Vol. 63, No. 1 (2014)
2014年01月05日
总论
2014, 63 (1): 010201.
doi: 10.7498/aps.63.010201
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研究相对运动变质量完整系统Appell方程的广义Lie对称性及其直接导致的广义Hojman守恒量. 在群的无限小变换下，给出相对运动变质量完整系统Appell方程广义Lie对称性的确定方程；得到相对运动变质量完整系统Appell方程广义Lie对称性直接导致的广义Hojman守恒量的表达式. 最后，利用本文结果研究相对运动变质量完整约束的三自由度力学系统问题.
2014, 63 (1): 010501.
doi: 10.7498/aps.63.010501
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本文提出一种混沌保密通信方法，即混沌系统的部分序列用于混沌系统参数辨识其他序列用于通信保密. 利用混沌蚁群优化算法对部分序列混沌系统进行参数辨识，以达到了解混沌系统全部信息的目的. 在参数辨识过程中引入参数空间和蚁群空间，通过空间变换函数使参数空间与蚁群空间之间相互变换. 文中使用Lorenz系统进行数值试验，其结果验证混沌系统部分序列参数辨识及混沌保密通信的可行性.
2014, 63 (1): 010502.
doi: 10.7498/aps.63.010502
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在通用细胞神经网络单元的基础上，本文利用忆阻器本身的非线性实现了一种改进型细胞神经网络单元. 通过连接4个改进的细胞神经网络单元导出了一种基于状态控制细胞神经网络的忆阻器混沌电路. 为了验证该方法的正确性，采用通用的电子器件构建了一个忆阻器的模拟等效电路，并对提出的电路进行了实验分析. 实验结果与数值仿真结果的一致性表明采用改进型的细胞神经网络可以有效地实现忆阻器混沌电路.
2014, 63 (1): 010503.
doi: 10.7498/aps.63.010503
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以含分数阶微分项的van der Pol振子为对象，研究其超谐共振时的动力学特性. 首先，通过平均法得到了系统的一阶近似解，提出了超谐共振时等效线性阻尼和等效线性刚度的概念，研究了分数阶微分项的系数和阶次以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式对系统动力学特性的影响. 随后，建立了超谐共振时定常解的幅频曲线的解析表达式，得到了超谐共振周期响应的稳定性判断准则并提出等效非线性阻尼和非线性稳定性条件参数的概念. 最后，通过数值仿真比较了分数阶与整数阶系统的幅频曲线，分析了分数阶微分项的系数和阶次对响应幅值、幅频曲线以及系统稳定性的影响.
2014, 63 (1): 010504.
doi: 10.7498/aps.63.010504
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本文研究了自治与非自治电路系统在周期切换连接下的动力学行为及机理. 基于自治子系统平衡点和极限环的相应稳定性分析和切换系统李雅普诺夫指数的理论推导及数值计算. 讨论了两子系统在不同参数下的稳态解在周期切换连接下的复合系统的各种周期振荡行为，进而给出了切换系统随参数变化下的最大李雅普诺夫指数图及相应的分岔图，得到了切换系统在不同参数下呈现出周期振荡，概周期振荡和混沌振荡相互交替出现的复杂动力学行为并分析了其振荡机理. 给出了切换系统通过倍周期分岔，鞍结分岔以及环面分岔到达混沌的不同动力学演化过程.
2014, 63 (1): 010505.
doi: 10.7498/aps.63.010505
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双降压式全桥逆变器具有无桥臂直通、输入直流电压利用率高、效率高、续流二极管可优化选取等优点，因而在高压输出场合得到广泛的应用. 本文研究了双降压式全桥逆变器的分岔和混沌现象，建立了电流闭环比例控制下的二阶离散模型，得到了不同时间段内的频闪映射模型；通过折叠图和分岔图分析了不同比例系数k对于系统稳定性的影响，并搭建了Matlab/Simulink仿真模型，得到了电流闭环比例控制时电流iL 的时域波形和相图轨迹，并在频域下分析了分岔和混沌对系统频谱的影响. 同时，利用分岔图的方法分析了输入电压E、滤波电感L和开关周期T等外部参数变化时系统的非线性行为. 研究结果表明，正确选择双降压式全桥逆变器的电路参数对于其稳定运行具有重要意义.
2014, 63 (1): 010506.
doi: 10.7498/aps.63.010506
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本文利用解析和数值的方法研究了由双频周期信号驱动含分数阶内、外阻尼的Duffing振子的振动共振现象，并讨论了分数阶阶数对上述现象的影响. 研究发现：双频周期信号同时驱动的分数阶Duffing振子响应幅值增益Q可随着高频周期激励幅值的改变达到最大值，即出现了和整数阶非线性动力系统相似的振动共振现象，而相应的分数阶导数项则分别为系统提供了内、外两种阻尼力从而导致了系统有效势函数的改变，进而引发了比整数阶动力系统更为丰富的振动共振现象.
2014, 63 (1): 010507.
doi: 10.7498/aps.63.010507
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蔡氏电路的状态变量不易引出，一般的同步控制方法难以硬件电路实现. 针对此类含有电感、电容储能元件的混沌电路，提出一种注入反馈式混沌同步电路设计方法，通过引出状态变量，并在状态变量微分量未知的情况下对系统实施混沌控制. 利用该方法，对运动行为不同的两个蔡氏系统，实现了基于符号函数的非线性投影同步控制研究；电路实验结果验证了该方法的可行性和有效性.
2014, 63 (1): 010508.
doi: 10.7498/aps.63.010508
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本文以右转机动车和直行自行车为对象研究交叉口混合交通流特性. 基于交叉口机非干扰特性，将机动车元胞模型和自行车元胞模型进行了耦合，建立了考虑自行车穿越机动车延时、机动车穿越自行车间隙和冲突区占据处置等规则的交叉口混合交通流元胞自动机模型（NS-BCA）. 对右转机动车与直行自行车混合交通流进行了仿真，从流量-车辆到达率关系、交通流相位相变、交通流相位-到达率-混合交通流状态等方面研究了交叉口混合交通流的机非干扰机理.
2014, 63 (1): 010701.
doi: 10.7498/aps.63.010701
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卫星平台的振动会降低光谱成像数据的质量. 以星载色散型成像光谱仪为例，介绍了其运动成像的退化机理. 针对传统二维反卷积算法存在的问题以及推扫机理的特殊性，提出了一种光谱成像数据分块校正方法. 该方法将分块处理、升维运算以及灰度渐变拼接相结合，将基于自然景物统计规律的图像去模糊算法运用于降质成像光谱数据的校正中. 分别进行了不同目标的光谱成像退化校正仿真实验，实验结果表明，光谱成像数据质量在空间维和光谱维都有了明显提高，校正效果优于传统二维反卷积算法.
2014, 63 (1): 010702.
doi: 10.7498/aps.63.010702
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以半经典密度矩阵理论和分子振动弛豫理论为基础，研究添加适当比例缓冲气体与适当减小波导芯径对光抽运太赫兹激光器输出光强的影响. 计算结果表明，加入适当比例缓冲气体或适当减小波导的芯径均能提高太赫兹激光的输出光强；同时优化两个参数能进一步提高抽运激光能量转化为太赫兹激光能量的效率，延长工作腔中的有效激活区，延缓抽运饱和效应的出现，提高太赫兹激光输出光强. 该研究对提高光抽运太赫兹激光器的能量转化效率、提高光抽运太赫兹激光器的输出功率及实现光抽运太赫兹激光器的小型化有重要的指导意义.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (1): 014101.
doi: 10.7498/aps.63.014101
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本文基于一种阶梯槽交错双栅周期慢波结构模型，获得了该结构中的电磁场分布公式. 通过场匹配方法，求出了该结构的高频色散方程和耦合阻抗表达式. 以W波段行波管用的阶梯槽交错双栅为例，利用本文公式和CST-MWS 电磁软件比较计算了色散和耦合阻抗特性，分析了阶梯尺寸参数对高频特性（基模色散、+1 次空间谐波归一化相速和耦合阻抗）的影响. 结果表明，理论和CST-MWS软件模拟有很好的一致性；相对矩形交错双栅，改善了色散特性，拓展了基模带宽，同时具有足够大的耦合阻抗和适合工程应用的机械强度，在一定程度上可以弥补矩形交错双栅周期慢波结构的不足.
2014, 63 (1): 014102.
doi: 10.7498/aps.63.014102
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设计了一种基于分形树结构的高性能频率选择表面（frequency selective surface，FSS），并将其作为微带天线的空间滤波器，同时改善天线的辐射与散射性能. 该FSS单元是由两层金属及其中间介质组成，上、下层金属采用金属柱连结，整体构成树枝状分形结构. 通过优化参数，得到了一种宽带、极化无关、宽入射角、小型化的超薄FSS，厚度只有约0.017λ. 将该FSS应用于微带天线后，天线的相对带宽拓展到40%，工作频段内的增益得到改善，9.6 GHz时，天线的增益提高了6.7 dB，同时，天线工作频带内的雷达散射截面（radar cross section，RCS）也得到了明显减缩，最大减缩为12.7 dB. 实验结果与仿真结果符合得较好，证实了该空间滤波器具有提高宽带天线增益、增强天线定向性、改善天线带宽与降低天线带内RCS的效果，可以应用于宽带天线带内辐射与散射性能的同时改善.
2014, 63 (1): 014103.
doi: 10.7498/aps.63.014103
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本文提出了基于正六边形多开口的新型双频带磁谐振体. 在微波衬底材料的一面放置交错多开口的两个正六边形金属环，多开口结构破坏了环间耦合电容，从而使两环形成相对独立的两个谐振网络实现双频带效应. 最后将该谐振结构的另一面放置金属导线形成一个双频带的新型左手材料. 文中利用HFSS软件仿真和等效参数提取的方法，分析和验证该结构的正确性.
2014, 63 (1): 014104.
doi: 10.7498/aps.63.014104
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针对开孔屏蔽腔体内置窗口的结构特点，采用扩展的传输线方法理论，建立了电偶极子天线照射下计算近场屏蔽效能的等效电路模型，推导了近似计算解析式，并计算分析了内部窗口结构对开孔腔体近场屏蔽效能的影响. 结果表明：含内置窗口结构腔体的近场电场屏蔽效能小于远场屏蔽效能，腔体屏蔽效能随窗口宽度的减小而增大，电感窗口使得腔体谐振频率向上偏移，电容窗口使其谐振频率向下偏移. 分析结果与CST仿真结果进行了对比，证实本文采用的等效电路方法是有效的.
2014, 63 (1): 014202.
doi: 10.7498/aps.63.014202
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拉曼散射过程中利用原子系综中初始制备的自旋激发（原子相干性），以及注入与原子系综中初始制备的自旋激发相关联的种子光场都可以极大的提高光场频率转换的效率，实现增强拉曼散射. 本文理论上计算了增强拉曼散射过程中原子-光场量子界面的正交分量的量子起伏，得到了相干性导致的增强拉曼散射，只能在一定的范围内稍微提高初始光子-原子的压缩度；而关联增强拉曼散射，能够制备很强的光子-原子间的双模压缩. 这样强压缩度的光子-原子量子界面，对于利用光场和原子系统实现量子精密测量研究有着非常重要的应用.
2014, 63 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.63.014203
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基于扩展的自旋反转模型，对短外腔偏振旋转光反馈下1550 nm垂直腔面发射激光器的动力学特性进行了数值仿真和理论分析. 研究结果表明：增加反馈强度会导致多个偏振开关现象出现，中等反馈强度下呈现丰富的动力学状态，譬如单周期、倍周期、准周期及混沌态，增加注入电流使Y方向线偏振模的工作区域被压缩；随着反馈延迟时间的增加，在弱光反馈时，偏振模跳变现象将会以特定的频率发生，施加中等的反馈强度将会导致模式跳变的频率增加，并且出现各种新的动力学状态，包括拍频单周期、拍频脉冲包络、拍频准周期和拍频混沌态. 新动力学行为的出现是由于短外腔区激光器的动力学特性对相位变化非常敏感，从而使外腔模式间的拍频效应发挥了关键作用. 此外还发现各种动力学状态之间会伴随模式间的跳变而发生相互跳变.
2014, 63 (1): 014204.
doi: 10.7498/aps.63.014204
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本文基于多横模运转的传输速率方程，建立了多芯光子晶体光纤放大器的数值模型. 利用分步傅里叶方法，分析了掺杂浓度分布、耦合强度、抽运功率对于放大器各模式输出功率的影响. 通过对多芯光子晶体光纤掺杂浓度的阶梯设计和纤芯间耦合强度的优化，实现了无需插入其他外加元件，利用光纤本身特性就可以实现选定同相位超模的方法，并且数值计算表明高抽运功率也能够提高放大器输出同相位超模的比例，进一步优化了多芯光子晶体光纤放大器输出脉冲的光束质量.
2014, 63 (1): 014205.
doi: 10.7498/aps.63.014205
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本文采用连续钛宝石激光作抽运，掺杂浓度为6 at.%、长度为2.7 mm的Tm：YAG陶瓷作增益介质，通过引入半导体饱和吸收体获得了稳定的被动锁模运转. 实验中获得的激光锁模功率为116.5 mW，中心波长为2007 nm，重复频率为109 MHz，通过自行搭建的腔外非共线强度自相关测量得到的脉冲宽度是55 ps.
2014, 63 (1): 014206.
doi: 10.7498/aps.63.014206
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金属纳米粒子对于研究表面等离子体共振具有非常重要的意义，其自组装形成的功能组装体能够展现出更加优异的整体协同性能. 本文通过飞秒激光加工对金纳米棒直接进行组装，不引入其它的修饰剂，过程简单、快速（约1 min），不仅保留了金纳米棒表面等离子特性，且可以实现金纳米棒的任意精细图案化. 将组装的微纳结构用于微流控芯片表面增强拉曼散射探测，可以得到很好的增强效果，为等离子体器件的制备提供了新的方法.
2014, 63 (1): 014207.
doi: 10.7498/aps.63.014207
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本文推导出了高斯列阵光束在非Kolmogorov大气湍流中传输的瑞利区间zR、湍流距离zT和远场发散角θ的解析表达式，研究了非Kolmogorov湍流的广义指数α和列阵光束的合成方式对高斯列阵光束扩展的影响. 研究表明：不论相干还是非相干合成高斯列阵光束，zR，zT和θ均随着α的增加而呈非单调变化. 当α=3.108时，zR和zT取极小值，而θ取极大值，即当α=3.108时高斯列阵光束扩展最厉害，光束扩展受湍流影响也最厉害. 非相干合成高斯列阵光束扩展比相干合成的要大，但受非Kolmogorov湍流影响却要小. 特别值得指出的是：当自由空间光束衍射较小时，有zT zR，即在瑞利区间范围内大气湍流就对光束扩展有影响；而当自由空间光束衍射较大时，有zT > zR，即在瑞利区间范围内大气湍流对光束扩展几乎没有影响.
2014, 63 (1): 014208.
doi: 10.7498/aps.63.014208
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采用与信标发射接收系统参数匹配的长脉冲光源，可在脉冲回光时间内产生较亮星等的钠信标，既有利于提高信标探测的信噪比，也有利于实现自适应光学系统的高频闭环校正. 基于450 mm直径望远镜和大能量长脉冲光源，开展了钠信标探测实验，得到了长脉冲光源产生的钠信标回光特性. 通过CCD和光电倍增管，采集得到了不同发射能量、出射偏振态下的回光强度，并获得了最大强度为15 万光子/m2/pulse的回光，对应脉冲回光时间内约4.1等星的亮度. 分析推算了实验条件下钠原子的柱密度. 实验全过程未出现明显的饱和现象，验证了采用长脉冲钠信标光源避免饱和效应、得到高亮度钠信标的可行性.
2014, 63 (1): 014209.
doi: 10.7498/aps.63.014209
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掺Tm3+光纤激光器有着广泛的应用前景，而掺Tm3+光纤是其核心与关键. 本文采用改进的化学汽相沉积（MCVD）工艺和气相液相复合掺杂技术，在MCVD机车上实现了掺Tm3+ 石英光纤预制棒的制备，并制备了掺Tm3+石英双包层光纤（芯包比为10/125）. 利用上述光纤搭建直腔型全光纤激光器，在波长为793 nm的LD抽运下，获得激光光谱中心波长为2002 nm，最大的激光输出功率30.7 W，光纤斜率效率为59.32%.
2014, 63 (1): 014210.
doi: 10.7498/aps.63.014210
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本文以自制Ge20Sb15Se65硫系玻璃为基质材料，设计一种正八边形结构色散平坦型中红外硫系光子晶体光纤，并采用多极法对其中红外色散和传输特性进行数值研究. 结果表明：控制该光纤占空比（d/Λ）在0.323–0.367之间，其色散及传输特性在3–5μ m范围内可调. 当孔间距Λ=3.4 μm，孔直径d=1.1 μm时，光纤在4.1–4.9 μm波段的色散值在-0.8–0.8 ps·nm-1·km-1波动，且具备单模低损耗传输（LossAeff2）特性，适合于中红外非线性应用领域.
2014, 63 (1): 014211.
doi: 10.7498/aps.63.014211
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提出并实验了一种新的波导型脉冲耦合器的构成和动作机理，将光阻断效应表现的光粒子性和分支波导模式耦合表现的光波动性在光波导载体上有机结合起来，用全光学方式实现了输入作用电脉冲与输出同步电脉冲之间的脉冲耦合动力学过程.
2014, 63 (1): 014301.
doi: 10.7498/aps.63.014301
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利用矩形压电晶片和有机玻璃楔块折射可激励出超声表面波，广泛用于固体近表面缺陷检测和材料特性测量. 由于描述表面波三维声场的理论方法还鲜有报道，因而主要采用简化的表面波二维声场模型来定量分析这类问题. 高斯声束模型近些年被广泛应用于解决超声体波传播的各种复杂问题，然而，目前还没有将其扩展应用到超声表面波的声场的计算中. 通过结合表面波格林方程和矩形换能器的高斯声束模型，推导出基于高斯声束叠加的表面波三维声场解析解. 进一步，将该方法与点源叠加的数值解进行了分析比较，计算结果表明表面波声场的高斯声束叠加方法在具有较好计算精度的同时，还具有更快的计算效率.
2014, 63 (1): 014401.
doi: 10.7498/aps.63.014401
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基于变换热力学，导出了具有非共形任意横截面的柱形热斗篷热导率表达式，并在此基础上设计了具有非共形横截面的柱形热斗篷. 全波仿真结果表明，热斗篷迫使外部热流绕过斗篷，导致隐身区域热通量为零，从而具有热保护功能；同时，热流绕过斗篷后将恢复原来的温度场分布，使其具有完美热隐身功能. 此外，基于所导出的变换媒质热导率表达式，设计并求解了具有规则共形和非规则共形横截面的柱形热斗篷，发现它们同样具有热保护和完美热隐身功能. 这表明通过选择适当的边界函数，所得变换媒质热导率表达式可用于设计任意横截面柱形热斗篷，具有普遍的适用性，这种技术在计算机芯片、卫星和航天器等的热保护中有潜在应用.
2014, 63 (1): 014402.
doi: 10.7498/aps.63.014402
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本文针对α-Al2O3有序介孔材料的导热特性开展分子动力学模拟分析. 提出了一种保证电中性的孔道结构构造方法；采用逆非平衡分子动力学方法（muller-plathe法），选取Matsui势为作用势，模拟计算了Al2O3介孔晶体材料在不同环境温度下沿孔道轴向方向的热导率；并借助全面实验分析法，设计了模拟条件，以考察孔径和孔隙率对热导率的影响. 模拟结果显示：介孔Al2O3热导率先随温度的升高呈上升趋势，并在200–400 K之间取得极值；而后在400–1400 K范围内，热导率随温度的升高几乎呈线性下降. 孔隙率一定时，随孔径增大，介孔Al2O3材料比表面积降低，界面散射的抑制作用减弱，使材料热导率略有上升；孔径一定时，随孔隙率上升，孔道壁面声子数减少，材料热导率下降明显；相对于孔径因素，材料孔隙率对声子导热影响更大.
2014, 63 (1): 014501.
doi: 10.7498/aps.63.014501
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通过实验和数值模拟研究了竖直振动管中颗粒的受激运动. 将一直管插入静止的颗粒料层中，并在管内预填充一定高度的颗粒，对直管施加竖直振动. 振动强度较弱时，管内的颗粒在重力作用下向下运动；当振动达到一定的强度时，管内颗粒不下降反而克服重力的作用向上运动，随着振动强度的进一步提高，即使不在管内预填充高于颗粒床层的颗粒，颗粒也会沿着振动管逆重力向上运动. 颗粒的上升高度与运动速度强烈依赖于振动强度. 通过高速相机记录颗粒和直管在单个振动周期内的运动，并结合离散元（DEM）法模拟管内颗粒的受力变化规律，给出了颗粒上升的机理. 此研究对实现散体物料的定向输运提供了一种新方法.
2014, 63 (1): 014701.
doi: 10.7498/aps.63.014701
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本文提出了一种具有双模特性大模场面积的微结构光纤，通过有限元法计算其模场分布、基模有效模场面积及弯曲损耗特性，并分析了不同结构参量对限制损耗及有效模场面积的影响.计算结果表明：通过合理地改变光纤结构参量，可以使二阶模LP11、三阶模EH11截止，实现基模LP01、三阶模HE31双模传输，其中基模的有效模场面积可达700 μm2. 这种结构的光纤制作简单，在大容量光纤传输系统中具有重要应用.
2014, 63 (1): 014702.
doi: 10.7498/aps.63.014702
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血液栓塞形成机理一直是学术界研究的热点. 本文将以圆形刚性颗粒在分岔管中的运动模拟血液在微血管中的运动，对血液在分岔管中的栓塞现象作了初步研究. 重点研究了当血管发生分岔时，血管中血液流速的变化以及血栓形成的概率. 得出结论，压积越大越容易发生栓塞，压差越大越不易发生栓塞. 分岔管的入口和分岔处最容易发生栓塞. 血液经分岔管后，大管中的压积比小管的高.
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2014, 63 (1): 014703.
doi: 10.7498/aps.63.014703
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运用自行设计的实验装置并结合颗粒跟踪与成像技术，系统地研究了不同堆积程度的颗粒堆在准静态崩塌过程中的滑移行为. 实验发现在颗粒堆中一部分颗粒沿着斜下方向滑动，而另一部分颗粒则几乎没有滑动. 精确的数据分析还表明颗粒堆的滑动部分具有明显的层状结构特征，在每一滑动层中颗粒的滑移量基本相同，且各滑动层之间近似相互平行. 这些滑动层与水平面的夹角约在4050之间，与静态层表面与水平面的夹角一致. 各滑动层中颗粒的滑移量随其距静态层表面的距离而线性的增加. 不同堆积程度的颗粒堆的静态部分基本上不随堆积体积而改变.
综述
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2014, 63 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.63.014201
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为适应下一代电子产品便携性、形状可变性、人体适用性等方面的进一步需求，近年来基于无机电子材料的可延展柔性电子技术成为全球电子产业界与学术界关注的新焦点. 与有机柔性电子学器件不同，可延展柔性无机电子器件指的是建立在柔性基底上的无机电子组件. 这种具有柔性的集成电路利用力学设计提供大变形，在保持无机脆性电子器件高性能和高可靠性的同时，具备形状可弯曲、可伸缩等柔性性能. 本文综述了近年来无机柔性电子器件的进展，包括力学设计原理、基于界面黏附的转印集成方法以及柔性大变形下的失效机理等，并展望了未来的应用和发展.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (1): 016101.
doi: 10.7498/aps.63.016101
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采用高温固相法制备了发光样品Y1.98O3：Eu0.013+，Dy0.013+. 采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、荧光光谱仪、单光子计数器测试了不同含量的H3BO3对Y1.98O3：Eu0.013+，Dy0.013+物相结构、颗粒形貌、发光性能、余辉性能的影响. 结果表明当H3BO3含量低于8%（mol）时，样品可保持Y2O3晶格结构，且样品颗粒随H3BO3的含量增加逐渐增大. 样品光致发光由Eu3+离子电子的5D0→7FJ 跃迁所致，主峰位于612 nm，且发光强度随H3BO3 含量的增加呈线性增强. 随着H3BO3 含量的增加，样品余辉衰减时间逐渐增加，热释光谱分析表明H3BO3 的加入增加了基质陷阱能级的深度与浓度，故而导致样品长余辉性能的变化.
2014, 63 (1): 016102.
doi: 10.7498/aps.63.016102
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本文通过实验研究了0.8 μm PD （Partially Depleted） SOI （Silicon-On-Insulator） p 型Metal-oxide-semiconductor-field-effect-Transistor（MOSFET） 经过剂量率为50 rad（Si）/s 的60Co γ射线辐照后的总剂量效应，分析了沟道长度对器件辐照效应的影响.研究结果表明：辐照总剂量相同时，短沟道器件的阈值电压负向漂移量比长沟道器件大，最大跨导退化的更加明显. 通过亚阈值分离技术分析得到，氧化物陷阱电荷是引起阈值电压漂移的主要因素. 与长沟道器件相比，短沟道器件辐照感生的界面陷阱电荷更多.
2014, 63 (1): 016201.
doi: 10.7498/aps.63.016201
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纳米尺度金属Ag以其独特的导电和导热性，广泛应用于微电子、光电子学、催化等领域，特别是在纳米微电极和纳米器件方面的应用. 本文采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下多晶银纳米线的拉伸变形行为，详细分析了晶粒尺寸对多晶银纳米线弹性模量、屈服强度、塑性变形机理的影响. 发现当晶粒尺寸小于13.49 nm时，多晶Ag纳米线呈现软化现象，出现反Hall-Petch关系，此时的塑性变形机理主要以晶界滑移、晶粒转动为主，变形后期形成五重孪晶；当晶粒尺寸大于6.89 nm时，塑性变形以位错滑移为主，变形后期产生大量的孪晶组织.
2014, 63 (1): 016202.
doi: 10.7498/aps.63.016202
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针对非均匀体定向指向的情况，将非均匀体对弹性波的散射等效为球形有效体对弹性波的散射，推导出了呈现横观各向同性的有效弹性模量. 理论分析表明：本文得到的有效模量公式至少具有二阶精度. 数值计算表明：本文的有效模量随孔隙度增加而降低，不会出现Hudson模型中在孔隙度超过一定阈值后不减反增的问题. 另外，在非均匀体指向随机的情况，本文得到的有效模量公式归结为Kuster-Toksöz模型的公式. 对于由扁状裂隙作为非均匀体的孔隙岩石，裂隙内液体主要影响横观各向同性对称轴方向的纵波模量.
2014, 63 (1): 016801.
doi: 10.7498/aps.63.016801
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采用第一性原理方法研究了表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质. 考虑了表面氢化的双层BN可能存在的六种主要构型，计算结果表明：AB-BN和AA-BN两种构型最为稳定. 进一步分析了氢化后的双层BN最稳定构型的能带和电子性质. AB-BN和AA-BN两种构型的原子薄片均为直接带隙半导体，GGA计算的带隙值分别为1.47 eV和1.32 eV. 因为GGA通常严重低估带隙值，采用hybrid泛函计算得到带隙值分别为2.52 eV 和2.34 eV. 在最稳定的AB-BN和AA-BN两种构型中，B-N 键呈现共价键，而B-H和N-H 则具有明显的离子键的特点. 在双轴应变下氢化双层BN原子薄片可以被连续地调节带隙，当晶格常数被压缩约8%时，原子薄片由半导体性转变为金属性.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (1): 017101.
doi: 10.7498/aps.63.017101
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基于应变Si/SiGe器件结构，本文建立了统一的应变Si NMOSFET电荷模型. 该模型采用电荷作为状态变量，解决了电荷守恒问题. 同时采用平滑函数，实现了应变Si NMOSFET端口电荷及其电容，从亚阈值区到强反型区以及从线性区到饱和区的平滑性，解决了模型的连续性问题. 然后采用模拟硬件描述语言Verilog-A建立了电容模型. 通过将模型的仿真结果和实验结果对比分析，验证了所建模型的有效性. 该模型可为应变Si集成电路分析、设计提供重要参考.
2014, 63 (1): 017102.
doi: 10.7498/aps.63.017102
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2002年Scholz和Buzaré对蓝宝石晶体中Fe3+离子的基态分裂重新进行了EPR实验测量和研究，他们的初步分析表明在蓝宝石晶体中Fe3+离子的6A1基态分裂有可能同时与两个方向的畸变角（Δθ 和Δφ）有关. 本文采用对角化d5组态在C3点群对称下的252×252完全能量矩阵的方法，对蓝宝石晶体中Fe3+离子的光谱和EPR谱进行了系统的研究. 计算结果表明蓝宝石体系中Fe3+离子的6A1基态分裂确实将明显依赖于两个方向的畸变角Δθ和Δφ，这一理论结果与Scholz和Buzaré等的实验相符合. 同时，通过拟合Fe3+离子在蓝宝石体系中的实验光谱和EPR参量，确定了蓝宝石晶体中（FeO6）9-团簇局域晶格畸变角Δθi 的范围.
2014, 63 (1): 017301.
doi: 10.7498/aps.63.017301
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提出了一种含有凹口金属纳米环形共振器结构，采用时域有限差分方法模拟了表面等离子体在这种结构中的传播特性. 详细研究了凹口的长度、位置以及环的半径对透射性质的影响，发现当凹口的长度满足一定条件，并且处于某些特定位置的时候，与没有凹口的环形共振器相比，本征透射模式会发生分裂. 随着环半径的增加，透射模式会向长波长方向移动，但不会对模式的分裂造成影响.
2014, 63 (1): 017302.
doi: 10.7498/aps.63.017302
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假设超晶格量子阱是一个形状任意的周期势阱，电子在超晶格中的运动问题可视为周期场中的运动问题. 在量子力学的框架内，从Schrödinger方程和它的一般解出发，利用Bloch 理论和传输矩阵方法导出了系统的色散方程；在抛物线近似下，讨论了超晶格量子阱的电子跃迁. 结果表明，辐射能量位于红外、远红外或太赫兹波段.
2014, 63 (1): 017303.
doi: 10.7498/aps.63.017303
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利用非平衡格林函数方法，理论研究每臂中嵌有一个平行耦合双量子点分子的A-B干涉仪（平行耦合双量子点分子A-B干涉仪）的电荷及其自旋输运性质. 无外磁场时，与每臂中嵌有一个量子点的A-B干涉仪相比较，平行耦合双量子点分子A-B干涉仪中电子隧穿变得更加容易发生. 当平行耦合双量子点分子A-B干涉仪中引入外磁场时，能够在电导能谱中观察到一个Fano共振和一个反共振，这两种输运状态在磁场取适当数值时能够同时消失. 此外，通过调节左右两电极间的偏压、磁通和Rashba自旋轨道相互作用，可以对体系自旋输运进行调控.
2014, 63 (1): 017801.
doi: 10.7498/aps.63.017801
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周期性结构是光学薄膜设计的基本物理模型，给出了反射区中心波长的一般性条件，研究了在膜层材料存在折射率色散情况下，等厚周期结构和非等厚周期结构的薄膜反射区中心波长与带宽特性. 研究结果表明：在等厚和非等厚周期结构中，考虑膜层材料折射率色散与忽略色散情况相比，中心波长向长波方向移动，反射级次与相对波数的线性关系偏离；在薄膜光学厚度一定的非等厚周期结构中，高折射率层光学厚度大于低折射率层时，反射级次与相对波数的线性关系偏离度高；非等厚周期结构薄膜的带宽在低反射级次上小于等厚周期结构，同时膜层的色散对反射带宽影响不大.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (1): 018101.
doi: 10.7498/aps.63.018101
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采用聚焦离子束直写技术，成功制作了面积为200 μm×200 μm，线密度500 mm-1，圆孔直径800 nm，金吸收体厚度为500 nm的单级衍射量子点阵光栅. 研究了该光栅在波长442 nm激光下不同传输距离的衍射特性以及相对衍射效率. 实验结果表明，量子点阵光栅不存在高级衍射，只保留了±1级和0级衍射，具有良好的单级衍射特性. 1级衍射与0级衍射间距随传输距离的增大而增大，实测值与理论计算值相符.
2014, 63 (1): 018102.
doi: 10.7498/aps.63.018102
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纳米压印模板通常采用极紫外光刻、聚焦离子束光刻和电子束光刻等传统光刻技术制备，成本较高. 寻找一种简单、低成本的纳米压印模板制备方法以提升纳米压印光刻技术的应用成为研究的重点与难点. 本文以多孔氧化铝为母模板，采用纳米压印光刻技术对纳米多孔硅模板的制备进行了研究. 在硅基表面成功制备出纳米多孔阵列结构，孔间距为350–560 nm，孔径在170–480 nm，孔深为200 nm. 在激发波长为514 nm时，拉曼光谱的测试结果表明，相对于单面抛光的硅片，纳米多孔结构的硅模板拉曼光强有了约12倍左右的提升，对提升硅基光电器件的应用具有重要的意义. 最后，利用多孔硅模板作为纳米压印母模板，通过热压印技术，成功制备出了聚合物纳米柱软模板.
2014, 63 (1): 018201.
doi: 10.7498/aps.63.018201
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自然界中广泛存在螺旋结构，在特定情形下熵能驱动高分子链形成螺旋结构. 本文采用分子动力学方法研究柱状高分子刷吸附在无限长圆柱表面时的构象行为. 发现其构象与嫁接支链条数、柱状高分子刷与圆柱表面之间的吸附能密切相关. 在较弱的吸附能下，具有较多支链条数的柱状高分子刷能形成完整的螺旋结构，其本质就是熵驱动下形成的螺旋结构. 该研究有助于加深对生物大分子螺旋结构的理解.
2014, 63 (1): 018202.
doi: 10.7498/aps.63.018202
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大规模建设中面临越来越多的淤泥等超软土地基处理，其目的是尽可能排出超软土体中的水而使土体固结，以改善其物理力学性能. 静动力排水固结法试图利用高能量冲击而将超软土中部分结合水转换为自由水，进而实现更多水的排出而有效固结. 然而，目前还不十分清楚能造成这种水相变化的冲击荷载究竟要达到何种水平及速率. 为此，在模拟条件的、淤泥土的不同类型荷载水平及速率试验基础上，进行核磁共振水相测试，探索了典型荷载水平及速率下这种超软土中结合水可转化为自由水的条件及规律，主要为：1）对应于通常工程荷载的较低能量真三轴试验荷载速率与水平（1.6 MPa/s与100 kPa及以下），淤泥类超软土中非自由水不能转化为自由水. 2）对应于静动力排水固结法条件的高速冲击荷载下（每击荷载水平3787 kPa，速率631.2 MPa/s），非自由水可转化为自由水；且冲击总能量越大（遍数及击数越多），就越易析出自由水. 3）约束样品的侧限刚度对非自由水转化为自由水的影响可忽略.
2014, 63 (1): 018301.
doi: 10.7498/aps.63.018301
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在磁共振成像系统的工作过程中，噪声主要是由梯度线圈系统产生的. 梯度线圈置于高均匀度超导磁体的室温孔内，并工作于脉冲状态，频繁的开启和关闭会使线圈中电流急剧随时间变化，变化的电流导致线圈受到变化的洛伦兹力作用，从而产生振动，这种高频振动所发出的噪声会对病人产生刺激，严重时甚至会对病人的听觉神经产生损伤. 梯度场的场强越强、切换速度越快，所产生的噪声就越大. 降低噪声的最根本方法是通过有效的梯度线圈设计，降低洛伦兹力的空间分布. 本文针对纵向梯度线圈，在原经典目标场设计方法基础上，加入对振动参量，从而能够有效地降低线圈工作时所产生的噪声. 其具体方法是将振动控制函数作为约束条件，通过目标场法建立数学模型，利用MATLAB进行电磁验算. 计算结果表明，所提数学模型可有效地降低线圈振动的最大振幅.
2014, 63 (1): 018401.
doi: 10.7498/aps.63.018401
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研究了传输线中非截面排列金属光子晶体电磁特性，并利用其作为移相器提出了一种紧凑型TEM–TE11模式转换器的设计方法. 利用电磁软件cst microwave studio优化设计了一套L 波段TEM–TE11模式转换器，在中心频率1.58 GHz上转换效率为98%. 在1.56–1.625 GHz 频率范围内，模式转换器转换效率大于90%，对应带宽4.1%. 模式转换器功率容量为GW级，适用于高功率微波源系统. 结合磁绝缘线振荡器开展了粒子模拟研究工作，发现模式转换器性能与设计结果相符，并且其引入不影响高功率微波器件的正常工作.
2014, 63 (1): 018402.
doi: 10.7498/aps.63.018402
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本文根据四腔强流相对论速调管设计过程中出现的高次模振荡现象，采用电磁场软件模拟，分析了这种振荡的产生原因，给出抑制这种高次模振荡的方法. 利用二维和三维模拟软件，研究了谐振腔谐振频率、谐振腔Q值、漂移管长度、特性阻抗等参数的变化对高次模振荡的影响，模拟上验证了高次模振荡抑制方法的有效性，并在输出端模拟获得了功率2.13 GW、效率26%、增益60 dB的输出微波，实现了2D，3D中高次模振荡的有效抑制. 最终在实验中获得了功率1.9 GW、效率24%、增益61 dB的输出微波.
2014, 63 (1): 018501.
doi: 10.7498/aps.63.018501
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本文利用 60Co 源和兰州重离子加速器，开展不同累积剂量下，静态随机存储器（static random access memory，SRAM）单粒子效应敏感性研究，获取不同累积剂量下SRAM 器件单粒子效应敏感性的变化趋势，分析其辐照损伤机理. 研究表明，随着累积剂量的增加，SRAM器件漏电流增大，影响存储单元低电平保持电压、高电平下降时间等参数，导致反印记效应. 研究结果为空间辐射环境中宇航器件的可靠性分析提供技术支持.
编辑推荐
2014, 63 (1): 018701.
doi: 10.7498/aps.63.018701
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康普顿散射成像技术利用射线与物质作用后的散射光子信息对物质的电子密度进行成像. 与传统的透射成像方式相比，康普顿散射成像具有系统结构灵活、成像对比度高、辐射剂量低等优势，在无损检测、医疗诊断、安全检查等领域有着广阔的应用前景. 但其重建问题是一个非线性的逆问题，通常是不适定的，其解对噪声和测量误差非常敏感. 为解决此问题，本文结合全变分最小化正则化方法和交替方向法提出了一种新的康普顿散射成像重建算法. 该算法首先将问题对应的TV模型转化为与之等价的带约束的优化问题，然后利用增广拉格朗日乘子法将优化问题分解为两个具有解析解的子问题，并通过交替求解子问题使增广拉格朗日函数达到最小，进而得到重建的图像. 在仿真实验中，通过与主流的ASD-POCS方法进行对比，证明了该算法在重建精度和重建效率方面的优势.
2014, 63 (1): 018702.
doi: 10.7498/aps.63.018702
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细胞生长的每个阶段都离不开蛋白质相互作用. 研究细胞周期的功能、调控机理及参与调控的蛋白质之间的关系对生物工程等领域有重大的应用价值. 本文通过研究电离辐射下生物体细胞的DNA损伤后，细胞内以p53为核心的扩展蛋白调控网络的功能、原理及其自修复机理，在现有蛋白网络基础上引入更多蛋白网络调控因子来建立蛋白调控网络，仿真模拟更为全面的细胞周期进程；并且从复杂网络图论和细胞周期调控两个方面分析扩展PMP调控网络的抗扰能力及自修复机理，结果表明：1） 蛋白网络在对抗环境中出现的小扰动时具有较强的稳定性. 但在面对蓄意攻击时网络的稳定性较差. 2）受损的DNA能否被修复取决于p53蛋白的动力学行为，即低损伤与中损伤情况下，p53 可诱导细胞周期进程阻滞来完成细胞的自修复；而当高损伤或过损伤时，p53蛋白浓度表现为周期振荡行为并诱导细胞凋亡.
2014, 63 (1): 018801.
doi: 10.7498/aps.63.018801
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在柔性钼箔衬底上采用连续离子层吸附反应法（successive ionic layer absorption and reaction）制备ZnS/Cu2SnSx叠层结构的预制层薄膜，预制层薄膜在蒸发硫气氛、 550 ℃ 温度条件下进行退火得到Cu2ZnSnS4吸收层. 分别采用EDS，XRD，Raman，SEM表征吸收层薄膜的成分、物相和表面形貌. 结果表明，退火后薄膜结晶质量良好，表面形貌致密. 用在普通钠钙玻璃上采用相同工艺制备的CZTS薄膜表征薄膜的光学和电学性能，表明退火后薄膜带隙宽度为1.49 eV，在可见光区光吸收系数大于104 cm-1，载流子浓度与电阻率均满足薄膜太阳电池器件对吸收层的要求. 用上述柔性衬底上的吸收层制备Mo foil/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO：Al/Ag结构的薄膜太阳电池得到2.42%的效率，是目前报道柔性CZTS太阳电池最高效率.
2014, 63 (1): 018802.
doi: 10.7498/aps.63.018802
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传统的光伏组件为了实现发电功率最大化，安装时具有一定倾角，但在使用过程中仍有一部分光会被组件表面反射到空中造成浪费. 本文设计了一种带反光板结构的高效黑硅太阳能电池组件，多角度吸光的黑硅组件配合反光板结构可以充分利用反射光线. 对反光板和黑硅组件夹角进行了模拟计算，结果表明，当光伏组件安装倾角为34°时，反光板安装角度为16.5°最佳，同等光照条件下使得电池的发电功率增加了约39%.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (1): 019101.
doi: 10.7498/aps.63.019101
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为了进一步保留大地电磁低频段的有用信息、提高矿集区复杂噪声环境下大地电磁测深深部探测能力，在形态滤波的基础上结合信号子空间增强和端点检测做二次信噪分离处理. 首先，针对形态滤波预提取的噪声轮廓运用信号子空间增强分离出信号子空间和噪声子空间. 然后，将信号子空间和重构信号相结合并将噪声子空间置零. 最后，借鉴端点检测做后处理，以识别波形突变的起止点. 仿真结果表明，卡尼亚电阻率曲线在低频段的数据质量得到了明显改善、视电阻率值相对稳定；有效地补偿了形态滤波处理过程中损失的低频有用信号，其结果更加真实地反映了测点本身所固有的大地电磁深部构造信息.
2014, 63 (1): 019201.
doi: 10.7498/aps.63.019201
摘要 +
本文提出了一种从多普勒天气雷达单仰角径向速度图中的正-负速度区域对入手自动识别一类强对流天气的中层径向辐合的方法. 首先，根据雷达探测机理，解释了由气流形成的辐合场一定会在径向速度图中形成局部最大正速度区域和局部最大负速度区域的特点，然后构建正-负速度区域对的识别算法，通过来自多个单仰角径向速度图的区域对配准和相关信息，判断雷达径向速度图中是否存在着中层径向辐合，推算辐合的强度、延伸厚度等重要参数，确定得到最优垂直剖面图的剖切方位. 经对客观存在显著中层径向辐合的384例样本和不存在明显中层径向辐合的356例样本的测试，本文方法对显著中层径向辐合的识别率达到100%、误识率为0，与人工方法相比，本文方法把对中层径向辐合的识别时间从分钟级缩短到秒级，同时自动给出其强度、高度、厚度、位置等丰富的定量信息和恰当的可视化垂直剖面图. 利用给出的参数信息进行了与强对流天气的相关性研究，验证了中层径向辐合与对流行地面大风的较强相关性，同时发现，最强中层径向辐合的高度对区分强冰雹与强降水、中层径向辐合的强度对估计冰雹尺寸具有良好的指示性.
2014, 63 (1): 019202.
doi: 10.7498/aps.63.019202
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本文分析了2012年广州地区6次雷暴过程的负地闪中不规则脉冲簇（chaotic pulse trains，CPT）放电事件的发生规律. 结果表明：CPT是负地闪整个放电过程中普遍存在的放电现象，在323次负地闪中有243次出现了CPT放电事件，比例达到了75.2%，并且能够发生在负地闪的首次回击之前、回击之间以及最后一次回击之后，其中有66.7%的继后回击之前和11.5%的最后一次回击之后发生了CPT. 研究也发现，CPT在继后回击之前有四种分布类型：单独出现一次CPT-c（与继后回击相连的CPT）、单独出现一次CPT-i（与继后回击有一定时间间隔的CPT）、 同时出现CPT-c和CPT-i以及同时出现多次CPT-i，其中，单独出现一次CPT-c类型最为多见，39.4%的继后回击之前为此类型，而在第一次和第二次继后回击之前更容易出现多次CPT的现象，分别占到对应次序回击总数的9.4%和7.7%. 而随着继后回击次序的增加，其之前发生CPT的概率呈减小的趋势，并且除了第一次和第二次继后回击以外，其他继后回击之前CPT-c的出现频次大于CPT-i. 另外，CPT-i和最后一次回击之后的CPT均叠加在K变化上，部分回击间的CPT也能够发生在J过程中.
2014, 63 (1): 019203.
doi: 10.7498/aps.63.019203
摘要 +
借助于演化算法的自组织、自适应和自学习特征，本文提出了基于演化算法的参数辨识方案，并利用经典的Lorenz方程进行了数值仿真试验，研究了参数辨识方案对于单参数、双参数以及Lorenz系统三个参数完全未知时的性能. 数值试验结果表明，新方法能够很好的对未知参数进行较为快速、准确的辨识，但存在对多个参数同时搜索时速度较慢的缺陷. 鉴于此，将演化算法变异操作中的参数变异范围附加一种约束机理，试验结果表明，这一约束机理有效地提高了多参数估计中算法的收敛速度.
2014, 63 (1): 019401.
doi: 10.7498/aps.63.019401
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空间微小碎片超高速撞击航天器表面可产生稠密的等离子体，随着等离子体的扩散可导致静电放电及电磁干扰脉冲的发生，近而威胁航天器在轨安全. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器研究了质量为10-5 g的空间碎片撞击产生的等离子体基本特性，给出了等离子体总电荷与微小碎片速度之间的关系，获得了等离子体扩散速度参数及等离子体电子密度随时间和空间的演化关系，研究结果对于揭示空间微小碎片撞击诱发放电和电磁干扰脉冲形成的机理具有重要意义.
