Vol. 63, No. 3 (2014)
2014年02月05日
总论
2014, 63 (3): 030201.
doi: 10.7498/aps.63.030201
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为了获得变系数非线性发展方程的无穷序列复合型新解，研究了[G（）]/[G（）] 展开法. 通过引入一种函数变换，把常系数二阶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，获得了常系数二阶齐次线性常微分方程的无穷序列复合型新解. 借助这些复合型新解与符号计算系统Mathematica，构造了带强迫项变系数组合KdV方程的无穷序列复合型类孤子新精确解.
2014, 63 (3): 030202.
doi: 10.7498/aps.63.030202
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本文探讨了在一类量子等离子体系统，研究了该系统的非线性动力学扰动方程. 利用改进的广义泛函变分迭代方法，求得了对应系统的类孤波近似解析解.
2014, 63 (3): 030203.
doi: 10.7498/aps.63.030203
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用平面波展开法对硅背景下的通信波段不同晶格类型和气孔形状光子晶体的能带结构进行数值计算与分析，提出了相应的物理模型. 结果表明：利用光子受限效应和晶格对称性效应可以有效地调控光子带隙. 随光子晶体填充率的增加，其约束光子的能力增强，光子带隙在一定范围内展宽且其中心频率蓝移；带隙随晶格对称性增加而变宽. 对基元形状和旋转角度的研究发现，光子带隙随基元旋转角度变化具有周期性和对称性，表现出各向异性，由此优化出对应的不同晶格的最佳谐振腔型结构.
2014, 63 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.63.030301
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本文研究由两个全同的二能级原子和耦合腔构成的系统，利用Dakic等提出的几何量子失协的度量方法，采用数值计算方法计算了系统中两原子间和两腔场间量子失协的演化. 讨论了原子间初始纠缠度和腔场间耦合系数变化对几何量子失协演化的影响. 研究发现：随腔场间耦合系数的增大，量子失协周期性演化的频率增大；随原子间初始纠缠度的增大，两原子间的关联增强，两腔场间的关联减弱.
2014, 63 (3): 030302.
doi: 10.7498/aps.63.030302
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测量设备无关量子密钥分配方案可以移除所有的探测器侧信道漏洞，通过结合诱骗态方案可以生成无条件安全的密钥. 本文研究了非对称信道传输效率下三强度诱骗态测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率与信道传输损耗的关系，比较了对称信道传输效率和非对称信道传输效率下的距离比率对单边传输效率、单光子误码率和量子密钥生成率的影响，仿真结果表明随着信道不匹配度逐渐增加，可容忍信道传输损耗由对称信道情形下的62 dB分别降至38 dB（距离比率为0.5）和17 dB（距离比率为0.1），能够安全提取密钥的可容忍传输损耗下降较快，密钥生成率的安全传输距离也随之降低. 实验中可以采取调节信号光强度的方式提高非对称传输效率下测量设备无关量子密钥分配系统的密钥生成率，为实用的量子密钥分配实验提供了重要的理论参数.
2014, 63 (3): 030401.
doi: 10.7498/aps.63.030401
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动力学可容变分方法是一种广义哈密顿系统中的李扰动变换方法，能自动保证卡西米尔函数在相应阶数上的守恒性质. 通过动力学可容方法得到了双流体在欧拉描述中的一组约束变分，而后利用这组变分对双流体哈密顿量取极值得到了平衡方程.
2014, 63 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.63.030501
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为了深入研究复杂网络抵制连锁故障的全局鲁棒性，针对现实网络上的负载重分配规则常常是介于全局分配与最近邻分配、均匀分配与非均匀分配的特点，围绕负荷这一影响连锁故障发生和传播最重要的物理量以及节点崩溃后的动力学过程，提出了一种可调负载重分配范围与负载重分配异质性的复杂网络连锁故障模型，并分析了该模型在无标度网络上的连锁故障条件. 数值模拟获得了复杂网络抵制连锁故障的鲁棒性与模型中参数的关系. 此外，基于网络负载分配规则的分析以及理论解析的推导，验证了数值模拟结论，也证明在最近邻与全局分配两种规则下都存在负载分配均匀性参数等于初始负荷强度参数即β = τ 使得网络抵御连锁故障的能力最强.
2014, 63 (3): 030502.
doi: 10.7498/aps.63.030502
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根据分数阶微分定义，采用Adomian分解算法，研究了分数阶简化Lorenz系统的数值解. 研究发现，该算法与预估-校正算法相比，求解结果更准确，所耗计算资源和内存资源更少，求解整数阶系统时较Runge-Kutta算法更准确；利用Adomian算法得到的分数阶简化Lorenz系统出现混沌的最小阶数为1.35，比利用预估-校正算法得到的最小阶2.79更小. 采用相图、分岔图分析了该系统的动力学特性，基于谱熵算法（SE）和C0算法分析了该系统的复杂度. 结果表明，复杂度结果和分岔图一致，说明系统的复杂度同样能反映出系统动力学特性；复杂度随阶数q的增加呈总体减小的趋势，而混沌态时系统参数c变化对系统复杂度影响不大. 为分数阶混沌系统应用于信息加密、保密通信领域提供了理论与实验依据.
2014, 63 (3): 030503.
doi: 10.7498/aps.63.030503
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在NaSch模型的基础上，针对铁路线路特点提出了一种用于模拟铁路线路弯道的多列车追踪运行的元胞自动机模型. 应用该模型，进行了计算机数值模拟，研究了具有不同弯道半径、不同外轨超高和不同弯道长度的线路弯道对铁路交通流的影响. 模拟结果表明：建立的模型能够准确的反映出特殊线路交通流情况，线路弯道对列车的行车安全有较大的影响，同时再现了时走时停的交通波现象，根据仿真结果得出了随着弯道半径的增大，列车的晚点时间逐渐减少，合理选择弯道半径、外轨超高值和弯道长度，可以显著提高线路的通行能力，减低轮轨磨耗，保证列车的安全、舒适运行.所得结果对铁路线路选线设计和运营管理有一定的指导意义.
2014, 63 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.63.030701
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本文利用频带宽度先验信息，提出一种面向信息带宽的自适应调制宽带转换器结构. 该结构的总采样率为信号信息带宽的四倍，远小于信号的奈奎斯特采样频率，从而更有效利用采样资源，降低采样数据量，提高处理实时性. 通过对该结构中随机波形函数周期的选择，可以实现对系统采样率和系统物理实现复杂度的权衡取舍，从而适应不同场合中的应用. 本文通过理论分析给出了该结构实现信号精确重构的充分条件. 引入多重信号分类算法，分析了该结构适用此算法的充分条件. 本文通过仿真实验对上述分析进行了有效性验证. 该系统可以应用于隐形装备的吸波材料的前端特性分析、认知无线电的频谱感知.
2014, 63 (3): 030702.
doi: 10.7498/aps.63.030702
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针对X射线衍射领域中晶面衍射峰重叠问题，提出一种新的重叠峰分离方法. 采用RU-200V转靶衍射仪对30CrMnSiNi2A晶格参量及其回复规律进行研究，得出不同回火温度下晶格参量与碳含量的变化关系. 研究结果发现：由于碳的过饱和度不同以及合金元素的影响，30CrMnSiNi2A与高碳马氏体晶格参量的变化规律虽基本符合，但其变化速率存在差异. 在不同回火温度下晶格参量a基本与碳含量无关，随着回火温度升高，a值略有下降. 晶格参量c则随碳含量的变化幅度较大，从淬火态到180 ℃回火态出现一个陡降过程，随着回火温度升高，其变化幅度又趋于平缓.
核物理学
2014, 63 (3): 032801.
doi: 10.7498/aps.63.032801
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本文对光化学法分离中氩气对2P激发态锂原子的碰撞猝灭速率进行研究. 在弱激光作用下，通过对不同氩气压强下的锂原子蒸气吸收光谱和激发态锂原子的荧光发射光谱进行测量，得到氩气对2P激发态锂原子的猝灭速率常数为（12.29±0.92）×10-18 m3·s-1. 实验结果表明：在光化学锂同位素分离研究中，氩气对锂原子2P激发态的猝灭速率远小于2P激发态锂原子的自发辐射速率，碰撞猝灭效应对分离选择性的影响非常小，可以忽略不计.
2014, 63 (3): 032802.
doi: 10.7498/aps.63.032802
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本文利用Fick扩散定律，给出经典方法和改进的两种累积释放份额的严格数学表达式，并分析与之相关的穿透时间的物理内涵，并分别用以上两种方法计算 137Cs，90Sr，110mAg三种重要放射性核素通过SiC层扩散的累积释放份额. 研究表明，传统的“穿透时间”概念并非放射性核素释放到SiC层外的时间，本文提出的改进方法可以更准确的描述放射性核素在燃料元件中的输运和扩散行为.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2014, 63 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.63.034101
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设计了一种同时具备高增益和宽带低散射特征的波导缝隙天线. 将蚀刻有互补开口谐振环的方形贴片人工磁导体正交布阵得到宽带低雷达截面积（RCS）反射屏并以之代替原天线的全金属反射板，通过优化反射屏的加载方式，在展宽天线工作频带、提高天线增益的同时，实现了宽频域范围内天线鼻锥方向RCS减缩. 实测结果表明：加载低RCS反射屏的缝隙天线工作带宽增加了100 MHz，前向增益提高了3.2 dB，在5.52–6.63 GHz范围内RCS减缩量达10 dB以上，减缩带宽达到20%.
2014, 63 (3): 034102.
doi: 10.7498/aps.63.034102
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为了直接利用超宽带（UWB）时域测量数据，同时重建二维（2D）目标（OI）的介电常数和电导率，本文将频域高斯-牛顿反演（GNI）算法发展为时域形式. 迭代重建过程中，正问题由时域有限差分（FDTD）法求解，而逆问题的病态特性用自适应正则化技术抑制. 四类数值算例中，噪声影响均被考虑，仿真结果初步证实了改进算法的可行性和鲁棒性. 重建图像呈现超分辨率（SR），有望应用到早期乳腺癌检测等实际问题中.
2014, 63 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.63.034201
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纳米硅结构使能带的带隙展宽，并形成准直接能带带隙结构. 弯曲表面上的某些键合可以在带隙中产生局域电子态，计算表明：纳米硅弯曲表面上的SiN，Si=O和SiOSi键合能够分别在带隙中2.02 eV，1.78 eV和2.03 eV附近形成局域态子带，对应了实验光致荧光谱（PL）中605 nm处的LN线、693 nm处的LO1线和604 nm处的LO2线特征发光. 特别是，SiYb键合在纳米硅弯曲表面上可以将发光波长调控到光通信窗口，在1310 nm到1600 nm 范围形成LYb线特征发光.
2014, 63 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.63.034202
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利用化学腐蚀法在光纤包层表面成功制备了调制深度为3.9%的单壁碳纳米管饱和吸收体. 组建了环形腔结构的全光纤掺铒光纤激光器，以制备的单壁碳纳米管薄膜为锁模元件，利用倏逝场锁模实现了锁模输出. 锁模脉冲的中心波长为1556 nm，3 dB光谱带宽为24 nm，脉冲宽度为147 fs，重复频率为150 MHz. 在520 mW抽运功率下，平均输出功率为21 mW，相应的单脉冲能量为0.14 nJ.
2014, 63 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.63.034203
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提出了一种多子光束相干发射方案以提高对远距离小目标的探测能力. 将激光器发出的光束等功率地分为若干子光束，在空间按一定的排列平行发射. 子光束来自同一激光源，具有很好的相干性，将在目标面上产生干涉. 计算结果表明：子光束在目标面上产生干涉主峰，理想情况下，其峰值为单光束直接发射光强的N（N为子光束数目）倍，用此主峰照射目标实现探测；目标越小，此方案相对于直接发射的优势越突出. 实际中应适当压缩光束发散角，以增大照射到目标上的总功率. 发射镜的位置和角度抖动使目标面上光强闪烁且光斑畸变，为获得稳定、且峰值为单光束直接发射光强N倍的干涉主峰，发射镜的位移控制精度需达到0.1λ（λ为光波长），角度控制精度需达到0.2θ（θ为光束发散角）.
2014, 63 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.63.034204
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在掺镱锁模光纤激光器发出的皮秒脉冲的抽运下，本文报道了双零色散的多芯光子晶体光纤中可见光超连续谱的产生. 这种光子晶体光纤的类似同轴双芯结构提供了相隔很近的双零色散点. 第二个零色散波长的存在阻止了反常色散区内的由脉冲内拉曼散射引起的孤子的频移，形成了稳态孤子，在短波长和长波长方向上的正常色散区均产生了可观的色散波. 在2 W的平均功率下得到了550 nm到1700 nm的超连续谱. 此外，光纤的同轴双芯特性也导致了入射脉冲的模式转换. 实验结果和数值计算十分符合.
2014, 63 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.63.034205
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为了提高异质结构光子晶体环形腔滤波器的滤波特性，采用粒子群（PSO）算法对其结构参数进行全局优化. 以正方晶格光子晶体环形滤波器结构为优化对象，根据粒子群算法的位置——速度更新公式，对光子晶体缺陷处散射柱、耦合介质柱和内部介质柱的半径进行全局优化. 通过理论分析和数值模拟结果可以看出，滤波结构参数优化后，可实现单模窄带滤波. 与此同时，归一化透射率由53%提高到97%，证明了该优化算法的有效性，从而为该滤波结构在光电器件中的应用奠定了基础.
2014, 63 (3): 034206.
doi: 10.7498/aps.63.034206
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大模场单模光纤在高功率激光器、高功率光传输和高灵敏度传感器等领域具有重要意义. 设计了一种新型超低损耗大模场单模光纤，包层空气孔由掺氟硅玻璃棒代替，掺氟硅玻璃棒排列呈六重准晶体结构. 基于有限元法对光纤的传输特性进行了数值模拟. 研究了光纤结构参量变化对模式特性和有效模场面积的影响. 结果表明：波长在1064 nm处，有效模场面积高达5197 μm2，基模的限制性损耗低于10-5 dB/km，解决了大模场与低损耗之间的冲突；在1064–2000 nm波段内，基模与二阶模的限制性损耗相差7个量级，实现单模传输；半径为10 cm时，弯曲损耗小于 0.01 dB/m，具有良好的低弯曲损耗特性. 此光纤能够提高光纤热损伤阈值，减少接续损耗，全固态结构有效避免了空气孔塌陷，简化制备工艺，对高功率激光传输、光纤激光器和光纤放大器的发展具有重要意义.
2014, 63 (3): 034207.
doi: 10.7498/aps.63.034207
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研究了一种基于棱镜基底-辅助电介质层-金膜-待测介质四层结构的表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）效应激励模型. 采用薄膜光学与波导理论，探索了由辅助电介质层与金膜复合而成共振薄膜对SPR效应的激励机理与调制特性. 借助时域有限差分方法，数值模拟得到辅助电介质层属性与共振能量传输特性关系. 在此基础上，构建了波长调制型棱镜辅助电介质层结构SPR激励系统. 研究结果表明，当待测介质折射率相同时，相较基于棱镜基底-金膜-待测介质三层结构的Kretschmann激励模型，辅助电介质层激励模型共振光谱整体向长波方向偏移且半波宽度出现显著展宽效应. 而当待测介质折射率增大时，辅助电介质层型激励模型的共振光谱不仅会向长波方向偏移，而且折射率响应灵敏度比棱镜Kretschmann三层激励模型高出75%. 因此该模型能够为诸如高灵敏度检测、新型光学滤波与调制器件设计等领域的研究应用提供理论与实践储备.
2014, 63 (3): 034208.
doi: 10.7498/aps.63.034208
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本文分析了PIE技术中周期性误差出现的根本原因，并在此基础上提出一种能明显减小此种误差的方法. 通过将现有PIE成像技术中的定步长二维周期扫描变为步长和方向都不确定的随机二维扫描，可以根本上去除样品重建像中的周期性误差，从而得到准确的相位和振幅像，对提高PIE成像的精度有较好的现实意义.
2014, 63 (3): 034209.
doi: 10.7498/aps.63.034209
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基于电磁感应透明技术，将相干耦合的Tripod型原子俘获在一维光晶格中并使其呈高斯型分布，由于介质的折射率被一维光晶格周期性调制，从而实现动态调控的三光子带隙结构. 通过求解光场与原子相互作用密度矩阵方程以及光波在周期性介质中散射的传输矩阵方程，计算出探测场在相干驱动介质中的稳态反射谱和透射谱. 计算结果表明：光子带隙的位置、宽度以及反射率可以通过改变两个耦合场的失谐、强度和几何布拉格失谐来调谐.
2014, 63 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.63.034301
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考虑到分布在液体中的气泡是声波在含气泡液体中传播时引起非线性的一个很重要的因素，本文研究了声波在含气泡液体中的非线性传播. 将气体含量的影响引入到声波在液体中传播的方程中，从而得到声波在气液混合物中传播的数学模型. 通过对该模型进行数值模拟发现，气体含量、驱动声场声压幅值及驱动声场作用时间均会影响到气液混合物中的声场分布及声压幅值大小. 液体中的气泡会“阻滞”液体中声场的传播并将能量“聚集”在声源附近. 对于连续大功率的驱动声场来说，液体中的气泡会“阻滞”气液混合物中声场及其能量的传播.
2014, 63 (3): 034302.
doi: 10.7498/aps.63.034302
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基于浅海射线声学多途结构，提出了一种具有高稳健性、高精度的单水听器目标运动参估计方法. 针对匀速直线运动目标，综合多途时延差和运动学几何关系，构建了目标三维多途时延模型，进而获得目标运动参数与多途时延差的非线性时间映射. 研究了典型水声信道的倒谱表达式，提出了利用倒谱提取多途时延差的策略. 采用差分进化综合优化手段估计目标运动参数，提高了算法的稳健性. 理论及仿真结果表明，倒谱的时间分辨率不受信号带宽的限制，而主要取决于信号类型和信噪比；CW信号的倒谱对多普勒不敏感；参数估计精度主要取决于时延差估计精度和参与差分进化运算的信息量，当包含有最近点信息时参数估计性能较好. 水池实验结果进一步验证了方法的正确性和有效性.
2014, 63 (3): 034303.
doi: 10.7498/aps.63.034303
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本文围绕粘贴黏弹性吸声材料方法对水下小平台上安装矢量传感器的指向性和测向的影响展开理论分析和实验研究. 首先建立了吸声材料和平台结构组成的复合层结构的数学模型，对声波经过复合层结构的声学特性进行了分析，在此基础上利用有限元耦合边界元法对粘贴吸声材料前后的水下小平台上的矢量传感器的声学特性进行研究. 通过理论计算和数值分析研究了吸声材料对矢量传感器的各通道的指向性的影响，并计算了覆盖吸声材料前后矢量传感器的测向精度. 水池实验验证了分析结果的正确性.
2014, 63 (3): 034304.
doi: 10.7498/aps.63.034304
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实际的海洋是一个不确定的声传播环境，常规的匹配场方法在进行目标定位时会遇到环境失配的问题，导致定位性能下降. 在不确定的海洋环境中，声场传播中的一部分简正波模态受到声场不确定性的影响较小. 基于此，本文提出了一种模态子空间重构的稳健定位方法. 该方法使用稳定的模态来重构拷贝场向量，相比于常规匹配场定位方法中使用全阶模态来构造拷贝场向量，其定位结果更加稳健. 利用计算机仿真数据和海试数据进行了定位性能分析，并给出了常规匹配场定位方法和稳健最大似然定位方法作为对比. 研究结果表明：1）不确定海洋环境中，常规匹配场定位方法即使在较高的信噪比条件下其定位性能也较差. 2）模态子空间重构定位方法的性能优于常规匹配场定位方法和稳健最大似然方法.
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2014, 63 (3): 034305.
doi: 10.7498/aps.63.034305
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本文以二维固体局域共振声子晶体为例，对次波长区域缺陷态的实现机理及其特点进行了探讨. 众所周知，工作于次波长区域的声子晶体可以用有效媒质理论来描述，其色散关系对其构成单元的排列结构并不敏感，因而使得共振型声子晶体的带结构难以被其构成单元的局域空间无序所打破. 本文发现共振型声子晶体在其带隙附近的色散关系可由共振单元间的长程相互作用来理解. 基于这一理解，对目前文献中提出的两种实现局域态的方法进行了研究，结果表明缺陷态的引入正是通过打破这种长程相互作用来实现的. 另外，在此理解的基础上，通过引入非各向同性缺陷共振单元，实现了纵波与横波导波模式的分离.
2014, 63 (3): 034306.
doi: 10.7498/aps.63.034306
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浅海低频声场呈稳定而显著的干涉特征，并蕴含声源状态和波导特性等信息. 本文研究运动目标辐射声场干涉结构的简化映射以及映射域能量分布对目标运动状态的指示特征. 理论分析了声压场和矢量声场空（时）频干涉谱图的二维傅里叶变换映射特征，推导了匀速运动目标时频干涉谱图映射域能量脊斜率与波导不变量以及距变率、航向角的关系式，证明了映射域脊斜率符号、脊斜率绝对值变化等对目标来袭或远离以及目标威胁程度的指示，并进行了数值仿真和海上试验研究. 实测结果与理论、仿真分析有较好的一致性. 研究结果表明：二维傅里叶变换可将声压场和矢量场时（空）频谱图干涉结构简化，匀速运动目标辐射声场干涉结构映射域的能谱脊斜率、距变率、航向角与波导不变量有解析关系式，声强谱、动能密度谱、声强流谱等声场干涉结构经映射后更为一致，映射域脊能简明的指示目标运动状态和威胁程度.
2014, 63 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.63.034401
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为了利用微尺度热效应的热致飞高控制（TFC）磁头技术实现磁头飞行高度的精确控制，分析了工作状态下TFC滑块在多物理场综合作用下所呈现出来的传热特性及其主要影响因素，考虑了磁头磁盘间超薄气膜的稀薄效应，建立滑块导热、空气轴承表面传热、气膜流动等模型，利用有限元法，对磁头热变形作用机理及热传导特性对滑块动力学特性影响进行了仿真研究，结果表明，建立的传热模型及对雷诺方程的修正适用于求解磁头磁盘界面气膜传热问题和磁头滑块的动力学问题；影响滑块热力学性能的因素主要可以归结为加热器高度、热生成率以及材料的传热系数；空气轴承力及工作表面热变形的双重作用决定了滑块飞行高度的改变. 仿真结果为磁头滑块加热器的设计及空气轴承动力学特性分析提供了依据.
2014, 63 (3): 034501.
doi: 10.7498/aps.63.034501
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利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究，分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理，获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力“中心凹陷”式的分布规律，讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响. 研究结果表明，颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响. 堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大，并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒. 颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用. 当黏聚能量密度值逐渐增大时，颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大，并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆. 当黏聚能量密度值过大时，颗粒堆力学特性更加复杂，液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.
2014, 63 (3): 034502.
doi: 10.7498/aps.63.034502
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针对颗粒介质力学特性的颗粒尺度效应研究，选用土矿物颗粒制备不同颗粒尺度的抗剪试样，进行一系列直剪快剪和三轴抗剪试验，测得了不同颗粒粒径和体分比试样的变形曲线及剪应力强度；基于颗粒间微观作用力与重力比值和胞元体模型，首次从微观和细观角度解释颗粒尺度效应的物理机理. 结果表明，随着介质中粗颗粒的比例增加和粒径减小，介质变形特性增强，剪应力强度也随之提高；体分比对变形和强度特性的影响比粒径的影响更加显著. 基于介质特性尺度效应物理机理分析，提出衡量介质颗粒聚集和摩擦效应的微重比判别参数以及应变梯度和变形协调微裂纹引起颗粒尺度效应的细观机理解释；文中提出的胞元体模型大大减少了颗粒物质体系的计算自由度，为工业和工程设计的计算建模提供一种可行途径.
2014, 63 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.63.034701
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在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力，可提升翼型的升力减小阻力，然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率，为提高洛伦兹力的控制效率，需研究其控制机理. 以翼型绕流的洛伦兹力控制为例，利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究. 结果表明：洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降，升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关系，但升力增加和阻力减小的规律不变，都是升力先急剧增加随后缓慢增加，而阻力先急剧减小然后再缓慢增加，基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小，随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力，导致升力减小和阻力增加，流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降，增加翼型升力和压差阻力；壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小，壁面压力变化起主导作用；洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大，洛伦兹力推力起主导作用，因此阻力减小.
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2014, 63 (3): 034702.
doi: 10.7498/aps.63.034702
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本文分析了颗粒流的介观结构及其特征，提出了颗粒流的双颗粒温度概念Tkin 和Tconf，表征颗粒无序运动和构型无序演化的程度；进而作为非平衡变量，与经典非平衡热力学（classical irreversible thermodynamics，CIT）变量共同构成颗粒流的热力学状态变量集，确定了颗粒流的能量转换规律和熵产生率等，发展了颗粒流双颗粒温度（two granular temperate，TGT）模型. 以体积恒定的简单剪切准静态颗粒流为例，结合离散元模拟（discrete element method，DEM），确定了双颗粒温度模型所需的材料参数，分析了颗粒流发展段的规律和稳恒段的有效摩擦系数.
气体、等离子体和放电物理
2014, 63 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.63.035201
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典型的光谱角色散技术中，由于光束带宽受限于高效三倍频，因而无法通过增大带宽来进一步改善焦斑均匀性. 结合对四色打靶方案和多级相位调制技术的综合分析，提出了多频、多色光谱角色散束匀滑新方案. 该方案能在保持高效三倍频基础上，获得带宽有所加宽，光谱包络近似连续的光源，且在远场匀滑上具有更为独特的优势. 结果表明，采用束匀滑新方案后，虽然焦斑会有所增大，但其均匀性却得到明显改善；与典型的束匀滑方案相比，该方案能更为有效地抑制热斑，且达到最佳匀滑效果所需的时间有所减短. 此外，通过对阵列光栅中子光栅刻线方向的自由组合可以实现多维光谱角色散的效果.
2014, 63 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.63.035202
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本文所论述的轴对称环状静电模是指环形磁约束等离子体（如托卡马克）中环向模数为零的近理想静电流体模，它包含有测地声模和基频率与之较低的声模；也含有所谓的‘近零频带状流’. 本文根据冷离子流体模型在圆形磁面构成的准环坐标系中的表示，对涉及以上三种模式的漂移波湍流参量激发理论，在一级环形效应近似下，进行了系统讨论，并证明了带状流的四个新命题. 利用对漂移波能谱的参数化描写，注意到由漂移波能谱径向有限宽度所引发的特性，如波能传播量的双Landau奇点，揭示了有限宽度对径向δ谱所得结果的重要修正：如，对近零频带状流和测地声模的参量激发条件带来的严格限制. 此外，还讨论了密度带状流在高q条件下被激发的可能性. 本文选用合理的物理参数. 采用图示方法详细地讨论了有关的数值结果. 分析表明，测地声模和近零频带状流的参量激发不可能发生在同一小半径处；如果测地声模被参量激发，也应能观察到密度带状流.
2014, 63 (3): 035203.
doi: 10.7498/aps.63.035203
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本文考察在径向电子数密度呈抛物形分布的情况下，外加稳恒磁场，射频通过螺旋波天线在等离子体中激发电磁波的传播性质. 采用线性扰动波假设，数值求解Maxwell方程组，得到80–800 G（1 G = 10-4 T）磁场条件下等离子体中径向电、磁场强度及能量沉积密度的分布情形. 计算结果表明，磁场增大（80→800 G）时，螺旋波受到的阻尼较小，可深入等离子体传播；Trivelpiece-Gould（TG）波受到的阻尼增大，在等离子体-真空边界处衰减增强；整体的能量吸收向边界集中. 磁感应强度小于100 G 时，TG 波可深入主等离子体区传播，等离子体径向能量吸收相对均匀.
2014, 63 (3): 035204.
doi: 10.7498/aps.63.035204
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在高约束模式下发生的边界局域模会释放高能量等离子体，其中主要部分会辐照到面积相对较小的偏滤器靶板，偏滤器钨靶板发生热腐蚀的可能性最大. 本文建立了包括了熔化、汽化和热辐射效应的一维热传导模型，采用数值模拟的方法，研究了EAST未来偏滤器钨靶板在边界局域模作用下的热腐蚀程度. 根据现有的边界局域模热流数据和多种未来可能的高能量边界局域模热流数据，计算了钨靶板的表面温度分布. 结果显示当前的第一类边界局域模作用在钨靶板上，在高约束模式运行时间取32 s 情况下，靶板表面温度从350 K增加到373 K，表明在当前的参数范围内，只要避免其他更严重的瞬时事件如破裂的发生，边界局域模还不会带来严重的威胁；如果边界局域模的能量增加到接近未来托卡马克边界局域模的能量范围1 MJ/m2，沉积时间为600 μs，表面最大熔化厚度将达到6.8–6.9 μm.
2014, 63 (3): 035205.
doi: 10.7498/aps.63.035205
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为了获得更高亮度的X射线点源，在“强光一号”装置上开展钨丝X箍缩实验研究. 基于能量平衡方程，估算了1 MA电流热斑等离子体平衡半径为1–10 μm. 实验中，测试钨丝直径为25–100 μm，丝根数为2–48，负载线质量为0.18–6.9 mg/cm；负载电流峰值为1–1.4 MA，10%–90%前沿为60–70 ns. “强光一号”装置上匹配的X箍缩负载为30或32根25 μm钨丝X箍缩，这种负载一定概率产生单个脉冲X射线辐射，辐射时刻位于电流峰值附近，典型参数为keV X射线脉宽1 ns，辐射功率35 GW，产额40 J，热斑尺寸～30 μm. 然而，兆安电流X箍缩通常产生多个热斑及多个脉冲X射线辐射. keV能段首个脉冲X射线辐射时刻与负载线质量正相关，并受到负载丝直径的影响. 多个X射线脉冲可能由二次箍缩和局部箍缩产生，多个热斑可能由交叉点处微Z箍缩的长波长扰动和短波长扰动引起. 与百千安电流X箍缩相比，兆安电流X箍缩热斑亮度更高，但X射线辐射脉冲的单一稳定性还有待于进一步改善.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2014, 63 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.63.036101
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针对二维8重固-流型（钢-水）准周期声子晶体，通过实验方法测试得到了不同大小准周期系统的透射谱，并利用有限元方法计算了准周期体系的频散曲线和透射谱. 结果显示，实验与有限元方法所得透射谱结果基本符合，但有限元方法得到的透射谱显示的带隙特性更为明显；二维固-流型8重准周期声子晶体选用包含其中心拼图在内的最小超元胞可以近似计算整个准周期结构的频带结构.
2014, 63 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.63.036801
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为适应宽光谱高效率硅基薄膜太阳电池的应用需求，本文尝试采用直流磁控溅射技术在553 K衬底温度下生长氢化Mg和Ga共掺杂ZnO（HMGZO）透明导电氧化物（TCO）薄膜. 通过对薄膜微观结构、表面形貌、电学以及光学性能的测试和分析，详细地研究了氢气（H2）流量（0–16.0 sccm）对HMGZO薄膜结晶特性及光电性能的影响. 实验结果表明：生长获得的HMGZO薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶薄膜，择优取向为（002）晶面生长方向. 薄膜的生长速率随着氢气流量的增加呈现逐渐减小趋势，主要归因于溅射产额的减小. 适当的氢气引入会引起晶粒尺寸的增加. 随着氢气流量由0增加至4.0 sccm，ZnO 薄膜电阻率从177 Ω·cm急剧减小至7.2×10-3 Ω·cm，主要是由于H施主的引入显著地增加了载流子浓度；然而进一步增加氢气流量（4.0–16.0 sccm）造成电阻率的轻微增加，主要归因于载流子浓度的减小以及过多氢杂质引入造成杂质散射的增加. 所有生长获得的HMGZO薄膜平均光学透过率在波长λ～320–1100 nm范围内可达87%以上. 由于Mg的作用及Burstein-Moss效应的影响造成了带隙展宽，带隙变化范围～3.49–3.70 eV，其中最大光学带隙Eg可达～3.70 eV.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2014, 63 (3): 037101.
doi: 10.7498/aps.63.037101
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BN纳米片是具有一定宽度、无限长度的一维蜂窝构型单层带状氮化硼材料，弯曲的BN纳米片因为Pz轨道旋转，将表现出一定的独特的电子性质. 通过第一性原理计算，利用MS（Material Studio）中的DMOL3（local density functional calculations on molecules）软件计算了Zigzag 和Armchair型BN纳米片弯曲以后的能带结构. BN纳米带的带隙会随着弯曲角度的变化而改变，以Armchair型BN纳米带的变化较为明显；在弯曲的基础上再加入外电场，却是Zigzag型BN纳米带的带隙变化更显著. 当电场加大到一定的值，纳米带就会从半导体变为金属，并且这一临界电场值的大小和纳米带的弯曲程度有关. 电场对带隙的调制还和纳米带的尺寸有关系，电场对大尺度的纳米带的调控性更好，从半导体转变为金属所需要的电场值要更小.
2014, 63 (3): 037102.
doi: 10.7498/aps.63.037102
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本文通过对4H-SiC同质外延化学反应和生长条件的分析，建立了4H-SiC同质外延生长的Grove模型，并结合实验结果进行了分析和验证.通过理论分析和实验验证，得到了外延中氢气载气流量和生长温度对4H-SiC同质外延生长速率的影响.研究表明：外延生长速率在衬底直径上为碗型分布，中心的生长速率略低于边缘的生长速率；随着载气流量的增大，生长速率由输运控制转变为反应速率控制，生长速率先增大而后逐渐降低；载气流量的增加，会使高温区会发生漂移，生长速率的理论值和实验出现一定的偏移；随着外延生长温度的升高，化学反应速率和气相转移系数都会增大，提高了外延速率；温度对外延反应速率的影响远大于对生长质量输运的影响，当温度过分升高后，外延生长会进入质量控制区；但过高的生长温度导致源气体在生长区边缘发生反应，生成固体粒子，使实际参与外延生长的粒子数减少，降低了生长速率，且固体粒子会有一定的概率落在外延层上，严重影响外延层的质量.通过调节氢气流量，衬底旋转速度和生长温度，可以有效的控制外延的生长速度和厚度的均匀性.
2014, 63 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.63.037201
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针对AlGaInP系发光二极管（LED）电极阻挡出光、衬底吸收、全反射角小导致器件出光效率低、热积累大、饱和特性差等问题，提出了一种具有复合电流输运增透窗口层、复合DBR反射镜和电流阻挡层结构的新型LED，并测试了其饱和特性和寿命. 电流分布模拟显示：新型LED电极下仅存在极小的无效电流；实验结果表明新型LED出光效率高，饱和电流大，饱和电流时光强约为常规LED的3倍，光电性能明显提升. 器件饱和特性和老化实验研究显示：新型LED寿命长达17.8×104 h，器件内部发热量低，具有高饱和特性和高可靠性，适合在大电流大功率下工作.
2014, 63 (3): 037301.
doi: 10.7498/aps.63.037301
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采用爆轰法制备了纳米TiO2混晶体，初步研究了不同煅烧温度（600 ℃和720 ℃）和不同煅烧时间（1 h，2 h，3.5 h和5 h）对其微结构和结构相变行为的影响，并应用热动力学理论讨论了从锐钛矿相到金红石相的结构相变过程和相变机理. 研究表明：随着煅烧温度的升高和煅烧时间的增加，纳米TiO2的粒径逐渐增大，混晶中金红石相的含量逐渐提高. 与常规方法制备的纳米TiO2不同的是，在相同煅烧温度和煅烧时间下金红石相的平均生长速率明显低于锐钛矿相. 锐钛矿相完全相变为金红石的温度也明显低于常规方法报道的相变温度. 该研究会对控制纳米TiO2 晶体尺寸和批量合成提供一定的理论和实验指导.
2014, 63 (3): 037401.
doi: 10.7498/aps.63.037401
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成功制备了超导临界温度为27 K的K0.8Fe2Se2晶体，并详细研究了晶体c轴向的载流子输运特性. 结合X射线衍射、光学显微镜下的形貌、变温电阻率的测试结果表明，样品存在有“相分离”，但是这类层状铁基超导体材料的两个相不是简单沿c轴向层状交替排布的，而应该是沿着c轴向存在弱联系的金属相链接通路，金属相部分形成近3维的空间网状链接模式. 热导率测试和复阻抗谱z（ω，T0）的研究表明超导晶体沿着c轴方向存在有大量的相界面，所束缚的极化电荷致使相对介电常数达到106数量级，相应地在10 MHz附近出现负的相位特征.
2014, 63 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.63.037801
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利用等离子体增强化学气相沉积法制备了镶嵌于氮化硅的高密度纳米硅薄膜，并以此作为发光有源层构建基于p-Si/氮化硅基发光层/AZO结构发光二极管，在室温下观察到了电致可见发光. 在此基础上，在器件p-Si空穴注入层与氮化硅基发光层之间加入纳米硅薄层作为空穴阻挡层，研究器件电致发光性质，实验结果表明器件的发光强度显著增强，并且发光效率较无纳米硅阻挡层的发光器件提高了80%以上.
2014, 63 (3): 037802.
doi: 10.7498/aps.63.037802
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本文采用垂直Bridgman 法，分别生长了未掺杂LaCl3 和掺有不同浓度CeCl3 的LaCl3 闪烁晶体，并对它们的透光性质、发光性质和光衰减特性进行了测试和对比分析. 发现未掺杂LaCl3 晶体的吸收边位于215 nm附近，本征发射峰为405 nm，衰减时间在1 s 以上. 该发光属于纯氯化镧晶体的自陷激子发射，但随着CeCl3掺杂浓度的提高，源于自陷激子(STE) 的本征发射强度逐渐降低，LaCl3：Ce 晶体中的吸收边逐渐红移至300nm，由Ce3+ 中心所产生的5d4f 发射逐渐增强，其衰减时间加快至~20 ns. 这种现象被解释为LaCl3 晶格中的自陷激子向Ce3+ 离子发光中心的能量传递作用所致.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2014, 63 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.63.038101
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利用匹配渐近展开法和多变量展开法求出定向凝固深胞晶生长的浓度场和界面形态的全局渐近解，研究各向异性表面张力对定向凝固深胞晶生长的影响. 结果表明，各向异性表面张力对定向凝固过程深胞晶生长有显著的影响. 随着各向异性表面张力增大，胞晶前端部分浓度减小而胞晶界面收缩；胞晶根部的浓度增大而界面曲率增大或根部的曲率半径减小，各向异性表面张力使得深胞晶界面振幅增加. 本文结果能够计算定向凝固过程中深胞晶生长的浓度、界面形态.
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2014, 63 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.63.038102
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SiC热解法是制备大面积、高质量石墨烯的理想选择之一. 外延石墨烯的晶体质量仍是制约其应用的关键因素之一. 本文通过SiC热解法在4H-SiC（0001）衬底上制备单层外延石墨烯. 通过引入氩气惰性气氛和硅蒸气，使SiC 衬底表面的Si原子升华与返回概率接近平衡，外延石墨烯生长速率大大减慢，单层石墨烯的生长时间从15 min延长至75 min. 测试分析表明，生长速率减慢，外延石墨烯中缺陷减少，晶体质量提高，使得外延石墨烯的电性能都得到改善，单层外延石墨烯的最高载流子迁移率达到1200 cm2/Vs ，方阻604 /□. 以上结果表明，控制生长气氛，减慢生长速率是实现高质量外延石墨烯的可行途径之一.
2014, 63 (3): 038401.
doi: 10.7498/aps.63.038401
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RLC并联电路是一种非常重要的单元电路，本文尝试着系统地分析和总结分数阶RLαCβ并联电路的基本特征和规律. 对比整数阶RLC并联电路，电感的分数阶阶次α和电容的分数阶阶次β作为两个新的关键参数，使得分数阶RLαCβ并联电路在设计上有了更多自由度、更大的柔性和新意. 同时，它们的引入也增加了许多新的现象和规律. 本文首先分析了分数阶RLαCβ并联电路的两个基本特性：导纳和相位. 进而分析了分数阶条件下分数阶RLαCβ并联电路所特有的纯虚阻抗的问题. 并且，分析了LC电路中特有的现象之一——谐振，和五个参数对谐振的影响. 进一步地，阻抗和相位关于各参数的敏感性分析也得到了详细地研究. 数值分析和理论分析两者互相印证，彼此支持.
2014, 63 (3): 038402.
doi: 10.7498/aps.63.038402
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本文研究了相对论返波管产生X波段超辐射问题，产生中心频率为9.25 GHz的电磁脉冲，并在相对论返波管的输出端直接接入VLASOV辐射天线. 提出将粒子模拟软件UNIPIC与自行研制的天线辐射模块相结合，实现超辐射现象微波的产生以及辐射的全过程模拟，并研究了输出功率随注入波脉冲以及填充稀有气体气压的变化. 模拟结果表明，器件的峰值功率可以达到3.68 GW，瞬时效率超过100%，VLASOV天线在斜切角为20°时，天线的增益达到15.5 dB，在1 km处的功率密度可达到0.728 W/cm2.
2014, 63 (3): 038403.
doi: 10.7498/aps.63.038403
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针对从高频地波雷达海洋回波多普勒谱反演海浪参数的非线性积分方程，采用线性化近似可以转化为线性积分方程，类似于第一类Fredholm积分方程. 文中采用数值方法将线性积分方程转化为二次型最优化问题，并采用共轭梯度法来求解. 针对海浪参数的非负先验特性，在迭代过程中，加入非负约束项对共轭梯度法进行了改进. 在单部雷达和双部雷达情况下进行正演数值模拟，然后用模拟数据添加不同信噪比的随机噪声进行海浪参数反演，无论是单峰海浪谱还是有两个传播方向的双峰谱反演结果均表明了本文提出的算法在不同信噪比下的有效性.
2014, 63 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.63.038501
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本文采用钼-铝-钼（Mo/Al/Mo）叠层结构作为源漏电极，制备氧化铟锌（IZO）薄膜晶体管（TFT）. 研究了Mo/Al/Mo源漏电极中与IZO接触的Mo层溅射功率对TFT器件性能的影响. 随着Mo层溅射功率的增加，器件开启电压（Von）负向移动，器件均匀性下降. 通过X射线光电子能谱（XPS）深度剖析发现IZO/Mo界面有明显的扩散；当Mo层溅射功率减小时，扩散得到了抑制. 制备的器件处于常关状态（开启电压为0.5 V，增强模式），不仅迁移率高（～ 13 cm2·V-1·s-1），而且器件半导体特性均匀.
2014, 63 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.63.038701
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本文采用Helfrich理论模型研究双柱胶体粒子与管状生物膜的相互作用. 通过对柱状粒子与不同半径的管状膜吸附时的自由能分析发现，该体系存在具有较小包络角的弱吸附相以及具有较大包络角的深度吸附相. 进一步研究发现体系从解吸附相到弱吸附相的相变是二级相变，而从弱吸附相到深度吸附相的相变是一级相变. 双柱粒子与管状膜相对位置的不同会影响体系相变和结构.
2014, 63 (3): 038901.
doi: 10.7498/aps.63.038901
摘要 +
采用元胞自动机模型研究信号灯路口的交通流特性，系统地分析了与性别、驾驶经验、性格等驾驶员属性相关的驾驶行为对交通流的影响. 数值模拟发现，技术生疏或紧张驾驶、急躁行驶等驾驶行为更易引发自由流到阻塞流的相变，是路口通行低效率及事故隐患的重要原因，信号周期是影响流量与个人通行时间公平的主要因素.
2014, 63 (3): 038902.
doi: 10.7498/aps.63.038902
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采用复杂网络理论研究银行网络系统中的系统性风险问题已有较多的报道. 这些研究大多假设银行网络系统是静态的（银行节点是静态的，银行节点间的借贷关系也是静态的），然后在系统性风险已经累积到爆发的情况下，研究风险爆发后，风险在静态网络系统中的传染与网络结构的关系. 然而对于系统性风险如何在银行网络中累积直至爆发的问题的研究还很少. 系统风险的累积过程需在动态演化的银行网络系统中才能实现，同时观察风险累积过程需对系统风险进行定量估算. 因此，本文首先建立带有宏观经济趋势及多期清算的动态银行网络系统模型；提出系统风险的定量计算方法；最后对系统风险进行仿真计算与分析，得到了系统风险变化曲线，显示了系统风险累积的过程. 该研究为定量研究动态银行网络系统的风险累积问题奠定了基础.
2014, 63 (3): 038903.
doi: 10.7498/aps.63.038903
摘要 +
交通流演化复杂性的研究有助于深刻理解交通系统的内在演化规律，为交通流的预测和控制提供理论依据. 多尺度熵方法在生理时间序列和计算机网络流量的分析中得到了广泛的应用. 考虑到交通流中的车辆到达和计算机网络中的分组到达具有类似特性，本文以刹车灯模型的车头时距为分析对象，利用多尺度熵方法来分析交通流演化的复杂性. 分析结果表明：1）车头时距的复杂性随着时间尺度的增加而降低，反映了交通流的短时间难预测性；2）当时间尺度较小时，车头时距复杂性在自由流时和同步流时差异不大，但是，随着时间尺度的增加，自由流时车头时距的熵值迅速下降，而同步流时车头时距的熵值下降较慢. 这一特性对于识别自由流中是否产生了同步流有非常重要的参考价值. 本文的研究可以为揭示交通流演化的复杂性提供新的思路和方法.
地球物理学、天文学和天体物理学
2014, 63 (3): 039101.
doi: 10.7498/aps.63.039101
摘要 +
本文制备了硅基和光刻胶两种材料的纳米光栅，利用自研制的新型广义椭偏仪对该纳米结构的光栅进行了测量，随后利用建立的拟合模型对其测量数据进行了拟合，结果证明了运用该仪器进行纳米光栅结构无损检测的可行性，在入射角60，方位角75的测量条件下，纳米结构关键尺寸、侧壁角等三维形貌参数的测量精度最大可达99.97%，最大误差小于1%，该技术对于无损检测有着一定的推动意义.
