Vol. 62, No. 20 (2013)
2013年10月20日
总论
2013, 62 (20): 200201.
doi: 10.7498/aps.62.200201
摘要 +
运用重合度理论探讨了一个非线性问题的周期解, 然后将其应用于零维气候系统模式的周期解问题的研究, 获得了该模式存在周期解的结果.
2013, 62 (20): 200202.
doi: 10.7498/aps.62.200202
摘要 +
对(G/G)展开法进行了扩展, 引入了新的辅助方程, 对(G/G)展开式附加了负指数幂, 并利用扩展的(G/G)展开法求出了Zakharov方程组的一些新精确解. 该方法还可被应用到其他非线性演化方程中去.
2013, 62 (20): 200203.
doi: 10.7498/aps.62.200203
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基于元胞自动机建立复杂信息系统安全风险传播模型, 研究复杂信息系统安全风险在最近邻耦合网络、 随机网络, Watts-Strogatz 小世界网络和Barabasi-Albert无标度网络 四种网络拓扑下的传播问题. 通过研究安全风险传播模型在四种网络拓扑下安全风险的传播阈值, 与现有的传播阈值研究成果进行比较, 验证模型的正确性, 并分析验证网络拓扑结构中度分布的异质化程度越高传播阈值越小的结论. 通过对安全风险的传播演化趋势进行研究, 分析验证网络度分布的异质化程度越高、安全风险影响范围越小、传播速度越快的结论, 并指出度分布的异质化程度越高、模型后期的免疫机制对控制安全风险传播的效果越缓慢. 通过对安全风险在传播最早期就趋于消亡的情况进行研究, 分析得出安全风险在传播之初就趋于消亡的消亡率与传播率之间呈现近似负指数的关系, 并且初期的感染源越多安全风险的消亡率越低. 分析了影响复杂信息系统安全风险传播的关键要素, 对复杂信息系统中安全风险传播的控制具有指导作用.
2013, 62 (20): 200301.
doi: 10.7498/aps.62.200301
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构造了双环形Hulthn势, 用指数函数近似表示任意分波的离心项, 运用函数分析法讨论双环型Hulthn势Schrdinger方程的束缚态解. 归一化的角向波函数和径向波函数用超几何多项式表示, 给出了束缚态能谱, 体系的束缚态的能谱方程和波函数与量子数和势参数有关. 中心势场和单环形势场角向波函数及 Hulthn势束缚态能谱是本文双环形Hulthn势的特例.
2013, 62 (20): 200302.
doi: 10.7498/aps.62.200302
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从有效性、稳定性和可行性三个方面, 对基于标记配对相干态光源的诱骗态量子密钥分配的性能进行了全面分析. 采用四组实验数据对基于标记配对相干态光源的三强度诱骗态方案的密钥生成效率、量子比特误码率和最优信号态强度与安全传输距离之间的关系进行了仿真和分析; 考虑到光源涨落, 对方案的稳定性进行了讨论和仿真; 并对基于标记配对相干态光源设计简单易实现方案的可行性进行了分析. 结论表明: 基于标记配对相干态光源的诱骗态方案性能在安全传输距离和密钥生成效率两方面都优于现有基于弱相干态光源和预报单光子源的诱骗态方案; 在光源强度涨落相同条件下, 标记配对相干态光源的稳定性逊于预报单光子源, 而优于相干态光源. 但是标记配对相干态光源在有效性上的优势可弥补其在稳定性上的不足; 且标记配对相干态光源的双模特性为设计简单易实现的被动诱骗态方案提供了条件.
2013, 62 (20): 200303.
doi: 10.7498/aps.62.200303
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高效误码纠错是量子密钥分配后续数据处理的关键技术之一.基于汉明码校验子级联单向一次通信纠错方案, 分别对三种校验子级联纠错能力进行了理论和仿真分析.根据分析结果提出了一种基于混合校验子级联纠错协议, 通过优化纠错流程相关参数提高密钥生成效率.随后对该协议的纠错能力及其密钥生成效率进行了仿真分析, 最后根据误码率后验分布参数, 对密钥最终误码率及其置信区间进行了估计.单一校验子级联纠错仿真结果显示:在相同的纠错能力的条件下, 初始误码率为3% p ≤ 11% 时, (7, 4)汉明码纠错的密钥生成效率最高;初始误码率为1.5% p ≤ 3.0% 时, (15, 11)汉明码纠错的密钥生成效率最高;初始误码率为p ≤ 1.5% 时, (31, 26) 汉明码纠错的密钥生成效率最高.混合校验子级联纠错方案的仿真结果显示:对于初始误码率为9.50%, 经过8轮次混合校验子级联纠错, 密钥生成效率为9.94%, 误码率期望值为5.21×10-12, 置信度为90%的上限值为2.85×10-11, 相比用单一(7, 4)校验子级联纠错的密钥生成效率提高了约3倍.
2013, 62 (20): 200304.
doi: 10.7498/aps.62.200304
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提出了一种基于多阶量子隐形传态的量子路由方案, 在量子移动终端之间没有共享纠缠对的情况下, 仍然可以完成量子态的无线传输. 该量子路由方案可以用来构建量子无线广域网, 其传输时延与所经过的链路距离和基站数目无关, 传输一个量子态所需的时间与采用量子隐形传态所需的时间相同. 因此, 从数据传输速率的观点来看, 该方案优于基于纠缠交换的量子路由方案.
2013, 62 (20): 200305.
doi: 10.7498/aps.62.200305
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提出了一种两类正交基矢按照特定要求相互转换的幺正变换生成方法. 特定要求为第一类基矢中特定的四种典型基矢经幺正变换后, 第三个量子比特特定为|0>, 而四种非典型基矢经幺正变换后, 第三个量子比特为|1>. 将该幺正变换应用于量子数据压缩, 准确度达到0.942. 该方法的提出为量子压缩和解压缩的实现提供了基础, 对于其他要求特定对应关系的幺正变换的生成具有借鉴意义.
2013, 62 (20): 200306.
doi: 10.7498/aps.62.200306
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利用阻尼映射Gross-Pitaevkii方程, 研究了二维体系中自旋轨道耦合的 23Na自旋-1 玻色-爱因斯坦凝聚体中的涡旋斑图, 探索自旋轨道耦合强度对涡旋斑图的影响. 研究发现, 较弱的自旋轨道耦合就可以完全破坏不考虑自旋轨道耦合情况下出现的周期性涡旋晶格; 在自旋轨道耦合较强的情况下, 各自旋态的涡旋易形成涡旋组, 它们绕凝聚体中心形成花瓣状涡旋斑图.
2013, 62 (20): 200501.
doi: 10.7498/aps.62.200501
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以一类含非黏滞阻尼的Duffing单边碰撞系统为研究对象, 运用复合胞坐标系方法, 分析了该系统的全局分岔特性. 对于非黏滞阻尼模型而言, 它与物体运动速度的时间历程相关, 能更真实地反映出结构材料的能量耗散现象. 研究发现, 随着阻尼系数、松弛参数及恢复系数的变化, 系统发生两类激变现象: 一种是混沌吸引子与其吸引域内的混沌鞍发生碰撞而产生的内部激变, 另一种是混沌吸引子与吸引域边界上的周期鞍(混沌鞍)发生碰撞而产生的常规边界激变(混沌边界激变), 这两类激变都使得混沌吸引子的形状发生突然改变.
2013, 62 (20): 200502.
doi: 10.7498/aps.62.200502
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研究了黏弹性轴向运动梁在外部激励和参数激励共同作用下横向振动的混沌非线性动力学行为. 引入有限支撑刚度, 并考虑黏弹性本构关系取物质导数, 同时计入由梁轴向加速度引起的沿径向变化的轴力, 建立轴向运动黏弹性梁横向非线性振动的偏微分-积分模型. 通过Galerkin截断方法研究了外部激励的频率和因速度简谐脉动引起的参数激励的频率在不可通约关系时轴向运动连续体的非线性动力学行为, 并对不同截断阶数的数值预测进行了对比. 基于对控制方程的Galerkin截断, 得到离散化的常微分方程组, 使用四阶Runge-Kutta方法求解. 基于此数值解, 运用非线性动力学时间序列分析方法, 通过Poincaré 映射, 观察到轴向运动梁随扰动速度幅值的倍周期分岔现象, 并比较了有无外部激励对倍周期分岔的影响. 分别在低速以及近临界高速运动状态下, 从相平面图、Poincaré 映射以及频谱分析的角度识别了系统中存在的准周期运动形态.
2013, 62 (20): 200503.
doi: 10.7498/aps.62.200503
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滑模变结构控制是一种在宽工作范围具有快速响应和高稳定性的鲁棒控制, 因而被广泛地应用于逆变器控制中. 滑模控制的逆变器本质上是一种由非线性控制方式控制的时变非线性系统, 具有复杂的动力学行为. 本文以基于脉冲宽度调制的滑模变结构控制的一阶H桥逆变器为例, 首先观察不同滑模变结构控制器参数下系统的输出波形, 发现了一种多种倍数的倍周期同时存在的新型分岔现象; 其次, 使用频闪映射方法建立系统的离散迭代模型, 并利用折叠图法分析输出波形. 通过分析可知系统不能以这种新型分岔为道路通向混沌. 此外, 在工程应用中十分关心系统稳定性, 但是由于滑模变结构控制器的非线性特性, 常规解析方法都已不再适用于对系统进行分析, 而图解法又难以满足精度要求. 因此, 本文提出了一种新的适用于滑模变结构控制的逆变器的快变尺度稳定性的判断依据, 经验证该判据可以准确地判断系统是否处于稳定运行状态, 进而为滑模变结构控制器的参数设计提供可靠依据.
2013, 62 (20): 200504.
doi: 10.7498/aps.62.200504
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给出一般非线性发展方程构造Wronskian解的间接法. 根据Young图运算的性质给出了文中命题的证明, 并讨论了置换群特征标与Young图表达式系数间的关系.
2013, 62 (20): 200701.
doi: 10.7498/aps.62.200701
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多帧图像超分辨率算法利用图像间的互补信息, 可以从一系列具有亚像素位移的低分辨率影像数据中重建出高分辨率图像. 在众多超分辨率算法中, 正则化方法以其求解病态问题的有效性而被广泛应用, 但在此类方法中, 最优估计算子的估计准确度对最后的重建结果有着较大的影响. 本文在现有正则化超分辨率重建算法的基础上, 提出了一种基于双阈值Huber范数的极大似然估计算子, 可以提高Huber范数对于阈值取值的容忍性和算子估计精度; 并给出了基于该算子的正则化超分辨率算法的迭代公式. 通过对仿真图像进行重建, 结果表明算法可有效地抑制各种噪声并保证重建效果; 同时将此算法应用于实际图像的超分辨率重建, 有效地提高了目标影像的空间分辨率.
2013, 62 (20): 200702.
doi: 10.7498/aps.62.200702
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依据传统Maxwell-Wagner界面极化理论, 金属微纳米粒子由于具有极高电导率, 在旋转电场作用下无明显电旋转运动. 然而, 本文针对镀金SU-8微柱开展实验研究, 发现镀金微柱在低频条件下的快速旋转运动现象. 据此, 通过考虑镀金微柱表面双电层效应, 理论分析并实验验证镀金微柱的低频电旋转特征. 首先, 建立电场中微柱的近似椭球模型, 分析固-液接触面双电层作用下的金属粒子极化机理, 推导旋转电场作用下镀金微柱的转矩公式及电旋转角速度公式. 其次, 搭建实验平台, 分别对镀金微柱在三种不同电导率溶液、100 Hz–30 MHz频率范围内的电旋转特征进行对比实验研究. 最后, 对实验结果进行分析和讨论, 并通过考虑镀金微柱与基底之间摩擦作用等因素, 验证实验研究与理论研究的一致性.
2013, 62 (20): 200703.
doi: 10.7498/aps.62.200703
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轻敲模式原子力显微镜高次谐波信号包含待测样品表面纳米力学特性等方面的信息, 但是传统原子力显微镜的高次谐波信号非常微弱. 里兹法证明在探针悬臂的特定位置打孔可以实现探针的内共振从而增强高次谐波信号强度. 本文通过有限元仿真计算获得探针第一共振频、第二共振频及其比值随着孔的尺寸和位置变化的规律. 在实验上通过聚焦离子束在探针悬臂上打孔使其第二共振频约为第一共振频的6倍, 提高了第6次谐波信号的信噪比, 并在实验室研制的高次谐波成像实验装置上获得了6次谐波图像.
2013, 62 (20): 200704.
doi: 10.7498/aps.62.200704
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NO, NO2是大气污染源中的常见气体, 对环境具有严重的危害性. 为检测污染源中这两种气体的浓度, 构建了成本较低的基于红外热辐射光源的光声光谱气体检测系统. 分析计算得到了NO, NO2 在2500–6667 nm波段吸收谱线. 通过建立光声传输线RLC振荡电路模型和仿真得到品质因数、声压大小与谐振腔长、内腔半径以及调制频率的关系, 据此设计了光声池几何结构. 实验表明该系统所测得的光声信号与气体浓度有很好的线性关系, 并且对NO, NO2气体极限检测灵敏度分别达到4.01 和1.07 μL. 通过调节激光发射波长和选取滤波片, 该系统还可用于其他微量气体的浓度检测.
2013, 62 (20): 200705.
doi: 10.7498/aps.62.200705
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研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的对流层NO2垂直廓线及垂直柱浓度反演方法. 该方法采用了先反演气溶胶廓线, 然后在此基础上反演痕量气体垂直分布的两步反演方法. 其中痕量气体廓线反演时采用了非线性最优估算法, 使反演更少地依赖于先验信息, 更有利于自动获取痕量气体廓线. 首先研究了应用非线性最优估算法的痕量气体垂直廓线反演算法中权重函数、 先验廓线及其协方差矩阵的计算方法, 设计了适合于痕量气体垂直分布变化剧烈地区的迭代方案. 通过计算机仿真, 研究了算法重建盒子型和抬高型NO2廓线的效果, 研究表明两种典型分布下算法都可以较好地重建2 km以下的NO2分布, 在近地面的反演精度达到0.6%. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种典型条件下, 研究了算法重建同一NO2廓线的效果, 研究表明不同气溶胶条件下反演算法都可以得到相似的结果. 分析了错误的气溶胶状态对于NO2廓线反演的影响以及反演算法的误差来源. 在合肥地区开展连续观测实验, 并将观测的NO2垂直柱浓度与卫星对比, 相关性系数达到了0.85. 将MAX-DOAS反演的近地面NO2 浓度与长程DOAS 结果对比, 相关性系数达到0.76. 此外简化的MAX-DOAS痕量气体垂直柱浓度反演方法中常采用固定典型的气溶胶状态, 将两步法结果与简化方法结果进行对比, 两者的最大相对偏差为112%. 因此准确获取气溶胶状态, 尤其是气溶胶光学厚度, 对准确反演对流层NO2垂直柱浓度十分必要.
原子和分子物理学
2013, 62 (20): 203101.
doi: 10.7498/aps.62.203101
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基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(VB), N原子空位(VN), 以及含B–N键空位 (VB+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, VB体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, VN体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, VB+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. VB体系的总磁矩为1.0 μB, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于VN 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μB, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布.
2013, 62 (20): 203102.
doi: 10.7498/aps.62.203102
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采用密度泛函理论计算了缓蚀分子苯并三氮唑(BTA)和二巯基噻二唑(DMTD)的全局反应活性和局部反应活性. 采用分子动力学方法模拟了不同含量的BTA和DMTD对其热力学性质的影响. 同时通过腐蚀试验研究了缓蚀剂复配体系的缓蚀效果. 结果表明: 两种缓蚀分子的缓蚀效率关系为BTA小于DMTD, 活性主要集中于N和S原子上, 有多个活性位点, 因此, 缓蚀剂分子平卧式吸附在铜表面; 铜表面吸附单个缓蚀剂分子BTA和DMTD后, 室温下比热容基本相同, 但随缓蚀剂含量的增加, 比热容呈增大趋势. 这为铜箔轧制油缓蚀剂的选择提供理论指导. 通过腐蚀试验研究, 复配体系缓蚀具有很好的缓蚀效果, BTA和DMTD 的复配比例为1:1时最佳.
2013, 62 (20): 203103.
doi: 10.7498/aps.62.203103
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基于周期性密度泛函理论研究了N/Fe共掺杂对锐钛矿TiO2(101)面的修饰作用. 计算了铁替位单掺杂TiO2(101)面及晶体内部后, 晶体结构变化及形成能. 通过形成能的比较发现, Fe从晶体表面向体内迁移时受到势垒阻碍作用. 同时, 对不同位置表面N/Fe近邻共掺杂晶体形成能的比较, 得出了表面共掺杂的最稳定结构. 通过对电子结构及态密度的分析发现: 表面共掺杂态中, N/Fe共掺杂可改变TiO2(101)面的电子结构, 并使TiO2由半导体性向半金属性转变.
2013, 62 (20): 203104.
doi: 10.7498/aps.62.203104
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采用Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用方法(icMRCI+Q) 结合Dunning等的相关一致基计算了PS自由基X2Π 态势能曲线. 利用三阶Douglas-Kroll Hamilton近似结合cc-pV5Z相对论收缩基进行了相对论修正计算. 利用aug-cc-pCV5Z基组对势能曲线进行了核价相关修正计算, 并将总能量外推至完全基组极限. 拟合得到了X2Π态的主要光谱常数Re, ωe, ωexe, ωeye, Be, αe 和De, 与实验结果符合较好. 利用Breit-Pauli算符, 研究了旋轨耦合效应对势能曲线的影响, 得到了两条Ω 态的势能曲线. 详细分析了在旋轨耦合计算中, 核电子相关与冻结核近似对电子结构和光谱性质的影响. 在icMRCI+Q/56+DK+CV+SO理论水平上得到了两个Ω 态的主要光谱常数Te, Re, ωe, ωexe, ωeye, Be 和αe, 结果与实验结果一致. 在平衡位置处, 本文的X2Π态旋轨耦合能量分裂值为 323.73 cm-1, 与实验结果321.93 cm-1较为一致. 通过求解双原子分子核运动的径向Schrödinger方程, 找到了无转动PS自由基X2Π态及其两个Ω 态的全部振动态, 还分别计算了它们相应的振动能级和惯性转动常数等分子常数, 这些结果与已有的实验值一致.
2013, 62 (20): 203301.
doi: 10.7498/aps.62.203301
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为得到最大发光强度的Tm3+/Yb3+共掺钼酸钇钠荧光粉, 采用试验优化设计的方法建立发光强度与Tm3+/Yb3+掺杂浓度的回归方程, 再通过遗传算法优化算出方程的最大解. 利用高温固相法制备出了该解的Tm3+/Yb3+共掺钼酸钇钠荧光粉样品. 在980 nm抽运激发下, 测量了样品的上转换荧光发射谱, 分析了上转换发光机制, 在室温下观察到强烈的蓝光(476 nm)和微弱的红光(649 nm)发射, 其分别对应于Tm3+的1G4→3H6 和1G4 →3F4 跃迁. 在Tm3+/Yb3+ 上转换发光体系中, 1G4 的上转换可见发射是双光子合作上转换能量传递过程. 并探讨了样品的温度效应, 发现该样品蓝光发光强度随温度升高而减弱, 并对其温度猝灭机理进行了解释.
2013, 62 (20): 203401.
doi: 10.7498/aps.62.203401
摘要 +
利用相空间分析方法研究了外电场中金属表面附近里德堡氢原子的动力学性质. 结果表明, 体系的动力学性质敏感地依赖于原子与金属表面间的距离和电场强度.通过固定原子与金属表面间的距离, 分析了外加电场作用下里德堡电子的Poincar 截面和运动轨迹的演化过程. 研究表明: 电场的出现加速了金属表面对电子的吸附, 随着电场强度的增加,体系的动力学性质由原子与金 属表面间的距离控制逐渐变为由电场起主导作用,体系逐渐由不可积变为可积, 电子的运动轨道最终全部变为振动型轨道.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (20): 204101.
doi: 10.7498/aps.62.204101
摘要 +
将森林看成空气和植物组成的混合物, 应用两相混合物折射模型求解了森林的等效介电常数, 通过与实验结果的对比, 验证了该模型的正确性. 将该森林介电常数求解方法引入到抛物方程的森林模型中, 改进了抛物方程的森林模型. 相对于传统的森林环境电波传播模型, 该模型能考虑森林各组成要素对电波传播的影响, 更适合于实际不同地区、不同种类植物分布的森林环境中电波传播特性的求解. 此外, 引入了非均匀网格技术, 有效提高了大区域森林环境中电波传播问题的求解效率.最后基于该模型仿真分析了森林的植物体积含量、重量含水量等要素对电波传播特性的影响.
2013, 62 (20): 204102.
doi: 10.7498/aps.62.204102
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特征基函数的构造是特征基函数法的关键步骤之一, 传统方法在构造特征基函数时, 需要在每个子域设置足够多的入射波激励, 生成的特征基函数个数较多, 奇异值分解时间较长. 为了加快特征基函数的构造, 本文提出了一种改进的特征基函数法. 该方法充分考虑每个子域之间的耦合作用, 求出每个子域的次要特征基函数, 从而降低入射波激励的个数, 大大减少了特征基函数的个数; 并且结合自适应交叉近似算法加速阻抗矩阵元素的计算, 提高了次要特征基函数求解和缩减矩阵构建过程中的矩阵矢量相乘的速度. 数值结果证明了本文方法的精确性和高效性.
2013, 62 (20): 204103.
doi: 10.7498/aps.62.204103
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卫星通信系统中使用频率选择表面作为抛物面天线的副反射面, 是实现频率复用、提高天线工作效率的有效手段. 本文运用模匹配法对频率选择表面单元进行分析计算, 并采用精细石英晶片镀膜工艺, 实现了Ka波段的频率选择表面构成的天线副反射面. 数值和实验结果均表明, 该反射面具有良好的角度稳定性及交叉极化特性, 同时通带内的插入损耗和阻带的回波损耗都处于较低水平, 保证了天线在其工作频带内的高增益. Ka波段的频率选择表面副反射面的研制顺应了当今卫星通信宽频带、窄波束和小型化的发展趋势.
2013, 62 (20): 204201.
doi: 10.7498/aps.62.204201
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提出了一种基于高/多光谱图像的空天一体融合仿真方法. 以航空高光谱数据为基础, 根据航天多光谱遥感相关参数, 通过空天一体光谱维变换、尺度空间变换、辐射强度变换、混合像素变换和噪声变换将 航空高光谱图像中的地物目标进行空天一体映射到航天多光谱图像中, 得到特定地物目标的航天多光谱融合模拟仿真图像. 仿真实验表明该方法简便易行, 有效地减少了地物目标的三维建模和探测器响应建模的巨大工作量, 较好地实现了对特定地物目标航天多光谱图像的模拟, 开拓了遥感图像仿真模拟方法的新领域, 具有重要的研究和应用价值.
2013, 62 (20): 204202.
doi: 10.7498/aps.62.204202
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压缩感知理论基于信号的稀疏性和可压缩性, 突破传统Nyquist采样频率的限制, 以较低的数据量对信号进行采样和高概率重构. 在压缩感知理论中, 信号的稀疏度确定了稀疏采样的最低数据量, 是验证采样方法及重构方法优劣的重要参数. 在实际研究过程中, 图像稀疏度通常未知, 这就可能导致过采样或欠采样的情况, 从而无法验证采样方法及重构方法的优劣. 因此, 快速而客观地估计图像的稀疏度对于压缩感知理论研究来说意义重大. 本文分析了基于小波变换的图像稀疏化表示方法, 通过遍历采样和重构得到基于小波变换方法的图像稀疏度, 但过程复杂, 而且结果的准确性依赖于小波基和变换尺度的选择. 本文通过压缩感知理论对主成分变换进行阐述, 在基于主成分变换系数近似为正态函数的假设下, 建立了图像稀疏度与系数函数方差间的线性关系, 并通过多组图像数据进行仿真验证, 结果表明线性关系的正确性. 通过分析和仿真可以看出, 基于主成分变换的稀疏度估计方法比小波变换简单、快速、客观, 对压缩感知理论研究有重要的应用价值.
2013, 62 (20): 204203.
doi: 10.7498/aps.62.204203
摘要 +
数字显微全息技术由于具有三维、非接触和实时测量微小空间内流场的能力, 已引起了国内外学者的广泛关注. 利用数字显微全息方法测量微通道流场时, 记录距离、颗粒尺寸、颗粒浓度、入射光波长、CCD分辨率等参数会对颗粒重建结果产生重要影响. 为了评估颗粒浓度和样本空间深度对重建结果的影响, 本文开展了数值模拟研究. 采用基于洛伦兹-米散射理论的程序产生不同浓度的颗粒全息图, 用小波变换重建算法对其进行重建. 结果表明: 在样本空间深度为24 μm 时, 颗粒浓度ns在3.44×105 mm-3–13.77×105 mm-3 范围内时, 颗粒重建率Ep随着颗粒浓度ns 的增大而迅速减小, 在13.77×105 mm-3–55.08×105 mm-3范围内时, 颗粒重建率Ep 随颗粒浓度ns增大而缓慢减少. 在颗粒浓度ns (13.77×105 mm-3) 保持不变时, 颗粒重建率Ep与样本空间深度满足单调递减的线性关系. 当阴影密度不变时, 重建率的变化呈现一定的规律性:当深度L较小时, 样本空间深度对颗粒重建的影响要比颗粒浓度的影响大; 当深度L较大时, 颗粒浓度对颗粒重建的影响较大.
2013, 62 (20): 204204.
doi: 10.7498/aps.62.204204
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光力学系统通常的耦合是光压耦合, 是光场强度和纳米振子位移的一次耦合, 但在光场很强和振子振幅较大的光力学系统中, 非线性的耦合效应会变得非常明显和重要, 而且其所产生的非线性效应对制造具有特殊功能的光力学器件具有重要意义. 本文在二次耦合模型的基础上研究了光腔和振子之间通过二次耦合作用达到能 量平衡状态时系统所产生的自持振荡现象, 给出了二次耦合光力学系统的一般模型, 并通过数值方法研究了系统的定态行为和远离定态的极限环动力学行为, 标定了系统定态响应的稳定区域到极限环行为的分岔点. 发现在调节输入场参数(改变耦合系数)以及光腔和振子的弛豫系数时, 系统的相空间会出现一些稳定的高维自持振荡极限环. 通过数值分析发现该四维极限环在三维相空间的投影都趋于稳定的三维周期轨道, 并且该极限环轨道会随外部调控参数的改变发生扭动, 出现类似二维李萨如图样的稳定纽结结构. 该现象表明: 通过光场与振子的能量耦合, 利用一定强度的外部驱动可以有效控制振子的定态响应和振动, 可以让微振子锁定在具有一定振幅和频率的自发振动上, 为开发物理器件提供了可靠的光力学控制系统.
2013, 62 (20): 204205.
doi: 10.7498/aps.62.204205
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研究了激光二极管端面抽运的双纵模双频微片激光器的热效应对其输出频谱的影响. 通过对端面抽运Nd:YVO4微片的热传导方程求解得出晶体内部的温度场分布; 并进一步对微片晶体热致折射率变化进行分析, 由此计算出双频微片激光器的热致频谱变化. 实验结果表明: 当抽运功率较小时得到稳定的双纵模双频激光输出; 当抽运功率增大时, 晶体热效应使双频激光频谱双峰之间的频差减小, 各纵模波长频谱宽度加宽, 实验结果与理论分析相符合.
2013, 62 (20): 204206.
doi: 10.7498/aps.62.204206
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设计了一种铅硅酸盐SF57 材料的光子晶体光纤, 利用有限元法数值模拟了该光纤的 色散特性. 研究结果显示在整个透明波段光纤具有正常色散. 利用自适应分布傅里叶法求解非线性薛定谔方程, 对中心波长为1550 nm, 初始脉宽为150 fs 的脉冲在该光纤中传输进行了模拟, 获得了关于入射脉冲中心波长对称的展宽范围超过了600 nm 的超平坦连续光谱, 并且光谱具有极其稳定和 相干的特性.
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2013, 62 (20): 204207.
doi: 10.7498/aps.62.204207
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设计了中心波长800 nm带宽约500 nm的啁啾镜对, 在5501050 nm波长范围内提供约-60 fs2群延迟色散(group delay dispersion, GDD), 通过啁啾镜对的形式使GDD振荡波纹由单个啁啾镜的100 fs2减小到20 fs2. 采用双射频离子束溅射方法进行制备, 用白光干涉仪进行色散性能测试, 从测试结果可以看出, 制备的啁啾镜的反射率、GDD性能和设计值符合得比较好. 制备出的5501050 nm超宽带啁啾镜对在钛宝石激光器腔外进行色散补偿, 原输入脉冲由2427 fs压缩到12 fs, 这是国产超宽带啁啾镜对的首次应用.
2013, 62 (20): 204208.
doi: 10.7498/aps.62.204208
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传统方格型二维光栅与周期性缝隙阵列的组合薄膜结构具有雷达和光学波段双带通的电磁特性. 但由于其杂散光能量集中分布而严重制约它在高精度探测以及成像领域中的应用. 本文提出了一种全新的组合薄膜结构, 即由满足一定约束条件的圆孔型二维光栅和十字缝隙阵列构成. 基于Fraunhofer衍射理论建立组合薄膜结构标量衍射模型, 通过对比两种组合薄膜结构的衍射光分布, 理论分析与实验测试均表明: 圆孔型光栅与十字缝隙阵列组合薄膜结构不仅能够提高其光学透过率, 而且还使其杂散光分布均匀, 降低了其杂散光总比率, 从而有效抑制杂散光, 进一步增强了二维光栅与周期性缝隙阵列组合薄膜结构在实际光学系统中的可靠性.
2013, 62 (20): 204301.
doi: 10.7498/aps.62.204301
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基于修正的Rayleigh气泡脉动方程对水下等离子体声源放电产生的 强声冲击波的传播过程进行了分析; 利用Euler方程作为控制方程组, 建立了水下等离子体声源的聚束声场模型, 通过仿真计算获得的传播云图对冲击波负压的形成机理进行了直观的理论分析. 结果表明: 经过聚能反射罩反射汇聚得到的聚束波在反射稀疏波和水的惯性作用下, 聚束波周围水域产生了拉伸, 形成负压区, 如果拉伸力大于水的抗拉上限, 就会使得水中形成不连续现象, 即出现空化气泡; 此外聚能罩边缘处产生的衍射波进一步加剧了负压的产生, 边缘衍射波最终与拉伸波叠加, 使冲击波负压达到最大值; 通过对比仿真波形和实验波形, 从而验证和进一步揭示了冲击波负压的形成原因. 研究结果对认识水下冲击波的传播规律和进一步改进等离子体声源的设计具有指导意义.
2013, 62 (20): 204302.
doi: 10.7498/aps.62.204302
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利用传递矩阵法, 从理论上建立了全向入射条件下一维固-流周期结构中的声传播模型, 在此基础上计算、分析并比较了无限周期结构的声能带结构和有限周期结构中的声传输特性. 研究结果表明, 当声波以一定的入射角入射时, 固-流周期结构的低频通带区域存在一个声裂隙, 该声裂隙所对应的入射角大小与构成周期结构的固体层和流体层的密度或结构尺寸无关, 而仅取决于构成该周期性结构材料的波速.
2013, 62 (20): 204303.
doi: 10.7498/aps.62.204303
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大气中的污染源气体含量很少, 用光声光谱对其进行监测得到的光声信号极其微弱. 本文首先分析微弱信号产生机理, 在分析Holmes Duffing方程的基础上, 提出了适合光声池微弱信号检测的变尺度差分方法. 该方法通过对信号进行尺度变换, 再做差分来检测微弱信号. 理论分析和实验表明, 变尺度差分方法能很好地抑制系统相空间的共模噪声, 而且能很好地凸显混沌状态临界值. 变尺度差分方法测出的信号相对误差都小于5%, 说明其可以用于较高频率、 相位和频率都未知的微弱光声信号幅值检测.
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2013, 62 (20): 204501.
doi: 10.7498/aps.62.204501
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按照经典物理中处理混合物的一般热力学方法, 将近年来报道的颗粒固体流体动力 学进一步推广到孔隙被水和气填充的情形, 建立了其自由能的初步模型. 水-气-颗粒三相体系是与岩土工程和地质灾害密切相关的材料, 但其经典宏观物理基础却一直未能全面澄清.目前用于分析这类混合物力学行为的基本工程理论含Darcy渗流定律、Terzaghi有效应力及其运动方程(即本构方程)等内容. 通过与经典物理对比, 本文澄清了渗流对应于不同相之间的质量扩散, 有效应力与这类材料特有的体积填充形式自由能有关, 这两部分内容工程与物理是一致的.目前的分歧具体体现在材料建模对象上, 前者认为是本构方程, 而后者是自由能和迁移系数. 该分歧的解决将是建立这类材料的连续介质物理基础、突破本构方法面临的困境的一个关键.
2013, 62 (20): 204701.
doi: 10.7498/aps.62.204701
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基于边界元方法, 使空泡表面和细长体表面分别满足Dirichlet 边界条件和Neumann边界条件, 数值迭代获得小攻角下三维细长体的定常空化形态. 采用线性三角形单元, 将控制点布置在网格节点上, 应用局部正交坐标系并采用迭代方法获得空泡表面的速度势, 进而通过边界积分方程确定空泡厚度的分布. 采用拉格朗日插值方法得到空泡末端的厚度, 避免了迭代过程中网格的重新划分. 数值结果与实验值符合良好, 验证了该方法的合理性. 系统研究了空化数、攻角以及锥角对于三维细长体空化形态的影响规律. 数值结果表明: 攻角使得细长体的空化形态呈现不对称性, 出现空泡向背流面“堆积”的现象; 而空化数越小或锥角越大, 空泡形态的不对称性将越严重.
2013, 62 (20): 204702.
doi: 10.7498/aps.62.204702
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由于碰撞壁面后液滴内部流动的复杂性, 以及气-液-固三相间的相互作用, 对液滴碰撞壁面形态变化的数学理论研究有较大的难度, 因此所见者多为实验和数值模拟. 本文通过对液滴受力状态的分析, 得到了惯性力、黏性力和表面张力带经验系数的表达式, 并进一步建立了液滴碰撞壁面振荡模型, 得到了液滴铺展半径的振荡表达式, 以及表面张力、黏性系数等参数对液滴铺展的影响. 最后通过与液滴衰减振荡数值模拟结果的对比, 确定了液滴振荡模型中的修正系数, 验证了模型的可行性.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (20): 205201.
doi: 10.7498/aps.62.205201
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在前期计算电子能量分布函数的基础上, 求出弱电离大气等离子体中各碰撞反应过程的电子能量损失. 由于在弹性碰撞中电子-重粒子能量交换很少, 同时氮气、氧气分子又有很多能量阈值较低的转动、振动能级存在, 因此在大气等离子体中弹性碰撞电子能量损失所占份额很小(直流电场下小于6%). 研究发现, 弱电离大气等离子体中在不同能量区间占主导的能量损失过程不同. 随着有效电子温度(或约化场强)增加, 占主导的电子能量损失过程依次为转动激发、振动激发、电子态激发、碰撞电离、加速电离产生的二次电子. 在约化场强E/N=1350 Td (或有效电子温度为14 eV)附近, 平均电离一个电子所需的能量最小, 约为57 eV. 因此可以根据不同的需求调节电场强度, 从而达到较高的能量利用率.
2013, 62 (20): 205202.
doi: 10.7498/aps.62.205202
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将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解, 对垂直相交高功率微波电离大气产生等离子体的过程进行了模拟研究. 对于相干(同频)垂直相交高功率微波束, 只有当初始自由电子出现在(或到达)强场(干涉加强)处, 自由电子才会被加速并与本底气体发生碰撞电离, 在放电的开始阶段, 等离子体区域主要沿着强场区运动, 并逐渐形成一个由分立的丝状等离子体组成的带状区域. 这个带状等离子体区域足够长以后, 由于其对电磁波的吸收和反射, 其将等离子体两侧的两束微波分割开. 随着时间的推移, 在等离子体附近的强场区, 不断出现新的等离子体带. 比较发现, 当其他条件相同时, 相干微波束产生的等离子体区域比非相干微波束大.
2013, 62 (20): 205203.
doi: 10.7498/aps.62.205203
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使用二维粒子模拟程序研究了电子弓形波注入机制中激光脉冲形状对电子俘获效果的影响. 研究结果表明, 激光脉冲时间上升沿陡峭的正扭曲脉冲激发的尾波场强度高, 加速区域分布广, 并且有利于电子获得更高的初速度, 从而推动更多的电子进入尾波场加速相位. 在其他条件相同的情况下, 正扭曲脉冲的电子俘获数目远高于激光脉冲时间分别为高斯形和负扭曲分布的情形, 使得电子束的品质得到改善. 研究结果对于理解尾波场加速中电子注入过程以及获得大电荷量高能电子束具有积极意义.
2013, 62 (20): 205204.
doi: 10.7498/aps.62.205204
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利用kHz激光与固体靶相互作用产生了平均流强为1.3×107 photons·sr-1·s-1的X射线源, 研究了激光的对比度和能量对激光与固体靶相互作用产生的X射线能谱及Kα 产额的影响, 使用刀边成像技术测量了X射线源的源尺寸, 并进行了初步的成像实验. 实验中观察到对于非相对论级别的激光脉冲, 降低激光的对比度有利于提高Kα 产额, 而使用高对比度高强度激光, 更有利于获得高通量高信噪比X射线源.
2013, 62 (20): 205205.
doi: 10.7498/aps.62.205205
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采用二维粒子模拟方法研究了霍尔推进器通道中电子温度对等离子体鞘层特性的影响, 讨论了不同电子温度下电子数密度、鞘层电势、电场及二次电子发射系数的变化规律. 结果表明: 当电子温度较低时, 鞘层中电子数密度沿径向方向呈指数下降, 在近壁处达到最小值, 鞘层电势降和电场径向分量变化均较大, 壁面电势维持一稳定值不变, 鞘层稳定性好; 当电子温度较高时, 鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等, 而在近壁面窄区域内迅速增加, 壁面处达到最大值, 鞘层电势变化缓慢, 电势降和电场径向分量变化均较小, 壁面电势近似维持等幅振荡, 鞘层稳定性降低; 电子温度对电场轴向分量影响较小; 随电子温度的增大, 壁面二次电子发射系数先增大后减少.
2013, 62 (20): 205206.
doi: 10.7498/aps.62.205206
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在直接驱动中, 由于靶丸在内爆过程中不断压缩变小, 激光束的初始焦斑与压缩后的靶丸不再匹配, 导致能量从靶丸边缘流失. 光学动态聚焦是指在靶丸压缩变小的过程中, 动态减小辐照焦斑的尺寸, 这对提高光束与靶丸的耦合效率有着非常重要的意义. 靶丸压缩后期小焦斑的实现条件是解决光学动态聚焦的首要问题. 根据光的全频段传输规律, 本文采用构造低频和中高频波前畸变源的方法, 在不同目标焦斑的束匀滑条件下, 分别给出了小焦斑尺寸与低频波前、中高频波前的定标关系, 作为小焦斑实现方式的波前判据. 根据波前判据即可找出要实现不同的小焦斑需对低频和中高频波前畸变矫正控制的范围.
2013, 62 (20): 205207.
doi: 10.7498/aps.62.205207
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深入研究潘宁放电的物理机制, 研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC), 设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC), 并对电子、氢分子离子(H2+)、氢正离子(H+)、氢三正离子(H3+)同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法. 结合国内研究较热的潘宁放电模型, 对该算法进行模拟验证. 模拟结果显示: 采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声, 电子能量呈麦克斯韦分布, 由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H2+产量较大.
2013, 62 (20): 205208.
doi: 10.7498/aps.62.205208
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采用相分辨发射光谱法, 对双频容性耦合纯Ar和不同含O2量的Ar-O2混合气体放电等离子体的鞘层激发模式进行了探究. 在射频耦合电源上极板的鞘层区域处观察到两种电子激发模式: 鞘层扩张引起的电子碰撞激发模式和二次电子引起的电子碰撞激发模式; 并发现这两种激发模式均受到低频射频电源周期的调制. 在纯Ar放电等离子体中, 两种激发模式的激发轮廓相似; 而在Ar-O2混合气放电等离子体中, 随着含O2量的增加, 二次电子的激发轮廓变弱. 此外, 利用相分辨发射光谱法对不同含O2量的Ar-O2混合气放电下Ar的 750.4 nm谱线的平均低频电源周期轴向分布进行了研究, 得到了距耦合电源上极板约3.8 mm处为双频容性耦合射频等离子体的鞘层边界.
2013, 62 (20): 205209.
doi: 10.7498/aps.62.205209
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为了研究缩比实验在气体放电中的有效性, 对缩比间隙中的低气压氩气放电进行了数值模拟. 根据气体放电相似性的猜想, 如果间隙气压p和间隙距离d的乘积为常量, 即p1d1=p2d2, 并且约化电场E/p 在两个间隙中的空间分布相同, 那么这两个放电间隙的放电特性存在相似性. 数值模拟中设置三个缩比间隙: 气隙A的长度为30 mm, 气压为1 Torr (1 Torr=133.322 Pa); 气隙B的长度为15 mm, 气压为2 Torr; 气隙C的长度为10 mm, 气压为3 Torr. 仿真结果表明, 三个间隙均为辉光放电, 并存在明显的阴极位降区. 间隙A, B, C 的阴极位降区的厚度dC分别为2.71, 1.35和0.87 mm, 相对应的pd值几乎相同, 即pdC≈2.70 Torr·mm. 这与氩气辉光放电Paschen曲线最低点(pd≈2.86 Torr·mm)相近. 缩比间隙的放电参数的特性(如工作电压、电场、电流密度、电子密度和离子密度的沿“空间”px的分布)的数值计算结果与放电相似性猜想所预计的结果一致. 所以, 可以认为放电相似性猜想适用于低气压氩气缩比间隙的辉光放电.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (20): 206101.
doi: 10.7498/aps.62.206101
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二硫化钼(MoS2)是已知的二维半导体材料中光电性能最优秀的材料之一. 单原子层厚的MoS2是禁带宽度为1.8 eV 的二维直接带隙半导体材料, 可以用来发展新型的纳米电子器件和光电功能器件. 本论文利用玻尔兹曼平衡方程输运理论研究低温时MoS2系统的电输运性质, 计算得到了MoS2电子迁移率的解析表达式. 研究发现, 低温时MoS2 的迁移率与衬底材料的介电常数的平方成正比; 与系统的电子浓度对带电杂质的浓度的比率ne/ni 成线性关系. 因此, 选用介电常数高的衬底材料, 适当提高MoS2系统的载流子浓度, 同时降低杂质的浓度, 可以有效提高MoS2系统的迁移率. 研究结果为探索以MoS2为基础的新型纳米光电器件的研究和实际应用提供了理论依据.
2013, 62 (20): 206102.
doi: 10.7498/aps.62.206102
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基于第一性原理方法, 采用广义梯度近似的交换关联势, 对InSb材料(110)表面的硫吸附和氧吸附之后体系性质的差异进行了分析. 讨论了两种吸附下的键长、键角、能带结构和态密度的变化, 从理论上论证了硫吸附比氧吸附对InSb红外探测器表面态的钝化有优越性, 有利于工艺上在钝化时的选择.
2013, 62 (20): 206201.
doi: 10.7498/aps.62.206201
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以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象, 讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段. 从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规律. 研究发现: 在亲水粗糙表面, 正方形微柱呈正六边形阵列分布时, 液滴更容易形成稳定的Cassie状态, 或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变; 与此同时, 减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态, 或阻止润湿状态向伪-Wenzel或Wenzel状态转变; 然而, 当液滴处于Cassie状态时, 较小的固-液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角, 因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角两方面因素; 此外, 接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响. 研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据.
2013, 62 (20): 206801.
doi: 10.7498/aps.62.206801
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研究了不同退火温度和气氛对Ni/Au与p-GaN之间欧姆接触性能的影响. 采用圆形传输线模型方法得到不同退火温度和不同退火气氛下的比接触电阻率. 结果表明, 较适宜的退火温度为500 ℃左右, 退火温度太高或太低都会导致比接触电阻率的增大; 较适宜的退火气氛为适量含氧的氮气气氛, 且氧气含量对比接触电阻率大小的影响并不显著. 经过对退火条件的优化, 得到的比接触电阻率可达7.65×10-4 Ω·cm2.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (20): 207101.
doi: 10.7498/aps.62.207101
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基于密度泛函理论第一性原理系统研究了BN链掺杂石墨烯纳米带(GNRs)的电学及磁学特性, 对锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)分非磁态(NM)、反铁磁态(AFM)及铁磁性(FM)三种情况分别进行考虑. 重点研究了单个BN链掺杂的位置效应. 计算发现: BN链掺杂扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs) 能使带隙增加, 不同位置的掺杂, 能使其成为带隙丰富的半导体. BN链掺杂非磁态ZGNR的不同位置, 其金属性均降低, 并能出现准金属的情况; BN链掺杂反铁磁态ZGNR, 能使其从半导体变为金属或半金属(half-metal), 这取决于掺杂的位置; BN链掺杂铁磁态ZGNR, 其金属性保持不变, 与掺杂位置无关. 这些结果表明: BN链掺杂能有效调控石墨烯纳米带的电子结构, 并形成丰富的电学及磁学特性, 这对于发展各种类型的石墨烯基纳米电子器件有重要意义.
2013, 62 (20): 207201.
doi: 10.7498/aps.62.207201
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采用关联表象变分波函数方案, 介入三个非经典关联效应, 求解有限温度双能态自旋-晶格声子耦合量子隧道系统的非经典态, 着重研究化解由于粒子自旋-单声子相互作用引起的量子涨落导致双能态系统的退相干性量子耗散. 这三个非经典关联效应是: 1) 声子位移-粒子自旋 (σz)间强非绝热关联; 2) 声子压缩态效应及其伴随发生的单声子相干态-声子压缩态两过程相干效应; 3) 由关联表象导致的声子位移(UD)与声子压缩(US)的表象关联非绝热修正. 结果表明: 由于引入粒子自旋-双声子相互作用, 大幅度地增强了声子场压缩态, 特别是更进一步极大幅度地增强了非经典压缩-相干态效应. 因此, 由粒子自旋-单声子相互作用产生的Debye-Walle相干弹性散射效应导致量子隧道项(-Δ0σx)的强烈指数衰减及其伴随严重的量子相干损失的极大幅度的抑制, 并且自旋-晶格声子耦合量子隧道系统的非经典态能量大幅度降低.
2013, 62 (20): 207301.
doi: 10.7498/aps.62.207301
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为了提高频率选择表面(FSS)设计优化速度, 利用等效电路方法对基于集总元件加载的微型化FSS结构进行了分析. 根据FSS物理结构建立了相应的等效电路模型, 通过ADS软件对全波分析曲线进行拟合提取了等效电路模型参数, 通过延长曲线范围增加极值点个数提高拟合参数精度. 利用所提取的等效电路参数计算了不同LC 参数下FSS的传输特性, 与全波分析精确结果相对比, 电路模型计算的透过率略高, 中心频点及-3 dB带宽与全波分析结果的相对误差均小于10%. 证明了利用等效电路模型分析复杂FSS结构的可行性, 为FSS设计和快速优化提供了参考.
2013, 62 (20): 207302.
doi: 10.7498/aps.62.207302
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一般地,钛矿结构锰氧化物的电脉冲诱导电阻转变(EPIR) 效应源于非内禀界面处的肖特基势垒. 本文采用固相烧结法制备了La0.5Ca0.5MnO3 (LCMO)陶瓷样品, 用四线测量模式对样品电输运性质, 特别对其内禀EPIR效应和忆阻器行为进行了研究. 室温下, 尽管样品在四线测量模式下的I-V特性曲线呈欧姆线性规律, 但在适当的脉冲电压刺激下, 仍能诱导产生明显、稳定的EPIR效应. 通过与二线模式的界面EPIR比较, 发现LCMO内禀EPIR效应具有更小的脉冲临界电压、更好的稳定性和抗疲劳特性, 是稀土掺杂锰氧化物中观察到的一类新颖的EPIR效应.
2013, 62 (20): 207303.
doi: 10.7498/aps.62.207303
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采用分子束外延技术对δ掺杂GaAs/AlxGa1-xAs二维电子气(2DEG)样品进行了生长. 在样品生长过程中, 分别改变掺杂浓度(Nd)、空间隔离层厚度(Wd) 和AlxGa1-xAs中Al组分(xAl)的大小, 并在双温(300 K, 78 K)条件下对生长的样品进行了霍尔测量; 结合测试结果, 分别对Nd, Wd及xAl与GaAs/AlxGa1-xAs 2DEG的载流子浓度和迁移率之间的关系规律进行了细致的分析讨论. 生长了包含有低密度InAs量子点层的δ掺杂GaAs/AlxGa1-xAs 2DEG 样品, 采用梯度生长法得到了不同密度的InAs量子点. 霍尔测量结果表明, 随着InAs量子点密度的增加, GaAs/AlxGa1-xAs 2DEG的迁移率大幅度减小, 实验中获得了密度最低为16×108/cm2的InAs量子点样品. 实验结果为内嵌InAs量子点的δ掺杂GaAs/AlxGa1-xAs 2DEG的研究和应用提供了依据和参考.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (20): 208101.
doi: 10.7498/aps.62.208101
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系统研究了低温成核层生长时间、高温生长时的V/Ⅲ 比以及生长温度对氢化物气相外延生长GaN膜晶体质量的影响. 研究发现合适的低温成核层为后续高温生长提供成核中心, 并能有效降低外延膜与衬底间的界面自由能, 促进成核岛的横向生长; 优化的V/Ⅲ比和最佳生长温度有利于降低晶体缺陷密度, 促进横向生长, 增强外延膜的二维生长. 利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨X射线衍射、 低温光致发光谱和室温拉曼光谱对优化条件下生长的GaN外延膜进行了结构和光电特性表征. 测试结果表明, 膜表面平整光滑, 呈现二维生长模式表面形貌; (002)和(102)面摇摆曲线半高宽分别为317和343 arcsec; 低温光致发光谱中近带边发射峰为3.478 eV附近的中性施主束缚激子发射峰, 存在11 meV的蓝移, 半高宽为10 meV, 并且黄带发光强度很弱;常温拉曼光谱中E2 (high) 峰发生1.1 cm-1蓝移.结果表明, 优化条件下生长的GaN外延膜具有良好的晶体质量和光电特性, 但GaN 膜中存在压应力.
2013, 62 (20): 208102.
doi: 10.7498/aps.62.208102
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为了获得相变温度低且热致变色性能优越的光学材料, 室温下在F:SnO2 (FTO)导电玻璃基板表面沉积钨钒金属膜, 再经空气气氛下的热氧化处理, 制备了W掺杂VO2/FTO复合薄膜, 利用X射线光电子能谱、X射线衍射和扫描电镜对薄膜的结构和表面形貌进行了分析. 结果表明: 高温热氧化处理过程中没有生成W, F, V混合氧化物, W以替换V原子的方式掺杂. 与采用相同工艺和条件制备的纯VO2/FTO复合薄膜相比, W掺杂VO2薄膜没有改变晶面取向, 仍具有(110)晶面择优取向, 相变温度下降到35 ℃左右, 热滞回线收窄到4 ℃, 高低温下的近红外光透过率变化量提高到28%. 薄膜的结晶程度明显提高, 表面变得平滑致密, 具有很好的一致性, 对光电薄膜器件的设计开发和工业化生产具有重要意义.
2013, 62 (20): 208103.
doi: 10.7498/aps.62.208103
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仿真和实验验证了厚度极薄的平面结构超材料吸波体, 该吸波体采用加载交指电容的耶路撒冷十字结构, 通过增加单元间的耦合电容显著降低了其工作频率. 测试结果表明, 该超材料吸波体在1.58 GHz, 吸收率峰值为88.48%, 其厚度为2 mm, 约为1/95工作波长, 吸波体的单元尺寸为11 mm, 约为1/17工作波长. 此外, 通过金属通孔将耶路撒冷十字结构与金属底板相连接, 使其对斜入射横电和横磁极化电磁波具有宽角度吸收特性, 在60°时依然具有较高的吸收率, 且吸收峰频率几乎不发生偏移, 从而使其更具实用价值.
2013, 62 (20): 208104.
doi: 10.7498/aps.62.208104
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钨氧化物纳米线在高灵敏度低功耗气体传感器中极具应用潜力, 且通过掺杂改性可进一步显著改善其敏感性能. 本文以WCl6为钨源, NH4VO3为掺杂剂, 采用溶剂热法合成了钒掺杂的W18O49纳米线. 利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱仪表征了纳米线的微结构, 并利用静态气敏性能测试系统评价了掺杂纳米线的NO2敏感性能. 研究结果表明: 五价钒离子受主掺杂进入氧化钨晶格结构, 抑制了纳米线沿轴向的生长并导致了纳米线束的二次集聚; 室温下, 钒掺杂W18O49纳米线接触NO2气体后表现出反常的p型响应特性; 随工作温度逐渐升高至约110 ℃时, 发生从p型到n型的电导特性转变; 该掺杂纳米线气敏元件对浓度低至80 ppb (1 ppb=10-9) 的NO2气体具有明显的室温敏感响应和良好的响应稳定性. 分析并探讨了钒掺杂W18O49纳米线的高室温敏感特性及其p-n电导转型机理, 认为钒掺杂W18O49纳米线在室温下的良好敏感响应及反常p型导电性与掺杂纳米线表面高密度非稳表面态诱导的低温气体强吸附有关.
2013, 62 (20): 208105.
doi: 10.7498/aps.62.208105
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以Pb(NO3)2, Na(S2CNEt2)·3H2O为反应物, 在去离子水中合成含硫金属有机配合物Pb(S2CNEt2)2. 氩气保护下, 在油酸和十八烯混合溶液中热分解前躯体Pb(S2CNEt2)2, 反应时间分别为30, 60, 90, 120 min, 获得PbS量子点样品a, b, c, d. 通过红外光谱分析和热重-差热等手段对前躯体进行表征, 证明配体Na(S2CNEt2)·3H2O中的两个硫原子与Pb2+配位成功. PbS量子点样品X射线衍射和透射电子显微镜分析表明, 合成的PbS为类球形纯立方晶系PbS纳米晶; 对PbS量子点样品紫外-可见吸收光谱和光致发光谱进行研究发现, 吸收光谱和光致发光谱随着反应时间的增加顺序红移, 表明优化热分解反应时间可以调控PbS量子点的吸收光谱和光致发光谱. PbS量子点样品a发射峰在1080 nm, 与硅基太阳能电池相匹配, 可作为硅基荧光太阳能聚集器的荧光材料.
2013, 62 (20): 208106.
doi: 10.7498/aps.62.208106
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以Mn-56.5 wt%Sb包晶合金为研究对象, 进行了不同磁场、不同冷速条件下的凝固实验. 通过对液相线温度、包晶温度的考察, 发现强磁场可以提高Mn-56.5 wt%Sb合金的液相线温度, 且该上升值随磁感应强度的增加而增加, 当所施加的磁感应强度为11.5 T时, 液相线温度升高大约3 ℃, 但施加磁场后包晶反应温度没有明显改变. 对该合金的凝固组织进行定量金相分析发现, 施加磁场后MnSb相明显减少, 该结果与磁场对相变温度的影响相一致. 另外通过X射线衍射分析发现, 强磁场诱发包晶反应生成相MnSb的c轴垂直于磁场方向取向, 而Mn2Sb相的(311)面平行于磁场方向取向. 对不同冷速凝固的Mn-56.5 wt%Sb合金组织进行定量金相分析结果显示, 强磁场对合金凝固过程的作用效果受到冷却速度的影响. 随着冷却速度的增加, 强磁场对该合金凝固组织中MnSb相的相对含量变化影响效果减弱.
2013, 62 (20): 208201.
doi: 10.7498/aps.62.208201
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为了研究表面演化过程的机理, 提出了一种基于压缩表示的三维表面演化方法来模拟等离子体刻蚀工艺,并着重探讨了对离子刻蚀的仿真. 为了解决三维元胞自动机内存需求量大的问题, 该方法将二维数组和动态存储方式相结合, 既实现元胞信息的无损压缩存储, 又保持三维元胞间的空间相关性. 实验结果也表明该方法不仅节省了大量内存, 而且在高分辨率条件下查找离子初始碰撞的表面元胞效率较高, 满足高分辨率仿真的要求. 将该方法应用于实现刻蚀工艺三维表面仿真中, 模拟结果与实验结果对比验证了该方法的有效性.
2013, 62 (20): 208202.
doi: 10.7498/aps.62.208202
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ReaxFF/lg势函数是在ReaxFF的基础上增加了对范德华引力的描述, 因此可以更好地用于描述晶体密度和结构, 而含能材料密度很大程度上影响着爆轰的宏观性质(如爆速、反应区宽度、能量输出结构等). 本文采用ReaxFF/lg反应力场分析了高温条件下凝聚相CL20-TNT共晶的初始分解情况, 并通过简单的指数函数拟合势能演化曲线获得了平衡和诱导期以及整体反应时间, 随后通过反应速率方程得到了共晶热解的活化能Ea (185.052 kJ/mol). CL20-TNT共晶热解过程中CL20分子均在TNT之前分解完毕, 并且随着温度的升高, TNT的分解速率明显加快, 温度越高二者完全分解所需的时间越接近. 有限时间步长下的产物识别分析显示主要产物为NO2, NO, CO2, N2, H2O, HON, HNO3. NO2是C–NO2和N–NO2键均裂共同贡献的结果, 其产量快速地增加, 达到峰值后开始减少, 此过程伴随着NO2参与其他反应使得NO2中的N原子进入到其他的含N 分子中. 次要产物主要为CO, N2O, N2O5, CHO. N2O具有很强的氧化能力, 使其分布有着剧烈的波动特征.
2013, 62 (20): 208401.
doi: 10.7498/aps.62.208401
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用金属氧化物半导体(MOS)晶体管模型取代传统Colpitts混沌振荡电路中的三极管模型, 提出了一种基于MOS管的Colpitts混沌振荡电路. 通过合适的归一化方法, 得到了与基于三极管电路类似的状态模型. 平衡点的指标说明两种结构产生混沌的机理并不相同. 然后, 通过参数反演, 得到了详细的电路参数, 并用Pspice软件仿真得到了混沌吸引子和混沌信号的频谱图, 说明了此结构可在低电压下工作并且能产生高频率的混沌信号. 最后, 用误差反馈的方法实现了这种结构的同步.
2013, 62 (20): 208402.
doi: 10.7498/aps.62.208402
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基于模式匹配法建立了矩形槽同轴布拉格结构的全波耦合分析模型, 推导出了不同模式反射率和传输率的计算式, 并采用公开报道的实验数据验证了该理论模型. 在此基础上就本文理论与其他相关的理论方法进行了比较, 发现以前的理论近似模型由于忽略了矩形槽中的消失模而使传输率的频率响应曲线发生偏差. 本文建立的理论方法有望为矩形槽同轴布拉格结构的特性研究和工程实践提供一种理论分析手段.
2013, 62 (20): 208501.
doi: 10.7498/aps.62.208501
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利用计算机辅助设计技术数值仿真工具, 研究22 nm工艺技术节点下超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应, 系统地分析了掺杂地平面技术、重离子入射位置、栅功函数和衬底偏置电压对于单粒子瞬态效应的影响. 模拟结果表明, 掺杂地平面和量子效应对于单粒子瞬态效应影响很小, 重离子入射产生大量电荷, 屏蔽了初始电荷分布的差异性. 单粒子瞬态效应以及收集电荷和重离子入射位置强相关, 超薄体全耗尽绝缘体上硅最敏感的区域靠近漏端. 当栅功函数从4.3 eV变化到4.65 eV时, 单粒子瞬态电流峰值从564 μA减小到509 μA, 收集电荷从4.57 fC减小到3.97 fC. 超薄体全耗尽绝缘体上硅器件单粒子瞬态电流峰值被衬底偏置电压强烈调制, 但是收集电荷却与衬底偏置电压弱相关.
2013, 62 (20): 208502.
doi: 10.7498/aps.62.208502
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在群速度概念的基础上, 研究了自旋极化电子隧穿通过铁磁体/半导体(绝缘体)/铁磁体异质结时, 渡越时间随两端铁磁层中磁矩夹角变化的关系. 研究结果表明: 当中间层为半导体层时, 由于半导体层中的Rashba自旋轨道耦合强度的影响, 自旋向上电子和自旋向下电子的渡越时间差会在两铁磁层相对磁矩夹角为π/2和3π/2附近出现一个极小值. 当中间层为绝缘体层时, 势垒高度的变化会导致不同取向的自旋极化电子渡越时间差的变化, 并当势垒高度超过一临界值时发生翻转.
2013, 62 (20): 208701.
doi: 10.7498/aps.62.208701
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随着成像技术的不断发展, 医学图像处理在计算机辅助诊断和病变管理中的重要作用日渐突出, 而计算断层扫描序列图像的肾脏组织分割是其中的关键步骤. 本文结合肾脏序列图像的连续性特征, 提出了一种基于活动轮廓和图割方法的能量最小化分割模型来自动分割肾脏组织. 根据相邻切片图像的形状差异与层间距之间的关系, 计算出序列图像中适合图割优化能量函数的最优范围. 能量函数采用测地活动轮廓模型和Chan-Vese模型的综合形式, 兼顾了目标的边界和区域信息. 随后, 利用图割方法优化离散化的能量函数, 驱使活动轮廓逐渐向目标边界靠近, 直至收敛为止. 对30组腹腔序列图像进行了算法测试, 实验表明基于能量最小化的分割方法能够有效地提取出序列图像中的肾脏组织, 其分割结果的平均Dice系数达到了93.7%.
2013, 62 (20): 208702.
doi: 10.7498/aps.62.208702
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光镊技术被广泛应用在俘获和操纵微纳米尺寸颗粒, 目前被研究学者普遍接受的俘获吸光性颗粒的机理为光泳力. 本文实现了对空气中被俘获的吸光性颗粒的红外显微观测. 当激光器功率为1.0 W时, 成功观测到被俘获墨粉颗粒(直径约7 μm)和甲苯胺蓝颗粒(直径约为1–20 μm)的温升约为14 K, 为光泳力理论提供了强有力的证据. 另外, 首次用可见光显微镜和红外显微镜同时观测到被俘获颗粒的周期振荡现象, 并分析了振荡现象的产生机理.
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2013, 62 (20): 208703.
doi: 10.7498/aps.62.208703
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通过核磁共振扩散张量成像(DTI)得到的特定值域的扩散各向异性指数(DAI) 可用于揭示水分子扩散椭球的形态学特征, 定量反映被成像物体内部水分子扩散的优势方向和强度, 间接得到被成像物体内部的组织结构信息. DAI的可靠性直接影响对DTI数据的分析和理解. 本文基于扩散张量椭球的几何学信息, 提出利用扩散椭球几何比(EGR)定量描述水分子扩散的各向异性程度. 通过蒙特卡罗模拟实验和对人脑DTI数据进行分析, 并与当前广泛应用的水分子扩散各向异性分数(FA)和近期文献提出的扩散椭球面积比(EAR)进行对比. 实验发现EGR在不同级别噪声影响下的对比度效果和抗噪性都优于FA及EAR. 而且EGR 加入了体积修正, 增强了盘形扩散张量情况下的敏感性, 能够更好地鉴别神经纤维束交叉情况, 对于各向异性扩散程度较高的白质深层和相对均质的表层都有较好的量化区分结果.
2013, 62 (20): 208801.
doi: 10.7498/aps.62.208801
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采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 研究了非晶硅锗薄膜太阳电池. 针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性, 通过调控硅锗合金中硅锗的比例, 实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制. 借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计, 获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池.
2013, 62 (20): 208901.
doi: 10.7498/aps.62.208901
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手机通信数据详细记录了人们的通信行为, 成为研究人们社会关系、行为模式的重要资源. 通话号码个数、通话次数和时长是手机通信网络的基本属性. 本文在复杂网络理论基础上, 应用统计的方法研究了中国西部某城市三百余万手机用户不同节假日和工作日的 四天通话数据在不同尺度下的号码度、通话度、时长度的分布以及平均号码度、 平均通话度、平均时长度的特征.研究表明, 所有尺度下, 号码度、通话度、时长度均为幂律分布, 幂指数随尺度、日期和指标的不同而不同, 在[1.3, 4] 范围内波动.总体上, 号码度幂指数大于通话度和时长度幂指数, 入度幂指数大于出度幂指数;节假日幂指数大于相应指标的工作日幂指数, 休息时段幂指数大于工作时段幂指数;与工作日相比, 节假日的平均号码度和平均通话度较小, 平均时长度较大.揭示了绝大多数用户每日只接打1个号码的电话, 节假日期间接打电话的用户数、次数、时长减少, 但平均通话时长增大的特征.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (20): 209201.
doi: 10.7498/aps.62.209201
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地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季.
2013, 62 (20): 209401.
doi: 10.7498/aps.62.209401
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在电离层释放H2O, CO2, H2和SF6等中性气体能导致释放区域电子损耗, 形成明显的人工电离层洞, 是电离层人工变态的重要而有效的手段之一. 本文在改进电离层化学物质释放三维动力学模型的基础上, 对不同释放量级的H2O 和SF6在不同释放高度下产生的电离层洞形态结构及其时空演化规律进行了系统对比研究, 探讨了释放高度对化学物质释放电离层扰动效果、电离层洞形态及其动力学特性等的影响, 并对其成因进行了分析.
2013, 62 (20): 209701.
doi: 10.7498/aps.62.209701
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为了改善脉冲星辐射脉冲信号的消噪效果, 提出了一种基于噪声模态单元预判的经验模态分解(EMD) 消噪声方法. 该方法首先利用EMD将含噪辐射脉冲信号分解为一组内蕴模态函数(IMF), 根据IMF系数的统计特性采用局部均方误差准则进行噪声模态单元预判, 并将噪声模态单元置零; 然后对噪声模态单元预判处理后的IMF以模态单元为基本单位进行最优比例萎缩消噪, 从而达到抑制噪声、保留信号的目的. 实验结果表明: 与Sure Shrink小波阈值法、Bayes Shrink小波阈值法和EMD模态单元比例萎缩法相比, 基于噪声模态单元预判的EMD消噪方法可以更有效地去除脉冲辐射信号中的噪声, 同时更好地保留信号突变处的细节信息特征, 在信噪比、 均方误差、峰值相对误差、峰位误差和相位误差等方面都有一定程度的改善.
