Vol. 62, No. 21 (2013)
2013年11月05日
总论
2013, 62 (21): 210201.
doi: 10.7498/aps.62.210201
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为了构造高维非线性发展方程的无穷序列类孤子新解, 研究了二阶常系数齐次线性常微分方程, 获得了新结论. 步骤一, 给出一种函数变换把二阶常系数齐次线性常微分方程的求解问题转化为一元二次方 程和Riccati方程的求解问题. 在此基础上, 利用Riccati方程解的非线性叠加公式, 获得了二阶常系数齐次线性常微分方程的无穷序列新解. 步骤二, 利用以上得到的结论与符号计算系统Mathematica, 构造了(2+1)维广义Calogero-Bogoyavlenskii-Schiff (GCBS)方程的无穷序列类孤子新解.
2013, 62 (21): 210202.
doi: 10.7498/aps.62.210202
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用于脉冲等离子体推力器(PPT)工作过程仿真的一维机电模型, 具有模型简单、计算周期短等优点, 在PPT设计过程中得到了广泛应用. 本文针对机电模型假设工质烧蚀质量为常数和不考虑烧蚀过程这一局限, 提出了一种采用Teflon一维烧蚀模型计算工质烧蚀质量的改进模型, 并以LES-6 PPT为研究对象进行了仿真. 通过与LES-6 PPT实验数据进行对比, 仿真结果与实验数据符合, 充分验证了模型的可靠性. 此模型能够对Teflon工质在PPT工作过程中的温度变化和烧蚀过程进行仿真, 弥补了机电模型忽略烧蚀过程对仿真结果所造成的影响, 同时, 此模型依然保持了机电模型简单易于实现的优点, 对于脉冲等离子体推力器的设计具有重要意义.
2013, 62 (21): 210501.
doi: 10.7498/aps.62.210501
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本文将稳定噪声与双稳随机共振系统相结合, 研究了不同稳定噪声环境下高低频(均为多频)微弱信号检测的参数诱导随机共振现象, 探究了稳定噪声的特征指数(0 2)和对称参数 (-1 1)及随机共振系统参数a, b对共振输出效应的作用规律. 研究结果表明, 在不同分布的稳定噪声环境下, 通过调节系统参数a和b均可诱导随机共振来实现多个高、低频微弱信号的检测, 且存在多个a, b参数区间均可诱导随机共振, 这些区间不随或的变化而变化; 在高、低频微弱信号检测中, 或对随机共振输出效应的作用规律相同. 本研究结果将有助于稳定噪声环境下参数诱导随机共振现象中系统参数的合理选取, 进而可为实现基于随机共振的多频微弱信号检测方法的工程应用奠定基础.
2013, 62 (21): 210502.
doi: 10.7498/aps.62.210502
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本文研究了单相H桥逆变器在单极性正弦脉宽调制下的分岔和混沌行为, 建立了系统在比例控制下的一阶离散映射模型, 采用分岔图、折叠图和Lyapunov指数谱分析了比例系数k对系统性能的影响, 通过Matlab/Simulink仿真得到了不同比例系数下的时域波形图, 验证了理论分析的正确性. 最后运用分岔图研究了输入电压E、负载电阻R和电感L等外部参数变化时 变换器中存在的非线性行为. 本文将单相H桥逆变器的混沌研究从双极性正弦脉宽调制转向单极性正弦脉宽调制, 使之更具实用性, 研究结果对于正确设计和调试单相H桥逆变器具有重要的指导意义和应用价值.
2013, 62 (21): 210503.
doi: 10.7498/aps.62.210503
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针对黏性介质引起的Brown粒子质量存在随机涨落以及阻尼力对历史速度具有记忆性等问题, 本文首次提出分数阶质量涨落谐振子模型, 以考察黏性介质中Brown粒子的动力学特性. 首先, 将Shapiro-Loginov 公式分数阶化, 使之适用于对含指数关联随机系数的分数阶随机微分方程的求解. 然后, 利用随机平均法和分数阶Shapiro-Loginov公式推导系统稳态响应振幅的解析表达式, 并据此研究系统的共振行为; 最后, 通过仿真实验验证理论结果的可靠性. 研究表明: 1)质量涨落噪声可诱导系统产生随机共振行为; 2)记忆性阻尼力可诱导系统产生参数诱导共振行为; 3)不同参数条件下, 系统表现出单峰共振、双峰共振等多样化的共振形式.
2013, 62 (21): 210504.
doi: 10.7498/aps.62.210504
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研究了耦合分数阶振子的同步、反同步和振幅死亡等问题. 基于P-R振子在特定参数下的双稳态特性, 利用最大条件Lyapunov指数、最大Lyapunov指数和分岔图等数值方法分析发现, 通过选取初始条件和耦合强度, 可以控制耦合振子呈现混沌同步、混沌反同步、全部振幅死亡同步、全部振幅死亡反同步和部 分振幅死亡等丰富的动力学现象. 基于蒙特卡罗方法的原理, 在初始条件相空间中随机选取耦合振子的初始位置, 计算不同耦合强度下耦合振子的全部振幅死亡态、部分振幅死亡态和非振幅死亡态的比例, 从统计学角度表征了耦合分数阶双稳态振子的动力学特征. 几种有代表性的双稳态振子的吸引域进一步证明了统计方法的计算结果.
2013, 62 (21): 210505.
doi: 10.7498/aps.62.210505
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本文以SEPIC变换器中前置电感电流为控制对象, 采用共振参数微扰法对电流模式控制SEPIC 变换器中的混沌现象进行控制. 该方法通过对电路参数的微小扰动实现了对SEPIC变换器中混沌现象的控制, 并通过时域波形、功率谱及分岔图等对结果进行了分析. 最后实验结果表明, 以前置电感电流为控制对象, 利用共振参数微扰法可以实现SEPIC变换器的混沌控制.
2013, 62 (21): 210506.
doi: 10.7498/aps.62.210506
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提出了混沌神经网络的动态阈值控制方法, 将大脑脑电波的主要成分, 正弦信号作为控制变量实现对混沌神经网络内部状态的阈值动态改变, 从而达到了控制混沌神经网络混沌的目的. 利用该方法可以将混沌神经网络的输出稳定在一个与网络初始模式相关的存储模式和其反相模式上, 从而使混沌神经网络在模式识别、信息搜索等信息处理功能得以实现. 该控制方法不需要事先指定阈值, 是一种自适应方法, 符合实际人脑的思维运动.
2013, 62 (21): 210507.
doi: 10.7498/aps.62.210507
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在环行交叉路口交通流中, 由于行驶目的的不同存在三种类型冲突. 为了真实模拟人类的自治性和智能性, 先将机动车建立为一个含有驾驶员模型的智能体, 再耦合环行交叉口的元胞自动机模型组成多智能体系统. 在总结每种类型交通冲突特点和规律的基础上, 提出通过优先级策略和动态协商机制消解机动车智能体相互之间的冲突问题. 以某中小城市城的典型环行交叉路口交通流量为样本数据, 对比验证模型的正确性, 并且进一步研究了交通流的分岔特性, 发现一定条件下流量的周期分岔和混沌现象. 数值模拟结果表明, 所建模型符合实际情况, 并且内环发生冲突越严重车流量越低, 随着机动车属性参数k和p的变化, 系统从稳定走向分岔再到混沌.
2013, 62 (21): 210601.
doi: 10.7498/aps.62.210601
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在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义.
2013, 62 (21): 210701.
doi: 10.7498/aps.62.210701
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采用气源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续 态跃迁的太赫兹量子级联激光器材料, 基于半绝缘等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器. 测量了激光器的发射光谱和功率-电流-电压关系曲线, 研究了器件的激光特性. 器件激射频率约2.95 THz, 脉冲模式下, 最高工作温度为67 K. 连续波模式下, 阈值电流密度最低为230 A/cm2, 最大光输出功率1.2 mW, 最高工作温度为30 K.
2013, 62 (21): 210702.
doi: 10.7498/aps.62.210702
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锥束CT具有高效率和高精度的显著特点, 在医学成像与工业无损检测等领域已得到广泛应用, 但余晖的存在降低了CT图像的质量. 本文借鉴余晖多指数衰减模型的思想, 结合平板探测器输出信号的实际衰减规律, 提出了一种新的基于多指数拟合的余晖衰减建模及校正方法. 首先进行了基于平板探测器的锥束CT成像实验, 结果表明平板探测器各像素的余晖衰减规律具有良好的一致性, 且余晖衰减规律与初始灰度的大小无关; 其后根据建立的余晖衰减模型实现了余晖的快速校正, 并分析比较了余晖校正前后投影图像和切片图像质量, 表明余晖校正后的零件轮廓清晰度得到了显著提升. 该方法无需获取探测器闪烁体成分及其衰减时间常数, 便于实际锥束CT成像系统的余晖检测与校正.
原子和分子物理学
2013, 62 (21): 213301.
doi: 10.7498/aps.62.213301
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本文在孙卫国等建立的预测双原子分子高转动激发态的 振转跃迁能谱的解析物理公式的基础上, 增加了该公式推导时被省略的高阶转动项Hv对能级的贡献, 获得了包含此高阶小项的预测双核体系高转动激发态的振转跃迁谱线的新表达式. 使用该新公式对AuO分子P支发射跃迁光谱的研究表明: 加入高阶转动常数Hv后的新公式所预言的振转跃迁 谱线的精度比不包含Hv 的公式给出的结果提高了约一个数量级. 因此, 更加有力地表明了使用多重差分法建立的这类物理公式在预言实 验未给出的物理数据方面的正确性和有效性.
2013, 62 (21): 213601.
doi: 10.7498/aps.62.213601
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利用密度泛函理论的方法研究了Mg原子修饰的封闭型六 硼烷B6H62-吸附氢的性能. Mg可以稳定地结合在B6H62-上, 它可以吸附六个氢分子. 电荷转移所导致的Mg周围电场的增强和体系更大的偶极矩使 得MgB6H62-比MgB6H6具有更好的储氢性能, 储氢密度达到11.1 wt%, 氢分子的平均结合能在0.23 eV/H2至0.34 eV/H2之间. 结果表明可以通过控制金属-有机物体系的电荷态来增强电场, 进而改善其储氢性能.
前沿领域综述
2013, 62 (21): 213401.
doi: 10.7498/aps.62.213401
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量子相空间理论已用来研究物理学、化学等有关问题, 并为人们研究经典物理和量子物理的对应关系提供了一种有力工具. 在量子相空间中, 基于Wigner表象下的量子刘维尔方程, 建立分子纠缠轨线力学. 与经典分子力学方法不同, 分子纠缠轨线力学中的轨线不再是独立的, 而是纠缠在一起的, 这正是体系量子效应的体现. 这种半经典 的理论方法能给出体系的量子效应及具有启示意义的物理图像. 分子纠缠轨线力学被用来研究量子隧穿效应、分子光解反应动力学、自关联函数等. 本文综述了分子纠缠轨线力学最近的发展.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (21): 214101.
doi: 10.7498/aps.62.214101
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基于超材料的电磁谐振特性, 设计、制作了一种极化无关的宽带低雷达散射截面 (radar cross section, RCS)超材料吸波体. 通过场分布和反演法分析了其吸波机理, 利用波导法和空间波法测试了其吸波率和RCS特性. 理论分析表明: 在平面波的作用下, 该吸波体对某一吸波频率在不同的位置分别提供电谐振和磁谐振, 对不同的吸波频率, 利用不同的介质层提供主要的能量损耗, 从而有效减弱了电磁耦合, 保证了宽频带的强吸收特性. 实验结果表明: 设计的三层结构吸波体吸波率达90%以上的带宽是单层结构的4.25倍, RCS减缩10 dB以上的带宽为5.1%, 其单元尺寸为0.17λ, 厚度仅为0.015λ. 该吸波体的低RCS特性还具有极化无关、宽入射角的特点, 且通过改变吸波体的夹层结构可以实现工作带宽的灵活调节.
2013, 62 (21): 214102.
doi: 10.7498/aps.62.214102
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基于传输线和波导理论, 提出了一种用于计算覆盖中等导电性材料的金属腔体电磁屏蔽效能的解析理论模型, 并通过和全波电磁模拟结果的比较检验了该模型的有效性. 计算分析了屏蔽体屏蔽效能的位置效应和谐振效应. 建议了一种评价导电材料电磁屏蔽效能的方法, 能很好的削弱谐振效应和位置效应的影响, 直接反映出材料本身的电磁屏蔽效能.
2013, 62 (21): 214201.
doi: 10.7498/aps.62.214201
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涡旋波束在大气湍流中的传输有非常重要的理论研究和实际应用意义. 本文基于利托夫近似和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出拉盖尔-高斯(LG)光束在非Kolmogorov湍流中斜程传输时的螺旋谱, 并进一步推导出系统的容量. 对基于LG光束的通信系统容量进行了数值计算, 并对指数参数、光束波长、天顶角、湍流内尺度、外尺度、结构常数对系统容量的影响进行了分析比较. 本文的结论能够为LG光束在非Kolmogorov湍流中的通信提供一定的参考价值.
2013, 62 (21): 214202.
doi: 10.7498/aps.62.214202
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降低阈值是随机激光实用化的前提, 随机光纤激光器是将随机增益介质填充到空芯光子晶体光纤中利 用其光子禁带来降低阈值的一种随机激光器. 理论分析表明: 在光子晶体光纤光子禁带的约束下, 随机光纤激光器中的大部分能量被集中在芯区传播, 这使局域在芯区的光与随机介质相互作用得到增强, 激发效率得以提高. 然而, 光纤填充介质后, 纤芯等效折射率发生了改变, 光子带隙也会随之移动, 因此当选用带隙光纤来降低阈值时, 只考虑光纤本身的带隙是不够的, 应考虑到介质的增益频率和填充后的光子带隙之间的匹配问题, 合理选择光纤或介质的材料, 如果匹配得当, 光子禁带对激光的调控能力会更强, 激光阈值有望得到更大程度的降低.
2013, 62 (21): 214203.
doi: 10.7498/aps.62.214203
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定量测定光源空间相干性在部分相干光成像, 非相干全息术及光信息处理领域具有重要的研究价值. 本文基于三角全息干涉光路提出了一种测量光源空间相干性的新方法. 利用三角干涉全息光路系统中分束镜产生的孪生光束进行干涉获得干涉图, 通过调整光源中心位置在写入平面内偏离光轴的量, 改变两孪生光束空间分离量的大小, 采集对应的一系列干涉图, 计算干涉图样的对比度, 从而对光源照明空间的波前上一系列不同距离的点对之间的空间复相干度进行测量. 实验系统光路配置较为简单且不需要使用特殊加工的光学元件. 针对一个准单色的扩展光源设计并进行实验, 结果表明利用文中提出的方法可以准确的测量光源的空间相干性, 实验结果相对于理论计算值的误差仅为3.8%.
2013, 62 (21): 214204.
doi: 10.7498/aps.62.214204
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提出了可以保持源图像特征和细节信息的基于结构张量的变分多源图像融合算法. 首先叙述基于结构张量的融合梯度场, 然后测量每幅源图像的特征图, 根据特征图为源图像的每个梯度构造一个权值, 将携带明显特征的梯度在融合的梯度场中凸显出来, 从而使源图像的特征和细节得到保持, 最后应用变分偏微分方程理论从目标梯度场重建出融合的图像. 实验结果表明, 本文算法融合图像的灰度平均梯度和信息熵均高于小波变换算法、塔分解法和直接梯度融合算法, 视觉效果上,融合图像很好的保留了源图像的特征和细节, 为图像目标检测和识别提供了高质量的图像信息.
2013, 62 (21): 214205.
doi: 10.7498/aps.62.214205
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由于光纤慢光在实际中的应用价值引起广泛关注. 技术手段上利用相干布居振荡效应实现光速可控更具有优势. 本文主要介绍了利用相干布居振荡效应 (CPO) 实现掺铒光纤中的光速减慢传输, 通过改变掺杂浓度、光纤长度、入射信号光及抽运光功率等参量, 具体研究了亚稳态粒子振荡和时间延迟的关系. 研究结果表明: 选择高浓度光纤、增加光纤长度、关闭抽运光源, 选择适当强度的信号光可以有效地增大时间延迟.
2013, 62 (21): 214206.
doi: 10.7498/aps.62.214206
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基于同一混沌信号光注入下两个1550 nm垂直腔面发射激光器 (VCSELs) 中两对应线性偏振模式之间的混沌同步, 提出了一种可实现信息的长距离双向双信道光纤混沌保密通信的系统模型, 并对该系统的同步、双向双信道通信以及光纤信道对信息传输的影响等性能进行了相关仿真研究. 结果表明: 在由驱动混沌激光器所产生的同一混沌光注入下, 两响应激光器中对应的两线偏振模式之间均可实现高质量的等时混沌同步, 且驱动激光器与两响应激光器间的同步系数较低; 基于两响应激光器之间对应线偏振模式的高质量混沌同步, 可实现双向双信道混沌通信; 采用单模保偏光纤 (或色散位移保偏光纤) 作为通信信道, 2.5 Gbit/s信息在传输60 km (或200 km) 后解调信息的Q因子能保持在6以上.
2013, 62 (21): 214207.
doi: 10.7498/aps.62.214207
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本文利用相位调制光纤低相干动态光散射装置, 研究了不同物质量浓度下电解质 (NaCl及 BaCl2) 对浓悬浮液中聚苯乙烯胶体颗粒扩散特性的影响. 实验结果表明, 当电解质浓度低于0.01 mol/L 时, 恒温条件下浓悬浮液中聚苯乙烯胶体颗粒扩散系数随电解质离子浓度以及离子化合价的增大而增大, 实验测量得到的扩散系数与Stern模型所得到的扩散系数符合较好.
2013, 62 (21): 214208.
doi: 10.7498/aps.62.214208
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本文采用中心波长1566.64 nm的DFB激光器, 结合光程长度为56.7 m 的多次反射池, 对不同浓度的CO气体进行了长时间测量, 分析了系统的稳定性和线性度. 通过计算Allan方差, 预测了在积分时间为30 s时, 系统检测极限为0.25 ppmv, 基本上实现了在近红外波段CO的高灵敏检测.
2013, 62 (21): 214209.
doi: 10.7498/aps.62.214209
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介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.3511.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景.
2013, 62 (21): 214210.
doi: 10.7498/aps.62.214210
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基于透射式液晶的电光特性, 设计和开发了一套基于液晶和数字处理器 (digital signal processor, DSP)的强光局部选通智能网络摄像机系统. 系统基于透射式液晶和DSP开发板(核心芯片TMS320DM642)技术, 利用DSP控制液晶驱动, 实现液晶单个像素透过率的控制, 将强光的透过率下降2个数量级; 该系统利用另一块DSP 开发板(核心芯片TMS320DM6437)实现将处理后的强光视频信号进行网络传输与实时存储到PC机中, 实现选通智能网络摄像. 该系统24 h所需存储硬盘容量8.648 Gbit, 所用液晶的延迟时间25.5 ms, 电路延迟时间17 μs. 在光强大于2.2×105 lx的强光照射下, 得到系统的选通视频实验结果. 结果表明该系统能解决强光下普通CCD高动态范围摄像机出现局部曝光过度而不能分辨细节的成像问题, 实现了CCD的高动态范围成像.
2013, 62 (21): 214211.
doi: 10.7498/aps.62.214211
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对不同温度下沉积的ZnS薄膜的结晶情况和光学特性进行了研究, 结果表明：沉积温度对ZnS薄膜的物理和光学特性有较大影响, 不同的温度沉积的ZnS薄膜具有不同的择优取向, 牢固度也大不相同; 不同沉积温度下, ZnS薄膜的光学常数也不尽相同. 温度为115 ℃和155 ℃时, ZnS薄膜的物理性能和光学性能较差, 不适合空间用光学薄膜的研制使用. 而190 ℃和230 ℃沉积温度下所得薄膜具有较好的物理和光学性能, 适合于不同要求的空间用薄膜器件的研制使用.
2013, 62 (21): 214212.
doi: 10.7498/aps.62.214212
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高非线性高双折射光子晶体光纤是超连续谱产生的最有效介质之一, 因此本文选取V型光子晶体光纤作为研究对象. 通过多极理论数值模拟的结果, 确定V型光纤具有高双折射、高非线性等特性. 通过实验手段, 发现入射光中心波长和光纤的双折射效应对产生的超连续谱有很大的影响: 当入射光波长处于光子晶体光纤大的反常色散区时, 脉冲相对展得比较宽, 长轴要比短轴方向的超连续谱更宽, 频谱成分更加丰富. 在同一波长下光偏振方向越接近45°时, 超连续谱谱宽范围越大. 随着入射脉冲功率的增加, 超连续谱展得越宽, 但是当功率比较大时会达到功率饱和.
2013, 62 (21): 214213.
doi: 10.7498/aps.62.214213
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本文主要对拉锥型啁啾光纤光栅滤波器进行详细的理论分析和实验研究. 结合传输矩阵法, 谐振理论和耦合模理论, 深入细致地分析了啁啾光纤光栅自身参数 (光栅长度, 折射率调制幅度, 啁啾系数), 拉锥参数和锥区损耗对拉锥型啁啾光纤光栅滤波器透射谱的影响, 并研究拉锥对啁啾光纤光栅各波长反射率影响. 在此基础之上进行相应的数值仿真及实验验证, 数值仿真与实验结果基本一致.
2013, 62 (21): 214501.
doi: 10.7498/aps.62.214501
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研究一阶Lagrange系统的梯度表示. 给出一阶Lagrange系统可成为梯度系统的条件. 利用梯度系统的性质研究系统的稳定性. 给出例子说明结果的应用.
2013, 62 (21): 214601.
doi: 10.7498/aps.62.214601
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当热作用时间或受热器件结构尺寸呈现微尺度特征时, 热流运动的惯性效应将对热量的传递过程产生显著地影响. 基于热质的概念, 依据牛顿力学原理引入用于描述热质运动的热波方程, 结合各向同性材料的本构关系, 构建了计及热流运动惯性效应的广义热弹性动力学模型. 利用超常传热的微尺度特征, 采用解析的方法对半无限大体外表面受热冲击作用的一维问题进行了渐近求解. 通过对热波、热弹性波的传播和各物理场分布的分析以及与已有广义热弹性理论预测结果的对比, 揭示了热流运动的惯性效应对热弹性行为的影响. 结果表明：热量的传递除了受到热流加速的时间惯性影响之外, 热流运动的空间惯性也对传热行为产生影响, 当计及空间惯性时, 热波、热弹性波的波速、波前位置, 各物理场的建立时间、阶跃峰值及阶跃间隔均受到不同程度的影响.
2013, 62 (21): 214701.
doi: 10.7498/aps.62.214701
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该文结合了Ott提出的修正连续性方程和Adami改进的动量方程, 对空气中的液滴碰撞问题进行了二维数值模拟. 为有效提高计算精度, 推导了适用于大密度差多相流的人工黏性和人工应力方程. 通过表面张力作用下方形液滴自然变化和空气中两液滴互溶的算例, 验证了算法的有效性; 对不同韦伯数 (8.8, 19.8)、不同碰撞参数 (0, 0.5)下的液滴碰撞过程进行了数值模拟, 并与VOF方法对比,取得了较为一致的结果; 进一步计算多个韦伯数、多个碰撞参数下的液滴碰撞, 得到了空气中二维液滴碰撞结果分布图,与实验结果相符合. 结果表明, 该算法对于求解涉及大密度差多相流的液滴碰撞破碎问题十分有效,而且该方法容易拓展到三维, 从而为进一步模拟火箭发动机的二次雾化过程奠定了基础.
2013, 62 (21): 214702.
doi: 10.7498/aps.62.214702
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将具有简单速度势的Layzer模型和Zufiria模型推广至非理想流体情况, 并分别利用这两种模型研究了界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响. 首先得到了两种模型下气泡的渐近速度和渐近曲率的解析表达式; 其次系统研究了界面张力对气泡的渐近速度和渐近曲率的影响; 最后将两种模型进行了比较, 并将气泡的渐近速度和数值模拟进行了比较. 研究表明: 界面张力压低了气泡的速度, 但对曲率没有影响; 利用简单速度势的Layzer模型所得的气泡的渐近速度比复杂速度势的Layzer模型的值小, 但是比Zufiria模型的值大; 当阿特伍德数等于1时, 简单速度势的Layzer模型和复杂速度势的Layzer模型给出的结果一致.
2013, 62 (21): 214703.
doi: 10.7498/aps.62.214703
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本文采用边界元方法, 研究了具有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面的相互耦合作用. 首先基于不可压缩势流理论, 建立了边界元气泡动力学模型, 并针对无限壁面附近的气泡和自由面作用问题, 采用镜像法模拟了倾斜壁面的作用. 然后, 基于本文所建立的数值模型, 分别计算了不同倾角的壁面对气泡和自由面水冢形态的影响, 发现倾斜角度会导致自由面的边界条件不连续, 从而对其运动产生明显的非线性影响. 最后, 分别分析了无浮力和有浮力情况下倾斜角度对其影响规律.
2013, 62 (21): 214704.
doi: 10.7498/aps.62.214704
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针对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度的时空演化模型, 通过PDECOL程序数值求解得到了液膜流/液滴铺展的动力学特性及壁面结构参数的影响. 研究表明: 在重力分量和Marangoni效应共同作用下, 液膜流/液滴铺展速度加快, 液膜边缘和液滴中心出现毛细隆起, 液膜/液滴底部出现凹陷, 同时受粗糙壁面影响, 液膜表面变形更显著. 增加壁面倾角θ具有使重力分量和Marangoni效应增强, 导致隆起和凹陷程度均有所增加的作用. 增大壁面高度D可使液膜流/液滴铺展速度加快, 表面变形放大. 而壁面波数k0则使液膜流/液滴铺展过程减缓, 抑制隆起和凹陷产生. 与液膜流相比, D和k0对液滴铺展速度的影响相对较小.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (21): 215201.
doi: 10.7498/aps.62.215201
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基于支持向量机 (support vector machines, SVM) 算法采用激光诱导击穿光谱技术对11种塑料进行了识别. 每种塑料各采集100个光谱, 其中50个光谱作为训练集, 用于建立支持向量机模型, 剩下的50 个光谱作为测试集, 用于测试所建立支持向量机模型的识别精度. 结果表明测试集550个光谱中有543个光谱识别正确,算术平均识别精度达到了98.73%. 其中有6个聚氨酯 (PU) 光谱被误判为有机玻璃 (PMMA), 原因主要是受空气中氮气的影响, 使得有机玻璃和聚氨酯两种塑料在氮元素含量上的差异不能通过N I 746.87 nm, C-N(0,0) 388.3 nm两条谱线的强度准确表征. 本结果为LIBS技术塑料分类提供了方法和数据参考.
2013, 62 (21): 215202.
doi: 10.7498/aps.62.215202
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本文研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法, 并采用该算法对国外研究较热的 Japan Atomic Energy Agency 10 Ampere (JAEA 10A) 离子源进行了全方位的数值诊断, 探索了电子能量沉积过程中电子的横向漂移和能量分布规律, 分析了离子源放电的主要物理参数对电子沉积的影响作用. 模拟及分析结果显示: 电子横向漂移 (-Y方向) 来源于过滤区的磁漂移, 增加过滤磁场, 导致磁漂移增大, 横向漂移加剧, 且电子的利用率增大; 提高放电室气压, 电子的碰撞更频繁, 进而加剧横向非均匀性, 也同时提高电子的利用率.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (21): 216101.
doi: 10.7498/aps.62.216101
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通过高温固相法制备了不同Er3+掺杂浓度的KPb2Br5多晶粉末样品. 由980 nm半导体激光器激发下得到的上转换发射光谱显示, 当掺杂浓度为2.5 mol%时, 样品主要表现为530 nm 和550 nm上转换发射, 分别对应激发态2H11/2和4S3/2向基态4I15/2的跃迁; 掺杂浓度增加到5 mol%时样品以490 nm上转换发射为主, 对应由激发态4F7/2向4I15/2的跃迁; 当掺杂浓度达到7.5 mol%时, 样品的上转换发射强度相比低浓度时大幅度下降, 主要以激发态4F9/2 向基态4I15/2跃迁的690 nm处发光为主. 利用第一性原理结合Judd-Ofelt理论讨论认为, Er3+ 离子优先替代Pb (1) 的位置, 随着浓度的提高, 部分Er3+ 离子会替代Pb (2) 格位上的离子, 不同晶格位置的Er3+ 离子所处的晶体场的对称性有所不同, 从而影响了发光中心不同能级的跃迁概率, 体现在上转换发光光谱的差异上. 蓝、绿区域的上转换发光在高浓度掺杂下显示了明显的浓度猝灭, 此时样品以红色上转换发光为主.
2013, 62 (21): 216102.
doi: 10.7498/aps.62.216102
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本文研究了脉冲激光沉积(PLD)生长过程中, 铝掺量、氧压及衬底温度等实验参数对ZnO:Al(AZO)薄膜生长的影响, 并利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射、霍尔效应、光透射光谱等实验手段对其透明导电性能进行了探讨. 变温霍尔效应和光透射测量表明, 当靶材中铝掺量大于0.5 wt%时, 所制备AZO薄膜中铝施主在80 K时已完全电离, 因Bernstein-Moss (BM) 效应其带隙变大, 均为重掺杂简并半导体. 进一步系统研究了氧压和衬底温度对AZO薄膜透明导电性能的影响, 实验发现当氧压为1 Pa, 衬底温度为200 ℃时, AZO 导电性能最好, 其霍尔迁移率为28.8 cm2/V·s, 薄膜电阻率最小可达2.7×10-4 Ω·cm, 且在可见光范围内光透过率超过了85%. 氧压和温度的增加, 都会导致薄膜电阻率变大.
2013, 62 (21): 216701.
doi: 10.7498/aps.62.216701
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利用Madelung变换, 考虑密度和相位涨落, 给出了准二维玻色-爱因斯坦凝聚体的有效拉格朗日密度函数和波函数量子涨落的算符化表示, 计算了凝聚体在去除约束势场自由膨胀时两点之间的密度-密度关联函数, 结果表明在长波极限下, 两点之间的密度关联函数正比于波数k, 而在短波极限下, 密度关联函数趋近于一个常数.
2013, 62 (21): 216801.
doi: 10.7498/aps.62.216801
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低速生长条件下, 共晶层片棒状转变只由两相的体积分数控制. 高速情况下, 这种转变有时亦发生, 其转变机理不清楚. 本文应用竞争生长准则, 结合高速生长条件下层片共晶和棒状共晶生长模型研究了生长速度引起的层片棒状转变机理. 结果显示: 体积分数在临界值附近很小的范围内, 生长速度和溶质配分系数的增大可引起棒状 层片共晶转变; 而当体积分数远离临界值时, 转变不发生. 生长速度名义上引起层片棒状共晶转变实际上是由生长速度变化引起的体积分数的变化导致的.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2013, 62 (21): 217101.
doi: 10.7498/aps.62.217101
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已有的实验结果表明, 硅硼氮陶瓷材料具有非晶态的微观结构, 并且可在六方相氮化硅 (-Si3N4) 的基础上得到较好理论模型. 本文通过同样方法建立硅硼氮陶瓷材料的理论模型, 并在此基础上进行分子动力学与密度泛函理论结合的计算研究, 得到其高温下光学性质的显著变化. 与氮化硅 (Si3N4) 的光学性质比较分析后发现, 低温下SiBN陶瓷对可见光甚至紫外及高频光吸收显著, 而高温下呈现对微米波的较好吸收和其他波段小于0.3的吸收系数; 低温下SiBN陶瓷的反射系数全波段接近0.1, 而高温下其反射系数可小至1%; 单晶Si3N4的光学性质则随温度升高几乎不发生变化. 这一结果表明SiBN陶瓷作为高温激光隐形材料的可能, 也为非晶材料光电应用指出一个新的方向.
2013, 62 (21): 217201.
doi: 10.7498/aps.62.217201
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通过引入SiO2氧化物缓冲层, 在金属Pt电极上利用射频磁控溅射技术成功制备出高质量的VO2薄膜. 详细研究了SiO2厚度对VO2薄膜的晶体结构、微观形貌和绝缘体–金属相变(MIT)性能的影响. 结果表明厚度0.2 μm以上的SiO2缓冲层能够有效 消除VO2薄膜与金属薄膜之间的巨大应力, 制备出具有明显相变特性的VO2薄膜. 当缓冲层达到0.7 μm以上, 获得的薄膜具有明显的(011)晶面择优取向, 表面平整致密, 相变前后电阻率变化达到3个数量级以上. 基于该技术制备了Pt-SiO2/VO2-Au三明治结构, 通过在垂直膜面方向施加很小的驱动电压, 观察到明显的阶梯电流跳跃, 证实实现了电致绝缘体–金属相变过程. 该薄膜制备工艺简单, 性能稳定, 器件结构灵活可应用于集成式电控功能器件.
2013, 62 (21): 217301.
doi: 10.7498/aps.62.217301
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文章研究了GaN基共振隧穿二极管 (RTD) 的退化现象. 通过向AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中引入三个实测的深能级陷阱中心并自洽求解薛定谔方程和泊松方程, 计算并且讨论了陷阱中心对GaN基RTD的影响. 结果表明, GaN基RTD的退化现象是由陷阱中心的缺陷密度和激活能的共同作用引起. 由于陷阱中心的电离率和激活能的指数呈正相关关系, 因此具有高激活能的陷阱中心俘获更多电子, 对负微分电阻 (NDR) 特性的退化起主导作用.
2013, 62 (21): 217401.
doi: 10.7498/aps.62.217401
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基于密度泛函理论, 采用广义梯度近似方法 (SGGA+U) 计算分析了SmOFeAs电子结构以及 Ir 掺杂对该体系晶体结构和电子结构的影响. 结果表明, 随着Ir的掺杂, SmOFeAs晶体结构中FeAs层与SmO层之间的耦合增强, 晶体内部所含的铁砷四面体随着Ir掺杂其畸变性程度逐步减小. Fe3d以及As4p杂化轨道对体系电子结构起主要影响作用. Ir掺杂所引入的电子使FeAs层的巡游电子增多、Fe3d轨道中的 dz2轨道离域性增强. 当Ir掺杂量为20%时, 费米面处于电子态密度峰值附近, 费米面急剧变化使该体系的Tc值有所增高, 反映了体系费米能级移动与其超导电性的密切关联性. 计算的电子态密度与XPS所得价带谱实验结果一致, 进一步验证了采用SGGA+U方法其包含修正d轨道局域电子的库仑势, 使得计算结果与实验结果更加接近.
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2013, 62 (21): 217501.
doi: 10.7498/aps.62.217501
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自旋s=1的海森堡反铁磁链材料LiVGe2O6的磁化率以及 核磁共振实验表明该材料在临界温度约为22 K时由顺磁相转变为反铁磁Nel相, 且低温磁激发谱存在能隙. 本文在已有模型哈密顿量的基础上提出了一个低能场论模型Ginzburg-Landau理论来描述 这一反铁磁链材料, 并运用这一理论讨论了LiVGe2O6由于自发对称性破缺导致的有限温度相变及 相应的磁化率变化情况, 理论计算很好地解释了现有的实验结果.
2013, 62 (21): 217502.
doi: 10.7498/aps.62.217502
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通过对霍尔探头低温标定系统改进, 建立了大块永磁铁低温剩磁测量系统(CRMS). 以尺寸为40 mm×40 mm×10 mm的矩形NdFeB永磁铁(N50M)为例, 对低温剩磁测量方法进行了研究, 结果表明, 影响低温剩磁测量可靠性主要因素有: 霍尔探头低温标定, 霍尔探头位置, 温度漂移与材料低温热膨胀等. 如果测量方法一样, 永磁铁低温剩磁测量重复性好于0.1%. 实验为低温波荡器等高精度永磁装置大块永磁铁低温剩磁测量与研究创造了条件.
2013, 62 (21): 217503.
doi: 10.7498/aps.62.217503
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用磁控射频溅射法制备了FeCoAlON薄膜, 研究了Al-O和N元素的添加对FeCo合金薄膜的软磁性的影响. 研究结果表明: 随着Al, O, N元素添加量的增加, 薄膜微结构从多晶转化到纳米晶再转化到非晶态, 薄膜表现为软磁性; 在N的含量较高时, 薄膜呈现条形畴结构, 本文对条形畴结构出现的机理和条件作了详细讨论, 并发现具有条形畴结构的薄膜的磁导率频率特性具有多峰共振的特点.
2013, 62 (21): 217504.
doi: 10.7498/aps.62.217504
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采用直流磁控共溅射技术, 以Ar与N2为源气体, 硅片为衬底成功地制备了Fe, Mn掺杂AlN薄膜. 利用X射线衍射和拉曼光谱研究了工作电流、靶基距离等工艺参数的改变对薄膜结构的影响. 利用扫描电子显微镜和能谱分析仪对薄膜的表面形貌和组成成分进行了分析. 利用振动样品磁强计在室温下对Fe, Mn掺杂AlN薄膜进行了磁性表征. Mn掺杂AlN薄膜表现出顺磁性的原因可能是由于Mn掺杂浓度较高, 在沉积过程部分Mn以团簇的形式存在, 反铁磁性的Mn团簇减弱了体系的铁磁交换作用. Fe掺杂AlN薄膜表现出室温铁磁性, 这可能是AlFeN三元化合物作用的结果. 随着Fe 掺杂AlN薄膜中Fe原子浓度从6.81%增加到16.17%, 其饱和磁化强度Ms由0.27 emu·cm-3逐渐下降到0.20 emu·cm-3, 而矫顽力Hc则由57 Oe增大到115 Oe (1 Oe=79.5775 A/m), 这一现象与Fe离子间距离的缩短及反铁磁耦合作用增强有关.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (21): 218101.
doi: 10.7498/aps.62.218101
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采用晶体相场法研究了单轴拉伸下三角相双晶变形过程及机理, 并重点分析了小角对称与非对称晶界和大角对称与非对称晶界在变形过程中的演化及微观机理, 变形过程中应力方向与初始晶界方向平行. 结果表明, 小角对称晶界由柏氏矢量夹角呈60的两种刃型位错组成, 变形过程中不同类型的位错运动方向相反, 并各自与另一晶界上同一类型位错相互吸引以致部分位错发生湮没; 小角非对称晶界上的位错类型单一, 在应力作用下先沿水平方向攀移, 后各自分解成柏氏矢量约呈120的两位错, 并通过位错运动和湮没最终形成理想单晶; 大角晶界在应力的作用下先保持水平状态而后锯齿化并发射位错, 伴随着位错运动和湮没, 最终大角非对称晶界发生分解, 而大角对称晶界则重新平直化, 表明大角对称晶界比大角非对称晶界更稳定, 这与实验和分子动力学模拟结果一致.
2013, 62 (21): 218102.
doi: 10.7498/aps.62.218102
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水浴法合成ZnO纳米线薄膜的工艺参数直接影响其表面形貌, 并使其接触角及润湿性能发生变化. 本文仿真分析了轮廓算数平均偏差、偏斜度、峭度、相关长度等特征参数对随机粗糙表面特性的影响规律; 改变生长时间、种子层溶液和生长液的浓度, 批量制备了表面形貌不同的ZnO纳米线薄膜; 提出了取样长度的确定方法, 并基于扫描电镜图像和Matlab图像处理算子对ZnO纳米线薄膜表面形貌的特征参数进行了提取; 将表面形貌高度和水平方向的特征参数引入Wenzel模型, 分析了合成参数、表面形貌特征参数与接触角的影响关系. 结果表明, 合成参数变化时, 选择取样长度5.0 μm为宜; 生长液浓度大于0.125 mol/L时, ZnO纳米线之间发生重结晶, 并呈现疏水性; 改变种子层溶液浓度和生长时间, 均得到超亲水表面. 上述结论可用于不同氧化酶、细胞等在ZnO纳米线薄膜上的有效吸附及相应传感器测试性能的进一步提高.
2013, 62 (21): 218103.
doi: 10.7498/aps.62.218103
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本文采用类金属透明模型合金丁二腈-23.6 wt%樟脑 (SCN-23.6 wt%DC) 合金, 研究了棒状共晶定向凝固组织的演化行为, 考察了抽拉速度对棒状共晶合金组织形貌演化的影响规律. 结果表明, 在共晶生长初期, 共晶组织首先起源于晶粒晶界或者试样盒型壁处, 随后沿液/固界面和平行于热流方向生长; 在较小的抽拉速度 (0.064–0.44 μm/s)下, 棒状共晶界面前沿呈现平界面形态, 内部两相棒状组织平行生长, 并且随着抽拉速度的增大,棒状共晶逐渐细化, 棒状间距减小; 而在较大的抽拉速度 (0.67–1.56 μm/s)下, 共晶界面前沿呈现胞状生长形貌, 胞内的棒状共晶呈放射状生长, 同样, 随着抽拉速度的增大, 胞内棒状共晶逐渐细化, 棒状间距减小.
2013, 62 (21): 218401.
doi: 10.7498/aps.62.218401
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忆阻器是物理上新实现的具有记忆特性的基本二端电路元件. 根据φ-q关系式的泰勒级数形式构建了荷控忆阻器等效电路分析模型, 以三次非线性荷控忆阻器模型为例, 对不同参数条件下的荷控忆阻器进行了伏安关系、有无源性等电路特性的理论分析. 结果表明: 荷控忆阻器的伏安关系具有斜体“8”字形紧磁滞回线特性, 随其参数符号的不同, 荷控忆阻器呈现出无源性和有源性, 导致其电路特性发生相应的变化; 相比无源荷控忆阻器, 有源荷控忆阻器更适用于作为二次谐波信号产生电路使用. 制作了荷控忆阻器特性分析等效电路的实验电路, 实验测量结果很好地验证了理论分析结果.
2013, 62 (21): 218402.
doi: 10.7498/aps.62.218402
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开关变换器的脉冲序列控制是通过调整控制脉冲循环周期内高、低功率脉冲的组合方式实现对开关变换器输出电压的调节. 控制脉冲循环周期内高、低功率脉冲的组合方式决定了脉冲序列控制开关变换器的稳态性能. 基于数论中连分式展开的思想, 研究了控制脉冲循环周期内脉冲序列控制开关变换器的控制脉冲组合规律, 得到了确定控制脉冲循环周期内高、低功率控制脉冲组合方式的算法. 建立了脉冲序列控制开关变换器的输出电压一维离散迭代标准模型, 并结合高、低功率控制脉冲组合规律, 分析了脉冲序列控制开关变换器的稳态性能; 研究了其多周期态参数估计和分布; 得到了其输出电压纹波范围. 仿真和实验结果证明了算法的正确性. 本文的研究结果有助于深入理解脉冲序列控制这一类离散型开关变换器控制方法.
2013, 62 (21): 218403.
doi: 10.7498/aps.62.218403
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在断续导电模式下, 建立了电压型双频率控制开关变换器的动力学模型, 并推导了相应的特征值方程. 根据动力学模型, 采用分岔图研究了电路参数变化时变换器存在的边界碰撞分岔行为和周期2, 周期3,周期4等多周期行为, 结果表明: 变换器经历了周期1态、多周期态、周期1态的分岔路由; 周期态的转变均是由边界碰撞分岔引起的. 根据特征值方程, 采用Lyapunov指数研究了变换器的稳定性, 结果表明: 随着电路参数的变化, Lyapunov指数始终小于零, 变换器一直工作于稳定的周期态, 验证了电压型双频率控制开关变换器的周期3行为并不意味着变换器会必然发生混沌. 通过电路仿真, 分析了负载变化时变换器的时域波形、相轨图和频谱图, 验证了动力学模型的可行性和理论分析的正确性. 实验结果验证了文中的仿真结果.
2013, 62 (21): 218404.
doi: 10.7498/aps.62.218404
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V2控制的Buck变换器在反馈放大系数变化的情况下表现出丰富的非线性行为. 本文建立了V2控制Buck变换器的离散迭代模型, 利用单值矩阵方法研究了系统不稳定行为. 随着反馈放大系数的增大, 变换器从稳定的周期一状态发生一系列的倍周期分岔现象进入周期二、周期四, 不断倍化直至混沌态. 同时其单值矩阵的最大特征值也沿着实负轴穿越单位圆, 从而从稳定性的角度揭示了系统发生一系列倍周期分岔的机理. 基于单值矩阵理论, 利用正弦电压补偿方法镇定了系统的分岔和混沌行为, 得到了镇定后系统的稳定边界. 仿真和实验结果证明了本文分析方法和结论的正确性.
2013, 62 (21): 218405.
doi: 10.7498/aps.62.218405
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针对弹载合成孔径雷达 (SAR) 距离徙动补偿困难以及原始后向投影(BP)算法计算量大实时性差的问题, 本文提出了一种基于解线频调 (dechirp) 弹载SAR的改进BP成像算法. 首先建立导弹在末制导阶段的dechirp回波信号模型并完成距离向的聚焦, 然后对距离向进行条带划分, 结合子孔径合并和图像分裂技术将每个条带内的回波反向投影至成像区域进行相干累加, 从而得到成像区域的SAR图像, 最后分别采用原始BP算法与本文改进BP 算法进行模拟和实测对比实验. 实验结果表明, 该算法能够对目标区域精确成像; 由于各条带间的成像是相互独立的, 易于算法的简化及并行处理, 极大地降低了算法的运算量、提高了运算速度, 增强了算法的工程可实现性. 该研究成果在遥感, 目标的探测与识别, 精确制导等领域中具有重要的应用价值.
2013, 62 (21): 218501.
doi: 10.7498/aps.62.218501
摘要 +
为了表征噪声对量子点红外探测器性能的影响, 本文推导了噪声的理论模型. 该模型通过考虑纳米尺度电子传输和微米尺度电子传输对激发能的共同影响, 并结合噪声增益, 实现了对噪声的估算. 得到的结果与实验的数据相比, 显示了很好的一致性, 从而验证了这个模型的正确性.
2013, 62 (21): 218502.
doi: 10.7498/aps.62.218502
摘要 +
结合了“栅极工程”和“应变工程”二者的优点, 异质多晶SiGe栅应变Si MOSFET, 通过沿沟道方向使用不同功函数的多晶SiGe材料, 在应变的基础上进一步提高了MOSFET的性能. 本文结合其结构模型, 以应变Si NMOSFET为例, 建立了强反型时的准二维表面势模型, 并进一步获得了其阈值电压模型以及沟道电流的物理模型. 应用MATLAB对该器件模型进行了分析, 讨论了异质多晶SiGe栅功函数及栅长度、衬底SiGe中Ge组分等参数对器件阈值电压、沟道电流的影响, 获得了最优化的异质栅结构. 模型所得结果与仿真结果及相关文献给出的结论一致, 证明了该模型的正确性. 该研究为异质多晶SiGe栅应变Si MOSFET的设计制造提供了有价值的参考.
2013, 62 (21): 218503.
doi: 10.7498/aps.62.218503
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加速实验中, 参数退化模型描述了参数的退化规律, 参数退化规律对应于器件退化机理, 而退化机理又对应于内部的物理化学反应. 因此, 本文基于反应动力学中物理化学反应的温度效应速率模型及反应量浓度随时间的变化规律, 研究并建立了GaN LED参数退化模型. 本模型尝试从物理机理上解释参数退化过程中的退化规律, 包括单调上升或单调下降退化规律、先上升后下降或先下降后上升等非单调退化规律, 解决了实验后拟合方法不能建立非单调退化模型的问题. 然后对GaN LED进行加速实验, 确定模型参数. 同时对GaN LED的退化规律进行分解, 并且量化了GaN LED两种退化规律的退化比例及时间常数.
2013, 62 (21): 218701.
doi: 10.7498/aps.62.218701
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各向异性生物分子或带电布朗粒子在周期性孔隙结构运动的分析在生物医学、水处理、环境工程等无数领域具有非常重要的意义. 本文基于宏观输运理论计算粒子在周期性微纳阵列结构中等效输运 参数, 预测分离结果. 首先通过引入构型熵及有效电荷等参数, 建立各向异性生物分子在纳米级受限环境下的等效布朗粒子模型, 然后应用宏观输运理论和数值方法计算分子的等效淌度. 以小分子DNA 片段在周期性纳柱阵列通道中电泳迁移为例, 证明当通道空隙接近或小于分子尺寸时, 熵受限对分子的等效迁移速度有重要的影响, 是实现生物分子分离的主要机理. 因为熵受限的作用随着外电场的增强而减低,所以在较低电场强度条件下, 分子淌度差别较大, 对应分离效果较佳.
2013, 62 (21): 218702.
doi: 10.7498/aps.62.218702
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实验表明, 自然界中许多动物能感受到磁场信息, 尤其是鸟类能够依靠地磁信息导航归巢或迁徙. 鸟类磁感受机理认为, 鸟类可以通过感受地磁场的强度与倾角建立磁地图从而进行飞行导航. 目前对鸟类用于感受磁场的磁受体的研究仍然处于探索鉴定阶段, 研究铁矿物结构是否具有在生命系统中作为磁受体的物理磁学性质有着十分重要的意义. 本文使用微磁学方法对鸟类基于铁矿物的磁感受机理中的磁赤铁矿片晶状磁受体结构进行三维模拟分析, 对其在地磁场中的畴态及对磁场信息的响应作用进行探究. 结果表明, 自然畴态为涡旋态的磁赤铁矿片晶链具有感受地磁场方向变化的能力.
2013, 62 (21): 218703.
doi: 10.7498/aps.62.218703
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针对同时具有分布时滞和非线性项的T-S模糊时滞系统, 提出观测器型H输出反馈控制器设计方法. 首先, 以非线性矩阵不等式形式给出时滞相关的满足H性能指标的稳定性分析充分条件; 其次, 给出与所给稳定性条件等价的线性矩阵不等式条件. 在此基础上, 讨论带有非线性项的观测器型H输出反馈控制的可解问题. 最后, 通过仿真算例说明控制器设计方法的可行性.
2013, 62 (21): 218704.
doi: 10.7498/aps.62.218704
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人体大脑活动的复杂度随年龄变化而变化, 并且和性别有一定的联系, 通过对功能磁共振成像复杂度的分析有助于发现人脑活动和性别年龄之间关系的规律. 本文提出需要根据年龄段的变化对基本尺度熵的参数做适当的调整, 以便获得良好的信号区分效果. 本文研究了人脑活动和性别年龄之间存在的关系. 结果证明, 同龄男女的基本尺度熵值存在一定的差异, 并且随年龄段的不同发生相应的变化, 另外基本尺度熵中的参数在数据分析中也随年龄变化存在一定规律的变化. 通过对fMRI数据的分析表明, 基本尺度熵能够有效地区分不同人群fMRI数据特征, 为进一步信号复杂度分析提供方便.
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2013, 62 (21): 218801.
doi: 10.7498/aps.62.218801
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使用In, N分离的GaInAs/GaNAs超晶格作为有源区是实现高质量1eV带隙 GaInNAs基太阳能电池的重要方案之一. 为在实验上生长出高质量相应吸收带边的超晶格结构, 本文采用计算超晶格电子态常用的Kronig-Penney模型比较了不同阱层材料选择下, 吸收带边为1 eV的GaInAs/GaNAs超晶格相关参数的对应关系以及超晶格应变状态. 结果表明: GaNAs与GaInAs作为超晶格阱层材料在实现1 eV的吸收带边时具有不同的考虑和要求; 在固定1 eV的吸收带边时, GaNAs材料作为阱层可获得较好的超晶格应变补偿, 将有利于生长高质量且充分吸收的太阳能电池有源区.
2013, 62 (21): 218901.
doi: 10.7498/aps.62.218901
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疾病的广泛传播给人类带来了巨大的损失, 因此抑制疾病的传播非常重要. 本文考虑了个体接种疫苗意愿的差异性, 并结合博弈理论建立了一个基于节点度信息的自愿免疫模型. 理论解析结果证明当感染率超过某个阈值时, 该模型与忽略个体接种意愿差异性的经典模型(Zhang et al 2010 New J. Phys. 12 023015) 传播效果(感染节点数)一样. 继而考虑疫苗永久有效和有效期有限两种情况, 在Barabási-Albert网络中利用SIS传播模型对疾病的传播进程进行了数值模拟, 发现数值模拟结果与理论解析结果非常符合. 实验证明, 当感染耗费和接种疫苗耗费相同时, 该模型比忽略个体接种意愿差异性的经典模型能够更好的抑制疾病的传播, 且感染人数下降比例超过65%, 更重要的是,疫苗有效期越长本文的模型 (与忽略个体接种意愿差异性的经典模型相比)抑制疾病传播效果越好.
2013, 62 (21): 218902.
doi: 10.7498/aps.62.218902
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在复杂网络研究中, 对于网络结构特征的分析已经引起了人们的极大关注, 而其中的网络着色问题却没有得到足够的重视. 为了理解网络结构与着色之间的关系, 本文研究了WS, BA网络以及不同宏观结构参量对于正常K色数的影响, 发现最大团数可以大致反映正常K色数的变化趋势, 而网络的平均度和匹配系数比异质性和聚类系数对于色数的影响更大. 对于一些实际网络的正常着色验证了本文的分析结果. 对复杂网络的顶点进行着色后, 根据独立集内任意两个顶点均不相邻的特点, 我们提出了基于独立集的免疫策略. 与全网随机免疫相比, 基于独立集的免疫策略可令网络更为脆弱, 从而有效抑制疾病的传播. 基于网络着色的独立集提供了一种崭新的免疫思路, 作为一个简单而适用的平台,有助于设计更为有效的免疫策略.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (21): 219201.
doi: 10.7498/aps.62.219201
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本文利用SAFIR3000闪电定位资料和多普勒天气雷达资 料分析了2010年6月13日发生于北京的飑线 系统中的闪电活动特征并讨论了电荷结构, 发现闪电都集中分布在飑线的前部线状强回波区域内, 仅在消散阶段在层云降水回波内发生的闪电数目明显增加. 通过闪电分布与降水的关系研究发现, 总闪电与对流降水整体相关系数达到了0.82, 云闪与对流降水的整体相关系数为0.76, 表明闪电的发生与雷暴云内动力和微物理过程密切相关. 基于闪电的辐射源分布特征, 讨论了飑线内电荷分布特征. 研究结果表明在飑线成熟阶段, 闪电辐射源密度的分布呈现出双层结构的分布特征, 下部的闪电辐射源中心位于4 km高度处, 上部的辐射源中心位于11 km高度处, 根据闪电双向先导的传输方式, 闪电辐射源密度高值区对应于负先导在正电荷区的传播, 飑线对流云区内总体呈现出中间为负电荷区, 上部和下部分别为正电荷区的三极性的电荷结构：上部正电荷区位于10–12 km高度处, 中部负电荷区位于8–10 km高度处, 下部正电荷区位于4–7 km高度处.
2013, 62 (21): 219202.
doi: 10.7498/aps.62.219202
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黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干 湿状况的年际和年代际变化特征十分明显. 但以往主要是针对夏季进行分析, 而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限. 本文基于中国589站最近50 a (1961–2010年)月降水和气温月平均资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料以及NOAA提供的海表温度(Sea Surface Temperature, SST) 资料, 运用带通/低通滤波、小波分析、EOF/REOF和回归分析等方法, 在对中国秋季干湿时空演化分类的基础上, 通过研究秋季黄土高原中部干湿演变周期、大气环流特征及与海温的多尺度相关关系, 以揭示影响黄土高原中部秋季干湿变化的物理机理, 并确定影响该区域干湿状况的前兆信号. 小波功率谱分析表明, 黄土高原中部秋季干湿指数存在准4 a和准8 a的周期, 1970–1990年准8 a尺度周期振荡尤为明显. 年际(周期≤ 8 a) 尺度上偏湿年的大气环流特征是, 欧亚大陆中高纬呈“双阻型”, 200 hPa西风急流显著北移, 日本海-鄂霍茨克海受反气旋控制, 其底部的偏东水汽输送带将水汽输入研究区. 年代际(周期 > 8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是, 东亚大陆为一致的低值系统; 200 hPa东亚副热带西风急流减弱北移, 研究区主要水汽来源由经孟加拉湾在中南半岛转向的南风水汽输送及中纬度的西风水汽输送组成. 整个序列上, Nino3区SST指数(Nino3I)超前5个月与秋季干湿指数已呈显著的负相关关系, 而孟加拉湾–中国南海SST指数(BayI)则超前3个月与干湿指数呈现显著的负相关关系. 年际尺度上, 秋季Nino3I, BayI均与秋季干湿指数存在显著相关(准4 a, 4–6 a), 而年代际尺度上, 只有BayI与秋季干湿指数存在显著相关性(准10 a). 黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际周期的确定、大气环流异常特征的认识及与海温的多尺度相关关系的建立, 不仅揭示了影响该区域干湿变化的物理机理, 也为干旱气候预测提供了重要的前兆信号.
