Vol. 63, No. 22 (2014)
2014年11月20日
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (22): 224203.
doi: 10.7498/aps.63.224203
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研究了由两个垂直传播的强驻波激光场共同耦合的一个四能级Tripod型冷87Rb原子介质的稳态光学响应特性. 结果发现, 当两驻波场满足双光失谐条件时, 可在这两驻波场的传播方向上同时获得反射率高达95%以上的电磁感应光子带隙结构; 通过适当调节强激光场, 还可实现一个方向为光子带隙而另一个方向为透明窗口或者两个方向均为透明窗口的结构. 并且光子带隙和透明窗口的频宽和位置是可调谐的. 这种全光控制的二维的信号光禁闭和导通机制可用于实现全光开关和全光路由, 有利于复杂的全光通讯网络的开发.
2014, 63 (22): 224702.
doi: 10.7498/aps.63.224702
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假定炸药和爆轰产物处于局部热力学平衡状态, 即它们的压力和温度相同, 利用热力学基本关系建立炸药爆轰过程的连续介质本构模型的一般理论框架. 在此框架下, 炸药爆轰本构模型由一组常微分方程构成, 包括炸药和爆轰产物的状态方程、简单混合法则、化学反应速率方程和能量守恒方程, 易于由成熟的计算方法如梯形法等进行求解. 一组广义Maxwell型非线性固体本构形式的微分方程描述了压力和温度随时间的演化速率与应变率和化学反应速率的关系, 借助简单混合物理论, 其中的系数由炸药和爆轰产物的材料参数确定. 未反应的炸药和爆轰产物采用JWL状态方程, 化学反应率方程采用Lee-Tarver点火-燃烧二项式模型, 模拟PBX-9404炸药的一维冲击波起爆过程和爆轰波传播过程. 计算结果表明了本文给出的本构模型和相应计算方法的有效性.
2014, 63 (22): 224205.
doi: 10.7498/aps.63.224205
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相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s-1的径向风速范围内-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础.
2014, 63 (22): 224301.
doi: 10.7498/aps.63.224301
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研究浅层土壤中声波耦合的地震波的传播特性, 用于声波探雷技术的机理分析. 根据浅层土壤具有孔隙度和可压缩性的特点, 利用非饱和三相孔隙介质中的地震波模型, 研究了土壤孔隙度、含水饱和度等参数对地震波传播特性的影响. 计算结果显示: 在给定的参数条件下, 地震波的传播速度和衰减系数均随频率的增加而增加; 纵波的传播速度随孔隙度的增加而减小, 横波的传播速度随孔隙度的增加而增加; 地震波的传播特性随含水饱和度的增加变化比较复杂. 通过对计算结果与已发表实验结果的比较分析, 讨论了解析方法的可行性, 为声-地震耦合机理及其在声波探雷研究中的应用提供了一定的理论基础.
2014, 63 (22): 224302.
doi: 10.7498/aps.63.224302
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运用波传播法对有限和无限周期对边简支复合板的振动带隙衰减特性进行了研究.在建立相邻板结构边界连续方程的基础上, 分别运用传递矩阵和Bloch定理建立了有限和无限周期复合板的耦合运动方程, 并详细对比分析了有限和无限周期复合板带隙衰减特性的关联关系.研究表明: 周期板结构的振动带隙频率范围与激励方式和激励位置是相关的, 若周期复合板在宽度方向按某阶模态进行线激励, 则该激励下的振动带隙与无限周期复合板在该阶模态下的振动带隙是一致的; 若周期板在点激励作用, 则该点激励下的振动带隙是参与振动的各阶模态振动带隙的交集. 此外, 还进一步研究了结构阻尼对振动衰减带隙的影响.
2014, 63 (22): 224304.
doi: 10.7498/aps.63.224304
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碰撞阻尼在机床、机器人、透平机械、飞机以及运载火箭等领域具有重要的应用价值. 在碰撞阻尼器中加入微颗粒材料, 可以利用颗粒的细化和塑性变形而有效地吸收振动能量, 为碰撞阻尼的研究和发展开辟了一条新途径. 本文讨论了带有中值粒度为50 μm的铜颗粒碰撞阻尼器在96 h内对正弦激励悬臂梁的阻尼减振特性. 研究表明, 在所考察的时间段内, 主系统的响应经历了先上升、再下降和再上升的过程. 这三个阶段的响应对应着铜颗粒微观结构变化的三个阶段. 在初始阶段, 铜颗粒主要表现为弹性变形, 能耗较低, 而钢球的次谐波共振可能将部分能量返回给主系统, 使主系统响应随时间呈现近似线性的上升; 在第二阶段, 当主系统响应增加到一定程度时, 钢球对铜粉的冲击力超出铜颗粒的屈服应力, 铜颗粒发生屈服, 不可逆能耗使主系统的响应震荡下降; 到了第三阶段, 铜颗粒在钢球冲击下发生硬化, 其应变和层错概率上升, 应变能和层错能下降, 主系统的响应再次持续震荡上升. 本文的结果对振动的被动控制以及材料塑性变形机理研究具有参考 意义.
2014, 63 (22): 224701.
doi: 10.7498/aps.63.224701
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为了对比研究弱可压光滑粒子动力学(WCSPH)方法和不可压光滑粒子动 力学(ISPH)方法在模拟封闭方腔自然对流问题时的特性, 采用粒子位移技术有效地解决了高瑞利数条件下, 拉格朗日型SPH方法模拟封闭方腔自然对流时流体域内的粒子聚集和空穴问题, 将拉格朗日型SPH 方法求解封闭方腔自然对流问题的最高瑞利数提高到了106; 进而通过对比瑞利数分别为104, 105, 106的条件下, 采用拉格朗日型WCSPH、 拉格朗日型ISPH、欧拉型ISPH三种SPH方法模拟得到的封闭方腔速度分布云图、 温度分布云图、壁面努赛尔特数分布曲线和平均努塞尔特数, 分析了三种SPH方法在模拟封闭方腔自然对流时的精度、稳定性和计算效率. 结果表明: 在低瑞利数条件下, 以上三种SPH方法都可以较好地模拟此问题, 在高瑞利数条件下, 欧拉型ISPH方法的模拟结果最为精确; 拉格朗日型WCSPH方法模拟所得结果比拉格朗日型ISPH方法模拟所得结果稍好些.
2014, 63 (22): 224703.
doi: 10.7498/aps.63.224703
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针对连续凹槽基底上含非溶性活性剂液膜的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型, 利用PDECOL程序数值模拟得到了液膜流动的动力学特征及基底结构参数的影响. 研究表明: 活性剂液膜流经连续凹槽时, 负向台阶处形成凹陷, 正向台阶处形成隆起, 且随时间逐渐增大; 与平整基底相比, 连续凹槽下的活性剂液膜铺展速度加快; 基底凹槽的高度增加或斜度减小可加速液膜破断的可能性; 增大凹槽宽度可促进液膜流动; 减小斜度会使液膜进入第一凹槽前形成隆起特征; 重力在液膜的爬坡和下坡过程中具有相反的作用, 但均使得流动稳定性变差; 分子间作用力形成的结合压可加速液膜流动, 进而引发去湿润现象, 分离压则与之相反.
2014, 63 (22): 224103.
doi: 10.7498/aps.63.224103
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研究了在紧聚焦实验条件下, 采用5 fs激光脉冲与氩气相互作用产生的高次谐波特性. 通过优化系统色散、气体靶气压与位置等参数, 观察到在60–73 eV波段范围内高次谐波光谱接近一个量级的增强. 进一步通过对单原子模型和传播方程的数值求解及模拟相位匹配实验参数下高次谐波的产生过程, 发现相位匹配在所观察到的实验现象中起着关键作用, 得到了理论上与实验规律一致的结果.
2014, 63 (22): 224202.
doi: 10.7498/aps.63.224202
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提出了一种基于涡旋光照明的暗场数字全息显微方法. 从理论上阐述了涡旋光环形照明原理和暗场数字全息显微原理, 分析了涡旋光的准无衍射特性对成像的影响; 搭建了相应的数字全息显微成像系统, 采用690 nm的聚苯乙烯小球作为实验样品; 最后通过对小球明暗场下数字全息显微再现像的分析对比, 证明该方法可以有效地提高数字全息系统的分辨率, 同时增强了再现像的对比度.
2014, 63 (22): 224204.
doi: 10.7498/aps.63.224204
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搭建了一台高重复频率、高峰值功率、高平均功率的激光器. 激光器主要包括三部分: 单纵模光纤种子源、激光二极管阵列抽运的Nd:YAG再生放大器和四程放大器. 系统获得了平均功率11 W、重复频率100 Hz、脉冲能量112 mJ、脉宽500 ps–2 ns可调的激光输出, 工作波长1064 nm. 输出光束口径6.8 mm, 1.5倍衍射极限, 近场光强近平顶分布, 能量稳定性为0.72%.
2014, 63 (22): 224102.
doi: 10.7498/aps.63.224102
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设计并制备了一种兼具高增益和低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的微带天线, 通过给原始微带天线加载双屏频率选择表面(frequency selective surface, FSS)覆层, 使其具有宽带的3 dB增益带宽和宽带、宽角度的低RCS特性. 该FSS单元的上层是四个开口处都焊有电阻的金属环结构, 下层是中间和四边都开缝的金属贴片结构. 上层加载的电阻主要用于吸收雷达入射波, 减缩天线RCS; 下层的贴片和天线地板构成Fabry-Perot谐振腔, 提高天线增益. 在5.75–11.37 GHz频带内, S22S12S11反射系数相位曲线斜率为正, 幅度模值均在0.86以上. 实验结果表明: 与原始天线相比, 在谐振频点11.73 GHz处, 天线增益提高3.4 dB, E, H面的半功率波束宽度分别减小16°和50°; 天线的3 dB增益带宽为10.00–12.40 GHz, 完全覆盖阻抗带宽. 在4.10–11.30 GHz 频带内, 天线法向RCS均有3 dB以上的减缩, 最大减缩23.08 dB; 4.95 GHz处的单站RCS在-20°–20°的角域、双站RCS 在-37°–37°的角域均有3 dB以上的减缩. 实验结果证实了该FSS覆层可用于同时改善天线的辐射和散射 性能.
2014, 63 (22): 224201.
doi: 10.7498/aps.63.224201
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分辨率是成像系统的一个重要参数, 获得高分辨率图像一直是鬼成像系统的一个目标. 本文提出了以成像系统点扩散函数作为先验知识, 基于稀疏测量的超分辨压缩感知鬼成像重建模型. 搭建了一套计算鬼成像实验装置, 用于验证该模型对于提高鬼成像系统分辨率的有效性, 并与传统的鬼成像计算模型进行了对比. 实验表明, 利用该模型可突破成像系统衍射极限分辨率的限制, 得到超分辨鬼成像.
2014, 63 (22): 224303.
doi: 10.7498/aps.63.224303
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以复杂结构受击振动响应的时域计算为目的, 讨论了结构阻尼的计算方法, 给出一种用于冲击声合成的综合数值方法, 并进行了实验验证. 首先, 考虑到阻尼是影响瞬态振动时变特性的重要因素, 详细讨论了两种模态阻尼的计算方法; 其次, 对阻尼板的受击振动和声辐射进行了时域仿真, 并与时域有限差分法的计算结果进行对比, 显示出两种声音合成方法的计算结果具有高度的一致性; 最后, 针对有限长圆柱壳的受击振动, 将合成声与实验录音进行了对比研究. 结果表明, 合成声与实际录音的时域包络、频谱结构以及衰减趋势基本一致, 证明了采用数值方法进行冲击声合成的有效性.
2014, 63 (22): 224101.
doi: 10.7498/aps.63.224101
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采用多导体传输线分析方法, 对同轴交错圆盘加载波导慢波结构进行了理论分析, 得到了这种慢波结构的色散方程; 利用该色散方程, 得到的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果符合良好. 分析了结构参数的变化对同轴交错圆盘加载波导慢波结构的色散特性影响. 结果表明: 增加内径和减小慢波结构的单位周期长度可以拓展慢波结构的带宽. 对同轴圆盘加载波导和同轴交错圆盘加载波导两种慢波结构的色散特性进行了比较, 结果表明: 采用圆盘交错加载方式可以减弱色散, 拓展带宽. 研究结果对同轴交错圆盘加载波导在毫米波行波管中的应用具有指导意义.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (22): 228201.
doi: 10.7498/aps.63.228201
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采用Purwins的三变量模型, 在二维空间对气体放电系统中多臂螺旋波的形成和转化进行了数值研究. 通过分析方程参数对系统空间的影响, 确定了系统获得稳定螺旋波的参数空间; 得到了斑图由简单静态六边形到螺旋波的演化过程, 分析了螺旋波的形成机制和时空特性; 进一步获得六种不同臂数的多臂螺旋波斑图(例如: 双臂、三臂、四臂、五臂、六臂和七臂螺旋波). 结果表明: 螺旋波斑图出现在图灵-霍普夫(Turing-Hopf)空间, 是Turing模和Hopf模相互竞争、相互作用的结果; 不同臂数的螺旋波波头均在持续地旋转运动, 其运动速度随螺旋波臂数的增加而增大; 随着螺旋波臂数的增加, 其波头的运动形式愈加复杂; 由于受微扰及边界条件的影响, 多臂螺旋波可以向臂数少一的螺旋波发生转变, 数值模拟结果与实验结果符合较好.
2014, 63 (22): 228801.
doi: 10.7498/aps.63.228801
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设计了一种自适应控制算法并证明了其正确性. 通过总体最小二乘旋转不变技术辨识出系统降阶模型及相关振荡模态, 利用带通滤波器将不同的振荡模态分解到多个通道, 然后基于所提的自适应算法对每个振荡模态设计了自适应控制器, 减小了各个控制器间的影响. 在电磁暂态程序PSCAD/EMTDC中对向上直流孤岛运行方式进行了仿真验证. 结果表明: 所提控制方法相对传统比例积分微分控制有更好的控制效果; 对于系统发生不同故障时具有鲁棒性. 对于系统信号传输引起的时滞导致的控制器效果变差的问题, 可以通过相位补偿解决.
2014, 63 (22): 228401.
doi: 10.7498/aps.63.228401
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提出了一种随机解调器压缩采样重构成败的判定方法. 该方法利用两次连续重构所得稀疏信号支撑之间的相关性来判断重构是否成功, 其计算复杂度低, 易于实现. 仿真结果表明, 该方法能准确判断随机解调器压缩采样重构成败, 用于宽带频谱感知中能够显著降低信号不稀疏时对主用户的干扰概率.
2014, 63 (22): 228102.
doi: 10.7498/aps.63.228102
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动态应变时效, 即位错和溶质原子的动态交互作用, 对合金材料的力学性质产生重要影响. 本文基于蒙特卡罗方法, 建立了“多位错-溶质原子” 二维动力学模型, 分别模拟了单位错-恒定应力率、多位错-无应力、多位错-恒定应力和多位错-恒定应力率四种条件下位错和溶质原子的演化过程. 单位错-恒定应力率情况下, 低应力率时位错被溶质原子钉扎而无法脱钉, 高应力率时位错未被钉扎而一直运动, 只有在适当应力率范围内, 位错才呈现出反复的钉扎和脱钉; 多位错-无应力时, 溶质原子向正/负位错的下/上方偏聚; 多位错-恒定应力时, 位错运动受溶质原子钉扎的影响随应力增大而减小; 多位错-恒定应力率时, 集群化的钉扎和脱钉过程导致了位错总位移呈现阶梯状的演化. 模拟结果表明: “位错-溶质原子”尺度上呈现了动态应变时效微观过程, 与其理论描述相一致.
2014, 63 (22): 228501.
doi: 10.7498/aps.63.228501
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在多通道超导量子干涉器件(SQUID)磁探测系统中, 磁场-电压转换系数(∂ B/∂ V)是系统的一个重要参数. 由于SQUID器件和读出电路之间不可避免地存在差异性, 因此对传感器系统进行系统标定(每个通道的单独标定)显得十分重要. 本文采用PCB板印制圆形线圈对36通道心磁系统进行标定,并与传统的亥姆霍兹方形线圈产生均匀场的标定方法进行比较. 结果显示, PCB圆形线圈的标定结果 在1.46–1.73 pT·mV-1 之间, 亥姆霍兹方形线圈标定的结果大都在1.56–1.64 pT·mV-1之间, 结果基本一致.
编辑推荐
2014, 63 (22): 228103.
doi: 10.7498/aps.63.228103
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针对熔化焊过程建立了宏微观耦合模型, 模拟了熔池内不同区域凝固过程中随机取向枝晶的竞争生长过程. 通过宏观三维有限元模型计算熔池中瞬态的传热传质过程, 利用双线性插值算法将凝固参数传递给微观组织模型. 采用元胞自动机法模拟随机取向的枝晶在熔池凝固条件下的竞争生长过程. 模拟结果表明, 所建立的微观模型能够精确模拟任意生长取向的枝晶. 凝固条件中最大温度梯度方向对枝晶竞争过程有明显选择作用, 生长方向与最大温度梯度方向相同或接近的枝晶在竞争中具有更大优势. 焊缝中的晶粒组织由枝晶簇发展形成, 晶粒组织的形貌演变取决于相邻枝晶簇之间的竞争过程, 具有择优取向的枝晶簇会逐渐排挤非择优取向的枝晶簇并最终将其阻挡在凝固组织内部, 宏观晶粒的取向与其内部枝晶簇的生长方向并不一定相同. 熔池中心线附近区域在焊接过程中具有更小的温度梯度、更大的凝固速率以及更大的局部冷却速率, 凝固后可以获得更加细小的焊缝枝晶组织. 枝晶间距的模拟结果与相应凝固条件下的试验数据符合较好.
2014, 63 (22): 228402.
doi: 10.7498/aps.63.228402
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在室内伪卫星独立定位系统中, 伪卫星以及接收机的钟差会给定位精度带来非常大的误差. 针对这一问题, 提出了一种适用于室内环境的相对定位算法. 使用Kalman定位算法粗略计算接收机位置, 获得粗略基线, 建立室内相对定位模型, 得到载波相位双差和伪距双差. 载波相位双差通过互补Kalman滤波器来平滑伪距双差, 进一步得到精确基线, 获得接收机精确位置, 并将其代替Kalman定位算法的校正结果, 对接收机进行下一状态预测. 实验结果表明, 该算法具有较高的定位精度, 定位误差在20 cm以内.
2014, 63 (22): 228101.
doi: 10.7498/aps.63.228101
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金属高温拉伸试验国际技术标准ISO 6892-2-2011认定, 拉伸试验的拉伸温度或应变速率的改变会引起拉伸试验测试力学性能结果的不确定性, 危及到拉伸试验技术的可靠性. 本文综述了拉伸试验测试断面收缩率或延伸率的不确定性: 中温脆性和应变速率脆性的实验现象和特征, 简述了多晶金属弹性变形微观理论的基本结果, 以此微观理论解释了上述两种测试不确定性的试验现象, 阐明了这两种测试不确定性是拉伸试验弹性变形阶段杂质晶界偏聚, 脆化了晶界引起的. 为修正金属拉伸试验技术标准, 避免断面收缩率测试的不确定性提供了理论基础.
2014, 63 (22): 228104.
doi: 10.7498/aps.63.228104
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纳米压印模板通常需要经过电子束光刻、电子束沉积、光刻胶剥离、反应离子刻蚀等一系列复杂工艺获得, 这使得纳米压印模板的制作难度大, 成本高. 寻找一种灵活简单的纳米压印模板制备方法以提升纳米压印模板的制作效率, 是广泛应用纳米压印技术的研究重点和难点. 本文以写好光栅结构的电子束光刻胶层为母模板, 获得聚二甲基硅氧烷软模板, 并以此为模板对共轭高分子聚(9,9-二辛基)芴薄膜进行纳米压印, 实现光栅结构转移, 成功制备出纳米光栅结构的共轭高分子薄膜. 偏振吸收谱和透射电镜结果表明, 纳米压印实现图案转移的同时, 还可以将共轭高分子的主链控制在光栅条纹方向, 这将对有机发光器件性能的提升具有重要的意义. 研究结果还表明, 应用该方法同样可以对聚(9,9-二辛基芴共苯并噻二唑)薄膜进行光栅图案化, 同时实现其取向控制.
2014, 63 (22): 228802.
doi: 10.7498/aps.63.228802
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针对认知无线电网络中基于图着色模型的频谱分配问题, 基于其非确定性多项式特性, 以最大化网络收益总和为目标, 提出了一种基于拟态物理学优化的求解算法. 在拟态物理学优化算法中, 将频谱分配问题的解映射为一个具有质量的微粒, 通过建立微粒的质量与其适应值之间的关系, 并利用万有引力定律定义微粒间的虚拟作用力的大小, 使整个群体向更好的方向运动, 实现群体寻优. 给出了频谱分配问题的具体求解过程, 并根据分配问题的二进制编码特点, 改进了微粒的位置更新方程. 仿真实验表明: 本文算法能更好地实现网络收益最大化.
2014, 63 (22): 228901.
doi: 10.7498/aps.63.228901
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交通流随机行为的研究对于理解交通系统的内在演化规律具有重要作用. 基于元胞自动机模型和顾前势模型, 提出了一种考虑加权顾前势的交通流模型. 通过引入顾前势加权系数及对越靠近自身车辆的相互作用势赋予越大的权重, 使得建模过程更符合实际交通中司机根据前面车辆和环境情况进行随机决策的过程. 通过数值模拟, 再现了丰富的高密度交通行为. 仿真结果表明, 加权系数在高密度情况下作用明显, 更有利于在保持较高交通密度的同时, 具有较高的交通流量和道路通行能力.
总论
2014, 63 (22): 220201.
doi: 10.7498/aps.63.220201
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对包含一阶二阶智能体的异构系统有向图中的一致性问题进行研究. 对该系统采用了一种线性分布式一致性协议, 基于图论和矩阵分析的方法, 分析了在固定和切换拓扑情况下系统获得一致性的充分条件, 该条件与控制参数和通信拓扑有关. 给出了固定拓扑中系统的一致平衡点, 证明了仅通信拓扑中的根节点对平衡点起作用. 数值仿真验证了理论分析的正确性.
2014, 63 (22): 220202.
doi: 10.7498/aps.63.220202
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多无人机协同系统的过度扩散会引起协同失效, 对系统进行规模控制是解决该问题的一种潜在方法. 首先抽象出多无人机协同搜索系统的宏观运动特征, 进而建立平台的运动方程, 然后通过构造合适的李雅普诺夫函数, 获得该系统的稳定控制规律及其控制参数. 仿真结果表明: 1)本文所提的稳定控制机制不仅能够使多无人机系统实现有效的协同, 还能确保系统的稳定性; 2)在系统稳定时, 通过调整相关控制参数可以有效地控制系统规模.
2014, 63 (22): 220505.
doi: 10.7498/aps.63.220505
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针对单输入单输出系统的故障检测, 采用混沌振荡器作为激励源, 并利用非一致延迟时间法对被测系统输出时间序列进行相空间重构. 在相空间中平衡点附近定义了指向Lyapunov指数, 并用其对被测系统输出在相空间中平衡点附近特征结构进行分析, 实现了对单输入单输出系统的故障检测. 仿真结果表明, 被测系统的参数变化将会引起相空间中平衡点附近特征结构的改变, 指向Lyapunov指数对其变化敏感.
2014, 63 (22): 220503.
doi: 10.7498/aps.63.220503
摘要 +
研究了不同周期信号调制下非对称双稳耦合网络系统的尺度随机共振问题. 针对该网络系统, 首先运用高斯近似和役使原理对其进行了降维, 推导了其简化模型. 在绝热近似条件下, 利用Fokker-Planck方程分别得到了余弦信号和矩形信号调制下信噪比的解析表达式. 在此基础上, 研究了系统的尺度随机共振行为, 并讨论了非对称性、噪声强度、周期信号的振幅和耦合系数对系统尺度随机共振的影响. 结果表明, 两种情形下信噪比均是系统尺度的非单调函数, 说明在此网络系统中产生了共振现象.
2014, 63 (22): 220205.
doi: 10.7498/aps.63.220205
摘要 +
长周期多载波微放电是近年来新发现的、主要发生在宽带、大功率真空微波部件中的二次电子倍增放电现象. 与发生在单个载波周期中的多载波微放电相比, 长周期多载波微放电来源于多个载波周期间的二次电子累积, 具有相对较低的放电阈值和不可预测性, 对空间和加速器应用中宽带大功率微波部件的长期可靠性带来了新的隐患. 为解决长周期多载波微放电阈值分析中非均匀场激励下二次电子累积的理论计算问题, 本文采用概率方法, 通过引入随机漫步和Branching Levy漫步模型, 对微放电过程中二次电子横向扩散所需遵循的概率模型进行了严格的推导, 并采用所得的概率密度函数, 给出了主模为TE10模的矩形波导中多载波激励下二次电子积累过程的纯理论计算. 与相同条件下采用粒子仿真所得的结果对比, 本文给出的计算结果与仿真结果相符合, 同时计算耗时减少了接近一个数量级. 本文报道的二次电子横向扩散的概率描述可广泛应用于高功率真空电子和电磁器件领域.
2014, 63 (22): 220301.
doi: 10.7498/aps.63.220301
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光束分离器是量子光学中的基本线性器件之一, 它在量子纠缠态的制备与测量上起着重要作用. 基于光束分离器(BS)对算符的矩阵变换关系, 本文导出了BS算符在若干表象中的自然表示. 利用这个自然表示(而非SU(2)李代数关系)及有序算符内的积分技术, 可直接导出BS算符的正规乘积、紧指数表示及多种分解形式. 此外, 可直接导出一种纠缠态表象及其Schmidt分解. 这对于讨论连续变量量子隐形传输是十分方便的.
2014, 63 (22): 220501.
doi: 10.7498/aps.63.220501
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针对现实世界的网络中普遍存在的层级结构建立一个级联失效模型, 该模型可用于优化金融、物流网络设计. 选择的层级网络模型具有树形骨架和异质的隐含连接, 并且骨架中每层节点拥有的分枝数服从正态分布. 级联失效模型中对底层节点的打击在不完全信息条件下进行, 也即假设打击者无法观察到隐含连接. 失效节点的负载重分配考虑了层级异质性, 它可以选择倾向于向同级或高层级完好节点分配额外负载. 仿真实验表明, 层级网络的拓扑结构随连接参数变化逐渐从小世界网络过渡到随机网络. 网络级联失效规模随隐含连接比例呈现出先增加后降低的规律. 负载重分配越倾向于高层级节点, 网络的抗毁损性越高. 同时, 由于连接参数会改变隐含连接在不同层级之间的分布, 进而对网络的抗毁损性产生显著影响, 为了提高网络抗毁损能力, 设计网络、制定管理控制策略时应合理设定连接参数.
2014, 63 (22): 220506.
doi: 10.7498/aps.63.220506
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针对部分状态不可测的永磁同步电机混沌系统, 结合自适应滑模控制和扩张状态观测器理论, 提出一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机自适应混沌控制方法, 取消了系统所有状态完全可测的限制. 通过坐标变换, 将永磁同步电机混沌模型变为更适宜控制器设计的Brunovsky标准形式. 在系统部分状态和非线性不确定项上界均未知的情况下, 基于扩张状态观测器估计系统未知状态及不确定项, 并设计自适应滑模控制器, 保证系统状态快速稳定收敛至零点. 仿真结果表明, 该控制器能够改善滑模控制的抖振问题以及提高系统鲁棒性.
2014, 63 (22): 220701.
doi: 10.7498/aps.63.220701
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针对无线传感器网络在二维平面应用场景中的覆盖控制问题, 提出了一种基于泰森盲区多边形形心的覆盖控制部署策略(blind-zone centroid-based scheme, BCBS). BCBS先对监测区域做Voronoi图划分以得到被每个传感器节点覆盖的泰森多边形, 而后根据泰森多边形顶点的覆盖情况分析得出泰森多边形内的盲区, 并构造与盲区形状相近的多边形, 最后以该多边形的几何中心作为传感器节点移动的候选目标位置, 从而达到提高网络覆盖率的目的. 仿真实验结果表明, BCBS在覆盖率、节点分布均匀性与节点覆盖效率等方面相比CBS有明显优势.
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2014, 63 (22): 220302.
doi: 10.7498/aps.63.220302
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通过改变激光场Rabi频率和原子-多聚物分子耦合强度, 探索了外场形式对超冷原子-多聚物分子转化效率的影响. 首先通过定义时间指数, 对文献所给出的外场做出改进, 讨论了时间指数对转化效率的影响; 然后选取一种更优化的外场形式, 其具有很好的参数鲁棒性, 该外场作用下的绝热过程几乎不存在振荡, 其绝热保真度接近于1, 系统误差较小, 可以稳定、高效地实现超冷原子-多聚物分子的转化.
2014, 63 (22): 220303.
doi: 10.7498/aps.63.220303
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利用变分法和数值计算方法研究了空间调制作用下Bessel型光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体系中孤立子的稳定性, 给出了存在随空间非周期变化的线性Bessel型光晶格和非线性光晶格(原子之间非线性相互作用的空间调制)时, 各种参数组合下涡旋和非涡旋孤立子的稳定性条件. 首先, 利用圆对称的高斯型试探波函数得出描述体系稳定性参数满足的Euler-Lagrange方程和变分法分析体系稳定性所需要的有效作用势能的表达式. 然后, 根据有效作用势能是否具有局域最小值判断体系是否具有稳定状态, 得出体系具有稳定状态时参数所满足的条件. 最后, 利用有限差分法求解Gross-Pitaevskii方程验证变分法结果的正确性, 所得结果和变分法结果一致.
2014, 63 (22): 220304.
doi: 10.7498/aps.63.220304
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Non-Clifford操作不能在量子纠错码上自然横向实现, 但可通过辅助量子态和在量子纠错码上能横向实现的Clifford操作来容错实现, 从而取得容错量子计算的通用性. 非平庸的单量子比特操作是Non-Clifford操作, 可以分解为绕z轴和绕x轴非平庸旋转操作的组合. 本文首先介绍了利用非稳定子态容错实现绕z轴和绕x轴旋转的操作, 进而设计线路利用魔幻态容错制备非稳定子态集, 最后讨论了运用制备的非稳定子态集模拟任意非平庸单量子比特操作的问题. 与之前工作相比, 制备非稳定子态的线路得到简化, 成功概率提高, 且在高精度模拟任意单量子比特操作时所消耗的非稳定子态数目减少了50%.
2014, 63 (22): 220504.
doi: 10.7498/aps.63.220504
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研究了含分数阶阻尼的双稳态能量采集系统的相干共振. 建立了带有分数阶阻尼的轴向受压梁压电能量采集系统动力学模型. 对于分数阶方程, 采用Euler-Maruyama-Leipnik方法进行求解, 计算了不同阻尼阶数下的能量采集系统的信噪比、响应均值、跃迁数目等统计物理量. 结果表明: 此压电能量采集系统在随机激励下可以实现相干共振, 阻尼阶数对相干共振的临界噪声强度和相干共振幅值有很大影响.
2014, 63 (22): 220507.
doi: 10.7498/aps.63.220507
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研究了周期受击陀螺系统波函数的分形. 发现在打击强度系数较弱时 (即≤ 1时), 相空间是规则的, 分形维接近于1; 随着打击强度系数的增大, 相空间开始变得混沌, 分形维也随之增大; 当打击强度系数达到6时, 相空间完全混沌, 分形维将达到最大值, 此时若继续增大打击强度系数, 分形维保持基本不变.
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2014, 63 (22): 220305.
doi: 10.7498/aps.63.220305
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超导量子比特的退相干时间是决定超导量子计算能否实现的重要指标之一. 文章以三维传输子量子比特(3D transmon)为研究对象, 在氧化硅衬底上制备了三维传输子量子比特, 并在超低温下(10 mK), 采用拉比振荡(Rabi oscillation)、能量弛豫(energy relaxation)、 拉姆齐条纹(Ramsey fringe)、自旋回波(spin echo)的方法, 对其进行了详细的退相干时间常数表征. 结果显示该量子比特的退相干时间在几百纳秒. 根据几种退相干时间的关系进行计算, 可以看出, 低频噪声目前不是影响量子比特退相干的最主要因素, 而氧化硅中的缺陷可能是样品退相干时间的主要瓶颈.
2014, 63 (22): 220502.
doi: 10.7498/aps.63.220502
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基于一维Frenkel-Kontorova模型, 研究了振动的基底势对系统纳米摩擦现象的影响. 分别在相邻原子间的距离与周期势场的周期比为不公度(incommensurate)、可公度(commensurate)两种情形下, 探讨了基底势振动的振幅和频率对滞回现象(hysteresis)、最大静摩擦力以及超滑现象的作用机理. 两种情形下, 固定频率, 随着振幅的增大, 滞回区域的面积以及最大静摩擦力都将减小, 对于不同的频率, 减小的趋势不同. 系统甚至产生了超滑现象. 但当频率过大时, 振幅的改变不会影响滞回区域的面积以及最大静摩擦力的大小, 此时与基底不加振动时的情形一致; 当振幅固定, 随着频率的增大, 滞回区域的面积将增大, 对于不同振幅, 增大的趋势不同. 特别地, 对于某些固定的振幅, 最大静摩擦力随着振动频率的增大先逐步减小直至出现超滑现象, 再进一步增大频率, 最大静摩擦力又转而逐步增大. 这一现象类似于共振, 表明存在最佳的振动频率促进系统内所有原子的共同运动, 使得整个系统的最大静摩擦力几乎消失. 另外, 两种情形的区别是, 对于某些固定的频率(如ω= 0.5)和不同的小振幅, 不可公度情形往往具有相同的平均终止速度, 而可公度情形则不同, 表明相同前提下后者具有更复杂的动力学行为.
2014, 63 (22): 220203.
doi: 10.7498/aps.63.220203
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针对永磁同步电动机混沌系统, 考虑受不确定因素的影响, 对其数学模型采用基于微分几何理论的精确反馈线性化法, 建立鲁棒控制模型, 设计鲁棒控制器, 实现永磁同步电动机混沌系统的鲁棒镇定和输出跟踪控制. 数值仿真的结果证明了所提出方法的有效性及控制器的鲁棒性.
2014, 63 (22): 220204.
doi: 10.7498/aps.63.220204
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为了便于人们深入理解带势估计的概率假设密度滤波, 本文在Ozgur Erdin对随机集做的物理空间假设的基础上, 采用Bayes公式和全概率公式对带势估计的概率假设密度滤波的迭代过程进行了推导. 推导过程详细明了, 推导结果与文献一致. 这为带势估计的概率假设密度滤波在目标跟踪中的应用及性能改进提供了理论基础.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (22): 227502.
doi: 10.7498/aps.63.227502
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针对水中非合作磁性目标的实时定位问题, 提出了一种基于不敏粒子滤波(unscented particle filter, UPF)的实时磁定位方法. 从非合作磁性目标的运动特征出发, 建立了状态空间模型, 利用UPF算法对目标状态进行实时估计. 为了提高系统的可观测性, 在算法迭代过程中对粒子状态进行约束及利用最小二乘法反演磁矩. 仿真与铁磁物体定位实验结果表明, 该方法的定位精度较高, 实时定位效果较好, 可用于近场实时磁定位问题中.
2014, 63 (22): 227101.
doi: 10.7498/aps.63.227101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一.
2014, 63 (22): 227301.
doi: 10.7498/aps.63.227301
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分别采用单带重空穴近似和六带Kronig-Penney模型, 对垂直耦合锗量子点在不同耦合距离下的空穴态特性进行了计算, 并探讨了自旋-轨道的相互作用对空穴态对称性的影响. 计算结果表明: 多带耦合的框架下, 随着量子点垂直间距的增大, 空穴基态从成键态转变为反键态, 而且价带基态能级和第一激发态能级发生反交叉现象, 这与单带模型下得到的相应结果存在较大差异. 通过分析六带模型计算得到的成、反键态波函数, 轻、重空穴态和自旋-轨道分裂态对特征空穴态波函数的贡献比例随着量子点垂直间距的增大发生了转变, 并最终导致量子点空穴基态波函数由成键态转变为反键态.
2014, 63 (22): 227304.
doi: 10.7498/aps.63.227304
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利用非平衡格林函数方法, 理论研究T型双量子点分子Aharonov-Bohm (A-B)干涉仪的电荷及其自旋输运性质. 通过控制T型双量子点分子内量子点间有无耦合, 能够实现在同一电子能级位置处分别出现共振和反共振状态, 根据此性质, 能将体系设计成量子开关器件. 当将两个完全相同的T型双量子点分子分别嵌入A-B干涉仪两臂中时, 磁通取适当数值, 能够出现完全的量子相消干涉. 通过调节量子点能级、左右两电极间的偏压和Rashba自旋轨道相互作用强度, 可对体系自旋流进行调控.
2014, 63 (22): 227501.
doi: 10.7498/aps.63.227501
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在一些磁性材料内, 磁性离子间交换作用和磁性离子的自旋涨落对材料磁性有影响. 本文根据磁比热实验值确定了晶场参数后, 利用包含自旋涨落的交换作用有效场Hm= n0 (1 + γ T + β eω T)M, 计算了PrNi2晶体晶场能级的Zeeman劈裂. 在温度为3.8 K ≤T≤ 30 K范围内, 计算了该晶体多晶磁矩随外磁场的变化, 以及外磁场H=5000 Oe时磁化率倒数随温度的变化, 计算结果和实验值符合较好. 当外磁场在0–50000 Oe时, 计算的该晶体的磁熵变与已有文献的理论结果相似. 计算结果说明, 提出的包含自旋涨落的交换作用有效场不仅适合亚铁磁性晶体, 而且也适合顺磁性晶体.
2014, 63 (22): 227802.
doi: 10.7498/aps.63.227802
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光学谐振腔由于其高Q值特性, 作为谐振式陀螺的核心元件, 有望实现谐振式陀螺的小型化、集成化, 但是非互易性噪声成为制约其精度提高的不利因素. 介绍了采用传统半导体工艺制备的盘型腔与熔融法拉制的锥形光纤组成的耦合系统. 当盘型腔在光纤锥区的不同位置进行耦合谐振时, 将输入输出正/反对调, 观察到输出透射谱发生偏差, 谐振频率、耦合效率以及Q值均发生变化, 即存在非互易性现象. 用Rsoft软件对锥形光纤倏逝场分布特性进行仿真, 理论分析了非互易性产生的原因. 以此可抑制谐振式光学陀螺应用中由锥形光纤与谐振腔组成的耦合系统产生的非互易性噪声.
2014, 63 (22): 227902.
doi: 10.7498/aps.63.227902
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为了抑制高功率盒形窗内的次级电子倍增效应, 研究了一种刻周期半圆弧槽窗片结构. 通过对槽内电场进行分析, 证明了半圆弧状槽可以有效避免尖锐边界的局部场增强效应. 利用蒙特卡罗随机算法对槽内的次级电子倍增效应进行数值模拟, 跟踪次级电子的轨迹及发展趋势, 获得了不同槽宽所对应的抑制次级电子倍增最低电场强度. 讨论了法向电场对半圆弧槽抑制次级电子倍增的影响. 该结构有望在高功率速调管中获得应用.
2014, 63 (22): 227302.
doi: 10.7498/aps.63.227302
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针对功率集成电路对低损耗LDMOS (lateral double-diffused MOSFET)类器件的要求,在N型缓冲层super junction LDMOS (buffered SJ-LDMOS)结构基础上, 提出了一种具有N型缓冲层的REBULF (reduced BULk field) super junction LDMOS结构. 这种结构不但消除了N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底带来的衬底辅助耗尽效应问题, 使super junction的N区和P区电荷完全补偿, 而且同时利用REBULF的部分N型缓冲层电场调制效应, 在表面电场分布中引入新的电场峰而使横向表面电场分布均匀, 提高了器件的击穿电压. 通过优化部分N型埋层的位置和参数, 利用仿真软件ISE分析表明, 新型REBULF SJ-LDMOS 的击穿电压较一般LDMOS提高了49%左右, 较文献提出的buffered SJ-LDMOS结构提高了30%左右.
2014, 63 (22): 227303.
doi: 10.7498/aps.63.227303
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建立了考虑电子散射、输运、俘获和自洽场的数值计算模型, 研究了高能电子束照射下绝缘厚样品的泄漏电流特性, 并采用一个实验平台测量了泄漏电流. 结果表明: 在电子束持续照射下, 电子总产额会下降; 由于电子在样品内部的输运, 样品近表面呈现微弱的正带电, 在样品内部呈现较强的负带电; 样品内部电子会向下输运形成电子束感生电流, 长时间照射下会形成泄漏电流; 随着照射, 泄漏电流逐渐增大并趋于稳定值; 泄漏电流随样品厚度的增大而减小, 随电子束能量、电子束电流的增大而增大.
2014, 63 (22): 227503.
doi: 10.7498/aps.63.227503
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纳磁逻辑电路具有低功耗、非易失和可常温下制备等优点, 实现低功耗片上时钟是其集成化的必备条件. 本文提出了一种基于交换作用的纳磁逻辑电路片上时钟结构, 用载流铜导线产生的奥斯特场将铁磁体薄膜覆层进行磁化, 然后依靠铁磁体层与纳磁体界面存在的交换作用场使后者磁化方向发生翻转. 与轭式铁磁体时钟用外磁场控制纳磁体磁化方向相比, 该方案在功耗方面降低了5/6, 时钟边界杂散场强度降低了2/3, 达到降低功耗、减轻串扰的目的. 此外, 采用微磁仿真进一步验证了该时钟结构上的纳磁体逻辑阵列可以实现逻辑功能.
2014, 63 (22): 227803.
doi: 10.7498/aps.63.227803
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研究了800 ℃条件下不同制备磁场强度(最高12 T)对CaTiO3 及其浸渍掺杂样品在结构和光学性能方面的影响. 研究表明: 样品吸光性能随浸渍掺杂的离子浓度的增大而提升, 且发生红移现象; 相同掺杂浓度下, 磁场下制备样品的吸光性能均较非磁场下制备的样品有所提高, 但不同磁场强度下所制备样品的吸光曲线彼此差异不大; 此外, 磁制备纯CaTiO3晶体粉末的X-射线衍射曲线峰左移, 紫外-可见漫反射光谱吸收截止波长增长, 这表明强磁场可使CaTiO3晶面间距和晶格常数增大、禁带宽度减小.
2014, 63 (22): 227901.
doi: 10.7498/aps.63.227901
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基于Monte Carlo模拟算法, 建立了粒子输运模型, 通过对盒形窗内圆窗片表面次级电子倍增现象进行数值仿真, 获得了TE11模非均匀分布电场作用下次级电子倍增的规律. 结果表明: 在微波输入端, 指向窗片表面的磁场力起到了维持次级电子与窗片碰撞的作用, 在电场强度较高的区域倍增剧烈, 有质动力对倍增无贡献; 在微波输出端, 受背离窗片表面磁场力的影响, 在表面静电场较弱的情况下, 次级电子倍增不能发生; 当表面静电场足以维持单面倍增的发生, 随着传输功率的增大, 电子渡越时间增长, 有质动力使得倍增强烈的区域由强电场区逐渐转移到弱电场区域. 对利用外静电场抑制微波输入端次级电子倍增效应的方法进行了数值模拟验证.
2014, 63 (22): 227801.
doi: 10.7498/aps.63.227801
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建立了调制激光诱发硅太阳能电池的少数载流子密度波数学模型, 并利用光致载流子辐射检测掺杂浓度、阻抗及载流子输运参数. 对频域响应曲线中的双弯曲效应进行了研究, 构建了小交流信号作用的太阳能电池等效电路拓扑结构, 仿真分析了不同掺杂浓度、阻抗电阻和载流子传输参数对频响曲线拐点的影响. 通过光致载流子辐射频域扫描实验与多参数拟合检测了单晶硅太阳电池的施/受主浓度、并联电阻和载流子输运参数. 结果表明: 光致载流子辐射技术检测大面积太阳能电池频响曲线的双弯曲是由电容效应所引起的, 建立的数学模型可定量描述和预测检测结果, 并用于测量太阳能电池的掺杂浓度、电阻和载流子输运参数.
原子和分子物理学
2014, 63 (22): 223301.
doi: 10.7498/aps.63.223301
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在强展宽条件下, 光谱信号二阶导数相互的交叠影响较小, 是一种潜在的反演光谱信息的手段. 本文研究了光谱Voigt线形函数的二阶导数, 得出了其二阶导数全域积分为0的性质, 计算了二阶导数最小值与偶数高阶导数最大值和最小值的解析结果, 并通过数值计算与曲线拟合得出了其极大值位置与零点位置的比例与洛仑兹-多普勒半宽比的关系, 为强展宽下由光谱二阶导数准确反演光谱信息提供了理论基础.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (22): 226101.
doi: 10.7498/aps.63.226101
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为从工艺角度深入研究航空航天用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺混合信号集成电路总剂量辐射损伤机理, 选取国产CMOS 工艺制作的NMOS晶体管及寄生双极晶体管进行了60Coγ射线源下的总剂量试验研究. 发现: 1) CMOS工艺中固有的寄生效应导致NMOS晶体管截止区漏电流对总剂量敏感, 随总剂量累积而增 大; 2) 寄生双极晶体管总剂量损伤与常规双极晶体管不同, 表现为对总剂量不敏感, 分析认为两者辐射损伤的差异来源于制作工艺的不同; 3)寄生双极晶体管与NMOS晶体 管的总剂量损伤没有耦合效应; 4)基于上述研究成果, 初步分析CMOS工艺混合信号集成电路中数字模块及模拟模块辐射损伤机制, 认为MOS晶体管截止漏电流增大是导致数字模块功耗增大的主因, 而Bandgap电压基准源模块对总剂量不敏感源于寄生双极晶体管抗总剂量辐射的能力.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (22): 229201.
doi: 10.7498/aps.63.229201
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基于信息分配和扩散理论, 结合标准化降水指数和东北三省(黑龙江、吉林、辽宁)旱灾灾损指数, 综合考虑了气象因子与社会因子, 分析了我国东北三省19712012年的干旱脆弱性特征, 并进一步计算了我国东北三省的干旱风险. 使用信息分配方法估计干旱强度概率分布, 采用二维正态信息扩散方法构造了干旱强度与旱灾灾损的脆弱性关系, 将干旱强度的概率分布与脆弱性折线相乘求和(离散分布)或积分(连续分布)即可得到多年平均风险. 研究表明, 针对灾损的小样本事件引入信息分配和扩散方法对小样本数据进行分析, 获取的干旱强度概率分布比简单直方图法所得更加平滑, 而以事件为因、灾损为果得到干旱强度-旱灾灾损的脆弱性关系, 物理意义明确, 所得脆弱性关系折线也比较符合实际情况, 并且不同样本长度所得结果相近, 对样本长度不敏感, 较好地克服了小样本分析的不稳定性.
