Vol. 65, No. 3 (2016)
2016年02月05日
总论
2016, 65 (3): 030101.
doi: 10.7498/aps.65.030101
摘要 +
针对无线传感器网络非测距定位方法的应用, 提出了基于质心迭代估计的节点定位算法. 该算法首先计算当前连通信标节点所围成的平面质心的坐标及其与未知节点间的接收信号强度, 然后用计算所得质心节点替代距离未知节点最远的连通信标节点, 缩小连通信标节点所围成的平面, 并通过多次迭代的方法提高节点定位精度. 仿真实验结果表明, 该算法的各项指标均为良好, 适用于无线传感器网络的节点定位.
2016, 65 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.65.030301
摘要 +
提出了研究原子演化的Ket-Bra纠缠态方法, 并用此方法给出了原子主方程的Kraus算符形式的解. 在得到此新解后, 发现它和激光通道主方程的解形式相似, 表现了光场算符a,a与原子算符-, +之间具有某种超对称性. 通过进一步的探讨, 寻找到了Pauli算符的多种Bose表示.
2016, 65 (3): 030302.
doi: 10.7498/aps.65.030302
摘要 +
多数在理想条件下设计的量子密码协议没有考虑实际通信中噪音的影响, 可能造成机密信息不能被准确传输, 或可能存在窃听隐藏在噪音中的风险, 因此分析噪音条件下量子密码协议的安全性具有重要的意义. 为了分析量子BB84协议在联合旋转噪音信道上的安全性, 本文采用粒子偏转模型, 对量子信道中的联合噪音进行建模, 定量地区分量子信道中噪音和窃听干扰; 并且采用冯诺依曼熵理论建立窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪音水平三者之间的函数关系, 定量地分析噪音条件下量子信道的安全性; 最后根据联合噪音模型及窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪音水平三者之间的关系, 定量地分析了量子BB84协议在联合噪音条件下的安全性并计算噪音临界点. 通过分析可知, 在已有噪音水平条件下, 窃听者最多能够从通信双方窃取25%的密钥, 但是Eve 的窃听行为会被检测出来, 这样Alice和Bob会放弃当前协商的密钥, 重新进行密钥协商, 直至确认没有Eve的窃听为止. 这个结果说明量子BB84协议在联合旋转噪音信道下的通信是安全的.
2016, 65 (3): 030303.
doi: 10.7498/aps.65.030303
摘要 +
量子信息技术主要基于量子纠缠, 量子纠缠源作为重要的相干叠加态, 其相干性很容易受到环境的影响而变得非常脆弱, 甚至导致量子信息处理的失败. 因此, 全面揭示不同噪声环境和不同噪声信道下量子纠缠源演化规律, 进而探寻抑制退相干的方法就显得至关重要. 本文以量子信息最基本的单元-两比特纠缠对作为研究对象, 实验上利用线性光学系统模拟了比特翻转和相移噪声(集体和非集体), 研究了纠缠源在不同噪声环境及单、双和混合噪声信道下保真度的变化规律. 实验结果表明: 对同一种噪声类型, 当纠缠比特经过双通道噪声环境时, 其纠缠特性破坏得快; 当纠缠比特经过非集体环境时, 其纠缠特性消失得快. 对不同噪声类型比较, 结果表明比特翻转噪声相对于相移噪声更容易破坏纠缠特性. 所得结论对纠缠退相干的理论和实验研究具有重要的借鉴意义, 同时对基于非线性光学系统的量子信息处理技术具有重要的应用价值.
2016, 65 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.65.030501
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自循环蒸发内冷系统的冷却效率高, 可以实现无泵自循环, 运行安全可靠, 基本免维护, 因此适合在大型风力发电机中使用. 蒸发内冷系统的稳定性对风力发电机的安全运行十分重要, 本文基于非线性分岔理论及其数值延拓法, 对自循环蒸发内冷系统应用于风力发电机的的静态稳定性进行了深入研究. 获得了系统静态分岔解图, 分析了系统演化特性, 同时分析了系统分岔现象的参数效应. 搭建了实验平台, 通过实验观测到了自循环蒸发内冷系统的静态分岔现象, 验证了理论计算的正确性.
2016, 65 (3): 030502.
doi: 10.7498/aps.65.030502
摘要 +
对网络舆论逆转过程进行研究具有十分重要的意义, 它有助于管理者有效引导舆论朝良性方向发展. 目前, 网络舆论逆转研究主要集中于动力学模型构建与仿真实验分析, 其研究结果具有一定的理论价值. 然而, 这是否适用于真实社交网络环境, 还尚未经过测试. 为了对舆论逆转过程进行研究, 构建了符合实际的模型, 并对网络舆论逆转典型事例进行了深入分析. 通过观察统计, 发现网络舆论逆转具有自身的规律: 新曝光冲突性消息是导致舆论发生逆转的根本原因; 消息的传播影响着群体的发声与沉默; 消息的属性包括传播率、可信度、观点倾向、起始传播时间和消息源中心度决定着舆论逆转的幅度. 依据这一规律, 设置了消息属性参数, 并将消息传播与观点演化过程相结合, 构建了网络舆论逆转模型. 模型的仿真实验结果表明, 新冲突性消息的传播率、可信度和消息源中心度正向影响着舆论逆转幅度, 其中可信度较传播率影响更大. 新的冲突性消息曝光的时间越早, 舆论逆转的速率越快, 幅度越大. 该模型与实际相符, 可为理解和解释网络舆论逆转过程、引导网络舆论提供理论依据.
2016, 65 (3): 030503.
doi: 10.7498/aps.65.030503
摘要 +
混沌作为一种复杂的非线性行为, 广泛存在于各个行业领域, 对于混沌的研究具有重要的理论意义和应用价值. 现在常用的混沌分析方法, 如Lyapunov指数、关联维数、Poincar图等, 需要解决相空间重构、线性标度区选取等问题, 且不能很好地兼顾定性与定量分析两方面. 基于此, 提出一种度量相邻数据依赖性的混沌分析方法, 通过计算相邻数据间的距离变化, 将复杂的一维原始数据列转换为新的相邻距离值序列进行分析, 避免了相空间重构等问题, 对于不同的典型混沌模型, 如Logistic模型、Duffing振子、Lorenz模型等, 均具有较好的分析效果, 能够描述不同模型的混沌特性, 直观与量化分析效果均较好, 且具有一定的抗噪能力, 由于不需要掌握真实的模型信息, 更适用于模型未知的复杂实际问题. 将相邻数据的距离值对于不同混沌状态的区分作用应用于机械转子振动信号分析, 可以明显地识别出转子工作状态的变化, 表明该方法具有良好的实际应用前景和潜力.
2016, 65 (3): 030504.
doi: 10.7498/aps.65.030504
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利用已有理论给出了一个二次多项式混沌系统, 证明了该系统与Tent映射拓扑共轭, 给出了该混沌系统的概率密度函数; 并根据此概率密度函数, 得到了轨道均匀分布的反三角函数映射; 对均匀化前后的混沌系统在不同参数下产生序列的信息熵、Kolmogorov熵、离散熵的特性进行了分析, 结果显示均匀化后产生的混沌序列混沌程度不改变且具有更好的均匀性.
2016, 65 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.65.030701
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等离子体增强化学气相沉积技术中的碳膜选择性自组装机理是高性能碳膜制备过程中的挑战性基础课题. 采用经典分子动力学方法, 模拟了不同能量(1.62565 eV)的CH基团在清洁金刚石和吸氢金刚石(111)面上的轰击行为, 获得了吸附、反弹、反应等各类事件的发生概率, 并据此探讨了含氢碳膜制备过程中CH基团的贡献. 结果表明, 随着入射能量的增加, CH基团对薄膜生长的贡献由单纯的吸附、反弹机理向反应、吸附混合机理转变, 其中最主要的反应过程是释放一个或两个氢原子的反应, 而释放氢分子的反应则很少发生. 这些反应不仅使薄膜生长过程更均匀、薄膜表面更平整, 还降低了薄膜的氢含量. 生长机理的转变导致低能量条件下所成薄膜中的多数碳原子都包含一个氢原子作为配位原子, 而高能量条件下的薄膜中的碳原子则很少有氢原子作为配位原子. 另外, 通过分析sp3-C和sp2-C数目的变化, 研究了CH基团对金刚石基底的破坏作用.
2016, 65 (3): 030702.
doi: 10.7498/aps.65.030702
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提出基于电磁拓扑理论计算开孔多腔体屏蔽效能的快速方法. 首先给出双腔体等效电路和电磁拓扑信号流图, 并推导孔缝节点处的散射矩阵, 给出拓扑网络的散射矩阵方程和传输矩阵方程, 获得双腔体的广义Baum-Liu-Tesche (BLT)方程. 在此基础上研究了开孔三腔体, 包括串型级联三腔体和串并型混合级联三腔体的广义BLT方程. 对于串型级联三腔体, 其电磁拓扑网络和广义BLT 方程在双腔体基础上直接扩展即可获得. 而对于串并型混合级联三腔体, 通过将位于三腔体公共面上的孔缝等效为三端口网络节点, 并根据三端口网络散射参数定义推导获得该节点的散射矩阵, 最终得到串并型混合级联三腔体的广义BLT方程. 本文方法对双腔体的计算结果与文献结果和实验结果相符合, 对3组不同类型和尺寸开孔腔的屏蔽效能的计算结果与时域有限差分法计算结果符合较好. 该算法不仅效率高, 通过对所有计算结果和实验结果的误差统计分析, 表明该算法具有较高的计算准确度.
原子和分子物理学
2016, 65 (3): 033101.
doi: 10.7498/aps.65.033101
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在aug-cc-pV5Z/CASSCF/MRCI水平上讨论了6Li32S双原子分子的9个较低能量电子态(X2, a4, B2, b4, A2+, C2, F2-, E2+和D2)的势能函数和光谱常数; 其中基态平衡核间距、谐振频率、转动常数等均与实验值相符; b4, C2, D2 态的平衡核间距均超过了0.4 nm, 并且离解能较小, 不稳定. D2态是离子对态, 离解极限为Li+(1Sg) + S-(1Sg). 预测了最低激发态A2+跃迁到基态X2 的电子跃迁偶极矩、爱因斯坦自发发射系数、弗兰克-康登因子和辐射寿命.
2016, 65 (3): 033102.
doi: 10.7498/aps.65.033102
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采用考虑Davidson修正的内收缩多参考组态相互作用(icMRCI+Q)方法结合相关一致基组aug-cc-pV5Z和aug-cc-pV6Z计算了CF+离子第一离解极限C+(2Pu)+F(2Pu) 对应的12个-S态(X1+, a3, 13+, 13, 11, 11-, 13-, 21+, 11, 23, 21 和 23+)所产生的23个 态的势能曲线. 计算中考虑了旋轨耦合效应、核价相关和标量相对论修正以及将参考能和相关能分别外推至完全基组极限. 基于得到的势能曲线, 获得了束缚和准束缚的9个-S态和16个 态的光谱常数, 并且X1+, a3势阱一-S态的光谱常数与已有的实验结果非常符合. 此外, 计算了CF自由基X2 态到CF+离子束缚和准束缚的9 个-S态的垂直电离势和绝热电离势, 并且CF+(X1+) CF(X2 )和CF+(a3势阱一) CF(X2 )的垂直电离势和绝热电离势与相应的实验结果也非常符合. 由a3, 11 态和其他激发-S态势能曲线的交叉现象, 借助于计算的旋轨耦合矩阵元, 分析了a3势阱一, 11势阱一 和21+ 态的预解离机理. 计算的23个 态离解极限处的相对能量与实验结果十分吻合. 最后计算了(2) 0+势阱一('=05), (1) 1势阱一('=05) 和(2) 1势阱一('=0) 到X0+ 态跃迁的Franck-Condon因子和辐射寿命.
2016, 65 (3): 033103.
doi: 10.7498/aps.65.033103
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研究了孤立氮分子与处于氮分子固体中氮分子之间的振动频率差异. 基于-N2晶体结构建立了5种不同氮分子数的氮分子固体团簇模型, 采用密度泛函理论计算了孤立自由氮分子及各固体模型中氮分子的振动频率, 并对它们的频率进行了比较和讨论. 比较发现: 受集体效应的影响, 处于分子固体模型中的所有氮分子的键长较孤立自由氮分子的键长更短, 振动频率更高; 就固体模型本身而言, 分子数越多, 平均振动频率越大, 而且, 内部氮分子的振动频率总是大于表面氮分子的振动频率, 整体来说, 频率大小关系为v内部 v表面 v孤立. 讨论分析认为这种频率差异主要是由于孤立自由氮分子、固体表面和内部分子的配位关系不同引起的; 表面分子存在大量配位缺陷, 与其相互作用的分子相对较少, 氮分子键力较弱, 从而频率更低.
编辑推荐
2016, 65 (3): 033201.
doi: 10.7498/aps.65.033201
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理论上研究了中红外强激光分别与长程库仑原子和短程势模型原子相互作用产生的高次谐波辐射. 发现在相同激光参数条件下, 与长程库仑原子的谐波辐射相比, 短程原子具有更低的辐射效率, 但在高频区域(接近cutoff位置), 二者效率相似. 通过对谐波辐射的时间频率分析发现, 在短程模型原子谐波辐射中, 长轨道发挥更重要的作用. 利用其产生的高次谐波辐射, 可以产生孤立阿秒脉冲.
2016, 65 (3): 033401.
doi: 10.7498/aps.65.033401
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复杂结构离子的双电子复合(DR)速率系数在核聚变、极紫外光刻光源等应用研究的等离子体谱模拟中具有重要的价值. 利用基于全相对论组态相互作用理论的FAC程序包, 详细计算了Au34+离子的双电子复合速率系数. 研究分析了激发、辐射通道, 组态相互作用, 级联退激对DR速率系数的影响. 其中, 级联退激对DR速率系数的贡献必须予以考虑. 对双电子复合、辐射复合以及三体复合速率系数做了比较, 在温度大于1 eV范围, 双电子复合都大于辐射复合以及三体复合速率系数, 相应的DR过程对于等离子体离化态分布和能级布居以及光谱模拟都极为重要. 对基态和第一激发态的DR速率系数进行了参数拟合, 拟合值与计算值的偏差小于1.73%. 研究结果将为复杂结构离子双电子复合过程的进一步研究提供参考.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2016, 65 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.65.034201
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相位敏感光学相干层析成像(OCT)系统可以用于高灵敏度的相位探测, 在细胞分析、材料检测等方面具有重要应用, 但扫频光源的不稳定性会影响扫频OCT系统的相位测量精度. 本文提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)时域相位信息的波数校正方法. 利用MZI时域包裹相位的互相关运算确定各采集波数序列的相对偏移量, 鉴于时域包裹相位的非严格周期特征, 可确定偏移量的大小不受限制. 依据相对偏移量对各序列信号进行时域同步, 并基于同步后的MZI时域解包裹相位实施待测干涉信号在位相域的等间隔重采样. 基于所提出的波数校正方法, 实施了各扫频序列波数偏移量的校正, 开展了基于位相信息的光程重复性测量实验. 结果表明, 即使在不稳定扫频光源的前提下, 也能获得高精度的相位测量结果.
2016, 65 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.65.034301
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复杂海域通常存在环境参数的水平变化, 这会导致声波在传播过程中发生水平折射, 呈现出三维效应. 利用绝热简正波-抛物方程理论进行三维声场建模, 在垂直方向上使用标准简正波模型KRAKEN求解本征值和本征函数, 水平方向上使用宽角抛物方程模型RAM求解简正波幅度. 该模型物理意义清晰, 计算效率高, 但由于忽略了各号简正波之间的耦合, 只适用于环境参数水平变化缓慢的问题. 使用该模型分析了内波环境和大陆架楔形波导中的声波水平折射现象, 结果表明, 声波的水平折射将水平平面分为不同区域, 每个区域内的声场结构明显不同. 此外, 声强在水平平面内的分布与声源频率和简正波号数有关, 这种依赖关系是导致声信号频谱变化、波形畸变以及声场时空扰动的主要原因.
2016, 65 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.65.034701
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为了充分反映吸引子结构随时间延迟的变化规律, 在现有吸引子形态描述方法基础上定义了吸引子单元面积, 通过仿真发现, 吸引子单元面积随时间延迟变化曲线第一个波峰的高度和时间延迟主要由信号中大幅值波动的数量、频率决定, 利用此规律对实验采集到的气液两相流电导波动信号进行分析, 发现在固定液相流量条件下, 改变气相流量会导致泡状流、段塞流和混状流中大幅值波动幅度的改变, 但相同流型信号中大幅值波动的频率比较接近. 将吸引子单元面积随时间延迟变化曲线第一个波峰的时间延迟和落差比作为特征量, 可以实现泡状流、段塞流、混状流的流型分类.
2016, 65 (3): 034702.
doi: 10.7498/aps.65.034702
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研究了电渗驱动下幂律流体在有限长微扩张管道内非稳态流动特性. 基于Ostwald-de Wael幂律模型, 采用高精度紧致差分离散二维Poisson-Nernst-Planck方程及修正的Cauchy动量方程, 数值模拟了初始及稳态时刻微扩张管道内幂律流体电渗流流场分布情况, 研究了管道截面改变对幂律流体无量纲剪切应变率及无量纲表观黏度的影响, 以及无量纲表观黏度对拟塑性流体与胀流型流体流速分布的影响. 数值模拟结果显示, 当扩张角和无量纲电动宽度一定时, 电场驱动下的幂律流体在近壁区域速度响应都很快; 初始时刻, 近壁处表观黏度的变化受到剪切应变率变化的影响, 从而影响了三种幂律流体速度峰值的分布, 出现拟塑性流体流速在扩张段上游及扩张段近壁处速度峰值均为幂律流体中最大、而在扩张段下游三种幂律流体速度峰值相近的现象; 稳态时刻, 幂律流体速度剖面呈现塞型分布, 且满足连续性条件下, 幂律流体流速随扩张管半径增大而减小, 牛顿流体流动规律与宏观尺度下流动规律相同; 初始时刻, 在相同电动宽度、不同壁面电势作用下, 幂律流体在扩张管近壁处剪切应变率分布的差异导致表观黏度分布的差异, 并最终导致拟塑性流体与胀流型流体流速分布的差异.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.65.035201
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采用流场模拟软件模拟了十一组分RAM-II飞行器表面等离子体鞘套的分布, 提取了四个典型飞行高度、飞行状态下的等离子体鞘套的分布信息. 然后根据RAM-II飞行器等离子体鞘套数据, 利用计算色散介质的Z变换FDTD方法主要计算了电磁波在四个不同高度处等离子体鞘套中的功率反射系数和功率透射系数. 此外, 根据目前可以做出的磁场强度的大小, 对四个不同高度下的非均匀等离子体鞘套层按距飞行器表面的距离进行相应的非均匀磁化. 由于左旋极化波和右旋极化波在磁化等离子体中的传输特性不同, 最后对比了左旋极化波、右旋极化波在非磁化和磁化情况下的传输特性, 对飞行器导航通信磁窗天线的设计给出建议.
2016, 65 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.65.035202
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由于缺乏详细的理论计算和实验结果, 在研究绝缘壁面稳态流体鞘层特性时, 通常假设壁面出射的总二次电子服从单能分布( 0)、半Maxwellian分布等. 在单能电子轰击壁面的详细二次电子发射模型基础上, 采用Monte Carlo方法统计发现: 当入射电子服从Maxwellian分布时, 绝缘壁面发射的总二次电子服从三温Maxwellian分布. 进而, 采用一维稳态流体鞘层模型进行对比研究, 结果表明: 二次电子分布函数对鞘边离子能量、壁面电势、电势及电子/离子密度分布等均具有明显影响; 总二次电子服从三温Maxwellian分布时, 临界空间电荷饱和鞘层无解, 表明随着壁面总二次电子发射系数的增加, 鞘层直接从经典鞘层结构过渡到反鞘层结构.
2016, 65 (3): 035203.
doi: 10.7498/aps.65.035203
摘要 +
聚酰亚胺微球作为惯性约束聚变的重要候选靶丸之一, 其力学性能和热学性能的提高对于实现聚变点火有重要意义. 本文以均苯四甲酸二酐和二氨基二苯醚为原料, 采用气相沉积法制备了不同单体配比的聚酰胺酸薄膜, 研究了制备聚酰胺酸薄膜过程中不同单体蒸发温度对薄膜组成的影响, 并对聚酰胺酸薄膜进行热环化处理. 采用红外光谱仪分析了聚酰胺酸薄膜和聚酰亚胺薄膜的组成, 结果表明: 随着二酐蒸发温度的增加, 聚酰胺酸薄膜中过量二酐单体的红外吸收振动特征峰(1780 cm-1, 1850 cm-1)强度增加, 单体配比由二胺过量到二酐二胺配比均衡再到二酐过量. 热环化处理的过程中, 薄膜中过量单体会再次蒸发, 其红外图谱显示最终产物只有聚酰亚胺, 但单体配比接近样品聚酰亚胺红外特征振动峰(1380 cm-1)强度更大. X 射线衍射图谱显示配比接近的样品具有更高的晶化程度, 说明过量单体的存在抑制了聚酰胺酸分子链的生长, 造成分子量降低. 采用纳米压痕仪和热重分析仪分别测量了聚酰亚胺薄膜的弹性模量和硬度以及失重曲线, 结果表明分子量的降低会造成聚酰亚胺薄膜的弹性模量和硬度的降低, 同时热稳定性也变差. 扫描电子显微镜图像显示聚酰亚胺薄膜呈层状结构, 单体配比接近的样品表面状况更好, 这一点与聚酰亚胺分子的生长规律相符合.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.65.036101
摘要 +
工业合金牌号的成分选择体现了固溶体合金的化学短程有序结构, 满足由最近邻两层原子组成的团簇加连接原子模型, 例如对于置换型面心立方固溶体Cu-Zn, 其合金牌号成分可以表述为[Zn-Cu12]Zn16和[Zn-Cu12](Cu, Zn)6, 其中方括号内为第一近邻配位多面体团簇. 基于此, 本文赋予团簇式以具体原子结构的含义, 对置换型面心立方固溶体结构中团簇的可能存在形式进行了穷尽, 得出团簇式所对应的所有团簇加连接原子结构单元模型, 给出团簇和连接原子之间的比例和空间排列的所有可能, 并对Cu-Zn 和Cu-Ni 合金常用牌号对应的团簇式给出了三维结构模型, 进一步验证了前期关于合金团簇式解析的正确性. 用这些模型中原子化学序描述合金的成分, 赋予团簇式以具体的原子结构意义, 为进一步开发新的合金提供了理论依据.
2016, 65 (3): 036301.
doi: 10.7498/aps.65.036301
摘要 +
利用颗粒离散元方法, 研究了由2048个有摩擦的单分散圆盘颗粒组成的体系在各向同性压缩条件下, 颗粒摩擦系数 对颗粒体系结构与振动特性的影响. 结果表明: 固定压强下, 随 的增大, 区分德拜标度与态密度平台的过渡频率* 与玻色峰频率BP均向低频移动, 玻色峰高度D(BP) / BP 逐渐增加. 主要原因是 增大导致颗粒体系无序程度增加(平均配位数减小)而在 * 处出现了大量额外模式. 模式分析表明: 低频( 1.0)模式主要是以平动为主的混合模式, 中频(1.0 4.0)模式主要是以平动为主的混合局域化模式, 高频( 4.0) 振动模式几乎为纯转动的局域化模式; 并且随的增大, 低频下平动模式更加局域化, 同时低频转动模式的贡献也逐渐增加, 暗示在高摩擦系数下低频转动模式产生更重要的影响.
2016, 65 (3): 036801.
doi: 10.7498/aps.65.036801
摘要 +
文章研究了在700 ℃退火下, 铝插入层调制镍和硅锗合金反应形成单相镍硅锗化物的生长机理. 透射电镜测试结果表明, 镍硅锗薄膜和硅锗衬底基本达到赝晶生长; 二次质谱仪和卢瑟福沟道背散射测试结果表明, 在镍硅锗薄膜形成的过程中, 铝原子大部分移动到镍硅锗薄膜的表面. 研究结果表明, 铝原子的存在延迟了镍和硅锗合金的反应, 镍硅锗薄膜的热稳定性和均匀性都得到了提高. 最后, 基于上述实验结果给出了铝原子调制形成外延镍硅锗薄膜的生长机理.
2016, 65 (3): 036802.
doi: 10.7498/aps.65.036802
摘要 +
采用单管静电纺丝的方法成功制备了纯的与Yb掺杂的In2O3纳米管(Yb-In2O3). 利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射对样品的结构和形貌进行了表征, 制作了基于纯In2O3和Yb-In2O3纳米管的气敏元件. 研究表明, Yb-In2O3纳米管气敏元件在230下对100 ppm甲醛的灵敏度为69.8, 是纯In2O3纳米管气敏元件对同浓度甲醛灵敏度(18.4)的3.8倍, 其对100 ppm甲醛的响应恢复时间分别为4 s和84 s. 并且, 基于Yb-In2O3纳米管的气敏元件对100 ppb甲醛的灵敏度达到2.5. 此外, 该气敏元件还具有出色的选择性及稳定性, 具备良好的实际应用前景.
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2016, 65 (3): 036803.
doi: 10.7498/aps.65.036803
摘要 +
太赫兹技术已经成为涉及公共安全、军事国防和国民经济等国家核心利益的前沿研究领域. 以往太赫兹测量技术中通常以远场测量为主, 如常用的太赫兹时域光谱仪. 近年来太赫兹近场技术得到了迅猛的发展, 特别是基于光导天线的探针技术的发展, 为可扫描的太赫兹近场测量提供了可能. 本文详细报道了我们近期在可扫描太赫兹近场光谱仪研究中的进展. 采用光纤耦合的光导微探针实现了方便灵活的太赫兹近场/远场三维扫描, 并同时获得振幅和相位信息. 该系统将有可能广泛应用于人工微结构、石墨烯、表面等离子激元、波导传输、近场成像、生物样品检测、芯片检测等研究领域.
2016, 65 (3): 036804.
doi: 10.7498/aps.65.036804
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采用分子动力学方法研究了金属Au和Pt纳米薄膜在石墨(烯)基底表面的动力学演化过程, 探讨了金属薄膜和石墨(烯)基底间的相互作用对金属纳米薄膜在固态基底表面的去湿以及脱附的动力学演化的影响. 研究结果表明, 在高温下, 相同层数的Au和Pt纳米薄膜在单层石墨基底表面上存在不同的去湿现象, 主要表现为厚度较小的Pt纳米薄膜在去湿过程中有纳米空洞形成, 而同样厚度的Au薄膜在去湿过程中没有形成空洞. Au和Pt两种金属薄膜在高温下都去湿形成纳米液滴, 这些液滴最终都以一定的速度脱离基底. 在模拟的薄膜厚度范围内(0.22.3 nm), Au和Pt纳米液滴脱离基底的速度随厚度增加表现出不同的变化规律. Pt纳米液滴的脱离速度随薄膜初始厚度的增加先增加后减少, 而Au脱离速度随厚度的增加先减少, 达到一个临界厚度后脱离速度突然迅速增加. 利用薄膜与基底间相互作用的不同导致去湿过程中的黏滞耗散不同, 定性分析了这种变化规律的原因. 此外, 进一步研究还发现金属液滴的脱离时间与薄膜厚度和模拟温度的依赖关系, 发现脱离时间随薄膜厚度的增加而增加, 随模拟温度的升高而减小. 这些研究结果可以为金属镀膜、浮选、表面清洁、器件表面去湿等工业生产过程提供理论指导.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (3): 037101.
doi: 10.7498/aps.65.037101
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基于密度泛函理论第一性原理方法, 采用广义梯度近似下的PW91泛函形式, 计算了合金元素Cr, Mo, Ni固溶于 -Fe(C)的电子结构, 从重叠聚居数、 电荷布居数、态密度、差分电荷密度及结合能等计算结果分析探讨了合金元素在 -Fe(C)中的键合性质及对奥氏体相稳定性的影响. 结果表明: Cr, Mo在奥氏体晶胞中都存在金属键、共价键和微弱的离子键的共同作用, 而Ni仅有金属键和共价键作用, 几乎不受离子键作用, 成键轨道主要是Cr, Mo, Ni的d 轨道与Fe 3d, C 2p轨道的交互作用形成的. 依据合金元素对 -Fe(C)电子结构的影响, 探讨了Cr, Mo, Ni固溶后对奥氏体相稳定性的影响.
2016, 65 (3): 037102.
doi: 10.7498/aps.65.037102
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采用密度泛函理论下的平面波赝势方法, 建立了未掺杂锐钛矿TiO2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO2模型. 几何优化后, 通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性; 通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态, 并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证; 讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响. 结果表明: La/Pr掺杂的锐钛矿TiO2具有亚铁磁性, Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性, Ce掺杂锐钛矿为顺磁体; Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小, 吸收光谱红移不明显, 而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数, Pr掺杂能使锐钛矿TiO2在红外光区出现吸收峰.
2016, 65 (3): 037103.
doi: 10.7498/aps.65.037103
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对于Y掺杂ZnO, 当摩尔数在0.03130.0625之内, Y掺杂量越增加, 吸收光谱发生红移和蓝移两种不同实验结果均有文献报道. 本文使用Materials Studio软件下的CASTEP模块中密度泛函理论的第一性原理平面波模守恒(Norm conserving)赝势GGA+U的方法, 构建了未掺杂纤锌矿ZnO单胞以及Y掺杂ZnO的Zn0.9687Y0.0313O超胞、Zn0.9583Y0.0417O超胞和Zn0.9375Y0.0625O超胞模型. 对掺杂前后体系的能带结构、态密度、差分电荷密度、布居值以及吸收光谱进行了计算. 计算结果表明: 当Y掺杂摩尔数在0.03130.0625之内, Y 掺杂量越增加, 掺杂体系的晶格常数、体积、 总能量越增大, 掺杂体系越不稳定、 形成能越增大、掺杂越难; 掺杂体系中平行于和垂直于c轴的YO键布居值越减小、 离子键越增强、 共价键越减弱、键长越变长; 掺杂体系的最小光学带隙越变宽、 吸收光谱发生蓝移现象越明显. 吸收光谱的计算结果与实验结果相符合, 合理解释了吸收光谱红移、蓝移的争论. 这对制备Y 掺杂ZnO 短波长光学器件能起到一定的理论指导作用.
2016, 65 (3): 037301.
doi: 10.7498/aps.65.037301
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采用共反应溅射法将Ti添加到La2O3中, 制备了LaTiO/Ge 金属-氧化物- 半导体电容, 并就Ti含量对器件电特性的影响进行了仔细研究. 由于Ti-基氧化物具有极高的介电常数, LaTiO栅介质能够获得高k值; 然而由于界面/近界面缺陷随着Ti含量的升高而增加, 添加Ti使界面质量恶化, 进而使栅极漏电流增大、器件可靠性降低. 因此, 为了在器件电特性之间实现协调, 对Ti含量进行优化显得尤为重要. 就所研究的Ti/La2O3比率而言, 18.4%的Ti/La2O3比率最合适. 该比率导致器件呈现出高k值(22.7)、低Dit(5.51011 eV-1cm-2)、可接受的Jg(Vg=1 V, Jg=7.110-3 Acm-2)和良好的器件可靠性.
2016, 65 (3): 037401.
doi: 10.7498/aps.65.037401
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非中心对称超导体LaNiC2是传统BCS超导体还是能隙存在节点又或是两带超导体, 目前仍然存在争议. 基于此, 文章用两带Ginzburg-Landau理论分析了超导体LaNiC2的上临界磁场随温度的变化关系, 计算结果与实验结果在整个温度区间内符合得很好, 说明LaNiC2是两带超导体, 和陈健等人的观点一致. 文章还分析了两个不同能带对上临界磁场的影响, 发现相对较小的相干长度对LaNiC2 的上临界磁场影响较大.
2016, 65 (3): 037701.
doi: 10.7498/aps.65.037701
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采用电驱动压电陶瓷取代传统机械螺丝给金刚石对顶砧施加压力, 设计制备了低温下可连续增加流体静压的金刚石对顶砧压力装置, 实现了低温(19 1)K连续加压达到4.41 GPa. 该装置具有电驱动方便灵活、调谐精度高的低温连续加压功能. 利用该装置实现了InAs单量子点发光与微腔腔模的共振耦合调谐过程. 该装置将在原位压力精确调谐及测量样品信号跟踪等实验得到应用.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (3): 037801.
doi: 10.7498/aps.65.037801
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在电光、磁光调制器和传感器等光学器件的制作和使用过程中, 经常会产生影响器件性能的弹光双折射. 根据折射率椭球分析法, 通过系统分析各晶系晶体的弹光效应, 提出了若干去除光学器件中静态弹光双折射的方法. 主要结论包括: 对于正交晶系的双轴晶体, 当光波沿着晶体任意一个主轴方向传播时, 如果作用于晶体另外两个主轴方向的应力能够满足某一与晶体自身参数有关的倍数关系且不存在剪切应力, 则可以去除这两个应力引起的弹光双折射; 对利用所有单轴晶体, 43 m, 432, m3 m点群的立方晶体和匀质光学玻璃制作的光学器件, 如果能够保持晶体沿着x1, x2轴方向的正应力相等且不存在剪切应力, 或只对晶体施加x3方向的正应力, 也可以避免沿着晶体主光轴xsub3方向传播光波的弹光双折射. 上述去除弹光双折射的方法对光学器件的设计、制作和使用具有重要参考价值.
2016, 65 (3): 037802.
doi: 10.7498/aps.65.037802
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-Al2O3:C晶体的热释光和光释光性能优越, 但其制备要求高, 需高温和高还原气氛. 与 -Al2O3:C晶体性能接近的 -Al2O3:C陶瓷, 热释光峰不单一. 本文采用两次阳极氧化法在0.5 mol/L的草酸溶液中5 ℃恒温制备高度均匀有序的多孔Al2O3:C薄膜, 主要研究不同退火温度对其热释光和光释光特性的影响. 结果表明, 经不同温度退火后的Al2O3:C薄膜均为非晶结构; 不同退火温度的Al2O3:C薄膜热释光的主发光峰约在310 ℃左右, 符合通用级动力学模型. 600 ℃退火后的Al2O3:C薄膜热释光灵敏度最强, 其热释光剂量曲线在110 Gy范围内具有很好的线性响应, 在剂量10120 Gy 范围内出现超线性响应; 在相同的辐照剂量下, 随着退火温度的升高( 600 ℃)光释光的初始发光强度逐渐增强. 不同退火温度的Al2O3:C薄膜光释光衰减曲线都呈典型的指数衰减且快衰减速率相比 -Al2O3:C晶体显著加快. 600 ℃退火后的Al2O3:C薄膜光释光灵敏度最强, 其光释光剂量响应曲线在1200 Gy整体上都具有很好的剂量线性关系. 与热释光相比, Al2O3:C薄膜的光释光具有更宽的线性剂量响应范围. 此研究为Al2O3:C薄膜作为光释光辐射剂量材料做出了有益的探索.
2016, 65 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.65.038101
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ZnSe量子点光电子特性的研究对于其微观电子结构探测和应用领域的扩展具有重要的意义. 本文结合表面光伏与光声技术以及激光Raman研究了不同回流温度下制备L-半胱氨酸(L-Cys)为配体核壳结构ZnSe量子点的微结构和光声与表面光伏特性. 结果发现, 具有n-型光伏特性的ZnSe 量子点在近紫外到可见光范围内展示出优良的表面光伏性质. 尤其在波长为350550 nm范围内光子能量绝大部分用于产生表面光伏效应, 而不是用于无辐射跃迁导致的晶格热振动, 同时证实了光声与表面光伏效应之间的能量互补关系. 实验指认ZnSe量子点在300350 nm短波区域出现的光声信号和在1120, 1340和1455 cm-1高频区域出现的Raman峰与配体L-Cys 的多声子振动模式密切相关. 实验结果表明, 随着回流温度的降低, ZnSe量子点的平均粒径有减小趋势, 这在改善样品的表面效应和小尺寸效应的同时, 有利于提高核壳结构ZnSe 量子点的光伏转换效率.
2016, 65 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.65.038102
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以Se粉和MoO3粉为源材料, 利用热丝化学气相沉积在N2中制备了Se和MoSe2纳米片. 利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能谱仪、显微Raman光谱仪和X射线光电子谱仪对Se和MoSe2纳米片结构和组成进行了系统研究. 结果表明: Se粉和MoO3粉的混合与否直接影响了Se和MoSe2纳米片的形成和结构; 当Se粉和MoO3粉充分混合时形成Se纳米片, 而Se和MoO3粉分开放置时则形成MoSe2纳米片. 研究发现这是由于Se和MoO3粉的混合与否使Se和MoO3在气相中的不同反应所致. 对Se和MoSe2 纳米片的发光性能研究表明, 它们分别产生了774, 783和784 nm的发光峰, 不同于单层MoSe2 纳米片的发光性能. 这些结果丰富了对二维Se基纳米材料的合成和光学性能的知识, 有助于对Se基二维纳米材料的光电器件的研制.
2016, 65 (3): 038103.
doi: 10.7498/aps.65.038103
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电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式, 不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同, 从而影响电弧的形态及其传热传质过程. 本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型, 以及不同表面形貌的熔积层模型, 并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下, 通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布. 数值模拟结果表明: 平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强; 单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小; 多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布, 电弧中心温度较前两者低, 电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.
2016, 65 (3): 038104.
doi: 10.7498/aps.65.038104
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实验研究了磁感应强度和冷却速率对Tb0.27Dy0.73Fe1.95 合金凝固过程中(Tb, Dy)Fe2相取向行为及合金磁性能的影响. 结果表明, 将强磁场作用于Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金的凝固过程可以制备出(Tb, Dy)Fe2相沿111取向的组织, 同时显著提高了合金的磁致伸缩性能; 通过提高磁感应强度可以在更快的冷却速率下得到111取向的组织; 在410 T范围内, 随着冷却速率的增加, (Tb, Dy)Fe2相沿111取向所需的磁感应强度增加, 而发生110取向的磁感应强度减小. 随着冷却速率的增加, 合金的饱和磁化强度增加, 而强磁场的施加对合金饱和磁化强度的变化没有明显影响. (Tb, Dy)Fe2相的取向行为受(Tb, Dy)Fe3相取向行为的影响, 且由磁晶各向异性能与磁场作用时间共同控制.
编辑推荐
2016, 65 (3): 038105.
doi: 10.7498/aps.65.038105
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针对传统的基于超声信号的高铁钢轨无损检测方法对于表面微裂纹检测效果不佳的问题, 提出了一种基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法. 首先, 使用有限元及K-wave方法建立了钢轨模型并获得了模拟光声信号; 然后利用时间反演的方法对钢轨表面的光声图像进行了重建, 并研究了不同传感器中心频率对成像结果的影响; 最后设计实验采集了钢轨表面的光声信号并进行了处理和分析. 实验结果表明, 基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法对于表面微裂纹有很好的检测效果, 该方法在钢轨探伤领域有较大的可行性及发展潜力.
2016, 65 (3): 038201.
doi: 10.7498/aps.65.038201
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采用磁控溅射方法在单晶硅(111)衬底上制备了AuCu3薄膜, 用2 MeV He离子和1 MeV Au离子对薄膜进行辐照, 用卢瑟福背散射对He, Au离子辐照前后AuCu3薄膜近表面的成分变化进行了分析, 对不同离子辐照导致的表面元素偏析行为进行了研究. 结果表明: 当2 MeV He离子辐照时, 随着辐照剂量增大, 观察到样品近表面Au元素偏析的趋势; 当1 MeV Au离子辐照时, 随着辐照剂量增大, 观察到样品近表面Cu元素偏析的趋势, 与He离子辐照相反. 通过对He, Au离子在样品中产生的靶原子空位及其分布分析, 发现靶原子空位浓度分布的梯度是导致两种不同表面元素偏析趋势的原因, 空位扩散是其中的主要机理.
2016, 65 (3): 038401.
doi: 10.7498/aps.65.038401
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针对实际逆合成孔径雷达(ISAR)成像时带宽有限、方位孔径稀疏的小角度回波数据条件下, 常规算法的成像分辨率不高等问题, 基于压缩感知理论, 提出了一种低信噪比条件下的二维联合布雷格曼迭代快速ISAR超分辨成像算法. 首先, 将雷达回波构建为距离频域-方位多普勒域的二维稀疏表示模型, 在此基础上, 将二维超分辨成像问题转换为二维联合压缩感知的稀疏重构问题; 其次, 为了避免重构时向量化操作带来的复杂度, 提出了二维联合布雷格曼迭代算法, 为实现快速重构, 将加权残量迭代、估计停滞步长与感知矩阵条件数优化三种加快收敛速度的思想相结合, 既利用了布雷格曼迭代在低信噪比条件下的重构能力又能保证快速成像. 最后仿真实验结果表明在欠采样和低信噪比条件下本文算法能够缩短成像时间, 且具备更好的噪声鲁棒性.
2016, 65 (3): 038402.
doi: 10.7498/aps.65.038402
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提出了一种新型GaN异质结高电子迁移率晶体管在强电磁脉冲下的二维电热模型, 模型引入材料固有的极化效应, 高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应, 分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应, 对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究. 结果表明, 器件内部温升速率呈现出快速-缓慢-急剧的趋势. 当器件局部温度足够高时( 2000 K), 该位置热电子发射与温度升高形成正反馈, 导致温度急剧升高直至烧毁. 栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位, 严重影响器件的特性和可靠性. 随着脉宽的增加, 损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大. 通过数据拟合得到脉宽 与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系.
2016, 65 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.65.038501
摘要 +
理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响, 并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异. 采用双异质结材料, 结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件. 实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异, 与模拟结果进行了对比验证. 采用降低的F 注入等离子体功率, 减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤, 研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性. 对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究, 并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.
2016, 65 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.65.038701
摘要 +
从物质溶液浓度变化角度考虑了球形晶体在溶液中溶解随表面张力的变化, 利用渐近方法求出了在溶液中球形晶体溶解的浓度和界面的近似解析解, 能够计算出溶解过程中球形晶体溶解的浓度、界面演化形态. 研究了表面张力对于溶液中溶质浓度分布、球晶界面形态和溶解速度的影响. 结果表明, 表面张力促进了球形晶体在溶液中的溶解. 随着表面张力参数增大, 溶液中在界面前沿的溶质浓度升高, 球形晶体的溶解速度增大; 随着时间的增加, 溶解速度逐渐变大, 球形晶体半径逐渐变小, 直至溶解结束.
2016, 65 (3): 038702.
doi: 10.7498/aps.65.038702
摘要 +
大脑执行语言的发音需要顶叶、颞叶、额叶等多个脑区协同完成. 皮层脑电具有高时间分辨率、较高空间分辨率和高信噪比等优势, 为研究大脑的电生理特性提供了重要的技术手段. 为了探索大脑对语言的动态处理过程, 利用多尺度皮层脑电(标准电极与微电极)分析了被试在执行音节朗读任务时的皮层脑电信号的高频gamma段特征, 提出采用时变动态贝叶斯网络构建单次实验任务的有向网络. 结果显示该方法能够快速有效地构建语言任务过程中标准电极、微电极以及二者之间的有向网络连接, 且反映了大规模网络(标准电极之间的连接)、局部网络(微电极之间的连接)以及大规模网络与局部网络之间的连接(标准电极与微电极之间的连接)随语言任务发生的动态改变. 研究还发现, 发音时刻之前与之后的网络连接存在显著性差异, 且发音方式不同的音节网络间也存在明显差异. 该研究将有助于癫痫等神经疾病的术前临床评估以及理解大脑对语言加工的实时处理过程.
2016, 65 (3): 038703.
doi: 10.7498/aps.65.038703
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实现癫痫脑电信号的自动检测对癫痫的临床诊断和治疗具有重要意义. 本文提出先使用频率切片小波变换分离出5个不同频段的节律信号, 再分别计算每个节律信号的近似熵和相邻节律的波动指数, 最后使用遗传算法优化的支持向量机进行分类. 实验结果表明, 所提出的方法能够对正常、癫痫发作间期和癫痫发作期三种脑电信号进行准确分类, 分类准确率为98.33%.
