Vol. 60, No. 2 (2011)
2011年01月20日
总论
2011, 60 (2): 020201.
doi: 10.7498/aps.60.020201
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依据定量因果原理,给出了物理学中的一个因果代数的应用,当满足定量因果原理的互逆可消条件且又满足消去律的解时, 得到因果分解代数;由因果分解代数导出了结合律和单位元,进而导出了因果分解代数又具有群的结构特征,同时给出了这新代数系统在高能物理学中的应用.严格地给出了在高能物理中既不是群又不是环的反应,发现因果代数和因果分解代数是严格描述粒子物理反应的基本工具,得到了所有各种相加性、相乘性物理量和各种粒子反应都必须满足的统一恒等式,给出了因果代数和因果分解代数对高能物理的具体应用.利用因果代数的表示和超对称的R数,得到了含有超对称粒子反应中相乘性的超对称的PR=(-1)R对称性.还得到了一个关于电子自旋角动量的任意分量间的一个对称关系式,利用这对称关系式,可以化简多电子相互作用的计算.利用互逆可消条件定义了一般的逆元,可重新定义群,使群的公理减少一个,消除了重复定义.
2011, 60 (2): 020202.
doi: 10.7498/aps.60.020202
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利用广义变分迭代方法研究了一类非线性发展扰动方程.首先引入一个泛函.然后求其变分,最后构造方程解的迭代关系式.得到了问题的近似解和精确解析解.
2011, 60 (2): 020301.
doi: 10.7498/aps.60.020301
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量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科.量子纠错编码是实现量子通信的关键技术之一.构造量子纠错编码的主要方法是借鉴经典纠错编码技术,许多经典的编码技术在量子领域中都可以找到其对应的编码方法.针对经典纠错码中最好码之一的Turbo乘积码,提出一种以新构造的CSS型量子卷积码为稳定子码的量子Turbo乘积码.首先,运用群的理论及稳定子码的基本原理构造出新的CSS型量子卷积码稳定子码生成元,并描述了其编码网络.接着,利用量子置换SWAP门定义推导出量子Turbo乘积码的交织编码矩阵.最后,推导出量子Turbo乘积码的译码迹距离与经典Turbo乘积码的译码距离的对应关系,并提出量子Turbo乘积码的编译码实现方案.这种编译码方法具有高度结构化,设计思路简单,网络易于实施的特点.
2011, 60 (2): 020302.
doi: 10.7498/aps.60.020302
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非旋波近似条件下Dicke模型表现为量子混沌动力学特征.在详细考察Dicke模型经典相空间结构特点的基础上,采用经典-量子"一对多"的思想,即经典相空间中的一点对应于量子体系两个初始相干态的演化,利用对两个初态量子纠缠动力学演化取统计平均的方法,得到了与经典相空间对应非常好的量子相空间结构.数值计算结果表明:经典混沌有利地促进系统两体纠缠的产生,平均纠缠可以作为量子混沌的标识,利用平均纠缠可以得到一种较好的量子动力学与经典相空间的对应关系.
2011, 60 (2): 020303.
doi: 10.7498/aps.60.020303
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研究了玻色-爱因斯坦凝聚体在双势阱中随着能级差绝热循环变化而发生的绝热隧穿.发现当相互作用较强且初态选择为凝聚体全部置于较浅势阱时,演化过程破坏绝热定理,而演化结果有可能回到初态,也有可能不回到初态,取决于演化周期的选择;另外还发现演化过程表现出对初态选择的依赖,具有不对称的特征.利用能级图和相图,对上述现象给出了解释.
2011, 60 (2): 020304.
doi: 10.7498/aps.60.020304
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用多体刚性椭球模型计算了不同能量下氦的同位素原子4He,10He与钠的同位素分子18Na2,23Na2,37Na2 替代碰撞体系的转动激发积分散射截面.通过分析4He,10He-18Na2,23Na2,37Na2各转动激发积分散射截面的差异,总结出在钠分子的对称同位素替代情形下4He,10He -18Na2,23Na2,37Na2碰撞体系转动激发积分散射截面随钠分子转动量子数和体系约化质量变化的规律.结果表明,体系的约化质量及入射原子相对碰撞能量的变化均给体系的碰撞截面带来不同程度的影响.另外,计算了相对入射能量为100 meV时,相互作用势的不同区域对10He-18Na2,23Na2,37Na2各碰撞体系转动激发积分散射截面的贡献情况.
2011, 60 (2): 020305.
doi: 10.7498/aps.60.020305
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研究了探测场、耦合场和驱动场三场作用下倒Y型四能级量子系统的光学特性,利用数值模拟的方法探讨了外加相干驱动场的拉比频率和失谐量变化时系统对探测光场吸收特性的影响. 通过绘制三维立体图,发现了探测光场的群速度在电磁诱导透明窗口处的变化规律,并且选择合适的驱动场拉比频率和失谐量,可以在理论上实现亚光速和真空光速以及超光速传播之间的转换.
2011, 60 (2): 020401.
doi: 10.7498/aps.60.020401
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利用扩展双曲函数法求解了耦合KdV方程,得到了6类精确解,其中一类为具有双峰状结构的单孤子解.在不同的极限情况下,该解分别退化为耦合KdV方程的扭结状或钟状孤波解.文中对双峰孤立波的稳定性进行了数值研究,结果表明:耦合KdV方程的双峰孤立波在长波小振幅扰动和小振幅钟型孤立波扰动下,均稳定.
2011, 60 (2): 020402.
doi: 10.7498/aps.60.020402
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利用扩展的双曲函数法得到了combined KdV-mKdV (cKdV)方程的几类精确解,其中一类为具有扭结—反扭结状结构的双扭结单孤子解.在不同的极限情况下,该解分别退化为cKdV方程的扭结状或钟状孤波解.理论分析表明,cKdV方程既有传播型孤立波解,也有非传播型孤立波解.文中对双扭结型孤立波解的稳定性进行了数值研究,结果表明,cKdV方程既存在稳定的双扭结型孤立波,也存在不稳定的双扭结型孤立波.
2011, 60 (2): 020501.
doi: 10.7498/aps.60.020501
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外界对系统作功的过程就是系统状态发生变化的过程.根据Langevin方程的随机动力学特性,采用微观动力学和宏观热力学方法,建立了基于单一随机轨线的耦合双稳系统的热力学关系.通过力与耦合系统的功交互作用定量地刻画了能量的传递和转换关系,揭示了耦合系统中存在着的随机能量共振现象.从作功与能量的关系进行分析,进一步揭示了随机共振产生的物理本质.
2011, 60 (2): 020502.
doi: 10.7498/aps.60.020502
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对禁忌学习混沌神经元模型进行了详细的电路设计,包括单神经元、具有线性相似函数的双神经元以及具有二次相似函数的双神经元模型,并运用EWB(Electronic Workbench)电路仿真软件对所设计的电路进行了仿真,研究了电路中的Hopf分叉和混沌等非线性动力学现象,通过与数值仿真结果的比对验证了所设计电路的正确性与合理性.
2011, 60 (2): 020503.
doi: 10.7498/aps.60.020503
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针对双稳系统的高频信号响应,探讨了双稳调参的高频共振机理.研究表明,二次采样频率变换并不改变双稳结构直接在原系统结构上在与高频映射对应的低频处实现共振,而双稳系统参数调节是调参改变双稳结构并直接在高频处实现共振.双稳系统参数调节之所以能够实现高频随机共振,是因为同时调节双稳系统两参数可使Kramers逃逸速率不存在极限值,突破了随机共振信号频率必须在小频率范围内的限制.
2011, 60 (2): 020504.
doi: 10.7498/aps.60.020504
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研究了一类周期变化的非线性复杂发病率的广义流行病学模型(SIR(susceptible, infected, recovered)模型). 通过一系列坐标变换将原模型转化为Hamilton系统,运用Melnikov方法证明了该系统存在混沌运动,给出了发生同宿分岔的条件,并用数值模拟验证了上述结果.
2011, 60 (2): 020505.
doi: 10.7498/aps.60.020505
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为了分析混沌序列的复杂度,文中采用强度统计复杂度算法分别对离散混沌系统(TD-ERCS)和连续混沌系统(简化Lorenz系统)进行复杂度分析,计算了混沌序列随参数变化的复杂度,分析了连续混沌系统产生的伪随机序列分别进行m序列和混沌伪随机序列扰动后的复杂度.研究表明,强度统计复杂度算法是一种有效的复杂度分析方法,离散混沌序列复杂度大于连续混沌序列复杂度,但对连续混沌系统的伪随机序列进行m序列和混沌伪随机序列扰动后可大大增加复杂度,为混沌序列在信息加密中的应用提供了理论依据.
2011, 60 (2): 020506.
doi: 10.7498/aps.60.020506
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以动态调整过程中的动态特征系数积和动态镇定能力为基础,研究连续峰值电流模式功率因数校正(PFC) Boost变换器中的快时标不稳定及其不对称混沌现象的形成机理.基于提高功率因数和降低谐波失真的要求,提出输入电流正弦化的补偿思路,应用参数共振优化补偿策略,推导优化补偿的表达式,采用最强参数共振进行全局优化.数值仿真表明这种全局优化补偿策略具有最强的动态镇定能力,保证每个频闪周期内的快速稳定,控制了快时标不稳定混沌现象,获得理想的补偿效果和单位功率因数,可提高变换器的转换效率.
2011, 60 (2): 020507.
doi: 10.7498/aps.60.020507
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提出一种利用多项式和阶跃函数构造N×M涡卷的构造方法.利用蔡氏电路,传统的利用多项式函数只能产生双涡卷、三涡卷,在此基础上,通过多项式平移得到相空间x方向的多涡卷,再通过多项式与阶跃函数组合来扩展相空间中指标2的鞍焦平衡点,使得多涡卷向y方向延伸,从而生成网格多涡卷混沌吸引子.该构造方法的主要特征是通过光滑曲线和非光滑曲线的组合生成网格多涡卷混沌吸引子,能通过调整自然数N和M的值实现平面网格任意涡卷混沌吸引子阵列.理论分析、数值模拟和电路仿真证实了方法的可行性.
2011, 60 (2): 020508.
doi: 10.7498/aps.60.020508
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提出一种多变量混沌时间序列相空间重构的条件熵扩维方法.首先使用互信息法求解每个变量的时间延迟,其次按条件熵最大原则逐步扩展相空间的嵌入维数,使得重构坐标从低维到高维的转换保持较强的独立性,最终的重构相空间具有较低的冗余度,为多变量时间序列的预测构造了有效的模型输入向量.通过对几个经典多变量混沌时间序列进行数值实验,结果表明该方法比单变量预测和已有多变量预测方法具有更好的预测效果,说明了该重构方法的有效性.
2011, 60 (2): 020509.
doi: 10.7498/aps.60.020509
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时间序列的符号动力学信息熵Hk因其计算简单快速,对数据量要求小,而被应用于心率变异性(heart rate variability, HRV)分析,然而符号化的参数选择至今却并未形成统一标准.HRV作为典型的生理信号,存在着极大的个体间差异和非平稳性,要获得稳健的一致性分析,在符号化过程中必须考虑符号化参数α与序列本身均值、标准差的综合影响.文中,首先以仿真噪声序列为对象,考察了3个参数对于Hk的影响及三者相互之间的关联性,研究表明当满足特定关系时,Hk的曲线簇收敛于反映序列动力特性的Hk-up;随后在对15例心跳间隔序列的分析中,验证了Hk-up在消除个体间差异及减弱非平稳干扰影响两方面都优于α取固定值时的研究结果.
2011, 60 (2): 020510.
doi: 10.7498/aps.60.020510
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针对混沌直接序列扩频信号(以下称混沌直扩信号)通过非理想信道,利用信道和混沌直扩信号的状态方程及其均衡和解调的关联性,提出一种基于状态估计的联合均衡与解调算法.算法采用多扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)结构,一边对信道均衡,一边估计二进制信息码,二者互为因果,同时进行,不仅可以有效克服非理想信道所带来的多径信道畸变、加性噪声等对信号的影响,还可将掩藏在混沌直扩信号中的原始二进制信息码解调出来,比均衡和解调分离的做法更有效地利用信息,有更好的实时性.仿真结果表明,所提出的算法收敛速度快,能在信道特性未知情况下较好地抵御多径效应和噪声影响,实现了混沌直扩信号在非理想信道条件下的有效可靠传输.
2011, 60 (2): 020511.
doi: 10.7498/aps.60.020511
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以环形耦合Duffing振子系统为研究对象,分析了耦合振子间的同步演化过程.发现在弱耦合条件下,如果所有振子受到同一周期策动力的驱动,那么系统在经历倍周期分岔、混沌态、大尺度周期态的相变时,各振子的运动轨迹之间将出现由同步到不同步再到同步的两次突变现象.利用其中任何一次同步突变现象可以实现系统相变的快速判别,并由此补充了利用倍周期分岔与混沌态的这一相变对微弱周期信号进行检测的方法.
2011, 60 (2): 020512.
doi: 10.7498/aps.60.020512
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基于滑模控制技术和径向基函数神经网络,设计出一种神经滑模控制器,实现了两个不确定混沌系统的同步.控制器的设计不依赖于系统的数学模型,只与系统的输出状态有关,而且对参数不确定性和外界干扰具有较强的稳健性.最后,利用本方法设计出控制器实现了未知Lorenz系统的自同步、未知Lorenz系统与Chen系统之间的异结构同步,而且响应时间短,同步效果好.
2011, 60 (2): 020601.
doi: 10.7498/aps.60.020601
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铝合金熔化极惰性气体保护焊(MIG)的亚射流过渡方式具有弧长调节作用强、焊缝成形美观的优点.本文从非线性动力学近似熵测度的角度对铝合金脉冲MIG焊的电弧电压信号进行分析,进而评价自适应控制模式针对亚射流过渡方式的适用性;讨论在自适应控制模式下,改变工艺参数和熔滴过渡方式时,近似熵值的变化;并对比自适应控制与普通脉冲控制在射滴过渡方式下的近似熵值大小.结果表明近似熵越小,自适应控制越成功,控制越有效.
2011, 60 (2): 020701.
doi: 10.7498/aps.60.020701
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针对PN结式微型核电池由于衬底掺杂浓度较大而造成的少子寿命短,收集效率低等缺点,提出使用硅基PIN结作为微型核电池的换能结构,构建了PIN换能结构的电学模型,并对其性能影响因素进行了分析和仿真,优化了换能结构参数.完成换能结构加工之后,分别使用63Ni,147Pm和241Am对换能结构进行了辐照实验.实验结果表明,PIN换能结构通过增加耗尽层宽度来增大电子空穴对的收集空间,通过使用保护环来降低漏电流,能够有效提高短路电流和开路电压,最终提升能量转换效率.
2011, 60 (2): 020702.
doi: 10.7498/aps.60.020702
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经典交流电渗理论是利用电场进行非机械式微流体驱动的基础.传统理论交流电渗理论以双电层理论为基础,通过耦合电场方程以及流场方程得到微电极表面交流电渗流速表达式,通常与实验流速相差较大. 以电极表面微观形貌对交流电渗流速的影响为研究目标,定义微电极表面粗糙度为微观形貌特征参数,建立了等效双电层模型,并对传统交流电渗流速公式进行了修正.理论并仿真分析了表面粗糙度对于交流电渗流速的影响,利用非对称电极对交流电渗微流体驱动进行了实验研究,并进行对比分析.结果表明,理论分析与实验结果具有较好的一致性.
2011, 60 (2): 020703.
doi: 10.7498/aps.60.020703
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报道了在V型槽图形衬底上利用分子束外延技术外延生长的GaAs/AlGaAs量子线.外延截面在扫描电子显微镜下可以看到在V型槽底部形成了弯月型量子线结构,量子线尺寸约为底边60 nm高14 nm的近三角形.低温87 K下光致发光谱测试在793.7和799.5 nm处出现峰值,验证了量子线的存在.理论近似计算结果显示,相比等宽度量子阱有8 meV的蓝移正是由于横向量子限制引起的.
基本粒子物理学与场
2011, 60 (2): 021101.
doi: 10.7498/aps.60.021101
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采用电弱统一标准模型, 对光子γ和中间玻色子Z0 混合圈链图传播子的构架方式及其重整化问题作了详细分析与讨论, 并完成了有关解析计算, 获得了由参与电弱相互作用的各种混合圈构成的γ和Z0的重整化链图传播子的解析计算结果. 此外, 我们还将此结果应用于高能物理中备受关注的一类轻子反应e+e-→μ+μ-中, 获得了在γ和Z0所构架出的重整化混合圈链图传播中e+e-→μ+μ-反应截面的解析计算结果, 并将本文所获得的这一理论计算结果与实验观测值作了对比分析, 发现本文理论计算结果与实验观测值符合非常好, 并由此也获得了有关辐射修正的重要信息. 本文研究结果也可为探讨一般复杂传播子的理论研究与应用提供某些参考.
2011, 60 (2): 021102.
doi: 10.7498/aps.60.021102
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基于等效定理和互易性原理研究了两相邻有限长介质圆柱的复合电磁散射问题,推导出该复合散射场的二阶散射场计算公式.将公式所得结果与矩量法结果进行了比较,并分析了两柱距离、圆柱长度和极化状态等参量对复合散射场的影响.
2011, 60 (2): 021201.
doi: 10.7498/aps.60.021201
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基于多元随机分析以及统计物理,建立了在系统强度与应力干涉下具有初始失效的多个状态以及多个相依子系统的可靠性模型. 在条件序列统计量的定义下推导了系统随机强度向量的概率密度函数;考虑各个子系统内零部件间的相干性,给出了不同结构的系统可靠性评估,将任意干涉系统可靠性表示为所有(n－i+1)/n(1≤i≤n)型冗余系统可靠性的线性组合. 为验证模型的有效性,基于二维Pareto分布给出了一个工程上的实例分析.
核物理学
2011, 60 (2): 022401.
doi: 10.7498/aps.60.022401
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用蒙特卡罗(MC)方法模拟高温、高压、多介质、大变形辐射输运问题时,由于网格体积悬殊,导致各网格通量的统计误差涨落很大,随着时间步的增加,误差积累甚至会导致计算结果失真.为此,发展了针对全局网格计算的源偏倚抽样技巧.用于源偏倚抽样的价值函数基于上个时间步各网格通量及误差,通过加权构造产生,它比传统MC通过解伴随方程获取价值的性价比要高得多.数值试验表明,全局源偏倚抽样通过自适应分配当前时间步各网格的粒子数,有效地降低了当前步重要网格通量误差.
原子和分子物理学
2011, 60 (2): 023101.
doi: 10.7498/aps.60.023101
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采用基于第一性原理的线性缀加平面波方法(FP-LAPW),研究Al掺杂SnO2材料Sn1-xAlxO2 (x= 0,0.0625,0.125,0.1875,0.25)的电子结 构和光学性质,包括能带结构、电子态密度、介电函数和其他一些光学性质.计算结果表明,掺杂Al之后价带上部分折叠态增加,价带宽度发生收缩,对导带底起作用的Sn 5s态减少,使得带隙增宽,且态密度整体向高能方向发生移动.随着Al掺杂量的增加带隙越来越宽,Al杂质能级在导带部分与Sn 5p态电子相互作用逐渐增强,虚部谱中的第一介电峰的强度随掺杂Al浓度增大而减弱.同时,吸收谱及其他光学谱线与介电函数虚部谱线相对应,各谱线均发生蓝移现象,对应带隙增宽,从理论上指出了光学性质与电子结构之间的内在关系.
2011, 60 (2): 023102.
doi: 10.7498/aps.60.023102
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利用密度泛函理论研究了Aun(n=2,3,4)团簇与乙醇分子的吸附机理.研究结果表明:Aun(n=2,3,4)团簇分别能够吸附1到n个乙醇分子,生成Aun-(C2H6O)1-n配合物;Au4团簇吸附乙醇分子有多种构型,通过分析吸附能和Mulliken电荷分布,确定了4个乙醇分子的吸附顺序及相应的稳定构型;Aun(n=3,4)团簇在吸附最后一个乙醇分子时改变了前面Au—O成键的作用模式,而是选择Au—H成键;作为吸附主体的金团簇和被吸附的乙醇分子在吸附前后构型变化都很少,它们之间的吸附作用为弱相互作用.
2011, 60 (2): 023301.
doi: 10.7498/aps.60.023301
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对大多数双原子分子电子态的高阶振动能谱,现代实验方法和量子力学理论计算都难以得到较精确的振动能级.文中应用基于二阶微扰理论的代数方法(AM)以及计算双原子分子离解能的新表达式研究了碱金属双原子分子Li2的33Σ+g,13Δg和23Πg,Na2的B1Πu以及K2的41Σ+g电子态的完全振动能谱{EυAM}和离解能,理论计算结果不仅与已有的实验值相符,而且还给出了实验尚未得到的高阶振动能级.这些结果为碱金属双原子分子精确振动能谱和离解能的科学研究提供了重要数据.
2011, 60 (2): 023401.
doi: 10.7498/aps.60.023401
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用最近改进的球高斯分布(distributed spherical Gaussian,DSG)极化势模型,在振动密耦合框架下和基于量子力学从头计算的静电势、交换势的基础上,研究了低能电子与H2分子碰撞振动激发的动量迁移散射截面(momentum transfer cross section,MTCS).通过包含18个振动波函数、5个分波和16个分子对称性,得到了0E≤10 eV时收敛性很好的ν=0→ν'=0,1,2,3等几个振动跃迁通道和总的MTCS,并与其他实验和理论得到的值进行了比较和分析.
2011, 60 (2): 023402.
doi: 10.7498/aps.60.023402
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利用第三代高效率电子动量谱仪,分别在600和1500 eV两种不同入射电子能量下获得了二茂铁(ferrocene)分子外价轨道的电离能谱和电子动量谱的相关实验结果.并利用非相对论与标量相对论密度泛函方法计算出了二茂铁的重叠型和交错型两种不同构象的理论动量谱.两种构象的外价轨道一一对应,理论电子动量谱基本一样.对二茂铁的外价轨道,在低动量区观测到了强烈的扭曲波效应,这与这些轨道主要由铁原子的3d轨道构成有关.通过相对论和非相对论计算结果的比较,表明相对论效应对于二茂铁的外轨道动量分布几乎没有影响.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2011, 60 (2): 024101.
doi: 10.7498/aps.60.024101
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利用将磁谐振器与共面短金属导线相结合的思想,设计了一种基于单面金属结构的二维左手材料. 理论分析与仿真结果均表明该结构在某一频段同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,并且相对左手带宽达到36%. 此外,该结构具有良好的容错能力,短金属导线宽度的变化对整体结构的谐振频率及通带宽度影响很小,这不仅有利于实际加工而且对于设计红外及太赫兹频率范围下的左手材料具有参考价值.
2011, 60 (2): 024201.
doi: 10.7498/aps.60.024201
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用矢量衍射方法分析了线偏振光入射到带有三环位相型光瞳滤波器的高数值孔径物镜时,焦点的轴向和横向光强分布.数值模拟结果表明,高数值孔径物镜聚焦时需同时考虑光强的轴向和横向分布.通过加入三环位相光瞳滤波器,在实现横向超分辨的同时实现了光学系统轴向焦深扩展和轴向光强分布平坦化,并且位相调制深度变化时,会出现轴向焦移现象.对三环位相光瞳滤波器结构进行了优化,得出了优化结果.
2011, 60 (2): 024202.
doi: 10.7498/aps.60.024202
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基于光传输理论,获得了弱调制情况下光学元件"缺陷"分布功率谱密度 (power spectral density, PSD)与光束近场强度分布PSD之间的定量关系;通过数值模拟的方法,针对高功率固体激光装置的基本单元(线性介质、非线性介质以及空间滤波器)对获得的理论关系进行了具体的验证和讨论.研究结果表明,弱调制下,只存在振幅型或位相型"缺陷"分布时,光学元件"缺陷"分布PSD与光束近场强度分布PSD通过近场强度分布PSD的系统传输因子联系,传输因子与系统的构型和运行状态有关.研究结果为光学元件"缺陷"分布指标的获得提供了理论基础,对高功率固体激光装置负载能力的提升起到了一定的指导作用.
2011, 60 (2): 024203.
doi: 10.7498/aps.60.024203
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表面等离子体激元是金属表面电子集体振荡,它以波的形式在金属和介质之间的界面中传播.近期Huck等证明等离子体激元可以处在压缩态,本文利用量子光学的热库理论,研究金波导损耗对表面等离子体激元压缩态的影响,并对Huck等的实验结果给与理论解释.
2011, 60 (2): 024204.
doi: 10.7498/aps.60.024204
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从主方程出发,通过解析求解密度矩阵非对角元,研究了压缩真空中Λ型三能级原子的电磁诱导透明现象(EIT).研究结果表明:EIT显著地依赖于相干光场的相位、压缩真空的压缩强度和压缩相位.Λ型三能级原子不但有电磁诱导透明和慢光速现象,而且还会表现出对探测光的增益、快光速和反向光速效应;且Λ型三能级原子对探测光场的吸收和增益与探测光强度有关,这与普通真空中不同.
2011, 60 (2): 024205.
doi: 10.7498/aps.60.024205
摘要 +
从理论上讨论了运用动态的Lorentz库环境实现对处于激发态的两能级原子演化过程的调控.研究发现,Lorentz库环境的变化导致腔内电磁模式与腔外电磁模式之间相互作用,从而产生电磁模式密度重新分配;当库环境的变化频率和原子与环境之间交换能量的过程保持一致时可以实现相对稳定的相干性演化,衰减效应得到明显的抑制.
2011, 60 (2): 024206.
doi: 10.7498/aps.60.024206
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讨论了利用光谱滤波器实现自启动的被动锁模掺Yb3+光纤环形激光器的锁模机理,并研制出全光纤结构超短脉冲掺Yb3+光纤环形激光器.使用980 nm二极管激光器作为抽运源,高掺杂浓度掺Yb3+光纤作为增益介质.在净群速度色散为正的环形腔中加入光谱滤波器,抑制Yb3+离子在1030 nm强发射峰的同时,通过对啁啾脉冲的光谱滤波实现脉冲压缩.光谱滤波器与光纤非线性偏振旋转效应相结合,实现了激光器在1053 nm可自启动、十分稳定的锁模运转.激光器锁模阈值功率300 mW,平均斜率效率18.3%,最大输出功率53.07 mW,对应最大输出脉冲能量3.2 nJ.锁模光脉冲中心波长1053.6 nm,3 dB带宽10.84 nm,重复频率16.45 MHz.锁模脉冲宽度为皮秒量级,经腔外光栅对压缩至188 fs.
2011, 60 (2): 024207.
doi: 10.7498/aps.60.024207
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建立了具有两个取样周期略有不同的取样光纤光栅反射镜的Vernier波长调谐机制的光纤分布布拉格反射式激光器的数值仿真模型,对激光器的输出特性进行了分析. 研究了激光器输出特性随着激光器前后光栅反射镜波长以及前后光栅反射镜反射率的变化关系. 提出了对两取样光栅反射率的优化配置方案,可以使输出激光的边模抑制比有所提高;同时对波长调节方式也进行了探讨;进行了实验研究.
2011, 60 (2): 024208.
doi: 10.7498/aps.60.024208
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提出一种全新的单抽运源、共轴双晶体实现黄光激光的方法,并对其进行了理论分析和实验研究.利用该方法在抽运功率为1.5 W时,获得了54 mW的黄光激光输出,激光不稳定度为5%,光-光转换率为3.6%,而利用对1064 nm损耗的方法在相同条件下只获得15 mW的黄光输出. 该方法结构简单、灵活多样,可以应用到很多弱增益谱线与强增益谱线和频的结构当中,实现诸如491,488,593.5,555和500.8 nm的激光输出.
2011, 60 (2): 024209.
doi: 10.7498/aps.60.024209
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从理论上分析了相位失配与材料吸收在利用GaSe非线性差频产生太赫兹(THz)波中的影响,计算得到了4种不同情况下的晶体最佳长度值和相应THz最大功率,计算了角度失配对于相位失配的影响,计算结果为非线性光学差频实验提供了重要参考依据和理论设计基础.
2011, 60 (2): 024210.
doi: 10.7498/aps.60.024210
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通过卟啉配合物Meso-四(4-羧基苯基)卟啉铜(简称Cu(Ⅱ)-TCPP)中的羧基与γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(NH2(CH2)3Si(OC2H5)3,KH550)中的氨基的相互化学作用,成功地把卟啉配合物接枝到KH550中,随着KH550中乙氧基的水解与聚合反应的进行,卟啉铜连接到固体介质中,从而大幅度提高了卟啉在无机固体介质中的掺杂浓度. 将反应产物与γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3,KH560) 相杂化,形成物化性能良好、连接卟啉的有机-无机复合材料. 用红外光谱表征了Cu(Ⅱ)-TCPP与KH550的化学反应产物,用紫外—可见吸收光谱研究Cu(Ⅱ)-TCPP的分子状态. 应用Z扫描技术研究不同Cu(Ⅱ)-TCPP掺杂浓度的复合材料的非线性光学性质,其三介非线性折射率n2达-1.1161×10-16 m2/W.
2011, 60 (2): 024211.
doi: 10.7498/aps.60.024211
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对基于新型非线性晶体BiB3O6(BIBO)的飞秒光参量变换过程的参量特性进行了研究. 计算了BIBO晶体三个光学主平面内的相位匹配条件和有效非线性系数,确定了克尔透镜锁模钛宝石激光器的基频光与倍频光抽运时最佳的光学主平面和相位匹配方式,并分析了三波的时间走离和空间走离,以及信号光的参量增益和带宽. 为利用基于BIBO晶体的飞秒光参量技术获得高能量、宽调谐、窄脉宽的光源提供理论依据和实验指导.
2011, 60 (2): 024212.
doi: 10.7498/aps.60.024212
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为了在飞秒激光抽运-探测(pump-probe)的超快测量中对探针光时间延迟量进行实时检测与有效控制,提出了一种四路同步移相干涉的光学测量系统.应用琼斯理论对该光学测量系统进行了优化设计与计算,推导出同步移相干涉系统各帧干涉图相应点的光强表达式,确定了相邻干涉图之间的相移步长,并给出了相位延迟量测量的解析表达式.最后,对光学系统在检测中可能存在的误差进行了计算分析,结果表明,系统的设计不仅能满足超快pump-probe精度的基本要求,而且优于目前同步移相干涉测量的光学设计,对于800 nm中心波长的探针光在理论上可达阿秒级的时间分辨率.
2011, 60 (2): 024213.
doi: 10.7498/aps.60.024213
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提出应用级联倍频方法提高倍频系统输出稳定性,并就该方法的有效性进行了理论分析和模拟计算.分析和计算结果不但证明级联倍频方法能实现倍频系统稳定输出,而且还表明可以通过仔细调节第一块倍频晶体中波矢方向 k 与光轴间夹角、两块倍频晶体间的间隔,能调节改变实现倍频系统最稳输出时所需第二块晶体的理论计算长度,使之与第二块倍频晶体的实际加工长度一致,最终实现系统稳定倍频输出.级联倍频方法在实现高输出稳定性的同时能实现高的倍频转换效率,对应用于光参量啁啾脉冲放大系统的高稳定抽运源系统的设计建造具有重要参考意义.
2011, 60 (2): 024214.
doi: 10.7498/aps.60.024214
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基于非线性薛定谔方程和热扩散的泊松方程,采用分步傅里叶算法以及多重网格法对厄米-高斯光束在不同形状的热非局域介质铅玻璃中的传输进行了数值模拟研究. 结果表明,低阶厄米-高斯光束可以较为稳定地在铅玻璃中传输. 高阶厄米-高斯光束在铅玻璃中传输变得不稳定,并且阶数越高,稳定性越差. 样品的形状对于厄米-高斯光束的影响很大. 在正方形样品中,厄米-高斯光束的传输与Snyder-Mitchell模型符合得相对较好. 在矩形样品中厄米-高斯光束在传输过程中的强度分布将发生较大的变化.
2011, 60 (2): 024215.
doi: 10.7498/aps.60.024215
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逆转换是影响光参量变换转换效率、参量光光束质量以及参量光输出稳定性的关键因素,随光斑分布和时间变化,逆转换现象很难消除.文中分析了光参量变换过程中的逆转换问题,研究了影响逆转换的关键因素.分析得出,适当的晶体长度、优化的抽运光斑截面类型、合适的谐振腔参数(对于振荡器)有利于降低逆转换,提高参量转换效率,改善参量光光束质量.根据理论分析结果,设计了脉冲砷酸钛氧钾(KTA)光参量振荡器,实验获得了270 mJ信号光和150 mJ闲频光输出,有效地抑制了逆转换的影响,参量转化效率达到了43%.
2011, 60 (2): 024216.
doi: 10.7498/aps.60.024216
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利用全矢量有限元法研究了一种混合导引型光子晶体光纤在纤芯折射率改变时,光纤导光机理和模式的演变特性.当纤芯折射率小于混合包层中空气孔包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"双带隙导引型";当纤芯折射率位于空气孔和高折射率两套包层的有效折射率之间时,芯模的导光机理为"单带隙+全内反射导引型";当纤芯折射率大于高折射率棒包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"全内反射导引型".并对该光纤在上述三种条件下的导光特性进行了比较和讨论.这些结果对设计特殊用途的光子晶体光纤具有指导意义.
2011, 60 (2): 024217.
doi: 10.7498/aps.60.024217
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利用时域有限差分法,对横电波(TE波)激励带电介质的亚波长一维金属光栅的光场分布进行了模拟分析,发现TE波在所研究的模型下具有异常透射现象.探究其物理本质,确定类导模共振理论是第一个峰和第二个峰产生的主要原因.在此基础上,从麦克斯韦方程出发,通过有效折射率法,确定了类Fabry-Perot(F-P)腔谐振是产生第三个峰的主要原因.从而完善了TE波在所研究的模型下产生异常透射现象的物理本质.为进一步研究TE波异常透射性的物理本质提供了一种完整的理论依据.
2011, 60 (2): 024218.
doi: 10.7498/aps.60.024218
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针对两环形腔与直波导耦合的系统,考虑光纤耦合器的插入损耗,发现两个耦合器反射值的不同匹配,却可以在谐振处得到相同的透过率峰值,因此可以不必限定某两个具体反射值,通过数值模拟得到中心频率处透过率峰值与群折射率的反比关系.由于群延迟与群折射率相对应,所以群延迟的增加势要以牺牲峰值透过率为代价.将增益介质加入到三环形腔与直波导耦合的系统中,可以使结构的色散响应由反常色散转化为正常色散,同样体现出慢光的特性.在频域和时域范围内分别对群延迟做了定量的分析.
2011, 60 (2): 024301.
doi: 10.7498/aps.60.024301
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由直径不同的两级直圆管连接而成的两级突变截面驻波管具有失谐性,即高阶共振频率不是一阶共振频率的整数倍. 两级突变截面驻波管的失谐性质能够很好地抑制一阶共振频率激励下的大振幅非线性驻波畸变产生的高次谐波,从而获得大振幅纯净驻波场. 通过对两级突变截面驻波管失谐性质的研究,采用大功率扬声器正接等措施,利用两级突变截面驻波管的失谐性质在一阶共振频率激励下获得了184 dB的极高纯净驻波场,并对二至五阶共振频率激励下的声场进行了相应的实验研究. 在二阶、四阶共振频率激励下分别获得了180和166 dB波形比较规整的大振幅非线性驻波,并在三阶、五阶共振频率激励下观察到了谐波饱和现象和锯齿波.
编辑推荐
2011, 60 (2): 024501.
doi: 10.7498/aps.60.024501
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对垂直振动作用下准二维二元混合颗粒系统的动态循环反转分层现象进行了系统研究,得到了频率与加速度的关系相图,并观测到分层的动态循环反转区域. 发现动态循环的反转周期与颗粒总体积的变化有单调递增关系. 利用Hong的竞争机制理论对动态循环反转的现象及其体积效应的机理给出了解释.
2011, 60 (2): 024502.
doi: 10.7498/aps.60.024502
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针对大范围运动规律为未知的刚-柔耦合系统研究其动力学特性.利用有限元方法对柔性梁进行离散,采用Lagrange方程建立平面柔性梁的刚-柔耦合动力学方程,研究在大范围运动为自由情况下,平面柔性梁的大范围运动和变形运动的相互耦合机理,比较零次模型、一次耦合模型及精确模型的差异,探讨各种模型的适用性.
2011, 60 (2): 024601.
doi: 10.7498/aps.60.024601
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分析了界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化条件下晶体材料界面摩擦滑动摩擦系数计算模型.结果表明:在弹性接触状态下,滑动摩擦系数与载荷及实际接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷增加而减小.在缓慢滑动时,滑动摩擦系数随滑动速度的增高而缓慢增大,相对滑动速度愈高,滑动摩擦系数增大趋势愈显著.滑动摩擦系数随晶格常数的增加而降低,而当晶格常数较大时,其变化对滑动摩擦系数影响较小.同时,滑动摩擦系数随原子的可能温升增加而增大.研究结论对工程应用及相关的理论研究具有一定的参考意义.
2011, 60 (2): 024701.
doi: 10.7498/aps.60.024701
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从描写赤道Rossby 波的正压大气位涡方程出发,采用多重尺度摄动方法推导出在切变基本纬向流中具有β效应的非线性赤道Rossby波包演变满足非线性Schrdinger方程,并得到单个包络孤立子波解,分析了基本切变流,β效应对非线性赤道Rossby波的影响.
2011, 60 (2): 024702.
doi: 10.7498/aps.60.024702
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采用水平移动射流方法模拟移动动量源,实验研究了该移动动量源在密度分层流体中生成准二维偶极子涡街的机理,分析了偶极子涡街的演化特性. 在系列实验基础上,获得了移动动量源在密度分层流体中能够演化为偶极子涡街的(Re,Fr)组合条件. 对不同的Re取值,获得了偶极子涡街无因次形成时间及其无因次涡街平均波长倒数与Fr之间的相关关系,表明它们不依赖于Re数,而与Fr近似为幂指数关系.
2011, 60 (2): 024703.
doi: 10.7498/aps.60.024703
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研究了非牛顿流体中的卡森流体在多孔介质中的流动特性.基于服从分形分布的弯曲毛细管束模型,运用分形几何理论推导出了该流体在多孔介质中流动的流量、流速、启动压力梯度和有效渗透率的分形解析解.模型中的每一个参数都有明确的物理意义,它将卡森流体在多孔介质中的流动特性与多孔介质的微结构参数有机联系起来.文中给出了卡森流体的流速、启动压力梯度和有效渗透率随着各影响因素的变化趋势,并进行了讨论.所得分形模型可以更深刻地理解卡森流体在多孔介质中流动的内在物理机理.
气体、等离子体和放电物理
2011, 60 (2): 025201.
doi: 10.7498/aps.60.025201
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以传统的固相反应法制备了Bi0.5Ba0.5FeO3陶瓷,并采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、直流阻温测试仪和交流阻抗分析仪测试了Bi0.5Ba0.5FeO3陶瓷的微结构和电性能.分析结果表明:Bi0.5Ba0.5FeO3陶瓷具有立方钙钛矿结构,颗粒尺寸约1.0 μm;在16—280 ℃范围内,Bi0.5Ba0.5FeO3陶瓷表现出明显的负温度系数热敏效应,其热敏常数、活化能分别为6490 K及0.558 eV;介电温谱揭示,在280 ℃下Bi0.5Ba0.5FeO3陶瓷材料没有出现相变行为.对于交流阻抗谱,采用3个串联的RQ(R与Q为并联)等效部件来拟合分析,拟合结果表明拟合数据与实验数据高度匹配,且这3个等效部件分别代表晶界、晶粒和晶壳的贡献.3个部件中,晶粒对陶瓷电阻阻值的影响最大,晶壳贡献次之,晶界最小,且3个部件电阻值都显示出负温度系数效应.在25—115 ℃范围内,电学模量虚部峰频与阻抗虚部峰频始终不匹配,意味着Bi0.5Ba0.5FeO3陶瓷体内部一直表现出局域导电机理.
2011, 60 (2): 025202.
doi: 10.7498/aps.60.025202
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针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法. 利用Drude-自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化. 从理论上比较了不同探针光波长反射率的区别,发现探针光波长为660 nm时比探针光波长为532 nm时获得的冲击波阵面反射率要高. 对探测器"致盲"问题也进行了研究. 通过分析反射信号的时间顺序和强度大小,发现"致盲"效应是由X光对透明窗口离化引起的. 同时,发现方波驱动脉冲平台的前沿到达时刻和X光离化效应出现的时刻相同,冲击波信号到达时刻晚于X光离化时刻. 通过实验结果,得到蓝宝石中冲击波速度为35 km/s时,其波阵面的反射率约为40%. 通过理论分析和实验数据比对的方法,验证了蓝宝石中的减速曲线. 给出了加蓝宝石窗口后的测速公式. 经过和实验对比,确认了测速公式的正确性.
2011, 60 (2): 025203.
doi: 10.7498/aps.60.025203
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对中心波长为800 nm,脉宽为100 fs的激光脉冲烧蚀空气中硅(111)产生的等离子体发射光谱进行了时间和空间分辨研究. 结果表明,在等离子体羽膨胀初期(小于50 ns时间范围内),等离子体发射光谱主要由连续光谱构成,此后连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位;在羽体膨胀过程中离子谱线的存在时间短于原子谱线的存在时间. 由时间分辨发射光谱发现在羽体膨胀过程中等离子体辐射波长存在红移现象,波长红移量随时间演化呈二次指数衰减. 最后给出等离子体发射光谱谱线强度的时空演化规律.
2011, 60 (2): 025204.
doi: 10.7498/aps.60.025204
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建立多价态多组分等离子体一维流体鞘层模型,引入电子温度各向异性系数并考虑出射电子速度分布,研究了电子温度各向异性对霍尔推力器中的BN绝缘壁面鞘层特性和近壁电子流的影响.分析结果表明,相比于纯一价氙等离子体鞘层参数,推力器中的多价态氙等离子体鞘层电势降略有降低,电子壁面损失增加,临界二次电子发射系数减小.推力器中的电子温度各向异性现象可以显著地加大出射电子能量系数,进而降低鞘层电势降,增强电子壁面相互作用.数值结果表明,空间电荷饱和机制下电子温度各向异性对鞘层空间电势分布影响显著.
2011, 60 (2): 025205.
doi: 10.7498/aps.60.025205
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建立了大面积矩形表面波等离子体(SWP)源全尺寸的三维模型,用数值模拟的方法研究了SWP源基于碰撞的功率吸收问题,给出了随等离子体参数变化的微波反射率曲线,分析了不同天线对微波功率沉积的影响,并讨论了微波功率吸收和表面波的定性关系. 结果发现,均匀放电的SWP源功率沉积本质是由表面波等离子体的性质决定的,等离子体密度太大或太小都不利于功率吸收. 在正常工作气压下,SWP源通过碰撞机理即可以实现微波功率的有效沉积,微波吸收率可达80%以上,与已有实验相符. 本研究同时发现,天线阵列激发的表面波模式越紧凑,强度越大,越有利于微波的吸收.
2011, 60 (2): 025206.
doi: 10.7498/aps.60.025206
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利用一维模型用数值模拟的方法,研究了低气压开放环境下大气等离子体在存在等离子体源的情况下的反应扩散过程.得到了考虑化学反应、扩散以及漂移共同作用下的大气等离子体的主要成分随等离子体注入流量的变化规律及一定流量情况下主要带电成分随时空的演化规律. 将数值模拟结果与一个近似解析公式相衔接,估计达到稳态时维持一定电子密度所需要的等离子体流量,可据此进一步估计所需功率.
2011, 60 (2): 025207.
doi: 10.7498/aps.60.025207
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在大气压条件下Ar气流中实现了容性射频放电α和γ两种模式及其转变与共存.由于放电处于开放大气环境中,放电发射光谱中清晰地存在 N2C3Πu→Β3Πg跃迁产生的第二正带和OH自由基 Α2Σ→Χ2Π跃迁的(0,0)带光谱.为了获得放电区域的宏观温度,针对氮的第二正带(0,1),(1,2)两个谱带,自编了拟合程序,用温度拟合方法获得了氮分子的转动温度和振动温度,研究了转动温度随放电功率的变化趋势,得到了温度突变与放电模式转变的相关性.利用Lifbase的发射光谱模拟功能,进行了OH自由基Α2Σ→Χ2Π(0,0)带光谱的模拟,通过与实验光谱对比,得到了与N2光谱拟合结果相符的OH转动温度,以及相似的随放电功率的变化趋势,这说明放电空间内的中性物种达到了热平衡状态.根据放电伏安特性变化,放电模式转变对应的转动温度变化趋势得到确认,并且与放电形态的照片符合.
2011, 60 (2): 025208.
doi: 10.7498/aps.60.025208
摘要 +
用与大型激光装置输出主激光脉冲同步的梳状脉冲作为时间标尺,标定强激光与靶丸作用的过程,对强场物理实验测量及模拟实现精密化具有重要的意义.报道了一种电光调制结合光学方法产生与主激光精确同步的多频率时标激光脉冲的光纤系统.采用电光调制产生150 ps快光脉冲,通过光纤堆积产生1053 nm的基频梳状脉冲信号,经过放大和倍频输出527和351 nm的绿光及紫外倍频梳状脉冲激光. 系统可稳定地为神光Ⅲ原型装置提供精密物理实验所必需的各种频率的时标激光,并且可根据物理实验需要灵活地调整梳状脉冲间隔和幅度,具有很好的适应性.
2011, 60 (2): 025209.
doi: 10.7498/aps.60.025209
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进行了1—4MA电流驱动的钨丝阵列负载的Z箍缩实验研究,通过丝阵参数、负载电极结构的优化设计及负载初始装配状态的控制优化X光辐射功率,在单、双层丝阵的内爆实验中分别获得5.3±1.0 TW和5.6±1.1 TW的峰值辐射功率,创同类装置上X光辐射功率的最高纪录.
2011, 60 (2): 025210.
doi: 10.7498/aps.60.025210
摘要 +
在激光惯性约束聚变(ICF)的辐射输运实验和理论研究中,输运管壁对于输运管内物质中的辐射能谱具有改造作用. 文中利用一维平面模型模拟了柱形输运管壁的辐射能流发射行为,给出了输运管壁的辐射能流不平衡度的计算公式. 结果表明,输运管壁内的电子温度梯度是引起输运管壁发射能流不平衡的原因. 利用不平衡度这一概念对输运管壁发射能流的不平衡性做了定量研究,并在ICF辐射输运实验的温度范围内给出了估算公式.
2011, 60 (2): 025211.
doi: 10.7498/aps.60.025211
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分析了自适应Q值算法的防碰撞原理以及射频识别(RFID)通信的时序,定义防碰撞过程的识别效率、识别速度和标签数目及Q值的数据状态(Q,n).在此基础上讨论并建立了多标签的状态转移过程的马尔科夫链模型.通过蒙特卡罗统计方法,对马尔科夫链模型求解,得出识别效率和识别速度.用软件无线电测试方案实现防碰撞测试,有效地实现了RFID防碰撞过程的识别效率和识别速度的量化分析.模型仿真结果和测试数据的一致证明了测试模型的有效性和测试方法的正确性.
2011, 60 (2): 025212.
doi: 10.7498/aps.60.025212
摘要 +
在惯性约束核聚变研究中,为了实现1μm高空间分辨keV-X射线成像,文中发展了菲涅耳波带板(FZP)直接成像的分析方法,并通过数值计算研究了FZP的成像特性.针对钛Kα线(光子能量4.51 keV,波长0.275 nm),提出了FZP参数,对制作技术的要求较低.研究了靶尺度的影响.FZP的有效视场使它能够对数毫米大尺度靶实现高分辨成像.还研究了入射光的光谱带宽对成像的影响.FZP的色差有助于单色成像,但是带宽超过限度会导致像的反衬度降低.这些结果表明FZP应用于聚变点火靶的高空间分辨X射线成像的能力,也为应用提出了要求.
2011, 60 (2): 025213.
doi: 10.7498/aps.60.025213
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基于麦克斯韦方程,在轴对称假设下建立了霍尔推力器磁场的数学模型.用有限差分方法对模型进行了离散.给出了数值求解模型的迭代法.通过对模型的数值求解,得到了相应的数值结果.通过对所得数值结果的分析,研究了磁场线圈电流变化对霍尔推力器磁场位形的影响.通过调整磁场线圈电流的大小找到了理想磁场位形.研究表明,对于理想磁场位形,内通道的磁镜比在3—3.5之间,外通道的磁镜比在0.4—0.9之间;增加磁场线圈的电流,出口的磁场强度随着增加,但不能增加磁镜比.通道内部的磁场强度几乎不随着磁场线圈电流的变化而变化.
2011, 60 (2): 025214.
doi: 10.7498/aps.60.025214
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通过比较两种不同结构切割炬所产生的等离子体流场,发现保护气对等离子体的温度和速度分布影响很小.垂直保护气在切割炬喷口形成阻碍作用,造成切割炬内的压强有所升高,但是增加不大.两种结构保护气对切割弧的影响只是在炬喷口外的激波附近.加入保护气后激波的强度会减弱.相对于没有保护气的情况,保护气增加冷却作用,弧电压会略有升高.当改变保护气的成分时,发现弧柱区的氧气含量不受影响,所以保护气成分的改变不会影响到弧电压.计算发现轴线处氧气和周围气体的混合很少,在喷口下游10mm处,氧气的摩尔分数仍在90%以上.
2011, 60 (2): 025215.
doi: 10.7498/aps.60.025215
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采用等离子体的分段线性电流密度卷积时域有限差分算法研究了横磁波入射时具有单一线缺陷的二维非磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性. 从频域角度分析得到微分高斯脉冲的透射系数,并讨论该光子晶体的晶格常数、介质圆柱半径、周期常数、缺陷层参数和等离子体参数对缺陷模特性的影响. 结果表明,改变周期常数、缺陷层位置和等离子体碰撞频率不会改变缺陷模的频率,改变缺陷层介质圆柱的相对介电常数、半径和缺陷层到介质层的中心距离可以在不改变禁带宽度的前提下实现对缺陷模的调节,改变晶格常数、介质圆柱半径和等离子体频率能同时实现对禁带宽度和缺陷模的调节.
2011, 60 (2): 025216.
doi: 10.7498/aps.60.025216
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设计制作了单面有氧化铟锡(ITO)导电介质层的双玻璃介质层的介质阻挡放电装置,研究了其放电特性,并将其与双玻璃介质层和单玻璃介质层的介质阻挡放电进行了比较.从电荷输运的角度分析,上述三种装置分别实现了电荷的二维、零维和三维输运.采用两种不同的双玻璃介质层装置,获得了单个稳定的放电丝.与无ITO导电层的双玻璃结构得到的单个放电丝相比,单面有导电ITO介质的双玻璃结构中,单放电丝呈"T"字型,其光晕是前者光晕的2倍,其放电电流大于前者电流,其放电时间间隔长短交替现象更为明显,且存在强度大小交替的现象.分析表明,壁电荷输运及二次电子发射的不同导致了不同电介质结构放电特性的不同.
2011, 60 (2): 025217.
doi: 10.7498/aps.60.025217
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建立了一个简单的高功率微波(HPM)介质表面击穿释气模型,并采用PIC(partiele-in-cell)-MCC(Monte Carlo collisions)方法,通过自行编写的介质表面击穿数值模拟程序对不同释气条件下的介质表面HPM击穿过程进行了数值模拟研究,得到了击穿过程中电子数量等的时间图像和不同释气速度下的击穿延迟时间.模拟结果表明,对于具有一定时间宽度的HPM脉冲,当介质表面气体脱附速度较小时,由于介质表面气体层形成太慢而不会发生击穿;只有当脱附速度大于一定值时,击穿才会发生且击穿延迟时间在一定范围内随着脱附速度的增加而缩短.最后,将数值模拟得到的介质表面HPM击穿数据,与单极性表面击穿的实验诊断图像进行了对比,两者的发展趋势符合很好.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2011, 60 (2): 026101.
doi: 10.7498/aps.60.026101
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基于迭代变电荷方法,用分子动力学模拟了非晶态石英的结构与振动特征.首先利用熔化-猝火方法得到了非晶石英的平衡结构.在此基础上获得了体系不同原子对之间的对关联函数、键角分布函数和振动频谱等,结果与实验数据均符合较好.变电荷方法的计算结果表明,非晶石英体系内粒子的电荷与石英晶体内粒子电荷显著不同,并且出现了较大的涨落.
2011, 60 (2): 026102.
doi: 10.7498/aps.60.026102
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基于密度泛函理论框架下的平面波超软赝势方法,分别计算了102GPa压力下LiF理想晶体、含Li-1空位和F+1空位点缺陷晶体时的电子结构和光学性质.结果表明: 空位点缺陷的存在使得LiF能隙中出现了缺陷态;在可见光范围内,空位点缺陷的存在不会影响LiF的高压光吸收性(吸收系数仍为零); 在紫外光波段,Li-1空位存在时在约99—114 nm波段内出现了弱的吸收, F+1空位存在时在约99—262 nm波段内出现了明显的吸收; Li-1,F+1两种空位分别存在时对LiF的反射谱和能量损失谱产生的影响都集中在紫外光区,与对光吸收产生的影响相似.
2011, 60 (2): 026103.
doi: 10.7498/aps.60.026103
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采用基于密度泛函理论的第一原理平面波赝势方法,研究了MgH2, LiBH4,LiNH2,NaAlH4几种高密度储氢材料及其合金的释氢及影响机理.结果表明:高密储氢材料MgH2,LiBH4,LiNH2,NaAlH4都比较稳定,释氢温度都很高,合金化可以降低它们的稳定性,但系统稳定性不是决定高密度储氢材料释氢性质的关键因素;带隙的宽窄基本可以表征储氢材料成键的强弱,能隙越宽,键断开越难,释氢温度就越高;LiNH2价带顶成键峰主要由Li—N成键贡献,N—H键构成较低的峰,使得LiNH2储氢材料的带隙虽很窄释氢温度却较高,且放氢过程中有氨气放出;合金化使得几种高密度储氢材料的带隙变窄,费米能级进入导带,从而使它们的释氢性能大大改善;电荷布居分析发现LiBH4中B—H键最强,LiNH2中H—N键最弱,因此LiNH2中H相对容易放出.合金化后,各储氢材料中X—H键强度都有所降低,且LiMgNH2中N—H键强度最低,因此从降低释氢温度角度,发展LiNH2储氢材料最为有利.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2011, 60 (2): 027101.
doi: 10.7498/aps.60.027101
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首先计算了(001)晶面单轴应变张量,在此基础上采用结合形变势理论的K ·P微扰法建立了在(001)晶面内受任意方向的单轴压/张应力作用时,应变硅材料的能带结构与应力(类型、大小)及晶向的关系模型,进而分析了不同单轴应力(类型、大小)及晶向对应变硅材料导带带边、价带带边、导带分裂能、价带分裂能、禁带宽度的影响.研究结果可为单轴应变硅器件应力及晶向的选择设计提供理论依据.
2011, 60 (2): 027102.
doi: 10.7498/aps.60.027102
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结合应变硅金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)结构,通过求解二维泊松方程,得到了应变Si沟道的电势分布,并据此建立了短沟道应变硅NMOSFET的阈值电压模型.依据计算结果,详细分析了弛豫Si1－βGeβ中锗组分β、沟道长度、漏电压、衬底掺杂浓度以及沟道掺杂浓度对阈值电压的影响,从而得到漏致势垒降低效应对小尺寸应变硅器件阈值电压的影响,对应变硅器件以及电路的设计具有重要的参考价值.
2011, 60 (2): 027103.
doi: 10.7498/aps.60.027103
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通过水冷提高凝固速率及降低基体金属对熔覆层的稀释,采用改进的钨极惰性气体氩弧熔覆的方法,原位制备了大厚度(1—5 mm)Fe基非晶/纳米晶复合涂层.利用X射线衍射,光学显微镜和透射电子显微镜对涂层成分和组织进行分析,并测试了涂层的显微硬度.结果表明,采用快冷熔覆的方法可以制备出含有50%以上非晶含量的非晶/纳米晶复合涂层,涂层内纳米晶颗粒表面被非晶过渡层包覆.较厚涂层的显微硬度达到1600HV0.3,与基体为冶金连接,有良好的结合强度及耐磨性.非晶/纳米晶复合结构使得涂层与基体之间的过渡区具备较强的弹塑性,提高了涂层的抗冲击性. 最后重点讨论了微观结构和性能之间的内在联系,涂层内非晶相与纳米晶相的协同作用是造成涂层高硬度的主要原因.
2011, 60 (2): 027104.
doi: 10.7498/aps.60.027104
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采用基于第一性原理的分子动力学方法对掺氮四面体非晶碳进行结构建模,并对其显微结构和电子结构进行了研究. 氮在非晶碳网络中的配位形态与密度没有明显关系,主要是以三配位形态存在,其次是两配位,四配位氮的比例很小. 掺氮后碳网络结构sp2含量大大增加,随着氮含量的增加,费米能级附近态密度增加. 氮掺入后并未使费米能级发生明显移动.
2011, 60 (2): 027105.
doi: 10.7498/aps.60.027105
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稀磁GaMnAs外延膜中的Mn含量会影响外延膜的空穴浓度和应变弛豫.Raman散射研究表明,Mn含量为3%的超薄GaMnAs样品的空穴浓度大于2%样品,4%样品的空穴浓度小于3%样品.应变弛豫理论和高分辨X射线衍射研究表明,Mn含量为2%和3%的超薄GaMnAs外延层分别处于准共格或低弛豫状态,Mn含量为4%的GaMnAs外延层的弛豫度明显大于3%样品的弛豫度.我们认为,准共格或低弛豫度状态对空穴浓度随Mn含量的变化趋势几乎没有影响,较大弛豫度的应变状态将导致样品外延层产生较多缺陷,影响能带结构和能级,引起空穴浓度异常减小.
2011, 60 (2): 027106.
doi: 10.7498/aps.60.027106
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基于透热模型,采用量子化学从头计算法研究了CH3O(X2E)自由基中电子-振动-自旋轨道相互作用.透热势能面通过CASPT2/cc-pVTZ方法计算获得.通过对比实验数据,计算得到的电子-振动-自旋能级较以往的报道获得了更精确的计算结果.
2011, 60 (2): 027201.
doi: 10.7498/aps.60.027201
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为了探索高分子有机场效应晶体管(OFET)中高分子自组织机理与电荷传输的关联性,采用同步辐射掠入射X射线衍射技术研究了高分子OFET中以高度区域规则的聚(3-己基噻吩)(RR-P3HT)为代表的半导体层的结晶行为及微观结构组织变化,及其引起的高分子半导体电荷传输机理.研究发现,采用自组装单分子层(SAMs)技术进行界面修饰,可以完善绝缘层与RR-P3HT半导体层之间的界面效果.SAMs的形成改善了界面,可以有效地控制上层RR-P3HT半导体层的结晶性及微观结构,使较多的噻吩环面垂直于衬底、得到π-π堆积方向平行于衬底的二维微晶粒薄片结构,这种微观结构有效地形成了二维共轭电荷传输通道,完善了在RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机理;并且对于RR-P3HT半导体工作层来说,慢速生长过程比快速生长过程更有利于有效的二维共轭微晶粒薄片生长,更能完善RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机理.
2011, 60 (2): 027202.
doi: 10.7498/aps.60.027202
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用熔融退火结合放电等离子烧结法制备了In0.3Co4Sb12-xSex(x=0—0.3)方钴矿热电材料,探讨了In的存在形式,系统研究了Se掺杂量对结构和热电性能的影响.结果表明:In可以填充到方钴矿二十面体空洞处,过量In在晶界处形成InSb第二相,Se对Sb的置换使晶格常数减小,In填充上限降低;In0.3Co4Sb12-xSex样品呈n型传导,随着Se掺杂量的增大,载流子浓度降低,电导率下降,Seebeck系数增大,功率因子有所降低;由于在结构中引入了质量波动及晶格畸变,适量的Se掺杂可以大幅降低材料晶格热导率;样品In0.3Co4Sb12和In0.3Co4Sb11.95Se0.05的最大ZT值均达到1.0以上.
2011, 60 (2): 027203.
doi: 10.7498/aps.60.027203
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采用有机凝胶法结合高温烧结制备了Sm0.9Sr0.1Al1-xCoxO3-δ (SSAC,x = 0.2,0.4,0.5,0.6) 系列钙钛矿结构混合导电陶瓷,并详细讨论了烧结温度和Co掺杂量对其晶体结构、相组成和电性能的影响.X射线衍射结果显示,过高的烧结温度或Co掺杂量都会导致杂相Sm(Sr)CoO3生成,Co在该体系的固溶限位于50mol%—60mol%之间,Co对Al的部分取代使晶格体积增大.电性能测量结果表明,SSAC陶瓷的电导率主要取决于p型电导,其导电行为符合小极化子跳跃导电机制;随着烧结温度的升高,材料的电导率逐渐增大;在固溶限内随Co含量的增加,SSAC陶瓷的电导率增大,表观活化能减小;1200 ℃烧结10 h制得的单相Sm0.9Sr0.1Al0.5Co0.5O3-δ陶瓷体在800℃的电导率达63.4 S/cm,表观活化能为0.14eV.具有良好电性能的SSAC导电陶瓷有望应用于高温电化学领域.
2011, 60 (2): 027301.
doi: 10.7498/aps.60.027301
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在等离子体增强化学气相沉积系统中利用大氢稀释逐层淀积技术制备nc-Si量子点阵列,用硅烷和氨气混合气体淀积氮化硅层,制备了a-SiNx/nc-Si/a-SiNx不对称双势垒结构,其中隧穿和控制a-SiNx层的厚度分别为3和20 nm.利用电导-电压和电容-电压测量研究结构中的载流子隧穿和存储特性.在同一样品中观测到由于电荷隧穿引起的电导峰和由于电荷存储引起的电容回滞现象.研究结果表明,合理地选择隧穿层和控制栅层的厚度,就能够实现载流子发生共振隧穿进入到nc-Si量子点中,并被保存在nc-Si量子点中.
2011, 60 (2): 027302.
doi: 10.7498/aps.60.027302
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应用第一性原理系统地研究了不同端面Si2CN4(010)模型的表面特性.通过3种可能表面模型解离能的比较,表明位于SiN层内的Si—NⅡ 键结合最强,而与碳二亚胺链状结构相连的Si—NⅠ 键结合最弱,因此易于形成以Si/NⅠ 键为端面的表面.文中还研究了弛豫前后表面的原子结构和电子特性,表面的NⅠ 原子容易形成新键,这是由于不饱和的NⅠ 原子在费米能级处有较高的态密度,电子结构不稳定,相反表面C原子状态较稳定,无明显的成键趋势.
2011, 60 (2): 027303.
doi: 10.7498/aps.60.027303
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为增强晶体硅太阳电池的光利用效率,提高光电转换效率,研究了金属银纳米颗粒的光学散射性质.基于银纳米粒子表面等离子激元效应和MIE散射理论,采用Matlab数值计算,理论分析了不同银纳米颗粒尺寸和银粒子分布密度对太阳光谱各波长的散射特性.获得了实现高的光透过率所需最佳银纳米颗粒半径范围,研究发现随着银纳米颗粒半径增加,偶极峰红移、高极峰逐渐出现.定量地给出了最佳颗粒分布密度随银粒子半径的变化规律,建立了计算减反射膜透射率的理论方法,找到了银纳米颗粒光学透过率的简单函数表达式,能为实验研究提供理论指导.
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2011, 60 (2): 027304.
doi: 10.7498/aps.60.027304
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基于单电子隧穿和库仑阻塞效应,研究了硅量子线中的单电子输运特性.利用绝缘体上硅薄膜材料作为衬底构建侧栅结构的硅量子线单电子晶体管,通过背栅和侧栅对量子线的电子输运特性进行调制.实验发现,在硅量子线中分别观察到背栅和侧栅调制的单电子效应和库仑振荡现象.从微分电导的二维灰度轮廓图,清楚地观察到了库仑阻塞区,说明由于栅压导致在硅量子线中形成了库仑岛.
2011, 60 (2): 027305.
doi: 10.7498/aps.60.027305
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小尺寸金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件由于具有超薄的氧化层、关态栅隧穿漏电流的存在严重地影响了器件的性能,应变硅MOSFET器件也存在同样的问题.为了说明漏电流对新型应变硅器件性能的影响,文中利用积分方法从准二维表面势分析开始,提出了小尺寸应变硅MOSFET栅隧穿电流的理论预测模型,并在此基础上使用二维器件仿真软件ISE进行了仔细的比对研究,定量分析了在不同栅压、栅氧化层厚度下MOSFET器件的性能.仿真结果很好地与理论分析相符合,为超大规模集成电路的设计提供了有价值的参考.
2011, 60 (2): 027306.
doi: 10.7498/aps.60.027306
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用脉冲激光沉积法在(111)Si衬底上成功制备了高度择优取向的Fe3O4薄膜.电阻-温度关系表明Fe3O4薄膜的Verwey转变(TV)约在122 K,低温段(TTV)输运特征满足Mott变程跳跃模型,高温段(T>TV)为小极化子输运.激光作用下的光电导实验发现,在整个温区表现为光致电阻率减小,而且低温段的电阻变化率比高温段要大很多.分析认为Fe3O4薄膜的光致电阻率变化主要与激光激发t2g电子的转移有关.
2011, 60 (2): 027307.
doi: 10.7498/aps.60.027307
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运用第一性原理的密度泛函理论,结合非平衡格林函数,研究了氮原子取代掺杂手性单壁(6,3)碳纳米管的电子结构和输运特性.计算结果表明:不同构形和不同数目的氮原子取代掺杂对手性碳管的输运性质有很复杂的影响.研究发现,氮原子掺杂明显改变了碳管的电子结构,使金属型手性碳管的输运性能降低,电流-电压曲线呈非线性变化,而且输运性能随着杂质原子间间距的变化而发生显著改变.在一定条件下,金属型碳管向半导体型转变.
2011, 60 (2): 027401.
doi: 10.7498/aps.60.027401
摘要 +
通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和圆柱形永磁体在液氮温度、零场冷、轴对称情况下磁悬浮力的测量,研究了两种不同组态下辅助永磁体对超导体磁悬浮力特性的影响.实验结果表明,当长方体辅助永磁体水平磁化、且磁极N指向超导体时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N增加到61.5 N,增加为没有引入辅助永磁体时的206%.当长方体辅助永磁体的N极与圆柱形永磁体的N极反平行时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N减小到19.6 N,减小为无辅助永磁体时的65.8%.这些研究结果说明,通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式,能有效地提高超导体的磁悬浮力.该研究结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.
2011, 60 (2): 027501.
doi: 10.7498/aps.60.027501
摘要 +
研究了PrxFe82-x-yTiyCo10B4C4 (x=9—10.5;y=0, 2)纳米晶薄带的结构与磁性. 结果表明,所有薄带皆主要由2∶14∶1, 2∶17和α-(Fe, Co)三相组成. 对于y=0的合金,其内禀矫顽力随Pr含量x的增加而增加,剩磁随Pr含量x的增加而减小. 以Ti置换部分Fe (y=2),合金的磁性能得到显著提高,表现为:添加Ti后,合金的剩磁Br基本不降低,x=10.5时合金的Br值甚至有较明显的提高;同时添加Ti后,合金的内禀矫顽力及退磁曲线的方形度都明显改善. 当x=10.5,y=2时,合金薄带的磁性能达到最佳值为: Br=9.6 kGs(1 Gs=10-4 T),iHc =10.2 kOe(1 Oe=79.5775 A/m)和(BH)max＝17.4 MGOe. 随着Pr含量的提高,合金中的硬磁相2 ∶14 ∶1的含量相对增加,内禀矫顽力提高;而Ti置换Fe抑制了软磁相α-(Fe, Co)在快淬和热处理过程中的优先长大,使合金中软磁相和硬磁相的晶粒尺寸及比例趋向最佳组合,交换耦合作用明显增强.
2011, 60 (2): 027502.
doi: 10.7498/aps.60.027502
摘要 +
采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理分析了Ni掺杂ZnO磁性质.文中计算了8个不同几何结构的铁磁(FM)和反铁磁耦合能量,结果表明FM耦合更稳定.态密度结果显示Ni 3d 与O 2p发生杂化,导致费米能级附近电子态自旋极化.文中也分析了O空位对Ni掺杂ZnO铁磁性质的影响,O空位通过诱导电子调节FM耦合,从而稳定Ni掺杂ZnO铁磁性质,其强度足以引发室温铁磁性.通过Ni 3d能级耦合具体分析了Ni 掺杂ZnO铁磁性起源.另外,也分析了晶格应变对Ni掺杂ZnO FM耦合的影响.
2011, 60 (2): 027701.
doi: 10.7498/aps.60.027701
摘要 +
采用金属有机物分解法在Pt/Ti/Si(111)基底上制备了退火温度分别为600℃,650℃,700℃的Bi3.15Eu0.85Ti3O12(BET)铁电薄膜,并对其结构及铁电性能进行了测试,再使用扫描探针显微镜对BET薄膜的电畴翻转进行了实时观测.BET薄膜c畴发生180°畴变的最小电压为+6V,而r畴由于其高四方性,即使极化电压增至+12V也不会发生翻转.薄膜的铁电性主要源于c畴的极化,随着退火温度的升高,c畴的区域面积增加,BET薄膜的剩余极化强度随之增大.退火温度为700℃的BET薄膜剩余极化强度达到84μC/cm2.
2011, 60 (2): 027801.
doi: 10.7498/aps.60.027801
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基于坐标变换理论推导了任意多面体隐身罩的隐身条件,并得到了相应隐身罩材料参数的张量表达式.根据导出的材料参数的张量表达式,通过全波仿真分别对正四面体和十四面体隐身罩进行仿真验证,仿真结果证实了所得材料参数张量表达式的正确性,研究结果为三维复杂形状隐身罩的设计奠定了理论研究基础.
2011, 60 (2): 027803.
doi: 10.7498/aps.60.027803
摘要 +
采用化学共沉淀法制备了系列Y1.98-2xYb2x Er0.02SiO5(0.00≤x≤0.15)以及Y1.736Yb0.24Er0.02Tm0.004SiO5上转换发光材料,比较了室温下Y1.98-2xYb2x Er0.02 SiO5 (x=0.00,0.08)样品在400—1600 nm范围内的吸收光谱,测量了所有样品在976 nm OPO激光器激发下的上转换发射光谱,以及Er3+离子4S3/2(4F9/2)→4I15/2,Tm3+离子1G4→3H6荧光衰减曲线和不同激发功率下的上转换蓝光发射强度,从而分析讨论了Er3+,Tm3+在Y2SiO5中的上转换发光机理.研究结果表明:在1250 ℃相对较低的温度下合成了X2型单斜晶系Y2SiO5 ∶Ln3+(Ln3+=Er3+,Yb3+,Tm3+),Yb3+的敏化显著增强了样品在976 nm附近的吸收能力,并大幅度加宽了该处的吸收带.分析上转换发射光谱发现:上转换绿光和红光强度都随着Yb3+浓度的增加先增强后减弱,但红光的猝灭浓度较高,归因于Er3+→Yb3+反向能量传递ETU4和Yb3+→Er3+正向能量传递ETU3过程的发生;上转换蓝光发射是三光子吸收过程,是通过Yb3+,Tm3+之间三次声子辅助的能量转移方式实现的.
2011, 60 (2): 027804.
doi: 10.7498/aps.60.027804
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根据钛宝石飞秒激光器的色散补偿要求设计了单次反射平均补偿量为-60 fs2的GT(Gires-Tournois)镜,采用离子束辅助沉积技术结合光学监控技术制作了器件.用分光光度计对650—950 nm波段薄膜反射率进行测试,结果表明反射率测试曲线与设计曲线十分符合,同时利用白光干涉系统对群延迟色散进行了测试,测试结果与设计符合得很好,实际的色散曲线振荡基本控制在±20 fs2以内.应用该GT镜进行钛宝石飞秒激光系统的色散补偿,取得了很好的锁模效果,得到了29 fs的超短脉冲.
2011, 60 (2): 027901.
doi: 10.7498/aps.60.027901
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利用Nd:YAG纳秒激光(波长为1064 nm)在不同气氛(空气、N2,真空)中对单晶硅进行累积脉冲辐照,研究了表面微结构的演化情况.在激光辐照的初始阶段,与532和355 nm纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同,1064 nm脉冲激光诱导出了微孔结构和折断线结构,并且硅的晶面取向不同,相应的折断线结构也不同.对于Si(111)面,两条折线交角为120°或60°,形成网状;而对于Si(100)面,两条折断线正交,从而将表面分成了15—20 μm的矩形块.结果表明,微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关,而折断线的形成主要是热应力作用的结果.不同气氛对微结构形成的影响表明,刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
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2011, 60 (2): 028101.
doi: 10.7498/aps.60.028101
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使用低、高温两步法生长的高质量Ge薄膜作为缓冲层,在Si(001)衬底上采用分子束外延法生长出Ge0.975Sn0.025合金薄膜.X射线双晶衍射和卢瑟福背散射谱等测试结果表明,Ge0.975Sn0.025合金薄膜具有很好的晶体质量,并且没有发生Sn表面分凝.另外,Ge0.975Sn0.025合金薄膜在500 ℃下具有很好的热稳定性,有望在Si基光电器件中得到应用.
2011, 60 (2): 028102.
doi: 10.7498/aps.60.028102
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提出了一种测量群延迟的新方法,利用白光干涉仪产生的光谱干涉,通过时间频率联合分析直接得出群延迟,减小了传统相位差分方法产生的误差,并通过测量结果减去系统背景,进一步提高了光学元件色散测量的准确度. 该方法适合于具有复杂色散光学元件群延迟和色散的准确测量,也适合于慢光器件群速度延迟的测量.
2011, 60 (2): 028103.
doi: 10.7498/aps.60.028103
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利用非平衡格林函数方法研究了由半无限长扶手椅型和锯齿型边界石墨纳米带连接而成的L型石墨纳米结的热输运性质.结果表明,L型石墨纳米结的热导依赖于L型石墨纳米结的夹角和石墨纳米带的宽度.在L型石墨纳米结的夹角从30°增加到90°再增加到150°过程中,其热导显著增大.夹角为90°的L型石墨纳米结的热导随着扶手椅型纳米带宽度增加时,在低温区热导随着宽度的增大而降低,在高温区热导随宽度的增大而升高.对于夹角为150°的L型石墨纳米结,其热导无论是在低温区还是在高温区都随着锯齿型纳米带宽度的增加而降低.利用声子透射谱对这些热输运现象进行了合理的解释.研究结果阐明了不同L型石墨纳米结中的热输运机理,为设计基于石墨纳米结的热输运器件提供了重要的物理模型和理论依据.
2011, 60 (2): 028104.
doi: 10.7498/aps.60.028104
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利用自制多功能微弧氧化(MAO)电源,在保持电学参数和处理时间不变的条件下对TC4钛合金表面进行了MAO处理,研究了Al(OH)3溶胶浓度对钛合金MAO膜的生长特性、微观结构、相结构和电致变色特性的影响.结果表明:随着Al(OH)3溶胶浓度(体积分数)C的增加,膜层的生长速率由慢到快逐渐增加,膜表面微孔尺寸和粗糙度逐渐增大,而微孔密度逐渐减小;当C≤10%时,膜层由锐钛矿相TiO2组成,而当C>10%时,膜层中开始出现金红石相TiO2并随着C的增加其相对含量逐渐增大,并在C=40%时,膜层全部由金红石相TiO2组成;在pH＝2.0的HCl溶液中的循环伏安测试结果表明,C≤20%制备试样的膜层颜色变化不明显,随着C的进一步增加,制备试样的膜层颜色变化逐渐明显,并在C=40%时,其着色呈蓝色且色泽均匀;该试样在循环伏安测试过程中还表现出了良好的稳定性和可逆性.
2011, 60 (2): 028105.
doi: 10.7498/aps.60.028105
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利用直流脉冲磁控溅射方法在室温下通过改变O2流量制备具有不同晶体结构的N掺杂TiO2薄膜,利用台阶仪、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计等设备对薄膜沉积速率、化学成分、晶体结构、禁带宽度等进行分析.结果表明:所制备的薄膜元素配比约为TiO1.68±0.06N0.11±0.01,N为替位掺杂,所有样品退火前后均未形成Ti—N相结构,N掺杂TiO2薄膜的沉积速率、晶体结构等主要依赖于O2流量.在O2流量为2 sccm时,N掺杂TiO2薄膜沉积速率相对较高,薄膜为非晶态结构,但薄膜内含有锐钛矿(anatase)和金红石(rutile)相晶核,退火后薄膜呈anatase和rutile相混合结构,禁带宽度仅为2.86 eV.随着O2流量的增加,薄膜沉积速率单调下降,退火后样品禁带宽度逐渐增加.当O2流量为12 sccm时,薄膜为anatase相择优生长,退火后呈anatase相结构,禁带宽度为3.2 eV.综合本实验的分析结果,要在室温条件下制备晶态N掺杂TiO2薄膜,需在高O2流量(＞10 sccn)条件下制备.
2011, 60 (2): 028106.
doi: 10.7498/aps.60.028106
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针对高重复频率对吸收性滤光片损伤问题,研究了高重复频率(kHz量级)激光脉冲的光束半径大小对吸收玻璃的形貌特征和损伤机理.研究发现在总的激光作用个数、单脉冲能量和脉冲作用频率固定时,吸收玻璃的损伤特性发生很大变化:在光束半径较大时,激光能量分散,主要损伤形貌是熔化破坏;随着光束半径的减小,激光脉冲能量变得集中,热量的累积效果变得明显,逐渐变成熔化破坏和气化破坏;当激光光束半径小到一定程度,则会由于光强过大使得介质表面发生击穿而产生激光等离子体冲击波,同时由于热量沉积的集中使光束作用中心处产生超热液体,当满足相爆炸发生的条件时,气化物、液滴和固体颗粒的混合物会向外飞溅,在损伤凹陷的周围形成气化物、液滴的冷凝区和固体颗粒溅射区.
2011, 60 (2): 028201.
doi: 10.7498/aps.60.028201
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基于考虑了Fe-3d电子间的库仑作用U和交换作用J的GGA+U方案,应用第一性原理计算系统研究了LiFePO4的晶格动力学性质.我们计算并分析了玻恩有效电荷张量、布里渊区中心的声子频率和声子色散曲线.玻恩有效电荷张量显示各向异性,佐证了LiFePO4中锂离子沿一维通道[010]方向迁移的机理.布里渊区中心点声子频率的计算值和相应的实验结果符合得比较好.
2011, 60 (2): 028501.
doi: 10.7498/aps.60.028501
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针对硅材料和硅基器件辐照损伤机理之间存在的矛盾,采用对单结晶体管基区电阻实时监测的方法,得到单结晶体管基区阻值随γ射线辐照剂量的增加先减小后增大的规律.结合国内外硅材料和器件的辐照理论,从γ射线与物质的微观作用分析,提出单结晶体管基区主要的γ射线辐照机制位移效应较电离效应具有一定滞后性的观点,解决了原有矛盾,对器件加固的研究具有重要意义.
2011, 60 (2): 028502.
doi: 10.7498/aps.60.028502
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在自行研发的0.8 μm SOI工艺平台上开发了基于SOI技术的单层多晶硅EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)和SONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-silicon)EEPROM,并进行了抗总剂量辐照实验研究,分析了各种EEPROM结构在抗总剂量辐照下的失效机理.结果表明基于SOI 技术的SONOS EEPROM具有良好的抗总剂量辐照性能,为抗辐照EEPROM电路中的存储单元结构选取提供了依据.
2011, 60 (2): 028503.
doi: 10.7498/aps.60.028503
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采用软件理论分析的方法对p型及n型掺杂的GaN间隔层在InGaN/GaN多量子阱双波长发光二极管中对光谱调控作用进行模拟分析.分析结果表明,掺杂的GaN间隔层的引入,可以有效地控制各阱中的电子或空穴浓度,很好地解决了双波长发光二极管中两种阱发光强度不均的问题,并且通过控制阻挡层的厚度,可以调控两种阱中的载流子浓度,从而调控发光峰的相对强度.这些可以归因于掺杂GaN间隔层对电子或空穴的阻挡作用.
2011, 60 (2): 028701.
doi: 10.7498/aps.60.028701
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相位重建是实现X 射线相干衍射成像的关键, 它利用远场采集的样品傅里叶相干衍射花样、结合过采样理论,再采用迭代算法复原样品的相位信息. 文中采用数字模拟的方法, 利用小尺寸二维非周期性图形作为物场, 研究了过采样比对重构结果的影响, 研究发现, 迭代次数为1000 次时最佳过采样比的范围是3—7 之间. 利用噪声模拟方法, 研究了噪声对相位重建的影响, 找到了完成相位重建的噪声限是信噪比不能低于10. 分析了重构结果中孪生像以及随机平移的产生原因, 并给出了相应的解决办法, 结果表明, 此方法可有效地提高重构图像的质量.
2011, 60 (2): 028702.
doi: 10.7498/aps.60.028702
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基于偏振光波是左旋光子与右旋光子组成的, 从广义米理论出发, 得出了偏振高斯波束对球形粒子的辐射俘获力和力矩的表示式. 分析了微粒在圆偏振高斯波束照射时产生两种不同旋转的原因, 并结合光子的量子特性进行了解释. 对圆偏振高斯波束中粒子的两种力矩进行了数值模拟, 讨论了粒子半径、折射率、吸收系数和束腰半径对力矩及光致旋转的影响.
2011, 60 (2): 028801.
doi: 10.7498/aps.60.028801
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研究了在大气压环境下,单根碳纳米管作为场致发射阴极,与阳极间距为100—200 nm时的场致发射特性.对比了碳纳米管在不同阴阳极间距和不同气体环境中的场致发射电流和噪声的特点.
2011, 60 (2): 028802.
doi: 10.7498/aps.60.028802
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通过直流反应磁控溅射技术,原位生长制备了太阳电池用Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜.采用X射线能量色散谱仪、扫描电镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计和霍尔效应测试系统对薄膜进行了表征.结果表明,原位生长的CZTS薄膜具有均质、致密和平整的形貌,且由贯穿整个薄膜厚度的柱状颗粒组成.不同基底温度下生长所得薄膜的Cu/(Zn+Sn) 值均约为1,而Zn/Sn值均大于1且随着基底温度升高而减小.所得薄膜在(112)方向上择优取向明显,且结构特征受基底温度和Cu/(Zn+Sn)的共同影响.所得薄膜均具有高达104cm-1的光吸收系数,其带隙宽度随着生长温度的增加而降低,并且在500℃时为(1.51±0.01)eV.薄膜的导电类型均为p型,且具有与器件级Cu(In,Ga)Se2(CIGS)相当的载流子浓度.
2011, 60 (2): 028901.
doi: 10.7498/aps.60.028901
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加权网络可以对复杂系统的相互作用结构提供更加细致的刻画,而改变边权也成为调整和改善网络性质与功能的新途径.基于已有无权网络的效率概念,文中给出了相似权和相异权网络的网络效率定义,并研究了权重分布对于网络效率的影响.从平权的规则网络出发,通过改变权重的分布形式考察权重分布对网络效率的影响,结果发现,在规则网络上,权重分布随机性的增加提高了网络效率,而在几种常见的权重分布形式中,指数分布对网络效率的改进最为显著.同时,权重随机化之后网络最小生成树的总权重减小,意味着网络的运输成本随着权重异质性的增加而降低.以上结果为深入理解权重对网络结构与功能的影响提供了基础.
地球物理学、天文学和天体物理学
2011, 60 (2): 029201.
doi: 10.7498/aps.60.029201
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利用中国气象局1961—2008年752个站点的候平均气温、气压、相对湿度和降水量资料,运用候平均气温划分方法、非线性相似度量方法和季节内离差最优分割方法,对中国的四季进行了划分,并研究了中国四季起始时间的空间分布.用多要素构造了描述气候状态的变量,以气候状态在不同季节间的转折变化为切入点,并与传统季节划分方法进行了对比研究,验证了非线性相似度量方法的可行性,得到了以下研究结果:一是多要素比单一的温度要素更全面贴切地描述气候状态的变化,划分结果更体现出大气环流形势和大气活动中心等的季节变化;二是从气候状态转折角度考虑季节划分是可行的,揭示了季节转换时大气系统的调整和转折变化,体现了大气系统在季节内保持相对平稳的特征,在季节间发生较大的调整的观测事实.
2011, 60 (2): 029202.
doi: 10.7498/aps.60.029202
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首先利用格子Boltzmann模型模拟了越赤道索马里低空急流对我国青藏高原东部大气环流的影响,再借助于Biot-Savart定律和流体力学理论以及美国国家环境预报中心的数据资料,研究分析了下垫面感热条件与索马里低空急流发生和发展的关系.太阳直射从南回归线逐渐向北移动过程中,索马里半岛和阿拉伯半岛地表温度逐渐增高;而在此期间,西北印度洋海表温度却增加缓慢.两半岛地表温度高的区域就会使空气上升,而海表低温区域空气就会下沉.海陆温差的增加有利于Rayleigh-Benard对流环流的生成和发展,也使得陆地和海面上正负垂直相对涡强度Γ增强.根据Biot-Savart定律,涡强度Γ的增强必然诱导出相应强大的水平速度.两半岛和海面上这一对正负相对涡度场耦合成一部高效率的"索马里抽气泵".这一抽气泵将气流从南半球吸入,在索马里沿岸附近排出.索马里半岛和阿拉伯半岛地表增温以及与西北印度洋海表温差是驱动索马里抽气泵运转的主要能源.
2011, 60 (2): 029203.
doi: 10.7498/aps.60.029203
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研究了连续噪声和尖峰噪声对去趋势波动分析的影响,发现噪声的存在使得双对数曲线在尺度较小时发生了"转折"现象.针对这一问题,文中采用三种不同滤波方法对理想时间序列进行了实验,结果表明,多级Vondrak滤波得到的高频序列与真实噪声序列无论是在强度还是在演变趋势上都展现出惊人的一致性,低频滤波序列的去趋势波动分析结果与真实信号十分接近,多级Vondrak滤波基本上能够消除由于噪声所引起的"转折"现象,而且这一研究结果对于滤波周期阈值的依赖性并不太大.多点滑动加权平均滤波虽然能够在一定程度上减轻噪声对于去趋势波动的影响,但不能从根本上消除由于噪声所引起的"转折"现象.快速傅里叶滤波在选择合适的滤波周期阈值时,能够基本消除噪声对去趋势波动分析的影响,但是由于其滤波结果对于滤波周期阈值的依赖较大,在实际应用中滤波周期阈值的选取比较困难.因此,多级Vondrak滤波是消除噪声对去趋势波动分析结果影响的一种有效的途径.
2011, 60 (2): 029204.
doi: 10.7498/aps.60.029204
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利用国家气候中心季节预报1983—2009年27年模式预报结果,结合74项环流指数及美国国家海洋局和大气管理局提供的40个气候指数和美国气候预报中心实际降水分析资料,采用资料诊断分析和数值模拟实验相结合的方法,通过多因子的历史相似信息提取预报相似年,获得预报场的误差订正项.在这一订正思路的基础上,考虑前期关键影响因子的选取、多因子组合的优化配置,构建适用于不同预报年的区域动力-统计模式预报误差订正方案.以华北为例,探索多因子最优组合的多元客观相似判据,发展基于多因子动力-统计模式预报误差的动态订正新技术,改善华北夏季降水预报效果,提高预报技巧.通过2005—2009年独立样本回报结果表明,动态最优多因子组合相似订正方法距平相关系数评分相对于系统订正方法有着显著的提高,该订正方案对华北地区的夏季降水预测有着很好的业务前景,具有重要的应用价值,即将投入业务运行.
2011, 60 (2): 029501.
doi: 10.7498/aps.60.029501
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两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测.
2011, 60 (2): 029701.
doi: 10.7498/aps.60.029701
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为进行X射线脉冲星导航的关键技术研究,搭建了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统.地面模拟系统由模拟X射线脉冲源、基于微通道板的高灵敏X射线光子探测器、电荷灵敏前放和主放电路、时间测量单元、X射线脉冲轮廓构造及X射线脉冲到达时间测量系统组成.该模拟系统可在地面模拟X射线脉冲星导航的星源的强度、周期及脉冲轮廓,实现对X射线脉冲星单光子到达时间的记录,构造X射线脉冲星脉冲轮廓,计算X射线脉冲到达时间.描述了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的组成和工作原理,报道了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的初步结果.
