透过光谱等技术,研究重金属卤化物PbI2对Ge-Te硫系玻璃组成、结构和性能的影响. 利用Tauc方程计算了样品的直接和间接光学带隙,根据金属标准和能量带隙理论讨论了玻璃光学带隙与组分变化的关系. 结果表明:PbI2的引入,提高了Te玻璃的形成能力,而且玻璃的热稳定性良好;随着PbI2含量的增加,玻璃的密度和折射率均增大,光学带隙减小,短波吸收截止边发生红移,玻璃的红外截止波长基本不变,达到了25 m. 该系列玻璃可用于制备远红外长波波导器件.
2011, 60 (11): 114213.
doi: 10.7498/aps.60.114213
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利用RCWA(rigid coupled-wave analysis)方法研究了一维金属光栅的反射特性,考察了 瑞利反常、表面等离激元驻波共振和几何共振三种共振吸收机理,分析了这三种机理的相互作用,如表面等离激元驻波共振和几何共振可以形成混合模式. 在反射式复合金属光栅中,确认了第四种共振形式,即相位共振. 数值计算表明相位共振对光学吸收的影响有两种形式: 当光栅周期大于一个波长时,相位共振导致尖锐的吸收峰,峰位在几何共振吸收峰一侧;当光栅周期小于一个波长时,相位共振导致混合模式的共振吸收峰发生劈裂. 对一维金属光栅反射特性的研究增加了对金属光栅共振吸收模式及其相互作用的认识.
2011, 60 (11): 114214.
doi: 10.7498/aps.60.114214
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基于严格耦合波理论建立了金属介质膜光栅的衍射机理模型,给出了TE模式金属介质膜光栅衍射效率的表达式.以-1级衍射效率和工作带宽为评价函数,对金属介质膜光栅的表面浮雕结构进行了优化设计.对于800 nm和1053 nm为中心的TE波,设计的金属介质膜光栅-1级衍射效率优于97%的工作带宽分别达到130 nm和150 nm,最后讨论了设计的宽光谱高衍射效率金属介质膜光栅的制备工艺容差.此研究对于提高脉宽压缩光栅的性能具有重要的意义.
2011, 60 (11): 114215.
doi: 10.7498/aps.60.114215
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基于啁啾脉冲放大(CPA)技术和频率变换技术,构建了一个多波长紫外太瓦量级CPA系统.该系统实现了5种频率的精确同步,可同时输出1 Hz,5 Hz和10 Hz的高能量多波段紫外脉冲.时间抖动小于3 ns的时间同步系统和能量不稳定性小于0.5%rms的kHz预放大系统保证了CPA系统输出的能量不稳定性小于2%rms.最后,通过共线相位匹配方案,得到了64 mJ/400 nm,16 mJ/267 nm和5 mJ/205 nm紫外脉冲输出,对应峰值功率达到太瓦量级.
2011, 60 (11): 114216.
doi: 10.7498/aps.60.114216
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基于T矩阵方法,给出了随机取向、轴对称、含核椭球粒子的散射计算方法.散射体的核和外壳均可为非球形粒子,整个粒子具有轴对称性.以含核椭球粒子为模型,计算了含有吸收性内核(黑炭,black carbon)的水凝物气溶胶的散射特性,分析了核的大小、形状对消光系数、散射系数、吸收系数、不对称因子、单次散射反照率以及Muller矩阵等的影响.
2011, 60 (11): 114301.
doi: 10.7498/aps.60.114301
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考虑了压电传感器(PZT)与板之间的耦合作用,从理论上研究了单个压电传感器激发时产生单模式兰姆波的频率调节方法,实验给出了模式选择在兰姆波结构健康监测中的应用. 在板材、板厚以及PZT尺寸一定的情况下,从理论上能够预测到作为频率函数的各兰姆波模式的幅值变化. 根据某特定兰姆波模式的幅值最大而其他模式幅值相对最小时所对应的频率,即可识别出该兰姆波模式优化的激发频率. 数值仿真验证了理论的有效性以及单模式兰姆波选择的可能性. 在不同的激发频率下,分别激发了优化的A0 模式,优化的S0模式以及共存的A0和S0模
2011, 60 (11): 114302.
doi: 10.7498/aps.60.114302
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采用单轴式声悬浮方法研究了环己烷液滴的蒸发过程,发现环己烷液滴的蒸发可以使自身温度降至熔点以下并发生凝固.高速摄像实时观测表明,环己烷晶核开始形成于液滴赤道附近,并以枝晶方式长大,平均生长速度为12.5160.4 mm/s.进一步研究发现,声悬浮条件下平均Sherwood数与平均Nusselt数的比值Sh/Nu是在自然对流条件下的1.3倍,这表明声流边界层有效提高了环己烷液滴的蒸发速率而对传热的促进作用相对较小,因而可以使液滴降至更低温度,进而发生凝固.据此,提出了挥发性液体在声悬浮条件下发生蒸发凝固的必要条件.
2011, 60 (11): 114303.
doi: 10.7498/aps.60.114303
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为获取液体介质的声速值,设计了一种测定流体声速的实验方法,该方法利用时差式超声波流量计和标准流量校验设备同时对封闭管道中的液体进行流速测量,分别得到流速的测量值和真实值,从而计算出超声波流量计的仪表系数,并以此导出了一定条件下液体介质的声速值随仪表系数的变化关系式.利用该方法测量给出了0.17 MPa下四氧化二氮(N2O4)在7.619.4 ℃、偏二甲肼((CH3)2NNH2)在6.525.2 ℃范围内的流体声速值,并为其他液体介质的声速测量提供了借鉴.
2011, 60 (11): 114304.
doi: 10.7498/aps.60.114304
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全息声压外推是Patch近场声全息技术的关键步骤.本文提出了全息声压的加权范数外推方法,该方法首先通过实测声压数据的功率谱信息构造频域加权范数,然后通过极小化频域加权范数实现全息声压外推.由于外推过程中同时利用了声压信号的波数域带宽和波数谱形状信息,因此其外推结果优于传统带限外推方法.数值仿真结果表明,该方法无论在外推精度还是计算效率上都明显优于经典的全息声压波数域外推方法.刚性箱体上的声激励固支板声压外推实验进一步验证了该方法的有效性和实用性.
2011, 60 (11): 114305.
doi: 10.7498/aps.60.114305
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研究了采用时滞反馈来控制扭转振动系统的振动问题.在一个带有非线性动力吸振器的扭转振动系统中,采用时滞反馈来控制主系统的振动.研究了反馈增益系数和时滞对主系统振动的影响.研究结果表明,对某一固定的反馈增益系数,存在时滞的某段调节区间,可以通过调节时滞来抑制主系统的振动.在时滞的调节区间内存在一个最佳点,主系统的振动被抑制到最小值.可以同时调节反馈增益系数和时滞两参数,当反馈增益系数和时滞都调节到最佳值时,主系统振动的振幅由0.24减小到0.03,取得了很好的减振效果.
2011, 60 (11): 114306.
doi: 10.7498/aps.60.114306
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理论和实验研究了超声空化场中的H-22型肝癌细胞产生可逆声孔效应的剪应力阈值.本文用1.37 MHz的聚焦声场,当超顺磁性纳米氧化铁在细胞悬液中的终浓度为410 g/mL,换能器负载电功率为2 W,超声辐照60 s,细胞存活率90%以上时,有45.913.5%的细胞显示普鲁士蓝染阳性,暗示超声作用下,这些细胞表面曾出现可逆性微孔而使磁性微粒由此进入细胞内.利用无界自由空间微泡运动方程的球对称稳态解对实验条件下细胞膜表面的切变应力进行数值估算,结果表明,使H-22细胞产生可逆性声孔效应的微流剪应力阈值为697 Pa.
2011, 60 (11): 114401.
doi: 10.7498/aps.60.114401
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文章根据二氧化硅介孔材料MCM-41纳米孔结构特点,首先建立和验证了纳米结构单元模型,然后使用平衡分子动力学方法模拟了孔壁热导率;接着耦合孔隙内气体导热,开展了一维传热分析,最终提炼出MCM-41的有效热导率表达式;并对壁厚、孔径和孔隙率对热导率的影响进行了分析.研究结果表明,MCM-41具有良好的绝热性能,其有效热导率随孔隙率增大近似呈线性减小,且表现出各向异性;导热性能沿孔道长度方向表现出准一维特性.
2011, 60 (11): 114402.
doi: 10.7498/aps.60.114402
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文章分析了重力势能、引力势能、电荷势能、化学势能、热量势能、质量积、动量积等多种势能,发现它们均可表达为一种守恒广延量和对应的强度量的乘积,因此可将其统一定义为积.基于积这一概念,文章得到了孤立系统内守恒广延量传递过程的积减原理,即孤立系统内进行的守恒广延量传递过程中系统的积总是减小的.进一步,文章还基于积的概念发展了孤立系统和封闭系统的势平衡判据,发现孤立系统达到势平衡状态时,系统的积达到最小值(最小积原理);当封闭系统达到势平衡状态时,系统的准自由积达到最小值(最小准自由积原理).上述结论应用于传热学中即可得到热量传递过程的(火积)减原理及相应的热平衡判据.与热力学中的核心概念熵相对应,由于物理量(火积)可以描述传热过程的不可逆性,作为传热过程的优化准则,度量系统的无序度,并给出系统的热平衡判据,因此(火积)是传热学中的核心概念.
2011, 60 (11): 114501.
doi: 10.7498/aps.60.114501
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根据Cosserat弹性杆的动力学普遍定理,讨论其守恒量问题. 因弹性杆的动力学方程是以截面为对象,并且是以弧坐标和时间为双自变量,其守恒量必定是以积分的形式给出,分别存在关于弧坐标或时间守恒的问题. 根据弹性杆的动量和动量矩方程,导出其动量守恒和动量矩守恒的存在条件及其表达,并讨论了关于沿中心线弧坐标的守恒问题;再分别根据弹性杆关于时间和弧坐标的能量方程导出了各自的关于时间和弧坐标的守恒量存在条件及其表达, 结果包括了弹性杆的机械能守恒以及平衡时的应变能积分;守恒问题给出了例子. 积分形式的守恒量对于弹性杆动力学的理论分析和数值计算都具有实际意义.
气体、等离子体和放电物理
2011, 60 (11): 115201.
doi: 10.7498/aps.60.115201
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采用零维等离子体动力学模型,计算了不同约化场强条件下N2/O2放电等离子体的演化特性.结果表明,平均电子能量与约化场强有着近似的线性关系,在约化场强为100 Td时,平均电子能量约为2.6 eV、最大电子能量达35 eV;约化场强是影响电子能量函数分布的主要因素.气体放电过程结束后,振动激发态氮分子的粒子数浓度不再变化,电子激发态的氮分子、原子和氧原子的粒子数浓度达到一峰值后开始降低;放电结束后的氧原子通过复合反应生成臭氧.约化场强升高,由于低能电子减少的影响,振动激发态氮分子的粒子数浓度降低,当约化场强由50 Td增加75 Td,100 Td时,粒子数浓度由3.831011 cm-3降至1.981011 cm-3和1.771011 cm-3,其他粒子浓度则相应增大.
2011, 60 (11): 115202.
doi: 10.7498/aps.60.115202
摘要 +
文章分析了不同含量的杂质对随机分布团簇粒子缪勒矩阵的影响.利用Bruggeman有效介质理论得到了含有不同体积份额杂质的硅酸盐粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机分布团簇粒子的缪勒矩阵进行了数值计算,给出了各个缪勒矩阵元素的散射角分布曲线,探讨了不同含量的杂质对随机分布团簇粒子缪勒矩阵的影响.研究表明,掺杂对随机分布团簇粒子的缪勒矩阵存在着不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的变化而显著变化.
2011, 60 (11): 115203.
doi: 10.7498/aps.60.115203
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间接驱动方式具有提供更高冲击波压力的潜力,对冲击波物理研究来说是一种很好的驱动方式.针对间接驱动下X射线离化对透明窗口造成的致盲问题,提出了新的三明治靶型结构,以完成间接驱动下冲击波实验.该靶型可以用两种方法避免致盲效应对实验的干扰.一种方法是从时间上避开致盲效应,使致盲效应与冲击波测量区错开,从而获得冲击波数据.另一种方法是从强度上屏蔽X射线,将X射线阻挡在透明材料之前,使其不能产生致盲效应.对单冲击实验而言,用增加烧蚀层厚度的方法,将X射线离化效应与冲击波信号从时间上错开,获得了蓝宝石和石英晶体中冲击波实验的结果.用增加阻挡层的方法,获得了间接驱动条件下石英晶体和聚苯乙烯材料中的冲击波实验结果.提出的三明治靶型,为间接驱动条件下状态方程和冲击波调速技术提供了技术支持.
2011, 60 (11): 115204.
doi: 10.7498/aps.60.115204
摘要 +
以丝阵内爆零维模型为基础,采用Pspice模拟行为建模方法,建立了丝阵内爆动态电感与Z箍缩驱动器耦合的全电路模型,实现驱动器放电过程与丝阵内爆过程的自洽求解,并研究了丝阵参数、电路参数对内爆过程的影响.结果表明:丝阵负载与驱动器存在强耦合关系,丝阵参数、电路参数对丝阵峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能影响很大;在驱动器参数不变,内爆时间不超过电路固有放电周期1/4的前提下,峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能随丝阵质量的增加而增大,内爆时间随丝阵初始半径的增加而增大;在丝阵参数不变时,随着驱动器等效电容的增大,内爆时间减小,丝阵内爆动能增大,但驱动器储能转化为内爆动能的效率却先增大后减小.对于特定的驱动器,优化的丝阵参数应使内爆过程充分利用驱动器固有放电周期的上升沿,使丝阵快速收缩的时间起点接近电路固有放电周期的四分之一,以获得最大的动能效率.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2011, 60 (11): 116101.
doi: 10.7498/aps.60.116101
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为体现固溶体合金中的溶质原子产生的化学短程序,文章提出了配位数为14的团簇在体心立方(bcc)点阵中的堆垛模式,并建立了基于bcc结构的团簇+连接原子结构模型,用团簇成分式[团簇](连接原子)x表述. 此模型中,与基体组元具有相对大的负混合焓的溶质原子占据团簇心部,其他原子作为连接或者替代团簇壳层基体原子. 1 ∶1结构模型[团簇](连接原子)1由于最大程度地保证了团簇与连接原子的近邻,构成了连接原子最有效的合金化方式. 在两个实用bcc固溶体合金体系中, 1 ∶1模型指导设计了低V含量的储氢合金 V1和低弹性模量高强度的 Nb1合金.
2011, 60 (11): 116102.
doi: 10.7498/aps.60.116102
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采用离子注入法制备了钴离子掺杂的金红石相TiO2样品;离子注入能量、注量分别为40 keV(11016cm-2),80 keV(51015,11016,51016,11017cm-2),120 keV(11016cm-2). 通过XRD,XPS和UV-Vis等手段对掺杂前后样品的结构和光学性能进行了表征,分析了掺杂元素在金红石TiO2中的存在形式. XRD测试表明随着注入能量的增加晶体的损伤程度增加. UV-Vis测试表明掺杂后所有样品在可见光区的吸收增强; 并且随着注量的增加,注量为51015cm-2到51016cm-2范围内注入样品的光学带隙逐渐变小.
2011, 60 (11): 116103.
doi: 10.7498/aps.60.116103
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对0.18 m metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET)器件进行射线辐照实验,讨论分析器件辐照前后关态漏电流、阈值电压、跨导、栅电流、亚阈值斜率等特性参数的变化,研究深亚微米器件的总剂量效应. 通过在隔离氧化物中引入等效陷阱电荷,三维模拟结果与实验结果符合很好. 深亚微米器件栅氧化层对总剂量辐照不敏感,浅沟槽隔离氧化物是导致器件性能退化的主要因素.
2011, 60 (11): 116301.
doi: 10.7498/aps.60.116301
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利用散射矩阵方法和标量模型,研究了低温下可调缺陷对量子波导腔的热导的影响. 改变缺陷的参数能控制热导,缺陷的尺寸和位置能导致热导的改变,而且不同种类的缺陷也能导致热导随温度的变化.
2011, 60 (11): 116801.
doi: 10.7498/aps.60.116801
摘要 +
文章基于一维Frenkel-Kontorova模型,研究了边界原子的初始速度对原子链运动状态的影响,数值模拟结果表明:当vv1时,原子处于振荡区,当v1vv2时,原子处于混沌区,当vv2时,原子处于 均匀区. 同时我们发现临界速度v1和v2随原子数目和垫底势高度的变化而变化.
2011, 60 (11): 116802.
doi: 10.7498/aps.60.116802
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采用溶胶-凝胶法制备TiO2浆料,通过丝网印刷技术印刷和不同温度曲线烧结TiO2薄膜,并应用于染料敏化太阳电池(DSC).高分辨透射电子显微镜发现,低温下多孔薄膜中TiO2颗粒之间呈现点接触,510 ℃烧结后TiO2颗粒间由点接触变为面接触,近邻颗粒数增多,接触面积增大.同时采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,研究了不同颗粒接触方式和接触面积对电子传输与复合的影响.结果表明:在420 510 ℃之间,随着烧结温度提高,颗粒接触面积增大,电子传输时间( d)缩短,电子有效扩散长度(L n)增大,暗电流减小;当烧结温度达到550 ℃时,薄膜比表面积减小,多孔结构坍塌,表面态密度增大,电子传输时间( d)增大.电池光伏特性研究表明:在480510 ℃范围内烧结得到的TiO2薄膜,电池短路电流密度(Jsc)最佳,电池效率()最好.
2011, 60 (11): 116803.
doi: 10.7498/aps.60.116803
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采用原子尺度的模拟方法,探讨了在零偏压下扫描隧道显微镜(STM)针尖调制的金属表面岛上原子运动及岛边的层间质量输运. 研究结果显示STM的移动对岛上及岛边的原子扩散有重要的影响. 针尖与吸附原子的交互作用及岛和基体中强的形状变化影响了岛上吸附原子的跳跃扩散及岛边的跳下扩散和交换扩散过程. 研究发现,通过调节针尖与基体的垂直距离及针尖与吸附原子的水平距离,可以降低岛上吸附原子的跳跃扩散能垒及岛边的跳下扩散和交换扩散能垒,从而实现薄膜由三维生长模式向二维生长模式的转变.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2011, 60 (11): 117101.
doi: 10.7498/aps.60.117101
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采用基于密度泛函理论的赝势平面波第一性原理方法,研究了LiNH2缺陷及其掺杂原子交互作用对其释氢影响.通过对其进行优化求得它们的局域最稳定结构并计算了含间隙H原子缺陷的LiNH2及其掺杂合金的结合能、间隙缺陷形成能、态密度和电荷布居.结果表明: 系统结合能不能反映LiNH2及其掺杂合金的释氢性质;平衡时,LiNH2中有一定的间隙氢原子存在,Mg,Ti掺杂使形成能大大降低,大大增大了间隙氢的浓度. 间隙H原子在带隙引入了缺陷能级使带隙大大减小,提高释氢能力.间隙H原子导致[NH2]-中NH原子间相互作用减弱,容易释氢.间隙H与[NH2]-中N存在共价作用,可以解释LiNH2释氢反应中NH3的放出.当存在掺杂时,NH键的键强不均衡,部分较弱,部分较强,较弱的NH键中H容易放出.
2011, 60 (11): 117102.
doi: 10.7498/aps.60.117102
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基于密度泛函理论的第一性原理的Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)软件系统研究了Mg7TMH16 (TM=Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb)的晶体结构和电子性能. 分析了结合能和形成焓,计算得到的结合能显示Mg7TiH16和Mg7NbH16的稳定性最强,形成焓的变化表明Mg7TMH16具有比MgH2更低的分解温度,电子态密度显示Mg7TMH16表现出明显的金属特性.
2011, 60 (11): 117103.
doi: 10.7498/aps.60.117103
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采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)下的RPBE和局域密度近似(LDA)的CA-PZ交换-关联泛函对闪锌矿结构的GaN在高压的性质进行了系统研究. 计算结果表明:弹性常数、体模量、杨氏模量和能隙都具有明显的外压力效应,计算结果与实验值和理论值很好的符合. 同时利用计算的能带结构和态密度系统分析了GaN的介电函数、折射率、反射率、吸收系数和能量损失函数等光学性质及其外压力效应. 分析结果为GaN的设计与应用提供了理论依据.
2011, 60 (11): 117104.
doi: 10.7498/aps.60.117104
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文章应用密度泛函理论研究接枝于壁面的方阱链对二元小分子混合物的选择性吸附特性. 系统的Helmholtz剩余自由能泛函被表示为硬球排斥和方阱吸引两部分贡献之和,分别由硬球链流体状态方程和变阱宽方阱链流体状态方程的简单加权密度近似来进行计算. 用此理论方法,分别考察了接枝聚合物的结构性质,以及不同温度下接枝分子层对二元方阱流体的选择性吸附性能. 结果表明:分子刷厚度随接枝密度线性增长而随温度非线性增加,并且在高温下趋于饱和;在较低温度下,接枝聚合物刷能表现出很好的选择性吸附能力,当聚合物刷被加热到高于饱和温度时,该能力将大幅度地减弱.
2011, 60 (11): 117105.
doi: 10.7498/aps.60.117105
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采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势方法,研究了Fe掺杂对VH2的电子结构和解氢性能的影响.通过计算Fe掺杂VH2前后体系的合金形成热、V-H之间的重叠布居数、电子态密度、电子密度,发现Fe掺杂VH2后,随着Fe含量增加,合金体系的晶胞参数和晶胞体积逐渐减少;体系的负合金形成热逐渐减少,且掺杂后体系的负合金形成热都比VH2的负合金形成热小,体系的稳定性降低;电子态密度计算也显示Fe掺杂后费米能级处的电子浓度增加,体系稳定性降低;重叠布居数和电子密度计算表明掺杂后V-H之间的重叠布居数由0.1减小为0.08或0.09,V-H之间的电子密度减少,说明V和H原子之间的相互作用减弱,提高了VH2的解氢性能.计算结果解释了实验现象.
2011, 60 (11): 117106.
doi: 10.7498/aps.60.117106
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研究了掺杂后poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulphonic acid)(PEDOT ∶PSS)电导率的变化以及掺杂PEDOT ∶PSS薄膜对聚合物太阳能电池器件性能的影响. 实验发现,向PEDOT ∶PSS中掺入极性溶剂二甲基亚砜(DMSO)明显提高了薄膜的电导率,掺杂后的电导率最大值达到1.25 S/cm,比未掺杂时提高了3个数量级. 将掺杂的PEDOT ∶PSS薄膜作为缓冲层应用于聚合物电池 (ITO/PEDOT ∶PSS/P3HT ∶PCBM/LiF/Al) 中,发现高电导率的PEDOT ∶PSS降低了器件的串联电阻,增加了器件的短路电流,从而提高了器件的性能. 最好的聚合物太阳能电池在100 mW/cm2的光照下,开路电压(Voc)为0.63 V,短路电流密度(Jsc)为11.09 mAcm-2,填充因子(FF)为63.7%,能量转换效率()达到4.45%.
2011, 60 (11): 117107.
doi: 10.7498/aps.60.117107
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采用旋涂法制备了掺杂铜酞菁(CuPc)的聚(2-甲氧基,5-(2-乙基-乙氧基)-对苯乙炔)(MEH-PPV)/ 富勒烯衍生物(PCBM)有机太阳电池. 测试结果表明:掺杂15% CuPc的MEH-PPV/PCBM太阳电池效率(1.41%)比标准的MEH-PPV/PCBM太阳电池(1.26%)提高12%. 器件的吸收谱和迁移率测试表明CuPc导致的吸收谱增强和迁移率提高是器件效率提高的主要原因.
2011, 60 (11): 117201.
doi: 10.7498/aps.60.117201
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考虑实际体系的梯度无序和结散射,发展格林函数矩阵分解消元方法,研究了准一维纳米线的电子输运性质. 结果表明,由于结散射,电导随能量呈现振荡行为,无序的引入破坏了电子相干性,在低无序度区平均电导呈现异常增加,呈现一个新的电导峰. 当表面存在无序但无梯度衰减时,体系的平均电导随无序度增强先减后增,出现类局域退局域性转变. 当表面无序线性衰减时,平均电导在强无序区稍有增加,而当表面无序高斯型衰减时,平均电导指数衰减,类局域退局域性转变消失,不同于以前的理论预言. 研究结果对准一维纳米线电子器件的结构设计和应用有指导作用.
2011, 60 (11): 117202.
doi: 10.7498/aps.60.117202
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用两线法和四线法对球磨合成后热处理的Nd0.7Sr0.3MnO3陶瓷样品的电脉冲诱导电阻转变(EPIR)效应进行了测试.结果表明:在Nd0.7Sr0.3MnO3块体中用四线法测得的I-V曲线为非线性,说明Nd0.7Sr0.3MnO3样品在晶(相)界处存在空间电荷层和界面电阻.但用四线法测量EPIR效应时,没有EPIR效应发生,表明晶(相)界处的空间电荷层和肖特基势垒不能产生EPIR效应;对同一样品采用直流两线法测量,其I-V曲线也为非线性,但却发生明显的EPIR效应.说明在Nd0.7Sr0.3MnO3陶瓷中发现的EPIR效应起源于样品与电极之间的接触界面,块体内的晶(相)界处虽能产生相似I-V特性,但却不能发生EPIR效应.
2011, 60 (11): 117203.
doi: 10.7498/aps.60.117203
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采用射频磁控溅射方法在(001)SrTiO3衬底上制备(001)取向的(BiFeO3)25/(La0.7Sr0.3MnO3)25多层膜.光学测试结果表明,1.32.1 eV范围内,相对于衬底而言多层膜光吸收增强; BiFeO3的带隙为2.7 eV. 另外,结合绝缘介质导电模型分析了所测得的电流-电压数据,在所测试的温度及电压下,所制备的(BiFeO3)25/(La0.7Sr0.3MnO3)25多层膜的导电机理由空间电荷限制电导主导.
2011, 60 (11): 117301.
doi: 10.7498/aps.60.117301
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利用全量子力学的方法从理论上研究了利用经典光场相干控制半导体量子点-金属纳米线复合体系中表面等离子体传输特性. 计算中假设金属纳米线表面等离子体具有线性色散关系,半导体量子点具有梯形三能级结构. 分析表明:通过加或不加经典光场,可以控制表面等离子体被反射还是透射;加上光场后,反射峰、透射峰的位置以及两反射峰之间的距离都可以由经典光场控制.
2011, 60 (11): 117302.
doi: 10.7498/aps.60.117302
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将增益介质加入金属环构成的表面等离子体激元耦合共振波导,利用传输矩阵及时域有限差分方法研究了不同增益系数下该耦合共振波导的透射谱线、色散关系以及群折射率.结果表明,增益介质共振频率附近的反常色散及正常色散变化能有效影响由共振波导几何结构决定的色散关系曲线,且具有相反的效果,分别使其变得平坦和陡峭,从而放大和缩小由共振波导几何结构决定的群折射率.另外,增益系数随外加抽运光改变的特点使得加入增益介质的耦合共振波导具有传输性能可灵活调节特性.文章的研究对促进耦合共振波导在高密度光学集成中的广泛应用具有积极意义.
2011, 60 (11): 117303.
doi: 10.7498/aps.60.117303
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利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法,研究了基于同一D-B-A分子在改变端基后形成的4个不同的分子器件的电子输运特性及整流效果.研究表明:端基的改变,能明显影响分子器件的整流效果,这是因为端基能影响分子与电极的耦合程度,从而改变了分子轨道的离域性,进而影响分子的电子输运特性及整流效果.更有趣的是,由于分子轨道HOMO和LUMO随偏压极性不同的非对称移动,导致整流器的整流方向与Aviram和Ratner分子整流器相反.
2011, 60 (11): 117304.
doi: 10.7498/aps.60.117304
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文章研究了InAlN/GaN和引入AlN界面插入层形成的InAlN/AlN/GaN材料的输运性质. 样品均在蓝宝石上以脉冲金属有机物化学气相淀积法生长,霍尔迁移率变温特性具有典型的二维电子气(2DEG)特征. 综合各种散射机理包括声学形变势散射、压电散射、极性光学声子散射、位错散射、合金无序散射和界面粗糙度散射,理论分析了温度对迁移率的影响,发现室温下两种材料中2DEG支配性的散射机理都是极性光学波散射和界面粗糙度散射;AlN插入层对InAlN/GaN材料迁移率的改善作用一方面是免除2DEG的合金无序散射,另外还显著改善异质界面,抑制了界面粗糙度散射. 考虑到2DEG密度也是影响其迁移率的重要因素,结合实验数据给出了晶格匹配InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料的2DEG迁移率随电子密度变化的理论上限.
2011, 60 (11): 117305.
doi: 10.7498/aps.60.117305
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文章基于蓝宝石衬底采用脉冲金属有机物化学气相淀积(MOCVD)法生长的高迁移率InAlN/GaN材料,其霍尔迁移率在室温和77 K下分别达到949和2032 cm2/Vs,材料中形成了二维电子气(2DEG). 进一步引入1.2 nm的AlN界面插入层形成InAlN/AlN/GaN结构,则霍尔迁移率在室温和77 K下分别上升到1437和5308 cm2/Vs. 分析样品的X射线衍射、原子力显微镜测试结果以及脉冲MOCVD生长方法的特点,发现InAlN/GaN材料的结晶质量较高,与GaN晶格匹配的InAlN材料具有平滑的表面和界面. InAlN/GaN和InAlN/AlN/GaN材料形成高迁移率特性的主要原因归结为形成了密度相对较低(1.610131.81013 cm-2)的2DEG,高质量的InAlN晶体降低了组分不均匀分布引起的合金无序散射,以及2DEG所在界面的粗糙度较小,削弱了界面粗糙度散射.
2011, 60 (11): 117306.
doi: 10.7498/aps.60.117306
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采用脉冲激光沉积技术制备了Ti/Pr0.7Ca0.3MnO3/Pt和Ti/Pr0.7Ca0.3MnO3/La0.67Sr0.33MnO3/Pt异质结并研究了La0.67Sr0.33MnO3功能插层对异质结电致电阻特性的影响. 实验结果表明La0.67Sr0.33MnO3功能层的引入有效提高了器件的电阻转变特性,尤其是电阻转变率和疲劳性得到了极大的改善. 对La0.67Sr0.33MnO3插层改善电致电阻转变特性的机理进行了定性的分析.
2011, 60 (11): 117307.
doi: 10.7498/aps.60.117307
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考虑到铜铝溅射速率的差别,使用铜铝比例为0.9 ∶1的多晶CuAlO2靶材,用射频磁控溅射法制备Cu-Al-O薄膜.研究不同衬底温度对薄膜光学电学性能的影响.在衬底温度500 ℃附近,薄膜在可见光范围内具有很好的透光性,达到70%,计算拟合得到直接帯隙为3.52 eV,与CuAlO2相的理论值符合较好.在室温附近,薄膜导电符合半导体热激活机理,在衬底温度为500 ℃附近薄膜电导率达到2.4810-3 Scm-1.
2011, 60 (11): 117308.
doi: 10.7498/aps.60.117308
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文章中,通过磁控溅射制备了界面处插入4d,5d元素薄层(包括Ru,Pd,Ag和Au)的Ta/NiFe/Ta多层膜,并对它们的磁输运和磁性以及微结构进行了测试和表征.结果显示,Pd和Pt一样界面效应显著,能有效地提高NiFe薄膜退火前后的AMR比值,并抑制磁性死层.表面能比较小、熔点相对低的插层材料Ag,Au在退火过程中容易通过晶界扩散,强烈破坏其AMR性能.对于熔点高、表面能比较大的插层材料如Ru,磁性死层同样得到了抑制,NiFe薄膜的温度稳定性也可以得到提高.结果表明界面插层从界面电子自旋-轨道散射、界面死层和界面原子扩散等方面深刻影响NiFe薄膜的AMR.
2011, 60 (11): 117309.
doi: 10.7498/aps.60.117309
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采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算研究了 (Ba0.5Sr0.5)TiO3 (BST) 晶体在高压下的电子结构及能带变化行为. 研究结果发现,随着压强的增加,BST能带间隙先增加,在压强为55 GPa时达到最大值,然后减小,这些有趣的结果将有助于开发与设计新的BST铁电器件. 进一步地,通过电子态密度和密度分布图的研究分析可知:在低压区域(0P55 GPa),带隙的增加是由于费米能级附近导带反键态的形成和价带成键态的形成共同作用的结果. 在高压区域(P55 GPa),则是出现的离域现象占主导(电子的离域作用超过键态的作用),从而使带隙减小.
2011, 60 (11): 117310.
doi: 10.7498/aps.60.117310
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在纳米金属电极和分子组成的分子纳米结中,应用分子振动的简正坐标在弱耦合近似下研究了在光激发作用下电荷的输运过程,并从电离能的角度分析了顺序电荷转移的机理,研究了在光激发条件下分子纳米结的电流-电压特性. 发现分子的振动效应是Franck-Condon阻滞在光激发作用下消失的关键因素,进而在理论上分析了分子的电离能在电荷输运中的作用,同时分析了IVR效应对光激发下分子纳米结中电荷输运的影响.
2011, 60 (11): 117501.
doi: 10.7498/aps.60.117501
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研究在开口金属谐振环(SRR)结构嵌入一个电容二极管后,通过电压调控二极管的电容使得SRR结构的等效电容值发生改变,能实现对SRR的谐振频率和等效磁导率的调控,从而提出了一种智能的微波磁性超材料结构.采用时域差分有限元法(Finite-Difference Time-Domain)和恢复算法模拟了变容二极管的工作电压变化下,SRR结构谐振频率和磁导率的变化规律.研究结果表明工作电压增大使变容二极管的电容值减小时,将导致SRR结构的谐振频率向低频段移动,其磁导率的共振频率也将向低频移动.最后指出了SRR结构与常规磁性材料(如铁氧体)磁导率色散行为的不同之处.
2011, 60 (11): 117502.
doi: 10.7498/aps.60.117502
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在Si-Al2O3复合薄膜中观察到室温铁磁性.Si的体积百分比为15 %的Si-Al2O3复合薄膜的磁性最强.Si的含量影响样品的磁有序,在样品中观察到了明显的磁畴.在不同气氛下,对样品进行快速热退火.退火样品的磁性测试结果的差别表明氧空位不是样品铁磁性的主要来源.我们认为铁磁性来源于Si与Al2O3基质界面之间的缺陷的磁耦合.改变Si的含量可以改变缺陷密度,从而控制铁磁耦合强度.
2011, 60 (11): 117701.
doi: 10.7498/aps.60.117701
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应用磁控溅射法以Ni-Al同时作为Cu与SiO2/Si,Cu与SRO薄膜之间的阻挡层材料,将Cu与SiO2/Si衬底和氧化物薄膜电极隔离,避免它们在高温氧气氛中发生化学反应和互扩散,实现了Cu薄膜与氧化物铁电电容器的集成.采用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)研究了不同温度下快速退火的SrRuO3(SRO)/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu异质结的微结构和表面形貌,结果发现SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu多层异质结薄膜在高达750 ℃仍然具有较强的Cu衍射峰和比较平整的表面,显示出了很好的高温热稳定性.研究了室温长高温退和低温长高温退两种工艺手段,发现在制备含Cu多层氧化物薄膜异质结时,低温长高温后退火的方式要优于常规的室温长高温后退火方式,通过低温长高温退工艺可以缓解应力、削弱界面粗化和避免高温生长对阻挡层和Cu薄膜结构的破坏.最后结合sol-gel法将Pb(Zr0.4Ti0.6)O3(PZT)生长在该含Cu异质结上,制备得SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu铁电电容器,研究了电容器的薄膜结构、铁电性能和漏电特性等,发现制备的含Cu铁电电容器具有很好的铁电性能,如电滞回线趋势饱和,剩余极化强度高达~42 C/cm2,矫顽电压为~1.0 V,介电常数~1600,漏电流~1.8310-4 A/cm2,以及良好的抗疲劳特性和保持特性等,表明导电性优良的Cu薄膜可以应用于高密度高性能铁电电容器.对其漏电机理研究表明,SRO/PZT/SRO含Cu铁电电容器满足空间电荷限制传导机理.
2011, 60 (11): 117801.
doi: 10.7498/aps.60.117801
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设计和制备了两种高色散镜,分别在780870 nm波长范围内提供约-800 fs2 群延迟色散补偿(group-delay dispersion,GDD)和在10301050 nm的波长范围内提供约-2500 fs2的群延迟色散补偿.设计的高色散镜用双离子束溅射方法进行制备.从白光干涉仪的测试结果可以看出,得到的-800 fs2 GDD高色散镜和设计符合得比较好;-2500 fs2 GDD的高色散镜用在掺Yb光纤激光器中很好的抑制了脉冲展宽.这是制备得到的国产高色散镜及在光纤激光器中应用的首次报道.
2011, 60 (11): 117802.
doi: 10.7498/aps.60.117802
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使用飞秒时间分辨抽运-探测透射光谱技术,实验研究了GaAs体材料中光激发载流子的超快弛豫动力学的波长依赖.在相同的光激发载流子浓度和抽运/探测比时,发现760 nm和780 nm两中心波长处的瞬态透射变化延迟扫描信号出现负的和振荡的信号.与模拟计算结果对比,判定该实验瞬态信号是错误的.分析探测器输出波形,发现是由于反相波形导致的,而引起反相波形的原因在于样品中存在长寿命的吸收过程.指出通过提高探测器上的抽运/探测比能够矫正反相波形,从而获得正确的瞬态透射变化动力学.提高探测器上的抽运/探测比与目前的应尽量减小抽运光对探测器的散射贡献的观点是对立的.文章的研究结果对应用抽运-探测时间分辨光谱技术正确地测量超快瞬态动力学过程具有重要的参考价值.
2011, 60 (11): 117803.
doi: 10.7498/aps.60.117803
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文章主要研究了CdSe量子点微腔结构,微腔结构包括上下分布式布拉格反射镜(DBR),中间的有源层为溶解在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的CdSe胶体量子点.采用传递矩阵法模拟微腔的反射光谱,对实验测试曲线进行较好的拟合.通过测试微腔结构的光致荧光(PL)光谱,其半峰宽(FWHM)由未加入微腔的CdSe量子点样品的27.9 nm,减小到微腔结构的7.5 nm,在微腔中的量子点,由于腔模式的出现,其发光谱的品质因数增加了3.6倍,达到了荧光增强的效果.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2011, 60 (11): 118001.
doi: 10.7498/aps.60.118001
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基于不考虑硅通孔的N层叠芯片的一维热传输解析模型,提出了硅通孔的等效热模型,获得了考虑硅通孔的三维集成电路热传输解析模型,并采用Matlab软件验证分析了硅通孔对三维集成电路热管理的影响.分析结果表明,硅通孔能有效改善三维集成电路的散热,硅通孔的间距增大将使三维集成电路的温升变大.
2011, 60 (11): 118101.
doi: 10.7498/aps.60.118101
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用316L不锈钢(SU316L)作基片,以高纯石墨作靶、CHF3和Ar作源气体,采用反应磁控溅射法在不同流量比R (CHF3／Ar)下制备了氟化类金刚石(F-DLC)薄膜. 利用双蒸水液滴法、BCA(二喹啉甲酸)法和傅里叶红外光谱(FTIR)探讨了影响薄膜蛋白吸附能力的因素. 结果表明,镀有F-DLC薄膜的SU316L表面的血小板黏附量明显减少,血小板的变形程度显著减轻,相应的白蛋白与纤维蛋白原的吸附比普遍高于未镀膜的SU316L表面的相应值,说明镀上F-DLC薄膜可以改善样品的血液相容性. 流量比为2 ∶1左右时制备出的F-DLC薄膜,其白蛋白与纤维蛋白原的吸附比值达到最大,相应的血液相容性最佳. 对薄膜的接触角和表面能以及FTIR光谱分析研究表明,SU316L表面的F-DLC薄膜的白蛋白与纤维蛋白原的吸附比及血液相容性与薄膜的中的-CFx键的含量(F/C比)和表面能(疏水性)直接相关,控制源气体流量比可以实现对薄膜的血液相容性的调制.
2011, 60 (11): 118102.
doi: 10.7498/aps.60.118102
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采用水热合成法在预先生长的ZnO种子层的玻璃衬底上制备出Al和Sb共掺ZnO纳米棒有序阵列薄膜. 通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和选区电子衍射分析表明:所制备的薄膜由垂直于ZnO种子层的纳米棒组成, 呈单晶六角纤锌矿ZnO结构, 且沿[001]方向择优生长, 纳米棒的平均直径和长度分别为27.8 nm和1.02 m. Al和Sb共掺ZnO纳米棒有序阵列薄膜的拉曼散射分析表明:相对于未掺杂ZnO薄膜的拉曼振动峰(580 cm-1), Al和Sb共掺ZnO阵列薄膜的E1(LO)振动模式存在拉曼位移. 当Al和Sb的掺杂量为3.0at%,4.0at%,5.0at%,6.0at%时, Al和Sb共掺ZnO阵列薄膜的拉曼振动峰的位移量分别为3,10,14,12 cm-1. E1 (LO) 振动模式位移是由Al和Sb掺杂ZnO产生的缺陷引起的. 室温光致发光结果表明:掺杂Al和Sb后, ZnO薄膜在545 nm处的发光强度减小,在414 nm处的发光强度增加. 这是由于掺杂Al和Sb后, ZnO薄膜中Zni缺陷增加, Oi缺陷减少引起的.
2011, 60 (11): 118103.
doi: 10.7498/aps.60.118103
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自然界发生的热量传递、分子扩散、导电等现象具有一定的相似性,它们均可被称为广义流动.文章基于这种相似性,对过增元等针对传热过程提出的(火积)理论进行了推广,定义了积、积流、积耗散等概念.针对只有一种广义流动和存在两种广义流动的系统,指出了在该类系统中可以发展积原理的条件,并在满足相应条件的系统中得到了积损失极小值原理、积耗散极值原理和最小广义流阻原理.
2011, 60 (11): 118201.
doi: 10.7498/aps.60.118201
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用双层耦合的Lengel-Epstein模型, 研究了两个子系统的图灵模对斑图的影响,发现其波数比在斑图的形成和选择过程中起着重要作用.当波数比为1时,双层系统未能发生耦合,只能出现条纹和六边形斑图;当波数比处于1-√17 的范围时,两子系统发生耦合,图灵模之间发生共振相互作用,得到种类丰富的超点阵斑图,包括暗点、点-棒和复杂超六边、Ⅰ-型和Ⅱ-型白眼、类蜂窝和环状超六边等斑图;当波数比大于√17 , 系统选择的斑图类型不再变化,均为环状超六边斑图.数值模拟得到的条纹、六边形、超六边点阵、Ⅱ-型白眼斑图和类蜂窝斑图均已在介质阻挡放电系统实验中观察到. 另外,还得到了超点阵斑图的波数随两个扩散系数乘积DuDv的变化曲线,发现其随的DuDv增大而减小.
2011, 60 (11): 118202.
doi: 10.7498/aps.60.118202
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在惰性气氛Ar和还原性气氛H2中通过高温裂解含苯环的聚硅氧烷分别制备了硅氧碳化物Si-O-C复合负极材料,并且采用了元素分析element analysis、广角粉末X射线衍射XRD、傅里叶激光拉曼光谱Raman等手段表征了二者组成和结构的差别.实验发现,在H2气氛中裂解制备的Si-O-C复合负极含有较高的可逆、较低的不可逆容量,而且可逆容量随温度的增加而增长.其中H2气氛中1000 ℃情况下制备的Si-O-C复合负极的可逆容量622 mAh/g,首次库仑效率59%.Si-O-C复合负极的不可逆容量与氧的含量相关,可逆容量可能与碳含量及碳结构,以及SiOC中硅的结构相关.在H2气氛中制备的Si-O-C负极材料是一种潜在的锂离子电池的负极材料.
2011, 60 (11): 118203.
doi: 10.7498/aps.60.118203
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借助于强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,研究了纳米TiO2多孔薄膜在TiCl4溶液处理后组装成的染料敏化太阳电池(DSC)中电子传输和背反应动力学特性. 研究表明:纳米TiO2多孔薄膜经TiCl4溶液处理后,电池中暗电流减小,电子寿命n明显延长,电子传输时间d缩短,电子有效扩散系数Dn增大,电子扩散长度Ln值升高,入射单色光子/电子转化效率IPCE增加,光生电荷量Qoc显著增加. 文章从微观层面上研究了TiCl4溶液处理纳米TiO2多孔薄膜对DSC内部电子的产生、传输和复合过程的影响,从而很好地解释了电池光伏性能随TiCl4溶液处理的变化关系.
2011, 60 (11): 118204.
doi: 10.7498/aps.60.118204
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构建了一种基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统,并测试了飞片速度.飞片膜层为三明治结构:铝烧蚀层、氧化铝隔离层和铝飞片产生层.飞片膜层采用磁控溅射技术沉积在玻璃衬底上,总厚度为5.5 m.激光辐照铝膜层产生高温高压等离子体,驱动剩余膜层产生高速飞片,速度达数km/s.同时,实验研究了光纤传能系统的输出激光空间分布特性和传输激光能量容量,它们决定了飞片的平面性和最大速度.光纤端面损伤是限制光纤传输激光能量容量的关键因素,光纤端面通过精密机械抛光和激光预处理可以获得理想的抗激光损伤能力.采用基于光纤阵列探针的时间序列测试技术获得了飞片的平均速度,并评估了飞片的平面性.采用搭建的基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统获得了速度达1.7 km/s、直径接近1 mm的高速飞片.
2011, 60 (11): 118501.
doi: 10.7498/aps.60.118501
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文章研究了SOI衬底上SiGe npn异质结晶体管集电结耗尽电荷和电容.根据器件实际工作情况,基于课题组前面的工作,对耗尽电荷和电容模型进行扩展和优化.研究结果表明,耗尽电荷模型具有更好的光滑性;耗尽电容模型为纵向耗尽与横向耗尽电容的串联,考虑了不同电流流动面积,与常规器件相比,SOI器件全耗尽工作模式下表现出更小的集电结耗尽电容,因此更大的正向Early电压;在纵向工作模式到横向工作模式转变的电压偏置点,耗尽电荷和电容的变化趋势发生改变.SOI薄膜上纵向SiGe HBT集电结耗尽电荷和电容模型的建立和扩展为毫米波SOI BiCMOS工艺中双极器件核心参数如Early电压、特征频率等的设计提供了有价值的参考.
2011, 60 (11): 118701.
doi: 10.7498/aps.60.118701
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为探究针灸刺激对大脑活动产生的影响,文章设计了4种针刺频率针刺右腿足三里穴获取脑电的实验.首次采用排序递归图和关联维数方法提取针刺脑电信号的复杂度参数来反映针刺大脑的功能状态,并基于这些方法研究了针刺作用对大脑功能区域的影响以及不同针刺频率与脑电复杂度的相关性.发现针刺时脑电的复杂度高于针刺前,尤以频率为100次/min的针刺影响最为明显;从FP2, F7, T3导联脑电中提取的确定性指标(DET)可作为区分针刺状态与针刺前状态的一种特征参数.
2011, 60 (11): 118702.
doi: 10.7498/aps.60.118702
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心电图(ECG)信号的时间不可逆性能够反映出心脏的生理功能和健康状态.从短时ECG信号中探测时间不可逆性特征具有重要的现实意义. 文章提出符号相对熵方法(先进行符号化处理,再分别计算它们的时间不可逆性),研究了从MIT-BIH标准数据库中提取的正常窦性心律(normal sinus rhythm,NSR)、心室纤颤(ventricular fibrillation,VF)、心脏猝死(sudden cardiac death,SCD)三种信号.结果表明,这三种信号的时间不可逆性有所不同:NSR信号的时间不可
2011, 60 (11): 118901.
doi: 10.7498/aps.60.118901
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对等网络体现出丰富的结构特征,如何深入认识更为精细的统计特征有待于进一步探索. 文章通过定义资源流行度阈值,建立基于资源流行度阈值的用户网络,体现对等网络中精细的结构特征. 针对一个具体的对等网络研究发现,基于低流行度资源形成的用户网络具备更加明晰的用户集群特性:随着资源流行度阈值的增大,分簇特征更为明显,且各簇内用户兴趣趋同性增强,不同簇间用户兴趣取向差异增大,用户分簇准确性提高. 更进一步,从各簇内用户的共享资源中提取基于资源粒度的低维簇指纹,该簇指纹可以在维度较低的情况下提供较高的表征精度.
2011, 60 (11): 118902.
doi: 10.7498/aps.60.118902
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对人类在线行为模式的探讨是近年来人类动力学研究的热点.基于维基百科数据,文章针对一类重要且普遍的在线行为在线协同写作,进行时间统计特性分析和内容更新统计分析.实证显示在线协同写作时间间隔分布呈多尺度特征,1 min到30 min和30 min到24 h两个时间段上时间间隔分别服从指数为1.62和1.16的幂律分布,而大于24 h的时间间隔服从形如F()－b－alog()的累积分布.分析表明
2011, 60 (11): 118903.
doi: 10.7498/aps.60.118903
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在对随机行走过程的研究中发现:单个粒子通过某条特定路径的时间正比于该路径上所有节点度的连乘积.据此,文章提出基于随机行走机理的优化路由改进策略.该策略以节点度连乘积最小化为原则,通过调节可变参数,建立节点处理能力均匀分布的情况下最佳路由策略.通过分析比较不同路由策略条件下平均路由介数中心度,网络的临界负载量,平均路径长度以及平均搜索信息量等性能指标,研究结果表明,此改进路由策略在保证网络平均路径长度较少增加的前提下,使网络的传输能力获得最大幅度的提升.
地球物理学、天文学和天体物理学
编辑推荐
2011, 60 (11): 119101.
doi: 10.7498/aps.60.119101
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地壳岩石层由板块、断层和其间的断层泥构成,在研究地震前兆信息传播这类准静力学问题时,应将其作为大尺度离散态颗粒物质体系处理.地震孕育过程中,在大地构造力驱动下,岩石层块克服所受摩擦力和边界断层泥阻力发生滞滑移动.当岩块间断层泥受挤压后其强度增大到一定程度时,又推动下一岩石层块滞滑移动,就这样渐次使其他岩石层块发生移动,并以力链形式分布和传递.文章给出了此模型的物理依据和实际观测例证;通过模拟实验和分析阐述了力-移动-形变在地层中分布的表达形式和传播时间序;说明了地震前兆信息的主要特征及其与地震发生之间的关联,以及探测有效地震前兆信息的方法原理.同时,论述了用颗粒物理原理与连续介质观念对地震前兆认识的本质区别,解释了连续介质观点难以理解的若干地震学问题.
2011, 60 (11): 119201.
doi: 10.7498/aps.60.119201
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波浪破碎及其湍流混合研究一直是物理海洋学具有挑战性的问题. 文章系统综述了自20世纪90年代以来, 波浪破碎混合观测及其模式化研究方面取得的主要进展: 1)波浪破碎湍流混合不能用经典的海气边界层Wall-layer相似性理论进行描述. 波浪破碎能够在近海面几米的深度范围内形成湍流混合的增强层, 所产生的湍流动能耗散率dis是Wall-layer相似性理论预测结果的101000倍. 2)波浪破碎湍流动能耗散率在波峰区域disz-2.3, 而在波谷以下区域disexp(-z)或disz-2. 3)湍流混合长度是刻画波浪破碎混合非常重要的物理量, 但迄今为止对波浪破碎湍流混合长度l的量化研究存在较大差异, l从0.1 Hs到Hs(Hs为有效波高). 如何确定波浪破碎湍流混合长度的定量表示是今后需要亟待解决的重要问题.
2011, 60 (11): 119202.
doi: 10.7498/aps.60.119202
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文章首先利用QuikSCAT散射计获取的海面风场资料,利用华盛顿大学行星边界层(UWPBL)模式对台风海平面气压场进行反演(称为直接反演),并对其强度进行了分析;然后对获取的海面风场,采用变分方法对风场进行分解,分解出无旋和有旋风场,对分解出的有旋风场,再利用UWPBL模式对魔羯台风的海平面气压场进行了反演,对所得结果与通常直接反演、NCEP海平面气压场及台风报文资料进行一一对比,结果表明:新的反演定位的方法对台风海平面气压场中心气压的定位精度有了进一步的提高,此种定位的方法为散射计资料在台风中的实际应用开辟了一条新的思路.
2011, 60 (11): 119203.
doi: 10.7498/aps.60.119203
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利用垂直天线阵观测得到的电磁场信息建立目标泛函,从电磁波抛物方程传播模式出发,利用偏微分方程最优控制中的伴随方法研究大气折射率廓线反演问题. 针对反演的不适定性,采用正则化思想对目标泛函进行改造,并根据变分同化思想构建反演迭代格式. 数值模拟试验验证了理论算法的可行性. 由于采用分步Fourier算法求解电磁波抛物方程传播模式和伴随模式过程中产生的固有误差随着传播距离的增加累积增大,反演廓线在传播距离较远时不能收敛于观测廓线. 在这种情况下,引入较好的初猜廓线和背景场可以有效地改进反演结果.
2011, 60 (11): 119301.
doi: 10.7498/aps.60.119301
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为了改善雷达回波反演大气波导(RFC)方面存在的单时次、单方位角反演的问题,提出利用扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波的反演算法对大气波导结构的多方位角实时跟踪反演. 在卡尔曼滤波方法中分别给出大气波导结构的参数化方程、观测方程、滤波算法的状态转移方程,最后导出滤波反演算法的迭代求解流程. 在大气波导结构不随时间变化和随时间变化的两种条件下,对扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波算法进行数值实验. 实验结果表明,不敏卡尔曼滤波更适用于RFC这高度非线性反演问题,它可能今后为大气波导结构多方位角实时跟踪反演的业务化运行提供理论基础与技术保证.
2011, 60 (11): 119701.
doi: 10.7498/aps.60.119701
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由于费用巨大,X射线脉冲星导航初步研究阶段不可能进行空间搭载实验.为此,文章设计了一种X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统.该系统由脉冲星信号模拟部分和导航参数解算部分组成.模拟部分采用非齐次泊松过程对光子到达太阳系质心的时间建模,时间转换后,模拟X射线探测器观测脉冲星时输出的脉冲信号.导航参数解算部分利用Delta-Correction方法解算模拟信号中蕴含的导航信息.该系统可同时模拟4颗脉冲星信号,成本低,精度高,可对脉冲星导航的信号处理和参数解算过程进行光子级仿真研究,并为后续空间搭载实验中原理样机的设计提供一定的参考.
2011, 60 (11): 119801.
doi: 10.7498/aps.60.119801
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从文献中收集了205个Blazar天体,包括142个BL Lac天体和63个平谱射电类星体(FSRQs).对这些天体的类别与它们的红移、射电5 GHz辐射流量、光学V波段流量、1 keV处X射线流量、X射线光子谱指数进行了相关性和Logistic回归分析.结果表明,对Blazar天体分类产生主要影响的因素是红移、射电5 GHz辐射流量和X射线光子谱指数,综合应用这三个物理量判别Blazar天体的分类的准确率可达到91.2%,得到的分类方程具有良好的预测效果,可以作为Blazar天体分类的一个重要的判据.而光学V波段流量和1 keV处X射线流量不能区分开BL Lac天体和FSRQs,它们与Blazar天体分类没有相关性.本文结果支持将BL Lac天体和FSRQs归为Blazar天体,不同类别的Blazar天体之间能通过一种演化序列相联系.
