Vol. 64, No. 8 (2015)
2015年04月20日
总论
2015, 64 (8): 080101.
doi: 10.7498/aps.64.080101
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无线传感器网络中, 应用环境的干扰导致节点间距不能被准确度量. 所以利用以节点间距作为权重的闭包图(EG)模型构建的拓扑没有考虑环境的干扰, 忽略了这部分干扰带来的能耗, 缩短了网络生存时间. 针对无线传感器网络拓扑能量不均的特点和EG模型的缺陷, 首先引入节点度调节因子, 建立通信度量模型和节点实际生存时间模型; 其次量化网络节点度, 从而获取满足能量均衡和网络生命期最大化需求的节点度的取值规律; 然后利用该取值规律和函数极值充分条件解析推导出网络最大能量消耗值和最长生存时间, 并获得最优节点度; 最后基于以上模型提出一种健壮性可调的能量均衡拓扑控制算法. 理论证明该拓扑连通且为双向连通. 仿真结果说明网络能利用最优节点度达到较高的健壮性, 保证信息可靠传输, 且算法能有效平衡节点能耗, 提高网络健壮性, 延长网络生命周期.
2015, 64 (8): 080201.
doi: 10.7498/aps.64.080201
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采用Kalman滤波方法进行钟差参数计算和预报时, 需确定Kalman滤波噪声协方差矩阵. 针对这一问题, 提出了一种新的卫星钟差Kalman滤波噪声协方差估计方法, 通过建立新息的相关函数序列与未知的噪声参数间的线性函数模型, 采用最小二乘法进行噪声参数估计. 采用精密钟差数据进行钟差参数估计和预报分析, 结果表明, 该方法具有较好的收敛性, 并与顾及随机噪声模型的开窗分类因子自适应抗差估计方法进行对比分析, 验证了新方法的正确性和有效性.
2015, 64 (8): 080202.
doi: 10.7498/aps.64.080202
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提出了一种黏弹性流体的改进光滑粒子动力学(SPH)方法以试探性地模拟和预测黏弹性FENE-P熔体充模过程中熔接痕的形态演化. 首先基于SPH方法建立了聚合物流动的宏微观耦合模型, 同时提出了黏弹性流体的改进SPH离散格式. 随后, 通过模拟一些基准算例验证了改进的SPH方法模拟聚合物宏微观耦合问题的有效性及收敛性, 以及所提出的黏弹性温度模型的有效性. 最后, 模拟了环型腔内的充模过程, 试探性地展示了充模过程中微观分子的变形过程. 同时采用顺序热流道技术模拟了多浇口C形腔内的充模过程, 并与其他数值结果做比较. 数值结果表明: 对于大制件多浇口充模过程, 顺序热流道技术能够改善甚至消除充模过程中的熔接痕.
2015, 64 (8): 080301.
doi: 10.7498/aps.64.080301
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把坐标平均值随时间的变化和在宏观条件下与经典解相同的量子态定义为类经典态(NCS), 并求解球坐标中三维各向同性谐振子的NCS问题, 有助于从波动力学角度理解量子到经典过渡的问题. 选与经典态相应的大量子数附近的矩形波包作为NCS, 得到与经典解一致的结果, 但NCS不是惟一的. 一个经典态可以有很多NCS与之对应, 就像一个热力学态可以有无数力学态与之对应一样, 从量子到经典的描述是一个粗粒化和信息丢失的过程.
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2015, 64 (8): 080302.
doi: 10.7498/aps.64.080302
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通过求解Milburn方程, 研究了内禀消相干条件下包含Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用的两量子比特Heisenberg自旋系统实现的量子密集编码最佳传输容量的演化特性, 分析了不同方向DM相互作用、不同初态、各向异性以及内禀消相干因子等参数对最佳编码容量的影响. 研究表明: 初态的选择对系统密集编码最佳传输容量的影响很大, 不同类型初态下密集编码容量的依赖参数不完全相同; 当系统初态处于c|01+ d|10 形式的非最大纠缠时, 引入较弱的DM相互作用z分量可提高最佳编码容量; 相位消相干可抑制最佳编码容量的涨落并使其在长时间演化下趋于稳定. 研究还发现: 内禀消相干下, 通过选取合适的最大纠缠初态, 系统密集编码的最佳传输容量能够保持理想极大值2; 而且无论引入哪个方向的DM相互作用, 基于两量子比特Heisenberg自旋系统的最佳编码容量总可优于经典通信的传输容量.
2015, 64 (8): 080303.
doi: 10.7498/aps.64.080303
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在组合二项-负二项分布的基础上, 提出了二项-负二项组合光场态, 这种态能在Fock态历经量子扩散通道的过程中实现. 导出了此光场的二阶相干度公式, g(2)(t) =2-((m2+m)/(m+κt2)), 发现随着时间的推移光场从非经典Fock态变为经典态, 光子数m 经扩散通道后变成了 m+κt, κ是扩散常数, 相应的光子统计从亚泊松分布历经泊松分布再变成混沌光; 初始Fock态的光子数越多, 则扩散所需的时间越长.
2015, 64 (8): 080501.
doi: 10.7498/aps.64.080501
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考虑费米子的反常磁矩, 运用赝势法和热力学理论, 导出弱磁场中弱相互作用费米气体自由能的解析式, 以此为基础给出高温和低温情况下系统热力学性质, 分析反常磁矩对热力学性质的影响机理. 研究表明: 反常磁矩对热力学性质的影响与温度相关, 而且这种影响随温度的上升在低温区是增大的, 在高温区是减小的; 对于系统的化学势、内能, 反常磁矩加强了磁场的影响, 弱化了相互作用的影响; 对于系统的热容量, 反常磁矩在低温区使其减小, 在高温区使其增加.
2015, 64 (8): 080502.
doi: 10.7498/aps.64.080502
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在考虑到广义不确定性原理时, 统计物理中的态密度必须做出修正, 这导致对传统统计物理的所有结果都有不同程度的修正. 在高能、高温条件下, 此修正是颠覆传统观念的, 在低温条件下, 也有一定的修正. 研究了低温条件下考虑到广义不确定性原理时, 理想费米气体和具有弱相互作用费米气体的热力学性质, 分别给出理想费米气体和弱相互作用费米气体的化学势、内能和定容热容的解析表达式, 并以铜电子气体为例进行了具体数值计算, 将计算结果与不考虑广义不确定性原理时的费米气体的热力学性质进行了比较, 探讨了广义不确定性原理对系统热力学性质的影响. 考虑到广义不确定性原理后费米气体的化学势、费米能和基态能增大, 热容减少, 内能随温度的增加先增大, 到某一温度(对于铜电子气体, T/TF0～0.3)时, 增值为零, 温度再增加内能减少. 这些修正的具体数值主要由粒子数密度决定, 粒子数密度越大, 修正越大.
2015, 64 (8): 080503.
doi: 10.7498/aps.64.080503
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随着压电晶体材料的迅速发展, 基于压电效应的能量采集系统是俘获环境中的宽带随机振动能量的一种有效途径. 研究了有限宽带随机激励作用下, 磁斥力双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理, 并进行了实验验证. 运用Euler-Maruyama方法求解了随机非线性压电振动耦合方程, 比较分析了相干共振发生前后系统的动力学特性和俘能效率, 然后基于Kramers逃逸速率解释了相干共振. 最后的随机振动实验结果验证了双稳态压电俘能系统的相干共振俘能机理. 并且观察到: 当相干共振发生时, 系统会在两个势能阱之间剧烈运动, 此时宽带随机振动能量会被转化为大幅值窄带低频振动响应, 从而极大地提高了宽带随机振动能量的俘获效率.
2015, 64 (8): 080701.
doi: 10.7498/aps.64.080701
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采用构形磁流体力学计算程序SSS/MHD对炸药爆轰驱动固体套筒压缩磁场实验进行了一维磁流体力学模拟计算, 得到空腔磁场以及样品管内壁速度随时间的变化历程, 分别与磁探针和激光干涉测量的实验结果符合. 由分幅照相结果阐述了套筒压缩空腔磁场过程中的屈曲失稳和Bell-Plesset不稳定性现象. 分析了样品管和套筒中的磁扩散、涡流和磁压力的变化规律. 结果表明, 由于聚心运动下样品管和套筒的运动速度不同、电磁力和内爆作用力平衡等原因, 样品管内靠近磁腔处的磁场、涡流和磁压力均高于套筒内距磁腔相同位置处的结果. 讨论了样品管内距磁腔0.05 mm处的熵增随该点压缩度的变化, 最大熵增与样品管材料定容比热的比值在10%左右, 爆炸磁压缩实验过程的等熵程度较高.
2015, 64 (8): 080702.
doi: 10.7498/aps.64.080702
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根据Vernier型光子技术探测器的工作原理, 论述了电子云质心解码与阳极面板形成的微小极间电容和电路前端噪声有着密切的关系; 根据泊松方程, 建立了Vernier阳极的数学模型. 利用有限元软件ANSYS计算出同面多电极不规则图形的电容值与极间电容值, 解决了如何计算不规则形状电容值的问题; 利用皮秒激光器在镀有金膜的石英基底上刻蚀出与仿真参数一致的Vernier型阳极, 并测量其电容值. 将测量电容值与仿真值进行比较, 验证了建立模型的正确性, 优化了Vernier阳极的设计参数.
2015, 64 (8): 080703.
doi: 10.7498/aps.64.080703
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介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统, 该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量. 系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基, 利用500 W氙灯准直光作为光源; 使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程; 以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集, 采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度. 通过改变腔内水汽的浓度, 系统准确测量了5×108-1.8×1010 molecules/cm3浓度范围的OH自由基. 分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响, 得到系统总测量误差小于7.3%. 在实验的浓度范围内, 系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.
核物理学
2015, 64 (8): 082901.
doi: 10.7498/aps.64.082901
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一维位置灵敏单丝气体探测器采用单根镀金钨丝和200根阴极感应条的探测结构, X射线在阳极丝上产生的信号被多个阴极条感应, 利用重心法得到X射线的原初电离点的位置信息, 位置分辨率达到160 μm(半高全宽). 在同步辐射衍射实验中, X射线通过样品后会形成不同大小的衍射环, 本实验中测量得到11.148°和14.201°的两组衍射角位置信息; 通过平行移动一维探测器在衍射环范围内多次扫描, 可以重建得到二维衍射环. 由于一维探测器的气体厚度和入射窗宽度会给测量结果带来像差, 分析发现像差的影响大于一维探测器的位置分辨. 基于相应的物理分析对测量到的衍射位置进行修正, 修正后的衍射位置相比修正前的衍射位置的相对像差最大改善达到7%, 该方法实现了无像差二维衍射环的重建.
原子和分子物理学
2015, 64 (8): 083601.
doi: 10.7498/aps.64.083601
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采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2015, 64 (8): 084101.
doi: 10.7498/aps.64.084101
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利用加载集总电阻的方式设计出一种极化稳定且宽入射角的宽带超材料吸波体(wide-band metamaterial absorber, WBMA), 在平面波垂直入射时, 其吸波半波功率带宽达12.7 GHz, 吸波率大于90%的带宽达10.42 GHz, 峰值吸波率达99.9%. 将其与微带天线共基板共接地板的方式加载, 制备出WBMA微带天线, 实现了天线宽频域内雷达散射截面(radar cross section, RCS)大幅缩减. 仿真与实测结果表明: 将WBMA加载于微带天线后, 天线的前向增益提高了0.53 dB, 整体辐射特性基本保持不变; 在不同极化波下, 天线的工作频带带内和带外等宽频域(6.95-17.91 GHz)内的单站RCS缩减大于3 dB以上, 最大缩减值达21.2 dB; 在天线的中心频点8 GHz处± 48°的宽角域内, 双站RCS缩减效果明显, 很好地实现了天线的宽频域大角度的隐身设计.
2015, 64 (8): 084102.
doi: 10.7498/aps.64.084102
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为实现高功率微波的相干功率合成, 开展了S波段高增益相对论速调管放大器输出微波相位特性的粒子模拟和实验研究, 粒子模拟与实验结果均表明电子回流是影响输出微波相位特性的主要因素. 在有效控制电子回流的情况下, 实验实现输出微波相位抖动小于± 10°, 锁相时间达90 ns. 以此计算, 若相位抖动在± 10° 内满足均匀分布, 十台该高增益相对论速调管放大器的功率合成效率将大于99%.
2015, 64 (8): 084201.
doi: 10.7498/aps.64.084201
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背景纹影波前传感(backgroud oriented schlieren based wavefront sensing, BOS-WS) 是利用背景纹影技术测量光学波前二维分布的新型实验手段, 可定量测量光线通过干扰场后产生的光学畸变并给出光程差. 为了利用BOS-WS技术获得光线因气动光学效应产生的畸变信息, 并通过已知畸变信息还原原始图像, 进而探索一种新型的超声速成像制导方法, 本文通过理论分析, 验证了利用背景纹影技术测量光学波前的方法, 探索了利用已知波前信息预测畸变位移场以及利用已知位移场进行波前重构的计算方法. 通过数值模拟比较了一阶梯形积分算法和Southwell方法在波前重构上的误差大小和结果合理性, 并通过误差分析证明了Southwell方法更加精确合理. 通过蜡烛火焰上方流场畸变实验和透镜对波前的扰动实验, 创造性地探索了利用已知光学光程差还原畸变位移场及用其校正畸变图像的方法, 并通过验证性实验证明了校正方法的有效性.
2015, 64 (8): 084202.
doi: 10.7498/aps.64.084202
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利用不均匀材料提出了一种折射率正负梯度交替表面, 并利用几何光学法和电磁场数值仿真方法对其机理进行了研究与验证, 发现其可以操控电磁波的传播: 在一定的参数下, 其可以将空间中的入射电磁波一直束缚在介质中, 或在介质中传播一定距离后再实现电磁波的释放; 同时该结构具有宽带、极化无关等特性. 利用该结构可引导能流, 减小后向散射截面, 可用作隐身表面.
2015, 64 (8): 084203.
doi: 10.7498/aps.64.084203
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运用模拟实验和光学实验研究了叠层衍射成像中波长数量和噪声对复原结果的影响. 模拟结果表明, 在多波长叠层衍射成像中, 复原质量随波长数量的增加而不断提高并最终达到一定极限. 光学实验以不同样品进行实验验证, 进一步研究了增加波长与随之引入噪声及系统复杂度间的制约关系. 研究发现, 并非波长越多成像效果越好, 而可能存在一个最优的成像条件. 利用所建实验装置, 在双波长照明条件下取得了相对最优的成像效果. 本结论对提高叠层衍射成像的质量具有现实意义.
2015, 64 (8): 084204.
doi: 10.7498/aps.64.084204
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外腔反馈半导体激光器在合适的反馈强度下将呈现混沌态, 其输出的激光混沌信号可作为物理熵源获取物理随机数序列. 着重研究了外腔反馈强度对最后获取的二元码序列的随机性的影响. 数值仿真结果表明, 随着反馈强度的增加, 外腔反馈半导体激光器输出的混沌信号的延时时间特征峰值呈现先逐渐减小再逐渐增大的过程, 而对应的排列熵特征值呈现先增大、后缓慢降低的过程, 即存在一个优化的反馈强度可使输出的混沌信号的延时特征得到有效抑制且复杂度高. 利用NIST Special Publication 800-22软件对基于不同反馈强度下外腔半导体激光器输出的混沌信号所产生的二元码序列的随机性进行了相关测试, 并讨论了反馈强度的大小对测试结果的影响.
2015, 64 (8): 084205.
doi: 10.7498/aps.64.084205
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采用角度磨抛的方式, 在纤芯/包层为20/400 μm双包层掺Yb光纤上制作了侧面抽运耦合器. 该耦合器对975 nm的半导体二极管抽运光的耦合效率最高可达97%, 对1080 nm信号光的泄漏比小于2%. 分析了侧面抽运耦合器的性能以及多个侧面抽运耦合器的级联分布对抽运耦合效率的影响; 同时, 在前向抽运和双向抽运方式下, 分析了级联耦合器的分布及信号光泄漏比对激光器整体效率的影响, 并进行了数值模拟. 采用自行研制的侧面抽运耦合器, 搭建了侧面耦合分布式抽运、掺Yb双包层全光纤主振荡功率放大器, 获得了波长为1080 nm、功率为303 W 的基模激光输出. 进一步增加抽运点个数, 提高抽运功率, 可获得更高的输出功率.
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2015, 64 (8): 084206.
doi: 10.7498/aps.64.084206
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仿真说明了单模光纤(SMF)中瑞利散射(RS)的机理, 指出纤芯掺杂的不均匀性以及拉丝过程引起的光纤几何尺寸的随机变化是光纤中RS产生的主要原因, 并以此为基础制作了损耗为0.54 dB/km的散射光纤. 在通信波段, 5 km该散射光纤的瑞利背向散射(RBS)强度高于相同长度的SMF-28近5 dB. 在基于RBS单模随机激光器的数值模拟中, 大量的具有随机幅度和相位的纵模在经历不平坦增益的多次放大之后, 只有在增益最大点附近的模式能够克服损耗成为输出模式. 实验中以掺铒光纤作为增益介质, 500 m散射光纤提供随机反馈, 窄带布拉格光纤光栅(FBG)作为波长选择器件, 得到线宽约3.5 kHz、对比度近50 dB的单模激光输出. 与采用相同长度SMF-28的随机激光器相比, 其阈值电流降低了80 mA, 相同抽运条件下的最大输出功率提高了3 dBm. 该单模窄线宽随机激光器的输出波长的调谐特性仅由FBG的中心波长决定.
2015, 64 (8): 084207.
doi: 10.7498/aps.64.084207
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报道了一种高效率的2 μm光学参量振荡器. 利用1.064 μm声光调Q Nd:YVO4激光器抽运基于氧化镁掺杂周期性极化铌酸锂的内腔式光学参量振荡器, 在简并状态实现了稳定高效的2 μm激光输出. 当808 nm激光二极管抽运功率为20 W, Q开关工作频率为15 kHz时, 产生了平均功率为3.5 W、脉冲宽度为1.4 ns的2 μm激光, 光-光转换效率为17.5%, 斜效率为25%. 据我们所知, 该转换效率在2 μm波段内腔式光学参量振荡器中是最高的.
2015, 64 (8): 084208.
doi: 10.7498/aps.64.084208
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基于激光的回馈效应可实现光学材料应力分布的测量, 而系统外腔镜的非线性运动会引起测量结果的误差, 影响系统的精度. 利用高精度Nd:YAG激光回馈干涉仪对外腔镜的位移随时间的变化进行测量, 采用高次拟合的方式得到位移与时间函数关系, 并利用三镜腔等效模型的调谐曲线方程, 对非线性运动引入的应力测量误差进行计算, 实现对系统精度的修正. 结果表明: 外腔镜运动方向不同, 引起的误差呈现相反的变化趋势; 将不同方向的测量结果进行平均, 可减小系统的测量误差. 分析了外腔镜非线性运动带来的误差对系统测量精度的影响, 提出了测量误差修正方法, 对提高系统的测量精度具有重要意义.
2015, 64 (8): 084209.
doi: 10.7498/aps.64.084209
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对某国产0.5 μm工艺制造的互补金属氧化物半导体有源像素传感器进行了10 MeV质子辐射试验, 当辐射注量达到预定注量点时, 采用离线的测试方法, 定量测试了器件暗信号的变化情况. 试验结果表明, 随着辐射注量的增加暗信号迅速增大. 采用MULASSIS (multi-layered shielding simulation software)软件计算了电离损伤剂量和位移损伤剂量, 在与γ辐射试验数据对比的基础上, 结合器件结构和工艺参数, 建立了分离质子辐射引起的电离效应和位移效应理论模型, 深入分析了器件暗信号的退化机理. 研究结果表明, 对该国产器件而言, 电离效应导致的表面暗信号和位移效应导致的体暗信号对整个器件暗信号退化的贡献大致相当.
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2015, 64 (8): 084210.
doi: 10.7498/aps.64.084210
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利用散斑场和参考光的干涉提取散斑场复振幅和相位, 研究了不同散射角下散斑场相位的分布规律以及相位奇异处光波复振幅实部零值线和虚部零值线夹角、光强等值线离心率的统计特性. 在大散射角散斑中发现了一种新的相位奇异现象, 即相位奇异线; 研究了相位在跨越奇异线时的突变规律及涡旋状相位的分布特征, 发现在相位奇异线处存在着呈双曲线或抛物线状的光强等值线.
2015, 64 (8): 084301.
doi: 10.7498/aps.64.084301
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在压缩感知工程应用中, 信号往往被噪声和干扰所影响, 常规的压缩感知方法难以达到理想的重构效果, 特别是低信噪比应用场景中, 稀疏重构往往会失效. 分析了压缩感知中噪声对重构性能的影响, 从理论上解释了压缩感知中的噪声折叠原理, 并在此基础上提出了一种基于方向性测量的自适应压缩感知方案. 该方案通过后端信号处理系统估计出噪声的相关信息并反馈至压缩感知前端, 前端根据反馈的噪声信息调整测量矩阵, 从而改变感知矩阵的方向, 自适应地感知稀疏谱, 从而有效地抑制信号噪声. 仿真实验表明, 所提的自适应压缩感知方法对稀疏信号重构性能有较大的提升.
2015, 64 (8): 084401.
doi: 10.7498/aps.64.084401
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在热斗篷研究的基础上, 提出定向传热结构的研究. 基于变换热力学, 采用坐标斜变换推导了定向传热结构热导率分布的表达式. 数值计算结果表明, 外部热流流经定向传热区域时, 热流向设计的高温面流动, 而设计的低温面温度较低. 此外, 在导出的热导率分布表达式的基础上, 进一步进行坐标旋转变换, 得到的热导率表达式只有相互垂直的两个分量. 计算结果表明, 沿高温面法向的热导率增大时, 传热效率提高, 而且经过坐标旋转变换后, 高温面与低温面的温差增大. 定向传热在红外隐身、热防护领域具有潜在的应用价值.
2015, 64 (8): 084501.
doi: 10.7498/aps.64.084501
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鱼雷依靠惯性以一定姿态跃出水面并再次落入水中的过程称之为鱼雷的豚跳运动. 针对鱼雷的豚跳运动需要以零攻角入水, 而鱼雷在空中运动过程中无法控制的问题, 提出了通过构建鱼雷豚跳运动模型并以此为基础控制初始出水转动角速度的解决方法. 附加质量、浮力、浮心、浸湿面积、浸水体积等变量随鱼雷出水姿态、出水过程不同而不同. 在构建鱼雷豚跳运动模型过程中, 充分考虑了各个变化物理量的导数项, 分析了鱼雷水动阻力系数与攻角的关系, 构建了运动模型, 得出鱼雷豚跳运动的规律. 利用优化搜索算法计算出使鱼雷豚跳以零攻角条件入水的初始转动角速度. 仿真结果表明了所建模型及控制初始转动角速度方法的有效性.
气体、等离子体和放电物理
2015, 64 (8): 085201.
doi: 10.7498/aps.64.085201
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将麦克斯韦方程组和简化等离子体方程耦合求解, 对介质表面附近大气击穿形成等离子体的过程进行了理论研究. 分别使用一维、二维模型对等离子体的形成过程及等离子体对电磁波的反射、吸收过程进行了模拟研究. 一维计算结果发现在ne = 0, j = 0两种边界条件下, 虽然形成的等离子体密度分布相差较大, 但二者得到的微波反射、吸收、透射波形彼此相差不大. 初始电子数密度厚度为20 mm的条件下, 得到界面附近的等离子体密度大于5 mm厚度的情况. 二维计算结果发现, 由于TE10模在波导中心位置处的微波电场最强, 电子碰撞电离首先在中心位置处形成等离子体, 当等离子体密度达到一定值(临界密度附近)时, 波导中心介质表面处微波场强减小, 等离子体区域沿着介质表面向两侧移动. TE10模在波导边缘处微波电场强度小于击穿阈值, 因此等离子体区域不可能移动到波导边缘附近.
2015, 64 (8): 085202.
doi: 10.7498/aps.64.085202
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整形激光直接驱动准等熵压缩实验技术对新材料科学、冲击波物理、地球物理学研究等领域有重要意义. 设计特定的实验条件, 可以将材料压缩到冲击压缩和等熵压缩都无法达到的状态, 从而为材料研究提供新的技术途径. 介绍了在神光III原型装置上开展的直接驱动准等熵压缩实验, 对理论基础、实验靶型、实验结果、关键技术、实验特点和数据都进行了较详细的分析. 通过实验和相应的数据处理程序, 获得了加载面上压力超过400 GPa的数据, 这是目前国际上用激光直接驱动的方式获得的Al材料中最高的压力. 同时, 对经过LiF窗口获得的表观粒子速度与真实粒子速度的关系进行了分析, 获得了一条对表观粒子速度进行动态修正的曲线, 从而使粒子速度的计算更加准确. 对实验的改进方向进行了比较明确的分析. 所提供的数据和分析过程对该领域的研究人员有一定的参考价值.
2015, 64 (8): 085203.
doi: 10.7498/aps.64.085203
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负氢离子源的研究对于响应国家散裂中子源建设和国际热核聚变实验堆计划的开展都具有十分重要的意义. 由于离子源本身的物理特性导致数值模拟成为不可或缺的研究手段, 基于此, 首先对自主研发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗碰撞算法进行阐述, 然后对负氢离子体积过程进行描述, 并在此基础上对中国原子能研究中心的多峰质子源进行了系统仿真, 在引出磁体极性相同和相反两种情形下, 分别对多峰质子源放电特性进行了讨论和分析. 结果显示: 在相反极性下, 两引出磁体附近的磁漂移方向相同且数值较大, 即磁漂移剧烈, 导致电子总数较大且高能电子在特定区域活跃, 进而负氢离子体积产率较高, 即负氢离子在空间呈现Y漂移; 反之, 在相同极性下, 电子约束效果相对较差且负氢离子体积产率较低, 但其空间分布均匀.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2015, 64 (8): 086101.
doi: 10.7498/aps.64.086101
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随着半导体技术的进步, 集成小尺寸绝缘体上硅器件的芯片开始应用到航空航天领域, 使得器件在使用中面临了深空辐射环境与自身常规可靠性的双重挑战. 进行小尺寸器件电离辐射环境下的可靠性试验有助于对器件综合可靠性进行评估. 参照国标GB2689.1-81恒定应力寿命试验与加速寿命试验方法总则进行电应力选取, 对部分耗尽绝缘体上硅n型金属氧化物半导体场效应晶体管进行了电离辐射环境下的常规可靠性研究. 通过试验对比, 定性地分析了氧化物陷阱电荷和界面态对器件敏感参数的影响, 得出了氧化物陷阱电荷和界面态随着时间参数的变化, 在不同阶段对器件参数的影响. 结果表明, 总剂量效应与电应力的共同作用将加剧器件敏感参数的退化, 二者的共同作用远大于单一影响因子.
2015, 64 (8): 086401.
doi: 10.7498/aps.64.086401
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在分析Grneisen γ近似函数的适用范围和热力学γ高压演化特性的基础上, 根据Grneisen γ系数的物理性质和变化特点, 利用数学分析的方法建立了Grneisen γ通用函数γn(v). 将γn(v)代入热力学函数γ(v, T), γ(v, T)即成为全压力区连续可导的函数, 并由γ(v, T)直接导出了等熵温度函数TS(v); 再根据等熵温度与Hgoniot 温度的函数关系获得了Hgoniot温度方程的解析函数TH(v), 从而使Hgoniot方程成为完全物态方程. 对几种金属做了检验, 由等温方程推算Hgoniot方程, 或者由Hgoniot方程推算等温方程, 其结果都与实验符合得很好.
2015, 64 (8): 086801.
doi: 10.7498/aps.64.086801
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采用数值计算和实验测量相结合的方法, 阐明了高能电子束照射下绝缘厚样品的表面电位和电子产额动态特性. 结果表明: 由于电子在样品内部的散射和输运, 沿着深度方向, 空间电位先缓慢下降到最小值, 然后逐渐升高并趋近于零; 随着电子束照射, 样品的表面电位逐渐下降, 可至负千伏量级, 电子总产额逐渐增大至一个接近于1的稳定值; 电子束停止照射后, 长时间放置下, 表面电位将逐渐升高, 但带电并不会消除; 表面电位随电子束能量的升高近似线性下降, 随入射角的增大而升高, 而随样品厚度的增大仅略有下降.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2015, 64 (8): 087101.
doi: 10.7498/aps.64.087101
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硅酸锰锂作为锂离子电池正极材料因具有高的理论电容量而一直备受关注, 但其较低的导电率和较差的循环性能阻碍了进一步的发展. 采用第一性原理广义梯度近似GGA+U的方法, 研究了Al, Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构、 脱嵌锂电压和导电性. 研究发现, Al 掺杂的Li2Mn0.5Al0.5SiO4结构中载流子的数目增加, 电子自旋向上和向下的态密度均穿过费米能级, 呈现金属特性, 提高了体系的导电率. 脱锂LixMnSiO4 (x=1, 0)结构中, 通过计算一次脱锂相结构的形成能得到Al掺杂的一次脱锂结构最稳定, 并且Al掺杂的脱锂相结构体积变化小, 有利于材料循环性能的提高, 同时第一个锂离子脱嵌电压与未掺杂时(4.2 V)相比降低到2.7 V. Fe掺杂降低了Li2MnSiO4的带隙, 第一个锂离子脱嵌电压降低到3.7 V. 研究表明, Al的掺杂效果优于Fe和Mg, 更利于硅酸锰锂电化学性质的提高.
2015, 64 (8): 087102.
doi: 10.7498/aps.64.087102
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基于第一性原理计算, 研究了Li掺杂的少层(1-3层) MoS2的电荷分布, 并与石墨片和BN片的电荷分布特征进行了比较. 与石墨片和BN片相同的是: 电荷转移的大部分只发生在Li与最靠近Li的第一层MoS2之间. 然而, 第二层和第三层MoS2也能获得10%的转移电荷, 而石墨片和BN片的第二层和第三层得不到2%的电荷. 结合静电能和功函数的分析可知, MoS2、石墨片和BN片的电荷分布主要由层间的静电相互作用和功函数来决定. 这些研究结果对于揭示具有多层结构的电荷分布特征及其电子器件的设计提供了理论支持.
2015, 64 (8): 087103.
doi: 10.7498/aps.64.087103
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采用基于粒子群优化算法的结构预测程序CALYPSO, 并结合第一性原理的VASP程序, 在175 GPa发现NbSi2的奇异立方高压相. 在此结构中, Nb原子形成金刚石结构, 而Si原子则形成正四面体镶嵌在金刚石结构中. 声子谱计算结果表明该结构是动力学稳定的. 电子结构分析表明, 六角相和立方相NbSi2均为金属, 对金属性贡献较大的是Nb原子, 而且Nb和Si原子之间存在明显的p-d杂化现象, 电荷更多地聚集在Si四面体中. 利用“应力应变”方法, 计算了NbSi2的弹性常数, 分析了其体积模量、剪切模量、杨氏模量和德拜温度等热动力学性质随压力的变化并进行了详细的讨论. 根据剪切模量和体积模量的比值分析了NbSi2两种相结构的脆性和延展性, 发现压力会导致六角相NbSi2的延展性增加, 但对立方相结构的延展性影响较小; 采用经验算法计算了NbSi2两种相结构硬度变化情况, 结合这一比值进行了详细的分析. 弹性各向异性计算结果表明, 随着压力增加, 六角结构的各向异性增强, 而立方结构的各向异性减小.
2015, 64 (8): 087104.
doi: 10.7498/aps.64.087104
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铝基复合材料在加入颗粒相之后, 延伸率和塑性变形能力明显降低. 为改善其塑性变形能力, 通过对比强脉冲磁场冲击处理前后试样内部组织和残余应力的变化特征, 研究了磁致塑性效应对铝基复合材料塑性变形能力的影响机理. 结果表明: 当磁感应强度从2 T变化到4 T时, 铝基复合材料中位错密度显著增加, 4 T时的位错密度是未加磁场时的3.1倍; 3 T, 30个脉冲处理后的复合材料中残余应力值从未加磁场时的41 MPa减小为-1 MPa. 从原子尺度来看, 强磁场导致了磁致塑性效应, 从而引起了位错的运动, 并促进了位错的退钉扎和可移动位错数量的增加; 从材料内部整体结构变化来看, 磁场加速了材料内应力的释放速率, 降低了材料内部的残余应力, 从而改善了铝基复合材料的塑性变形能力.
2015, 64 (8): 087301.
doi: 10.7498/aps.64.087301
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对金属光栅进行严格耦合波理论计算, 得到了780和1500 nm波长入射光条件下不同光栅调制深度(20-80 nm)对应的反射谱. 根据Fano理论推导了描述反射谱线的经验公式, 最后应用有限元法计算光栅表面近场电场分布, 验证了公式的正确性. 反射谱线公式反映出光栅耦合表面等离子体的各个物理效应, 其中最重要的是反映出光栅在某一调制深度下对表面等离子体反耦合的抑制作用, 这一发现为设计光栅能量约束器件提供了物理依据.
2015, 64 (8): 087302.
doi: 10.7498/aps.64.087302
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近年来, 硅烯(单层硅)由于其独特的结构和电子性质以及在量子霍尔效应等领域的潜在应用而成为理论和实验研究的一个热点. 借助于四带次近邻紧束缚模型, 详细计算和研究了硅烯中受电场调制的体能隙和电子能级. 结果表明: 硅烯原胞中的两个子格处于不同的平面上, 可以通过外电场区分和控制这两个子格, 这将破坏在纯石墨烯中无法被破坏的K-K'对称性, 并消除由这一对称性导致的电子能级的二重简并; 外加电场还会引起硅烯中次近邻格点之间的Rashba自旋轨道耦合, 这一作用会在不同狄拉克点有选择地消除电子能级在部分电场点的简并, 相邻能级从交叉状态变为反交叉状态; 电子能级中除一些孤立的交叉点外, 每个能级都具有确定的自旋取向, 石墨烯中电子能级的四重简并在硅烯中被完全消除, 从而导致填充因子ν=0, ±1, ±2, ±3,…的量子霍尔平台.
2015, 64 (8): 087801.
doi: 10.7498/aps.64.087801
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热效应仍是限制激光放大器向高功率、高光束质量进一步发展的瓶颈问题, 高效的热管理是抑制热效应的重要技术途径. 研究了基于激光二极管抽运氦气冷却的钕玻璃叠片激光放大器的热效应. 利用有限元数值模拟的方法, 分析了钕玻璃的温度、应力应变和应力双折射分布, 并计算了热致波前畸变和退偏损耗, 与实验结果符合得较好, 在热沉积为0.7 W/cm3的条件下, 6片钕玻璃总的热致波前畸变为6.77 , 最大退偏量大于90%.
2015, 64 (8): 087802.
doi: 10.7498/aps.64.087802
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利用双波长飞秒激光抽运-探测实验方法测量了掺氮多晶ZnTe薄膜在飞秒激光加热情况下载能子超快动力学过程. 采用包含电子弛豫过程和晶格加热过程的理论模型拟合实验数据, 二者符合得很好. 拟合得到10 ps以内影响掺氮多晶ZnTe薄膜表面超快反射率变化的三个弛豫过程的时间常数均为亚皮秒量级. 其中, 正振幅电子弛豫过程是由电子-光子相互作用引起的载流子扩散和带间载流子冷却过程, 负振幅电子弛豫过程是由缺陷造成的光激载能子的俘获效应引起的, 晶格加热过程主要通过电子-声子耦合过程进行的.
2015, 64 (8): 087803.
doi: 10.7498/aps.64.087803
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利用热氧化法在不同参数条件下生长了Ga掺杂范围较宽的ZnO薄膜, 研究了ZnO薄膜的表面微观结构和光致发光性能. 研究表明: Ga以Ga3+存在并掺入ZnO晶格取代Zn2+, Ga的掺入改变了ZnO薄膜中的缺陷类型及浓度、化学计量比、薄膜表面结晶质量, 进而影响了薄膜的光致发光性能. 随着热氧化温度升高, Ga掺杂量增大, ZnO薄膜的晶粒尺寸增大, 尺寸更均一, 紫外光与可见光强度比增大. 随着热氧化时间延长, Ga掺杂量降低, ZnO薄膜的晶粒尺寸均一性变差, 紫外光与可见光强度比减小.
2015, 64 (8): 087804.
doi: 10.7498/aps.64.087804
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建立了调制激光诱发硅晶圆少数载流子密度波一维模型, 仿真分析了少数载流子输运参数对调制激光诱发载流子辐射信号频域响应的影响. 利用调制激光诱发载流子辐射扫描成像系统对含有表面划痕的硅晶圆进行了扫描成像试验研究. 通过少数载流子密度波模型与多参数拟合方法反求得到了扫描区域的输运参数二维分布图. 该方法得到的少数载流子寿命与利用传统光电导方法测量的少数载流子寿命结果相符; 分析了划痕对载流子输运参数造成的影响, 与光电导方法比较, 该方法可以测量不同位置的全部载流子输运参数且分辨率高.
2015, 64 (8): 087805.
doi: 10.7498/aps.64.087805
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在硫酸盐掺入稀土元素的研究中, 得到了几种掺入Eu2+的碱土金属硫酸盐磷光体MSO4:Eu2+ (M =Mg, Ca, Sr, Ba), 这组磷光体具有与掺入三价稀土离子(Tm3+, Dy3+, Eu3+)的碱土金属硫酸盐截然不同的热释光特性, 热释光三维发光谱中只呈现一个热释光峰, 对γ和βup辐射的热释光剂量响应为线性-亚线性响应. 结果清楚地显现出Eu2+对碱土金属阳离子的等价取代而形成的等电子陷阱对这些磷光体的热释光特性起了关键性的作用, Eu2+等电子陷阱与基质中的本征缺陷SO42-形成的缺陷复合体作为热释光多阶段过程的基本作用单元, 基本上产生一次作用热释光事件. SrSO4:Eu2+是一种典型的等电子陷阱发光的磷光体, 它具有相当高的热释光和光释光发光效率.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2015, 64 (8): 088101.
doi: 10.7498/aps.64.088101
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采用脉冲激光沉积方法, 通过调节激光能量、激光频率、衬底温度、氧压、靶基距等工艺参数, 在(100)取向的铝酸镧单晶衬底上制备出Bi0.8Ba0.2FeO3/La0.7Sr0.3MnO3多铁性异质结. X射线衍射图谱表明薄膜呈钙钛矿结构, 高分辨透射电镜图谱和能量色散X射线图谱表明两相界面清晰且具有良好的匹配度, 异质结呈(00l)取向性生长. 加场冷却条件下不同温度的磁滞回线(M-H)测量结果表明样品具有明显的交换偏置效应, 交换偏置场(HEB)随温度的线性变化可能与异质结界面处电子轨道的重构和界面处自旋、轨道自由度之间的复杂的相互作用有关.
2015, 64 (8): 088201.
doi: 10.7498/aps.64.088201
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在自然界中, 螺旋结构广泛存在. 在熵的驱动下, 高分子链能在某些特殊情形下形成螺旋结构. 采用分子动力学方法研究了高分子链诱导纳米棒的自组装行为, 发现纳米棒/高分子链体系的构象与纳米棒的数量、高分子链的刚性等密切相关. 当纳米棒与高分子链之间存在适度吸附能时, 纳米棒能够形成三种完全不同的构象, 特别是在半刚性高分子链诱导下纳米棒能够形成线型排列. 研究结果对新型材料制备具有一定指导意义.
2015, 64 (8): 088401.
doi: 10.7498/aps.64.088401
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采用金属氧化物电子传输层(ETL)的聚合物光伏器件在制备完成之初通常性能表现低下, J-V曲线呈异常“S”形. 当器件受白光持续照射后, 该不良状况会逐渐好转, 此过程称为光浴(light-soaking). 光浴现象普遍被认为是ETL界面问题所致. 从器件结构着手, 研究了ZnO 纳米颗粒ETL相邻的两个界面在光浴问题上的作用. 制备了功能层相同的(电极除外)正型、反型器件及复合ETL结构器件, 发现光浴现象仅出现于包含ZnO/ITO界面的反型器件中, 证明该界面是导致光浴现象的主要原因. 分析认为: ZnO颗粒表面O2吸附形成的电子陷阱增加了ITO/ZnO势垒厚度, 使得光生电子无法逾越而成为空间电荷积累, 从而导致器件初始性能不佳. 器件经光照后, ETL内部受激而生的空穴电子对填补了ZnO缺陷, 提升了ETL的电荷选择性并减小了界面势垒厚度, 被束缚的光生电子得以隧穿至ITO电极, 反型器件性能最终得以改善.
2015, 64 (8): 088701.
doi: 10.7498/aps.64.088701
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脑电信号是一种产生机理相当复杂且非常微弱的随机信号, 综合反映了大脑组织的脑电活动及大脑的功能状态. 由于脑电信号的微弱性, 传统的基本模板方法在脑电信号分析上得到了良好的应用. 为进一步提升分析脑电信号的性能, 提出了一种新的基于自适应模板的转移熵方法并分析了青少年脑电与成年人脑电信号. 结果表明: 对于青少年脑电还是成年人脑电, 与基本模板法相比, 基于自适应模板法的转移熵可以更显著地表示脑电信号的耦合作用, 并且具有更好的区分度, 这将能更好地捕捉到信号中的动态信息、系统动力学复杂性的改变. 同时, 该方法将更有利于医学临床诊断的辅助检测, 对脑电信号是否处于病理状态的诊断提供了新的更好的判断依据.
2015, 64 (8): 088801.
doi: 10.7498/aps.64.088801
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建立通用而精确的太阳电池热模型对光伏系统的建模、输出功率与转换效率的损失分析至关重要. 基于复杂的太阳电池温度机理, 分别研究了太阳电池温度的稳态热模型(steady state thermal model, SSTM)和支持向量机(support vector machines, SVM) 方法建立的精确预测热模型. 首先, 基于空气温度、太阳辐射强度、风速3个最主要因素与太阳电池温度的近似线性关系, 在已有SSTM的基础上, 建立并校正了太阳电池的SSTM并采用差分进化算法提取模型的未知参数. 其次, 为提高SVM的模型预测精度, 采用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO) 算法对SVM的核参数和惩罚因子进行动态寻优, 在确定输入/输出样本集并划分训练集和测试集的基础上, 建立了基于粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)的太阳电池温度精确预测热模型. 最后, 搭建实验平台, 在实验操作过程中减弱空气湿度、太阳入射角和热迟滞效应等因素对太阳电池温度的耦合. 通过实验对比表明, 建立的预测热模型性能可靠、全面、简洁, 其参数寻优算法优于遗传算法和交叉校验法, 模型预测精度优于反向传播神经网络(back propagation neural network) 和SSTM.
2015, 64 (8): 088901.
doi: 10.7498/aps.64.088901
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对网络中节点的传播影响力进行评估具有十分重要的意义, 有助于促进有益或抑制有害信息的传播. 目前, 多种中心性指标可用于对节点的传播影响力进行评估, 然而它们一般只有当传播率处于特定范围时才能取得理想的结果. 例如, 度值中心性指标在传播率较小时较为合适, 而半局部中心性和接近中心性指标则适用于稍大一些的传播率. 为了解决各种评估指标对传播率敏感的问题, 提出了一种基于扩展度的传播影响力评估算法. 算法利用邻居节点度值叠加的方式对节点度的覆盖范围进行了扩展, 使不同的扩展层次对应于不同的传播率, 并通过抽样测试确定了适合于特定传播率的层次数. 真实和模拟数据集上的实验结果表明, 通过扩展度算法得到的扩展度指标能在不同传播率下对节点的传播影响力进行有效评估, 其准确性能够达到或优于利用其他中心性指标进行评估的结果.
地球物理学、天文学和天体物理学
2015, 64 (8): 089201.
doi: 10.7498/aps.64.089201
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利用1961-2011年中国东、西部地区地面太阳辐射和长期气象数据观测资料, 综合分析了东、西部地区地面太阳总辐射的变化特征, 并结合云量、日照百分率、风速、相对湿度等分析了影响东、西部地面太阳总辐射的变化原因. 结果表明: 近50年来东、西部地区地面太阳总辐射整体呈下降趋势, 下降幅度有所不同; 20世纪90年代之前大部分地区地面太阳总辐射呈下降趋势, 之后呈缓慢增加; 东西部各地区地面太阳总辐射与日照时数间存在显著相关性; 分析影响地面太阳总辐射减少的因素, 东部地区地面太阳总辐射与日照百分率呈显著正相关, 日照百分率是影响地面太阳总辐射减少的主要因素, 总云量与低云量已不是东部地区影响太阳辐射的主要因素; 西部地区地面太阳辐射与云量相关性较低, 主要受大气污染和日照百分率的影响. 风速成为影响地面大气辐射的一个重要因子, 并且风是驱逐大气对流层雾霾等大气污染的主要因子, 这进一步证实了大气污染已经成为影响地面太阳辐射的重要因素, 尤其在中国东部地区.
2015, 64 (8): 089301.
doi: 10.7498/aps.64.089301
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全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)是国际首台北斗系统(BDS)和全球定位系统(GPS)双系统兼容掩星探测仪, 2013年9月23日随风云三号卫星C星(FY3 C)发射入轨, 目前已测得大量掩星数据. 介绍了FY3 C-GNOS的组成; 统计了2013年10月12日全天的FY3 C-GNOS掩星事件及其全球分布情况; 通过与GPS精密定轨结果进行对比分析, 测试了BDS在轨实时定位精度, 检验了BDS掩星产品的可靠性和一致性. 初步分析结果表明: 14颗BDS卫星在轨运营的条件下, BDS和GPS兼容掩星探测仪可将掩星事件数提高约33.3%; BDS实时定位平均偏差优于6 m, 标准偏差优于7 m; 5-25 km高度范围内, BDS与GPS内符合精度大气折射率优于2%, 温度优于2 K, 湿度优于1.5 g/kg, 压强优于2%, 电离层峰值密度优于15.6%. GNOS的在轨正常运行及BDS与GPS掩星定位精度及反演产品的一致性为北斗掩星探测的业务化运行奠定了基础.
2015, 64 (8): 089701.
doi: 10.7498/aps.64.089701
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转动和潮汐效应是影响双星系统结构和演化不可忽略的重要物理因素. 根据大质量双星系统V478 Cyg的观测结果, 检验了提出的转动潮汐变形的理论模型. 将转动潮汐变形的模型与传统的双星演化模型对比发现: 转动和潮汐效应使恒星外层(低于平均密度区)发生的形变远大于内层; 恒星两极点重力加速度变大, 赤道面上重力加速度变小; 转动潮汐变形模型具有较大的半径、赤道速度和中心集中度, 较低的氢核能产生率, 恒星向低温和低光度端演化. 此外, 大质量双星系统V478 Cyg由潮汐形变造成的拱线运动速率大于转动形变造成的拱线运动速率, 广义相对论效应造成的拱线运动最小. 由于主星具有较高的中心集中度, 次星潮汐、转动形变造成的拱线运动速率均大于主星相应的拱线运动速率.
