Vol. 61, No. 10 (2012)
2012年05月20日
总论
2012, 61 (10): 100201.
doi: 10.7498/aps.61.100201
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使用数值仿真方法对相变随机存储器存储单元的RESET操作的多值存储过程进行了研究,建立了三维存储单元模型, 用有限元法解Laplace方程及热传导方程以模拟电脉冲作用下的存储单元物性变化过程. 计算出单元内相变层的相态分布及单元整体电阻,分析了单元内部尺寸变化对多值存储过程及状态的影响. 结果表明,通过精确控制输入电脉冲,相变存储单元能够实现4值存储;多值存储状态受单元内相变层厚度及下电极接触尺寸变化的影响较大;存储状态在80 ℃的环境温度下均可保持10年以上不失效.
2012, 61 (10): 100202.
doi: 10.7498/aps.61.100202
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系统地研究了Langford 系统Hopf分岔极限环幅值非线性反馈控制问题.根据中心流形定理和规范型降维理论, 推导含控制增益项的非线性曲率系数控制公式和幅值近似解,通过数值仿真验证并绘制极限环幅控关系曲线. 所推导的控制公式为Langford 系统极限环幅值控制提供了方便有效的控制方法.
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2012, 61 (10): 100301.
doi: 10.7498/aps.61.100301
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在平均场理论和两模近似下,通过观察布居数差随时间的演化, 以及布居数差的平均随非线性相互作用参数的变化, 研究了对称双势阱以及势阱间高频调制时Fermi超流气体在unitarity区域和Bose-Einstein凝聚区域的自俘获现象. 给出了出现自俘获现象的边界条件;发现高频调制在一定调制范围内使自俘获现象更容易实现. 最后研究了初值对自俘获的影响, 发现初值的绝对值|s(0)|的增加更有利于自俘获的实现.
2012, 61 (10): 100501.
doi: 10.7498/aps.61.100501
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鉴于径向基函数(RBF)神经网络模型在非线性预测方面的优良性能, 提出了利用该预测模型对混沌时间序列相空间重构的两个关键参数——延迟时间和嵌入维数进行联合估计的方法, 并以客观的评价指标为依据给出其最优估计值. 以Lorenz系统为例进行数值分析, 得到RBF单步及多步预测模型中嵌入维数和延迟时间的最佳参数估计值, 并在原模型中对估计值进行校验. 结果表明, 该方法可以有效地估计出嵌入维数和延迟时间, 从而显著提高预测精度.
2012, 61 (10): 100502.
doi: 10.7498/aps.61.100502
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通过对广义Langevin方程阻尼核函数的适当选取,在过阻尼的情形下, 推导出分数阶Langevin方程.给合反常扩散理论和分数阶导数的记忆性, 讨论了分数阶Langevin方程的物理意义,进而得出分数阶Langevin方程产生随机共振的内在机理.数值模拟表明,在一定的阶数范围内,分数阶Langevin方程可以产生随机共振, 并且分数阶下的信噪比增益好于整数阶情形.
2012, 61 (10): 100503.
doi: 10.7498/aps.61.100503
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运用理论解析和数值模拟的方法,研究强磁场中Fermi气体在低温下的稳定性及顺磁性, 分析温度、磁场对稳定性及磁化率的影响.研究结果显示,强磁场引起系统稳定性的改变, 这种改变与温度有关,而温度对稳定性改变及磁化率的影响又与自由气体的化学势即粒子数密度有关. 当自由系统的化学势为偶数时,磁场弱化系统的稳定性,温度升高可降低系统的磁化率; 当自由系统的化学势为奇数时,磁场强化系统的稳定性,温度升高可增大系统的磁化率. 升高温度,可以弱化磁场对系统稳定性的影响;加强磁场,可以使得系统稳定性的改变发生振荡, 使系统磁化率的振荡中心下移.
2012, 61 (10): 100504.
doi: 10.7498/aps.61.100504
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以Luo-Rudy相I心脏模型为基础,研究心脏中螺旋波和时空混沌的控制,提出了两种控制方法: (Ⅰ)通过交替改变细胞外钾离子浓度来产生平面波,再利用弱外电场辅助平面波抑制螺旋波和时空混沌; (Ⅱ)先提高细胞外钾离子浓度,然后利用外电场激发波的方式产生平面波,再用平面波去抑制螺旋波和时空混沌. 研究结果表明,只要适当选择控制参数,这两种方法都能够有效抑制螺旋波和时空混沌. 当心肌出现局部缺血时,在心肌缺血处就会出现高的细胞外钾离子浓度,在这种情况下, 可以采用电场发射波的方法来抑制心脏中的螺旋波和时空混沌.对这些控制方法的优点和控制机制做了解释.
2012, 61 (10): 100505.
doi: 10.7498/aps.61.100505
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应用高速数据采集卡,记录悬浮颗粒计数光电传感器本底噪声信号序列值,研究噪声信号独立特征量, 如信号幅度极值、上升沿幅值、下降沿幅值、极值时序间隔,以及特征量乘积值等统计分布规律. 结果表明,上述独立特征量均能够与以自然数l为自变量的对数正态分布函数高度符合, 噪声信号特征量统计分布呈现出高度相似特征.基于这种统计相似性,还可推出噪声信号不同特征量对应的统计自变量之间的幂函数变换关系.噪声信号特征量统计分布函数相似性可理解为噪声信号集合统计分形特性的一种表现.
2012, 61 (10): 100506.
doi: 10.7498/aps.61.100506
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为了从混沌背景中检测微弱信号,研究分析了复杂非线性系统的相空间重构理论,提出了一种基于广义窗函数的最小二乘支持向量机的预测法. 该方法以广义嵌入窗为基础,利用自关联函数法确定Lorenz系统的嵌入维数和时间延迟, 实现相空间重构,结合最小二乘支持向量机建立Lorenz系统的误差预测模型, 检测微弱目标信号(瞬态和周期信号).仿真实验表明,该方法的预测模型具有较小的误差, 能够有效地从混沌背景噪声中检测出微弱目标信号,减小噪声对目标信号的影响. 与传统方法相比,在降低检测门限的同时,能够有效地提高预测的精度, 在混沌噪声下信噪比为-87.41 dB的情况下,相对于传统支持向量机方法所得的均方根误差0.049(-54.60 dB时)降低近两个数量级至0.000036123(-87.41 dB时).
2012, 61 (10): 100507.
doi: 10.7498/aps.61.100507
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针对一类整数阶与分数阶超混沌系统的同步问题, 分别提出了改进的脉冲同步方法. 基于Lyapunov稳定性理论与脉冲微分方程理论, 给出超混沌系统一组新的全局渐近同步判据. 特别地, 当脉冲间距与脉冲控制增益为常数时, 可获得更为简单和实用的同步判据. 与现有结果相比, 所得充分条件更次保守且更为实用. 通过对超混沌Chen系统同步的数值仿真研究, 验证了所提方法的有效性和可行性.
2012, 61 (10): 100508.
doi: 10.7498/aps.61.100508
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在行人流量大的人行横道处,机动车和行人之间存在较为严重的干扰.通过引入行人和机动车的冲突干扰规则, 构建了能够刻画人行横道处机动车和行人相互干扰行为的元胞自动机模型.通过数值模拟研究了行人到达率、机动车到达率、 行人冒险穿越机动车道的阈值以及行人对机动车敏感系数等因素对机动车和行人流量的影响. 模拟结果显示,所提出的模型很好地反映了行人与机动车之间的干扰特性;随着行人冒险穿越机动车道的阈值的增加, 机动车流量增大,行人流量减小;随着行人对机动车敏感系数的增加,行人避让概率减小,机动车流量减小,行人流量增大. 所得结果对混合交通的控制和管理具有一定的指导意义.
2012, 61 (10): 100509.
doi: 10.7498/aps.61.100509
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研究了噪声交叉关联时间对Logistic 系统亚稳态稳定性的影响.利用最陡下降法导出了系统亚稳态到稳态的平均第一通过时间的表达式. 数值计算结果表明:内噪声、外噪声、内外噪声的相互关联时间削弱了亚稳态的稳定性,而内外噪声的关联增加了亚稳态的稳定性.
2012, 61 (10): 100601.
doi: 10.7498/aps.61.100601
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提出一种利用光频梳和可调谐半导体激光器提高台阶高度测量准确度的方法. 通过将可调谐激光器锁定至光频梳,可对激光器的输出波长进行精确锁定与测量.基于可调合成波长链原理,利用锁定后的半导体激光器构建了一套台阶高度测量方案,该方案可消除合成波长误差对台阶高度测量不确定度的影响. 采用一台可调谐半导体激光器和光频梳进行了5000 s的连续锁定实验, 结果表明,锁定后的可调谐半导体激光器的频率稳定度达 1.810-12.该方法的理论测量不确定度约为7.9 nm, 且测量结果可溯源至时间频率基准.
2012, 61 (10): 100701.
doi: 10.7498/aps.61.100701
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针对大腔体静高压装置中的多级八面体压腔,分析了两种不同加载结构的力的传递, 建立了高压发生效率的力学关系.室温下,采用定点标压法(Bi, ZnTe, ZnS, GaAs)分别标定了14/8, 12/6和10/4三种二级6-8型大腔体静高压组装的腔体压力, 定量地讨论了力学结构和末级压砧硬度对八面体压腔高压发生效率的影响. 实验结果表明,力学结构和末级压砧硬度都是影响高压发生效率的重要因素, 且力学结构对高压发生效率的影响更大.其中,腔体的几何结构越大,高压发生效率越高; 6-8型加载结构的高压发生效率高于2-6-8型加载结构;在八面体压腔内的压力接近末级压砧的维氏硬度时, 末级压砧硬度越大,高压发生效率越高,所能获得的腔体压力越大.
核物理学
2012, 61 (10): 102101.
doi: 10.7498/aps.61.102101
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利用形变约束的相对论平均场理论研究了Pt同位素偶-偶核的形状演化,比较了基态结合能和四极形变的理论计算值和实验值, 分析了这些核的位能曲线、单粒子能级及其随四极形变2 的变化规律,发现从N=88到N=126, Pt同位素的基态变形从球形对称核经X(5)对称性核、演化为具有稳定形变的核,再演化为球形核的变化过程.其中, 166-172Pt是近球形核, 174Pt和192-196Pt位于球形和稳定形变之间,可能具有X(5)对称性, 176-190Pt具有稳定的变形, 198-202Pt是近球形核, 204Pt是球形核,这些结果与实验一致.
2012, 61 (10): 102801.
doi: 10.7498/aps.61.102801
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为校验次临界能源堆的概念设计,建立了贫化铀/聚乙烯球壳交替系统, 采用活化法测量238U的中子俘获率. 贫化铀片置于系统内与入射D离子束成90o的方向上活化 ,用HPGe探测器测量238U俘获中子衰变产生的239Np 衰变产生的277.6 keV特征射线计数,实验修正了贫铀片对277.6 keV 射线的自吸收, 得到了交替系统中238U (n, )反应率的径向分布,反应率的相对不确定度为3.5%3.7%, 并计算得到系统上整个贫铀区中238U的总中子俘获率为2.24 0.09. 用MCNP5程序在常用ENDF库下进行了模拟计算, 238U (n, )反应率分布计算与实验一般在5%以内符合, 总俘获率在1%以内符合.
2012, 61 (10): 102901.
doi: 10.7498/aps.61.102901
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在行波管中,多级降压收集极(MDC)效率由于其与总效率的关系密切而显得非常重要. 而在设计MDC之前对其效率和行波管的总效率进行准确的评估可以把握管子的整体性能, 并为相关软件的开发提供理论指导,因而对MDC的优化和行波管总效率的提高具有十分重要的意义. 虽然Kosmahl在1980年就给出了MDC的效率评估公式,但其预测值比实测值偏高较多, 因而需要更为准确的评估公式.本文首先引入耗散公差的概念, 然后建立作用完电子注等差三角能量分布模型推导了MDC效率评估的公式,与Kosmahl给出的预测相比, 新公式的估计结果更接近实测值.最后根据MDC效率最高和各个电极上耗散能量最低这两个极值条件, 给出了MDC最佳电极级数的选取公式,其预测结果合理而且准确.
2012, 61 (10): 102902.
doi: 10.7498/aps.61.102902
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定义了一种评价针孔成像性能的品质因数,给出了数学表达式.此品质因数综合反映了针孔成像的总空间分辨和灵敏度因素.基于透射模型,给出了针孔成像中心点等效直径、点扩散函数均方根半径数学表达式.给出了全视场和有效视场下针孔成像品质因数的计算方法,分析了直孔型、刀口型、船底型和长船底型等4种典型针孔的成像特性.
原子和分子物理学
2012, 61 (10): 103101.
doi: 10.7498/aps.61.103101
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光学频率标准会受到环境温度的黑体辐射影响发生频移,进而影响其准确度. 本文估算了199Hg+的超精细能级5d106s2S1/2 (F=0)和5d96s2 2D5/2 (F=2)的极化率,得到了室温(300 K)下黑体辐射引起的相对频移为-5.410-17, 最后讨论了低温环境下黑体辐射对199Hg+光频标的影响.
2012, 61 (10): 103102.
doi: 10.7498/aps.61.103102
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基于相对论扭曲波理论方法,并利用新发展的处理极化电子碰撞激发的计算程序REIE06, 系统计算了中性镁原子基态3s2 1S0到激发态3s3p 1P1, 3s4p 1P1的电子碰撞激发微分截面和角关联(Stokes)参数,计算过程中系统地考虑了相对论效应、电子关联效应等. 部分计算结果与已有的实验和理论结果进行了比较,得到了较好的一致性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2012, 61 (10): 104101.
doi: 10.7498/aps.61.104101
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构造了由普通材料A(SiO2)和电单负材料B组成的(AB)N(BA)N型一维光子晶体.数值计算表明原禁带的1907.3 nm处出现了一个十分尖锐的隧穿模. 入射角增加,该隧穿模的透射率和半峰全宽度均保持不变,但位置发生蓝移, 入射角在1565的区间内,移动率的绝对值 |d/d| 较大.当B介质的磁导率B 从5增加到10时,只是隧穿模的位置发生了红移. 介质的几何厚度增加时,隧穿模的透射率不变,但其位置红移明显,半峰全宽略有增加.
2012, 61 (10): 104102.
doi: 10.7498/aps.61.104102
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由于可有效降低高热负载的影响, Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、 准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义. 采用自行发展的光线追迹软件较为系统地研究了Laue弯晶的聚焦特性, 分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响. 结果表明,衍射能量越高,聚焦光斑越小,并趋于稳定值;弯曲半径越小,聚焦光斑越小, 并在其达到一阈值时得到聚焦光斑的极小值,之后随着弯曲半径的变小,由于像差等因素的影响, 聚焦光斑反而变大;晶体越厚,聚焦光斑越大,呈线性正比关系.对于衍射光发散度, 其随着衍射能量的增大而变小,并趋于稳定值;其与晶体曲率呈线性正比关系. 同时通过研究得到弯晶各参数的合理选择范围.
2012, 61 (10): 104201.
doi: 10.7498/aps.61.104201
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通常频率选择表面雷达罩借助其几何外形, 将带外信号反射到远离来波的方向, 从而实现隐身. 然而随着多基雷达反隐身技术的发展, 这种反射信号仍然可以被侦测到. 针对这一难题, 提出一种加载电阻膜吸波材料的新型频率选择表面. 该频率选择表面在低频工作带通内, 不仅对大入射角和不同极化电磁波具有稳定的带通特性, 而且在高频带外对电磁波表现出吸收特性, 可以将探测信号吸收掉, 从而大大降低被反隐身多基雷达探测的风险. 另外, 由于吸波材料的作用, 使得频率选择表面的栅瓣也得到了很好的压制, 降低了栅瓣对频率选择表面工作频带的干扰.
2012, 61 (10): 104202.
doi: 10.7498/aps.61.104202
摘要 +
提出了一种基于Stokes参量的数字同轴偏振全息方法.在实验中用一束线偏振光和一束椭圆偏振光作为参考光, 分别与物光进行干涉,通过拍摄在两个相互垂直方向上的全息图,计算出物光在这两个方向的振幅和相位信息, 从而得到物光的Stokes参量和物体的全偏振信息,实现对各向异性物体偏振态空间分布的图像重建. 实验结果表明,该方法可用于物体的全偏振特性的测量.这种方法在求出物光Stokes参量的同时, 也可消除零级像和共轭像的干扰,因此也可用于同轴或离轴全息.
2012, 61 (10): 104203.
doi: 10.7498/aps.61.104203
摘要 +
利用表面等离子体共振效应理论及金属-介质复合膜的特殊纳米光学效应对平面多层膜超分辨光刻技术进行了研究. 在曝光光源为365 nm的情况下,实现周期230 nm,线宽100 nm的超分辨光刻成像. 讨论了均匀金属-介质多层膜的结构参数选择,并通过数值仿真得到有效的光强度和对比度, 然后用等离子体纳米光刻进行试验验证,通过最优化选择,最终得到了亚波长结构多层膜的大区域范围超分辨成像.
2012, 61 (10): 104204.
doi: 10.7498/aps.61.104204
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根据氧碘化学激光器的反应机理建立了一维预混脉冲出光理论模型,从理论上研究了气体总压力在6602660 Pa, 温度在150400 K区间内对单脉冲能量、脉宽和峰值功率的影响.分析了气体总压和温度对出光特性影响的内在原因. 计算结果表明:增益介质温度对单脉冲能量的影响要远大于对激光脉宽的影响;增益介质温度在150 K, 气体总压在1330 Pa可以获得比温度在400 K,气体总压为2660 Pa时更高的峰值功率. 因此在不干扰超音速流动状态条件下瞬间大量产生碘原子,可以实现高效的脉冲氧碘化学激光器.
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2012, 61 (10): 104205.
doi: 10.7498/aps.61.104205
摘要 +
提出了一种kHz调制频率量级的单光子调制技术,实现对激光器的实时锁定. 通过探测乙炔气体的单光子吸收光谱,对离散的单光子响应脉冲进行锁定放大, 获得激光器频率锁定的鉴频曲线.将1.5 m分布反馈半导体激光器的输出频率稳定在乙炔气体 1 + 3带P5e支吸收峰上,在175 s内典型激光频率起伏小于25 MHz. 这种基于单光子波长高频调制吸收光谱的稳频技术消除了低频段较高背景的噪声, 可应用于单光子量级的量子保密通讯系统以及光学波分复用系统.
2012, 61 (10): 104206.
doi: 10.7498/aps.61.104206
摘要 +
为了抑制大口径光学元件中的受激Brillouin散射效应,并满足打靶过程中束匀滑的要求, 目前高能激光驱动器大都采用了正弦相位调制脉冲.然而,这类脉冲在复杂激光系统中传输时, 会出现明显的调频-调幅(FM-to-AM)效应.研究这种效应的来源,对提升激光系统的整体输出性能至关重要. 对复杂激光系统中一直被人们所忽视的平板光学元件带来的FM-to-AM效应进行了理论研究和数值模拟. 数值模拟结果表明,通过平板光学元件的次数越多调制深度越大,呈线性递增趋势,当通过次数为10次时, 调制深度高达22.2%;并且平板光学元件对各谱线的过滤也各不相同,当前端选用的中心波长为1054 nm时, 平板光学对各谱线的过滤作用非常小.提出通过改变中心波长来减小FM-to-AM效应, 这对于复杂激光系统的设计具有重要的指导意义.
2012, 61 (10): 104207.
doi: 10.7498/aps.61.104207
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用传统的熔融急冷法制备了组分为(100-2x) GeS2-xGa2S3-xCsCl (x= 15, 20, 25 mol%)系列硫卤玻璃, 测试了样品玻璃的吸收光谱. 采用Z-扫描方法测试了样品的三阶非线性光学特性. 分析了激光光子能量与玻璃三阶非线性光学特性的关系,并研究了组分变化对玻璃的三阶非线性性能的影响. 研究结果表明,光子能量的少许改变可以使非线性吸收系数在一个较大的范围内变化,随着光子能量的增大, 玻璃的非线性吸收系数 增大;当光子能量趋近于0.5Eg时, 值趋近于0,玻璃有最佳的品质因子; 玻璃样品中CsCl含量的增加使得玻璃的光学带隙Eg增大,短波截止边蓝移,非线性吸收系数 减小. 但是由于结构与带隙对光学非线性的影响相反,非线性折射率 值变化不大. 该结果表明样品的光学非线性性能由光学带隙和结构两方面因素共同决定,对今后研究全光开关用硫系玻璃具有一定的指导意义和参考价值.
2012, 61 (10): 104208.
doi: 10.7498/aps.61.104208
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贵金属纳米粒子由于其非常独特的光学特性和表面活性, 在光子学、 催化和生物标识等方面都有非常重要的应用. 采用离子溅射和后续热处理相结合的方法在玻璃表面形成了尺寸大约为6080 nm的单分散的球形金纳米粒子. 在适当的温度条件下, 采用步进式增加的强直流电场, 实现了金纳米粒子的电场辅助溶解过程. 在玻璃表面的不同颜色区域, 初始球形的金纳米粒子溶解成月蚀状形貌. 结合不同颜色区域内金纳米粒子的表面等离子体共振吸收性质和扫描电镜照片, 研究了实验条件对金纳米粒子性质的影响. 结合电场辅助溶解实验过程中的电流-电压特性, 分析了金纳米粒子在强直流电场辅助下溶解的物理过程: 金粒子中动出的电子向阳极的隧穿过程作为开始, 随后是金阳离子向玻璃基体中的传输过程和阴极提供的电子与带有正电荷的金粒子相结合的过程. 详细讨论了电场辅助溶解法实现金纳米粒子形貌控制的物理机制.
2012, 61 (10): 104209.
doi: 10.7498/aps.61.104209
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根据饱和增益理论分析可知,不同抽运光功率对应着介质不同的吸收和增益状态. 在吸收介质中,相干布居振荡效应导致光脉冲经历饱和吸收,光脉冲传输延迟;在增益介质中, 相干布居振荡效应导致光脉冲经历增益饱和,光脉冲传输超前. 本文由铒离子的亚稳态速率方程出发,建立了掺铒光纤中超光速传输的理论模型, 同时得到时间超前的数值解析表达式;讨论了低频率段超光速的饱和现象, 即超光速在低频段并不随着抽运光功率的增强而加强,而在高频率段随抽运光功率的增加而加强.
2012, 61 (10): 104210.
doi: 10.7498/aps.61.104210
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静态偏振风成像干涉仪利用偏振光束来获得干涉图, 光束在偏振元件中的传输特性成为分析研究的关键. Jones矩阵用于分析系统的光学传输特性和偏振态变化过程, 形式简洁,计算方便,容易得出光学元件对系统性能的影响.本文用Jones矩阵对静态偏振风成像干涉仪系统进行了描述, 推导出了适用于普遍情况的系统矩阵表达式,计算出核心偏振元件的偏振化方向和波片方位角对应于系统光通量和干涉调制度的关系,确定了系统中各偏振元件的最佳偏振化方向和波片的最佳方位角; 并通过视场展宽技术和提高四面角锥棱镜的透光率对光通量加以改善,利用光线追迹软件仿真, 对视场展宽前后的干涉强度作了对比,达到预期的效果.为静态偏振干涉成像光谱仪的设计、 研制和工程化提供重要理论和实践指导.
2012, 61 (10): 104301.
doi: 10.7498/aps.61.104301
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传统的地形轮廓匹配(terrain contour matching, TERCOM)算法在速度误差和航向误差较大时可靠性下降,基于扩展Kalman滤波的北航惯性地形辅助惯性导航(BUAA inertial terrain aided navigation, BITAN) 算法在初始位置误差或高度表测量噪声较大时,系统无法准确定位,导致系统的鲁棒性降低. 为解决上述问题,对BITAN算法进行改进,发展了鲁棒北航惯性地形辅助导航(robust BUAA inertial terrain aided navigation, RBITAN)算法. RBITAN算法根据平均绝对差、均方差和交叉相关算法的统计决策信息设计了搜索模式算法,以基于扩展Kalman滤波原理的BITAN算法作为跟踪算法, 综合了TERCOM算法和BITAN算法的优点,提高了算法的鲁棒性.利用真实的数字高程模型和试飞数据进行仿真验证, 并和BITAN算法进行比较.仿真结果验证了RBITAN算法可以在较大初始位置误差和较大高度表测量噪声时准确定位, 提高了算法的鲁棒性.
2012, 61 (10): 104302.
doi: 10.7498/aps.61.104302
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通过对二维正方排列圆柱状亥姆赫兹共振腔阵列声性质的研究,指出局域共振型声子晶体中存在两类耦合作用, 即共振单元与基体的弱耦合作用及共振单元间的耦合作用.其中前一种耦合作用可以通过改变共振单元的品质因子而改变, 逐渐减小这种耦合作用可以实现从局域共振到布拉格共振的连续转变;后一种耦合是通过共振单元周围的近场耦合实现的, 通过减小共振单元的间距可以增大其耦合强度,因而增大带隙宽度,但带隙中波的衰减深度却是随这种耦合强度的增大而减小的.
2012, 61 (10): 104501.
doi: 10.7498/aps.61.104501
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运用离散元法研究成分无序体系中法向力的几率分布,该体系由两种不同刚度系数的颗粒规则堆积而成, 体系的无序程度由缺陷率控制.模拟发现,无缺陷时体系的力网几乎是均匀的,而有缺陷时力网变得不均匀. 提出了主法向力与次法向力的概念,并对它们分别进行统计;随着缺陷率的增加,主法向力的分布经历了比较复杂的变化过程,而次法向力总是指数型分布.模拟结果表明,缺陷率较小时成分无序体系中的法向力分布与随机堆积体系很不相同,而缺陷率较大时得到了与随机堆积类似的结果.这些结果有助于理解力网的不均匀性与体系无序性的关系.
2012, 61 (10): 104701.
doi: 10.7498/aps.61.104701
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针对气液混输管线与立管系统严重段塞流问题, 采用严重段塞流形成条件一致的等效原则, 发展了一种将三维管道系统等效为二维管道系统的计算流体力学(CFD)数值模拟方法. 以文献中某下倾管与立管组合系统为对象, 结合其实验工况, 对严重段塞流气液流动过程进行了数值模拟, 获得了其周期、压力波动幅值及喷发时间等关键参数的变化规律, 数值模拟与文献所述实验结果符合. 在此基础上, 建立了立管入口气液折算速度、立管含气率以及立管出口平均速度的理论模型, 获得了这些关键参数随时间的变化规律, 并给出了确定立管内气液流型变化的理论方法, 理论结果与CFD数值模拟结果一致. 建立的CFD方法大幅缩减了严重段塞流数值模拟所需的时间和资源, 推导的理论模型揭示了严重段塞流特性参数之间的关联, 可以对严重段塞流所引发的危害进行快速评估及预测,具有一定的工程应用价值.
2012, 61 (10): 104702.
doi: 10.7498/aps.61.104702
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基于格子Boltzmann方法,提出了求解耦合不可压缩流场输运方程的一种改进数值方法. 该方法使用格子Boltzmann方法求解流场方程,并根据流场格子模型的密度分布函数构建了输运方程的二阶离散格式. 通过二维平板通道流场输运系统验证了该方法的有效性.数值结果表明,该方法可以有效地减少计算过程中出现的非物理耗散, 并克服了传统模型所需巨大存储量的缺点.
气体、等离子体和放电物理
2012, 61 (10): 105201.
doi: 10.7498/aps.61.105201
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空气电弧等离子体的物性参数为空气电弧放电过程的仿真提供了可靠的微观理论基础和参数输入. 假定体系处于局域热力学平衡态, 基于Chapman-Enskog理论, 采用Sonine多项式三级展开(对黏滞系数采用二级展开) 得到的输运参数表达式, 数值计算得到了不同气压条件下(0.1 atm20 atm, 1 atm = 1.01325105 Pa)、 不同温度范围内(30030000 K) 空气电弧等离子体的输运参数(扩散系数、黏滞系数、热导率、电导率). 与以往的理论研究相比, 最新的相互作用势和碰撞截面研究成果被应用到涉及粒子的碰撞积分计算中, 提高了输运参数计算结果的精度和可靠性.
编辑推荐
2012, 61 (10): 105202.
doi: 10.7498/aps.61.105202
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利用静电离子加速器对实时离子探测器塑料闪烁体的特性 (包括灵敏度、动态范围、能量响应, 及空间分辨等)进行了实验研究,并对闪烁体探测器与其他传统的离子探测器的特性进行了比较. 对闪烁体在激光等离子体实验的离子束诊断中的可能应用进行了探讨.塑料闪烁体的应用可满足高重复频率激光等离子体离子加速实验高效率运行的要求,为实验研究提供强有力的支持.
2012, 61 (10): 105203.
doi: 10.7498/aps.61.105203
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聚合物导电性能差, 表面电荷积聚所产生的电容效应致使其表面电位衰减, 采用等离子体浸没离子注入对其表面改性是非常困难的. 建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的粒子模拟(PIC)模型, 实时跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析. 并基于PIC模型, 将聚合物表面的二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数等物理量对鞘层演化、离子注入能量和剂量的影响规律. 研究结果表明: 当聚合物厚度小于200 m, 相对介电常数大于7, 二次电子发射系数小于0.5时, 离子注入剂量和高能离子所占的份额与导体离子注入情况相当. 通过对聚合物表面离子注入剂量和高能离子所占份额的研究, 为绝缘材料和半导体材料表面等离子体浸没离子注入的实现提供了理论和实验依据.
2012, 61 (10): 105204.
doi: 10.7498/aps.61.105204
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理论分析了负氢离子源中中性粒子传输特性及引出电极表面产生负氢离子(H-)的物理过程, 研究了引出孔传输率对氢原子传输的影响,深入剖析了氢原子与不同属性导体壁碰撞以及碰撞后反射的物理情景.基于CHIPIC软件平台,成功研制了全三维 Particle-in-cell with Monte Carlo Collision 氢原子传输及负氢离子产生物理过程的模拟算法,并采用JAEA 10A负氢离子源进行模拟验证.模拟达到稳态后,氢原子平均能量约为0.57 eV, 且H原子呈现+Y漂移,当非均匀氢原子束轰击引出壁时,导致产生的负氢离子空间分布不均匀. 这些模拟结果都与文献符合,验证了算法的可靠性.
2012, 61 (10): 105205.
doi: 10.7498/aps.61.105205
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内爆靶丸的X光辐射驱动对称性分析和控制能力演示是惯性约束聚变(ICF)研究最重要的课题之一, 目前国内外已展开许多实验和模拟研究.建立了一种ICF内爆对称性分析的简化模型, 利用该模型分析了神光-Ⅱ和神光-Ⅲ 原型激光装置上的内爆对称性实验. 与实验结果比较表明,计算最佳腔长与实验值基本相符;靶丸压缩变形因子计算结果也与实验测量值接近. 模型的有效性得到验证,可为即将开展的神光-Ⅲ 主机内爆对称性实验参数设计和结果分析提供参考.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2012, 61 (10): 106101.
doi: 10.7498/aps.61.106101
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采用密度泛函理论方法中的广义梯度近似,对C80H80几何结构和电子性质进行了研究. 几何结构研究表明:在C80H80可能稳定存在的两种同分异构体中, 连接12个五边形的20个C原子内部氢化,其余60个C原子外部氢化所形成的结构即 H20@C80H60最稳定,其仍然保持Ih对称性. 通过对H20@C80H60的能级、前线轨道和态密度分析可知: 在H20@C80H60中, H原子的原子轨道与C原子的原子轨道之间在占据态轨道上有较强的杂化, H原子对H20@C80H60的占据态轨道的贡献比较大. 其最高占据轨道主要由外部H原子和碳笼来贡献,而最低未占据轨道主要由内部H原子贡献, 表明内外H原子在H20@C80H60的化学反应中承担不同的角色. H20@C80H60为闭壳层结构,所有电子都是配对的,表现为非磁性.
2012, 61 (10): 106102.
doi: 10.7498/aps.61.106102
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在有效质量近似的框架下,运用变分方法研究闪锌矿GaN/AlGaN量子点中的激子态及相关光学性质,探讨电子与空穴在量子点中的三维空间受限和有限势效应.数值计算结果显示,当量子点的尺寸增加时, 量子尺寸效应对电子和空穴的影响减弱,基态激子结合能和带间光跃迁能也都降低;而当该量子点中垒层AlGaN中Al含量增加时,提高了量子点对电子和空穴的束缚作用, 同时基态激子结合能和带间光跃迁能都增加.数值的理论结果与相关实验测量结果一致.
2012, 61 (10): 106103.
doi: 10.7498/aps.61.106103
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通过分析部分耗尽绝缘层附着硅互补金属氧化物半导体静态随机存储器(SRAM)在动态偏置条件下的电学参数和功能参数随累积剂量的变化规律, 研究了绝缘层附着硅(SOI)工艺SRAM器件在60Co-γ射线辐照后的总剂量辐射损伤效应及器件敏感参数与功能错误数之间的相关性,为进一步深入研究大规模SOI集成电路的抗总剂量辐射加固及其辐射损伤评估提供了可能的途径和方法.实验结果表明:辐射引起的场氧和埋氧漏电是功耗电流增大的主要原因; 阈值电压漂移造成输出高电平下降、低电平微小上升和峰-峰值大幅降低,以及传输延迟增大; 当总剂量累积到一定程度,逻辑功能因关断功能的失效而出现突变错误; 传输延迟和输出高电平与逻辑功能错误之间存在一定相关性.
2012, 61 (10): 106501.
doi: 10.7498/aps.61.106501
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借助米-里纳德-金斯势研究了纳米金刚石的Debye温度、表面能、表面压强、晶格参量随原子数和形状的变化规律, 探讨了非简谐振动和形状对其表面性质的影响.结果表明: 1)纳米金刚石的Debye温度和表面能随原子数的增多而增大, 其中杆状的Debye温度和表面能要小于立方形的值; 2)纳米金刚石的表面压强和低温时的晶格参量相对变化量随原子数N的增多而减小,其中杆状的值要比立方形的值要大; 3)原子数较少时,非简谐振动效应和形状对纳米晶的Debye温度、表面能、表面压强、晶格参量的影响显著.
2012, 61 (10): 106801.
doi: 10.7498/aps.61.106801
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基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了纳米尺度下石墨烯层间摩擦现象, 探讨了对称和非对称两种情况下双层石墨烯层间沿不同方向的摩擦性质. 研究发现对于对称的双层石墨烯, 层间摩擦沿不同方向同性; 摩擦因数依赖于正压力, 随正压力增大, 摩擦因数的变化曲线分为三个阶段, 在较小以及较大压力下, 摩擦因数遵循Amonton法则不随压力变化而变化; 而在中间36 nN阶段, 摩擦因数随压力增加线性增加. 整个研究压力范围内摩擦因数在0.050.25之间. 对于非对称性双层石墨烯层间摩擦, 不同压力下摩擦因数在0.006上下波动, 摩擦因数较两层对称性石墨烯大大降低. 上述研究结果与实验一致.
2012, 61 (10): 106802.
doi: 10.7498/aps.61.106802
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晶粒尺寸在很大程度上决定了Fe基纳米晶合金的磁学性能,其随退火温度变化的物理机理是纳米晶领域重要的研究内容.研究了初始晶化温度与二次晶化温度之间退火1 h Fe基纳米晶合金晶粒尺寸随退火温度的变化,并建立了相应的模型.利用提出的模型分析了该温度范围内Fe基纳米晶合金晶粒尺寸随退火温度升高先减小后增大的物理机制. 研究发现,在初始晶化温度与二次晶化温度之间等时退火,当退火温度约为Fe基纳米晶合金熔点的0.6倍时其晶粒尺寸最小.在研究的温度区间内,理论研究结果与实验符合得较好. 本研究提供了一种快速获得小晶粒尺寸纳米晶合金的方法.
2012, 61 (10): 106803.
doi: 10.7498/aps.61.106803
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利用磁过滤真空阴极电弧技术制备了sp3键含量不小于80%的四面体非晶碳薄膜(ta-C), 然后通过氮离子束改性技术制备了氮掺杂的四面体非晶碳(ta-C:N)薄膜. 利用Raman光谱和X射线光电子能谱对薄膜结构的分析,研究了氮离子轰击能量对ta-C:N薄膜结构的影响. 氮离子对ta-C薄膜的轰击,形成了氮掺杂的ta-C:N薄膜. 氮离子轰击诱导了薄膜中sp3键向sp2键转化, 以及CN键的形成.在ta-C:N薄膜中,氮掺杂的深度和浓度随着氮离子能量的增大而增大. ta-C:N薄膜中sp2键的含量和sp2键团簇的尺寸随着氮离子轰击能量的增大而增加; 在ta-C:N薄膜中, CN键主要由C–N键和C＝N键构成, C–N 键的含量随着氮离子轰击能量的增大而减小,但是C＝N 键含量随着氮离子轰击能量的增大而增大.在ta-C:N薄膜中不含有CN键结构.
2012, 61 (10): 106804.
doi: 10.7498/aps.61.106804
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采用三倍频射频辉光放电聚合技术,利用低压等离子聚合装置在不同功率条件下制备辉光放电聚合物(GDP)薄膜. 利用表面轮廓仪、Fourier变换红外光谱仪表征所制备薄膜在不同功率下的生长速率和化学结构, 讨论了功率变化对薄膜生长速度和化学结构的影响.利用元素分析仪和紫外可见光谱仪表征GDP薄膜中碳氢原子比和光学性质. 研究表明:薄膜的生长速率随射频功率的增大先增加后减少,功率为40 W时,生长速率可达到0.34 μm/h. 在波长大于500 nm的可见光区, GDP薄膜的光学透过率都在90%以上. GDP薄膜的光学间隙随射频功率的增大先减少后增加,射频功率为50 W时制备GDP薄膜的光学间隙最小.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2012, 61 (10): 107101.
doi: 10.7498/aps.61.107101
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稀土是重要的战略物资资源,有一些已形成产业,在永磁、发光、催化和储氢等方面有着重要的作用. 对稀土及其化合物的研究一直是国内外研究的热点.对稀土原子结构和价电子结构的研究有助于对其的更深刻的理解. 依据固体与分子经验电子理论,对镧系稀土和Sc, Y的价电子结构进行系统地研究, 并以此为基础,对它们的熔点和结合能做进一步分析,分析结果和实验值相符. 研究结果表明:稀土金属的结构与晶格电子和共价电子密切相关,随着晶格电子向共价电子的转换, 稀土金属的熔点趋于增加.稀土的价态变化也是影响电子分布和性能的主因, 如: Sm和Eu的熔点与电子结构的关系不同于其他稀土,外壳层的共价电子之间的转化是其熔点与其他元素之间差别较大的主要原因.稀土的4f电子对结合能的影响大,这是源于其4f电子引发的收缩效应. 此结果揭示了决定稀土熔点和结合能的主要因素是稀土的价电子结构的变化.
2012, 61 (10): 107102.
doi: 10.7498/aps.61.107102
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稀土正铁氧体YFeO3呈正交钙钛矿结构,其晶体和纳米晶材料在电极材料、传感器和光催化领域具有重要的应用价值.用平面波赝势方法,采用广义梯度近似、改进的Perdew-Burke-Emzerhof交换-关联势、实空间超软赝势计算方案,研究了YFeO3晶体的几何结构、电子结构和光学性质. 计算得到的晶格参量与报道的实验结果一致.通过对能带结构、态密度、介电函数、吸收系数和光电导率的计算和分析, 确定YFeO3是直接能隙半导体,能隙Eg约为2.22 eV,阐明了YFeO3晶体和纳米晶具有较好的可见光催化性能.
2012, 61 (10): 107301.
doi: 10.7498/aps.61.107301
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基于对Poly-Si1-xGex栅功函数的分析,通过求解Poisson方程, 获得了Poly-Si1-xGex栅应变Si N型金属-氧化物-半导体场效应器件 (NMOSFET)垂直电势与电场分布模型.在此基础上,建立了考虑栅耗尽的Poly-Si1-xGex栅应变Si NMOSFET的阈值电压模型和栅耗尽宽度及其归一化模型,并利用该模型,对器件几何结构参数、 物理参数尤其是Ge组分对Poly-Si1-xGex栅耗尽层宽度的影响, 以及栅耗尽层宽度对器件阈值电压的影响进行了模拟分析.结果表明:多晶耗尽随Ge组分和栅掺杂浓度的增加而减弱, 随衬底掺杂浓度的增加而增强;此外,多晶耗尽程度的增强使得器件阈值电压增大. 所得结论能够为应变Si器件的设计提供理论依据.
2012, 61 (10): 107302.
doi: 10.7498/aps.61.107302
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为改善碳纳米管场效应晶体管的性能,将一种峰值掺杂-低掺杂漏(HALO-LDD)掺杂结构引入碳纳米管沟道.在量子力学非平衡Green函数理论框架内,通过自洽求解Poisson方程和Schrödinger方程,构建了适用于非均匀掺杂的碳纳米管场效应管的输运模型,该模型可实现场效应晶体管的输运性质与碳纳米管手性指数的对接. 利用该模型研究了单HALO双LDD 掺杂结构对碳纳米管场效应晶体管输运特性的影响.对比分析表明,这种非均匀掺杂结构的场效应管同本征碳纳米管沟道场效应晶体管相比,具有更低的泄漏电流、更大的电流开关比、更小的亚阈区栅电压摆幅,表明其具有更好的栅控能力; 具有更小的漏源电导,更适合应用于模拟集成电路中;具有更小的阈值电压漂移,表明更能抑制短沟道效应. 同本征沟道碳纳米管场效应晶体管相比,这种非均匀掺杂碳纳米管场效应晶体管在沟道区靠近源端位置,电场强度增大, 有利于增大电子的传输速率;在沟道区靠近漏端位置,电场强度减小,更有利于抑制热电子效应.
2012, 61 (10): 107501.
doi: 10.7498/aps.61.107501
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近几十年来,量子自旋系统的动力学性质引起了人们的广泛关注,随着研究的不断深入,随机自旋系统的性质受到了人们的重视. 利用递推关系式方法研究了高温极限下随机外磁场中自旋s=1的一维Blume-Capel模型的动力学性质, 通过计算自旋自关联函数和相应的谱密度,探讨了外场对系统动力学行为的影响.研究表明,在无晶格场的情况下, 当外场满足双模分布时,系统的动力学性质存在从中心峰值行为到集体模行为的交跨效应.当外场满足Gauss分布, 标准偏差较小时,系统也存在交跨效应;标准偏差足够大时,系统只表现为无序行为. 另外还研究了晶格场对系统动力学性质的影响,发现晶格场的存在减弱了系统的集体模行为.
2012, 61 (10): 107502.
doi: 10.7498/aps.61.107502
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为了实现基于磁畴壁运动的自旋电子学装置, 掌握磁畴壁动力学行为是重要争论之一.研究了在外磁场驱动下L-型纳米铁磁线磁畴壁的动力学行为. 通过微磁学模拟,在各种外磁场的驱动下考察了纳米铁磁线磁畴壁的动力学特性; 在较强外磁场的驱动下, 在不同厚度纳米线上考察了纳米线表面消磁场对磁畴壁动力学行为的影响. 为了进一步证实消磁场对磁畴壁动力学的影响, 在垂直于纳米线表面的外磁场辅助下分析了磁畴壁的动力学行为变化. 结果表明, 随着纳米线厚度和外驱动磁场强度的增加, 增强了纳米线表面的消磁场的形成, 使得磁畴壁内部自旋结构发生周期性变化, 导致磁畴壁在纳米线上传播时出现Walker崩溃现象. 在垂直于纳米线表面的外磁场辅助下, 发现辅助磁场可以调节消磁场的强度和方向. 这意味着利用辅助磁场可以有效地控制纳米铁磁线磁畴壁的动力学行为.
2012, 61 (10): 107601.
doi: 10.7498/aps.61.107601
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国内第一套脉冲强磁场高频电子自旋共振(ESR)装置由武汉国家脉冲强磁场科学中心研制成功.该装置的频率范围为210370 GHz,样品温度范围为2300 K, 磁场强度为050 T.在脉冲强磁场ESR装置上进行了红宝石ESR实验,获得了Cr3+ 离子的ESR谱.
2012, 61 (10): 107701.
doi: 10.7498/aps.61.107701
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以[001]c和[011]c极化的铌锌酸铅-钛酸铅晶体为研究对象, 利用子波理论对其无限大自由薄层中传播的Lamb波的色散及模式交叉特性进行了研究. 发现只有[001]c极化的晶体中的对称与反对称模式Lamb波之间出现了多次交叉, 并且变化规律与铌镁酸铅-钛酸铅的情形相同. Lamb波的A0和S0模式的交叉是由准纵向剪切波慢度曲线的多值关系引起的, 此时其x3方向的波数在一定范围内存在一对非纯虚数的复共轭根. 利用此结论推导出A0和S0模式交叉时弹性常数需要满足的条件, 为判断正交、四方对称性晶体中Lamb波的A0和S0模式是否交叉提供了一种直观、简便的方法.
2012, 61 (10): 107702.
doi: 10.7498/aps.61.107702
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基于传输矩阵法研究了一维压电Fibonacci类准周期声子晶体的传输特性, 比较了一维Fibonacci序列压电准周期声子晶体与非压电准周期声子晶体以及压电周期性声子晶体的透射性. 计算结果表明:弹性波通过一维准周期结构压电声子晶体时与周期性声子晶体一样会有带隙的出现, 且发现具有压电性的Fibonacci序列准周期声子晶体禁带宽度发生了展宽. 进一步讨论了入射角度对固定频率下声子透射系数的影响,结果表明一维压电Fibonacci序列准周期结构声子透射性依赖于入射角度的选取.
2012, 61 (10): 107703.
doi: 10.7498/aps.61.107703
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通过改变制备条件,研究了Ag-SiO2薄膜中的缺陷对电阻翻转效应的影响.对比不同的热处理实验条件, 发现在120 ℃退火的样品经forming过程后具有稳定的电阻转变特性;另一方面, 在Ar/O2混合气氛下生长的SiO2具有比在纯Ar下生长的样品更加稳定、重复的电阻转变特性. 通过实验分析,表明热处理、电场作用和样品制备气氛可以改变、调节样品中的缺陷分布 (Ag填隙原子和氧空位缺陷),从而导致Ag-SiO2中基于缺陷的导电通道结构的形成和湮灭, 提出了提高电阻翻转稳定性的必要条件.
2012, 61 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.61.107801
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测量了不同浓度三氯甲烷(CHCl3)与苯(C6H6) 二元溶液的Raman光谱,随C6H6浓度的增加, 受分子间C/H相互作用的影响, CHCl3中C-H键伸缩振动频率向低波数移动;当 CHCl3体积分数小于40%, CH键伸缩振动频率不变, 分子间C/H相互作用达到饱和.分别以 CHCl3和 C6H6体积分数为70%的 CHCl3-C6H6混合溶液为研究对象, 测量了它们的高压和低温Raman光谱.根据 CHCl3中CH键伸缩振动频率随压强和温度的变化关系, 得出了分子间C/H相互作用对压强和温度的扰动表现出不稳定性.
2012, 61 (10): 107802.
doi: 10.7498/aps.61.107802
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采用高温熔融退火法制备了系列 80TeO2-10Bi2O3-10TiO2-0.5Er2O3-xCe2O3 (x=0,0.25, 0.5,0.75,1.0 mol%)和(80-y) TeO2-10Bi2O3-10TiO2-yWO3-0.5Er2O3-0.75Ce2O3 (y=3,6,9,12 mol%)的碲铋酸盐玻璃.测试了玻璃样品400-1700 nm范围内的吸收光谱, 975 nm抽运下的上转换发光谱和1.53 m波段荧光谱, 以及808 nm激励下的Er3+离子荧光寿命和无掺杂玻璃样品的Raman光谱, 并结合Judd-Ofelt理论和McCumber理论计算了Er3+离子光谱参数.结果表明, 在掺Er3+碲铋酸盐玻璃中引入Ce3+离子进行Er3+/Ce3+共掺, 通过Er3+离子4I11/2能级与Ce3+离子2F5/2 能级间基于声子辅助的能量传递过程,可以有效抑制Er3+离子上转换发光并明显增强其 1.53 m波段荧光;同时,在现有Er3+/Ce3+共掺玻璃组分基础上引入WO3, 可进一步提高1.53 m波段荧光并展宽其荧光发射谱. 研究结果对于获取优异光谱特性的宽带掺Er3+光纤放大器玻璃基质具有实际意义.
2012, 61 (10): 107803.
doi: 10.7498/aps.61.107803
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基于氧化层陷阱电荷以及界面陷阱电荷的产生动力学以及辐射应力损伤的微观机理,推导出了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)中辐射应力引起的氧化层陷阱电荷、界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量之间定量关系的模型. 根据模型可以得到:低剂量情况下,氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量成正比;高剂量情况下,氧化层陷阱电荷导致的阈值电压漂移量发生饱和, 其峰值与辐射剂量无关,界面陷阱电荷导致的阈值电压漂移量与辐射剂量呈指数关系. 另外,模型还表明氧化层陷阱电荷与界面陷阱电荷在不同的辐射剂量点开始产生饱和现象, 其中界面陷阱电荷先于氧化层陷阱电荷产生饱和现象.最后,用实验验证了该模型的正确性. 该模型可以较为准确地预测辐射应力作用下MOSFET的退化情况.
2012, 61 (10): 107804.
doi: 10.7498/aps.61.107804
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采用共沉淀法制备了不同Eu3+掺杂浓度的CaWO4荧光粉材料.通过X射线衍射和场发射扫描电镜技术对样品的结构和形貌进行了表征.测量了各样品的激发光谱、发射光谱和荧光衰减曲线, 计算了各样品的部分Judd-Oflet (J-O)参数和5D0 (Eu3+)能级量子效率,以及荧光粉的色坐标, 讨论了样品电荷迁移带相对强度、J-O参数、量子效率与掺杂浓度的依赖关系.对Eu3+掺杂的CaWO4 发光材料的光致发光性质的研究表明,在CaWO4: Eu3+中5D07F2跃迁的616~nm 红色发光能被394.5~nm和465~nm的激发光有效激发,具有近紫外(或蓝光)激发效率高和猝灭浓度大的优点, 有潜力成为高效的近紫外(或蓝光)激发白光发光二极管用红色荧光粉材料.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2012, 61 (10): 108101.
doi: 10.7498/aps.61.108101
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在二元合金元胞自动机模型的基础上,通过耦合多元合金热力学相平衡求解器PanEngine, 建立了三元合金改进的元胞自动机模型,可模拟初生相枝晶的生长过程. 模型考虑了曲率过冷和成分过冷对界面平衡溶质成分的影响,通过不同组元的无量纲溶质过饱和度方程和界面溶质守恒方程之间的耦合来求解界面生长速率,并通过PanEngine计算界面处的液相线温度. 采用本模型模拟了Al-7%Si-xMg三元合金自由枝晶的生长形态, 结果表明Mg含量的增加会抑制枝晶一次臂的生长和二次臂的产生.同时模拟了不同抽拉速度下 Al-7%Si-0.5%Mg合金柱状枝晶的竞争生长过程,随着抽拉速度的增大,柱状枝晶一次枝晶臂间距逐渐减小, 与Hunt理论模型符合较好.
2012, 61 (10): 108102.
doi: 10.7498/aps.61.108102
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为了研究不同环境气压条件下纳米Si晶粒成核区的范围,采用波长为308 nm的XeCl脉冲准分子激光器,分别在1200 Pa的Ar气环境下, 烧蚀高阻抗单晶Si靶,在距离烧蚀点正下方2.0 cm处水平放置一系列单晶Si 或玻璃衬底,沉积制备了纳米Si薄膜. Raman谱和X射线衍射谱测量证实了薄膜中纳米Si晶粒已经形成. 扫描电子显微镜的测量结果表明,环境气压的变化影响了衬底上纳米Si晶粒的平均尺寸及其分布范围. 根据成核区位置的确定方法,计算得出随着环境气压的增加纳米Si晶粒成核区的范围先变宽后变窄的规律. 从烧蚀动力学的角度对实验结果进行了分析.
2012, 61 (10): 108103.
doi: 10.7498/aps.61.108103
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采用晶体相场模型研究了异质外延过程中失配应变与应力弛豫对外延层界面形态演化的影响, 并对由衬底倾角引起的外延层晶向倾侧进行了分析.研究结果表明: 在有一定倾角的衬底晶体上进行外延生长时,若衬底和外延层之间失配度较大 (ε>0.08),外延层中弹性畸变能会以失配位错的形式释放, 最终薄膜以稳定的流动台阶形式生长且外延层的晶向倾角与衬底倾角呈近似线性关系. 而当衬底和外延层之间失配度较小(ε<0.04)不足以形成失配位错时, 外延层中弹性畸变能会以表面能的形式释放,最终使薄膜以岛状形态生长. 在高过冷度条件下,衬底倾角和失配度较大时,衬底和外延层之间会形成由大量位错规则排列而成的小角度晶界从而显著改变外延层的生长位向.
2012, 61 (10): 108104.
doi: 10.7498/aps.61.108104
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文章研究了Cu替代部分Ni对铁磁性形状记忆合金Ni50Mn36In14相变和磁性的影响规律. 研究表明,在Ni50-xCuxMn36In14中,随着Cu含量的增加,相变温度逐渐降低. Cu含量低于5%时,奥氏体的磁性强于马氏体的磁性, 母相和马氏体相的饱和磁化强度的差值ΔM随着Cu含量的增加而增大. 当Cu含量x=4.5时, ΔM迅速增加到80 emu/g, 并在该材料中观察到了磁场驱动的马氏体到奥氏体的转变,显示了该材料作为磁驱动磁电阻材料的潜在应用前景.当Cu含量高于5%时,奥氏体保持铁磁状态, 马氏体相由反铁磁状态变为铁磁状态,马氏体的磁性强于奥氏体的磁性, ΔM大大削弱,磁场驱动性质消失.
2012, 61 (10): 108201.
doi: 10.7498/aps.61.108201
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采用电化学方法在导电的ITO/TiO2 薄膜上沉积了棕红色CdSe薄膜, 并制得TiO2/CdSe多层膜体系,研究了多层膜的微结构和光电化学性能. 实验表明, CdSe薄膜沿着(111)方向择优生长, 多层膜结构的厚度和紫外-可见光吸收强度随着沉积层数的增加而增加. 通过测定多层膜电极的光电化学性能表明, 二层膜体系的开路电压和短路电流密度最大,光电化学性能最好.
2012, 61 (10): 108501.
doi: 10.7498/aps.61.108501
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高功率微波(HPM)通过使半导体器件特性退化和功能失效,从而干扰电子系统无法正常工作. 针对金属氧化物半导体(MOS)器件的HPM效应, 建立了高功率微波引起n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)特性退化的物理过程与模型. 器件仿真结果中nMOSFET的输出特性曲线显示栅极注入HPM引起器件特性退化,包括阈值电压正向漂移、 饱和电流减小、跨导减小等;结合物理模型分析可知, HPM引起的高频脉冲电压使器件进入深耗尽状态, 热载流子数目增多,热载流子效应导致器件特性退化. MOS器件的HPM注入实验结果显示,器件特性曲线、器件模型参数变化趋势与仿真结果一致, 验证了HPM引起nMOSFET特性退化的物理过程与模型.
2012, 61 (10): 108701.
doi: 10.7498/aps.61.108701
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提出了一种低损耗、宽频段太赫兹双芯光子带隙光纤定向耦合器,光纤的包层由亚波长尺度呈三角晶格排列的空气孔组成, 两个纤芯分别由去掉7个空气孔构成.利用全矢量有限元法对光纤的色散、耦合特性以及损耗特性进行了理论分析. 研究表明,这种耦合器的损耗系数小于0.021 cm-1,更重要的是可以实现0.14 THz范围内的宽频定向耦合. 这种定向耦合器在太赫兹通信系统中滤波、波分复用、偏振分离和开关等技术中有潜在的应用价值.
2012, 61 (10): 108801.
doi: 10.7498/aps.61.108801
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采用第一性原理方法详细研究了氟化钙结构的多种金属氢化物MH2 (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc, Ti, Zr, Hf)的力学性质(弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量).计算结果表明, MH2 (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc)在低温下具有稳定的氟化钙结构,其抵抗体积形变, 切应变和拉伸(或压缩)形变的能力从LaH2, NdH2, GdH2, TbH2, YH2, DyH2, HoH2, ErH2, LuH2到ScH2逐次递增, 而MH2 (M= Ti, Zr, Hf)在低温下的氟化钙结构不稳定.通过对两种稳定的氢化物(TbH2, ErH2) 和两种不稳定的氢化物(TiH2, HfH2)的电子态密度以及差分电荷密度进行对比, 发现它们的稳定性与金属和氢之间的相互作用有密切关系.
2012, 61 (10): 108802.
doi: 10.7498/aps.61.108802
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研究了线偏振光振动方向对InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池开路电压的影响, 结果表明开路电压随线偏振光电位移矢量振动方向按周期性变化,变化的幅度在1%4%左右.理论分析证实了线偏振光电位移矢量的调制可以改变太阳电池的输出开路电压,是由于三结太阳电池晶体结构以及应力影响导致能带结构出现各向异性产生的. 此外,实验结合理论分析,研究了三结太阳电池开路电压随光照度的变化关系, 得出开路电压随光强变化成对数关系.拟合结果说明三结级联太阳电池可以简单看成三个单结太阳电池串联,其理想因子接近6,是由于三结太阳电池中缺陷影响的结果.
2012, 61 (10): 108901.
doi: 10.7498/aps.61.108901
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如何在保证网络传输效率的同时提高网络的吞吐量是目前研究的主要问题. 通过研究节点对数据包传递过程的引力作用,提出了一种具有引力约束的路由算法. 为检验算法的有效性,通过引入一个状态参数H, 利用由稳态到拥塞状态的指标流量相变值来度量网络的吞吐量, 同时利用数据包的最大传输时间〈Tmax〉与平均传输时间〈Tavg〉来分析网络的传输效率. 针对算法在不同引力约束条件下的路由情况进行了仿真.仿真结果表明, 若数据传递过程只考虑路径长度最短,则会导致网络吞吐量较低且流量分布极不均匀; 若只顾及等待时间最短,会导致传输路径过度迂回且大部分节点都会陷入拥塞状态; 同时考虑路径长度和等待时间的引力作用并选取适当引力的节点进行传递, 可以显著提高网络吞吐量并缓解网络的拥塞程度.
地球物理学、天文学和天体物理学
2012, 61 (10): 109201.
doi: 10.7498/aps.61.109201
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对北半球19782007年1月6日2月4日逐日500 hPa高度场资料带通滤波,得到1030 d 时间尺度分量,结合经验正交函数分解方法(empirical orthogonal function, EOF)提取出气候态基底.同样滤波北半球2008年1月冰冻雨雪事件的逐日实况资料,并将其投影到气候态基底上,利用各贡献率作为考察该EOF分量对原场的影响指标. 从1030 d延伸期预报的角度提取稳定分量进行诊断分析,探讨影响此次天气过程的主要因素.通过贡献率分析方法把1030 d延伸期稳定分量划分为气候态稳定分量和异常型稳定分量两个部分.结果表明:气候态稳定分量在我国南方2008年1月冰冻雨雪事件中占主体地位,异常型稳定分量相当于在气候态稳定分量的基础上叠加的扰动值, 但异常型稳定分量在本次过程中的作用不能忽视,甚至起到关键性的作用, 并且与实况距平在太平洋地区整体环流形势有较好的对应.这些结论加深了对1030 d 时间尺度可预报性的认识,为1030 d延伸期预报提供了一种新的思路和解决问题的途径.
2012, 61 (10): 109202.
doi: 10.7498/aps.61.109202
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本文选用美国环境预报中心/国家大气研究中心提供的全球再分析资料, 中国气象局国家气候中心提供的中国740站降水资料及中国气象信息中心提供的中国区域 2011年降水格点资料,对2011年长江中下游地区6月初旱涝急转现象及环流背景特征进行简要分析, 结论如下: 1) 2011年1-5月长江中下游地区降水较气候平均值偏少且降水变率较小, 6月长江中下游地区降水量急剧增多,发生旱涝急转现象,其转折点为第31候(6月第1候); 2)旱涝急转前后,水汽通量及其经验正交函数分解的第1, 2模态的时间和空间演变均表现出弱水汽输送向强水汽输送转变的特征; 3)转折前后大气环流场差异显著. 急转前,北半球冬季风偏强,南半球夏季风偏弱,在春季,东亚大槽偏强导致季风的转换延迟, 不利于南方暖湿气流的北上,南方降水偏少,并发生大范围持续性的严重干旱. 6月初(急转期)环流迅速调整,西太平洋副高突然西伸北跳,东亚大槽异常偏西偏强、 鄂海阻高减弱,使冷暖空气在长江中下游地区汇合,有利于该地区的降水发生并持续, 是长江中下游地区由严重干旱向洪涝急转的主要原因.
