特邀综述
特邀综述
2022, 71 (15): 152901.
doi: 10.7498/aps.71.20220486
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稳态微聚束(steady-state micro-bunching, SSMB)原理采用激光操控储存环中的电子, 可形成具有精微纵向/时间结构的电子束团, 即微聚束. 通过有机结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性, SSMB光源可提供高平均功率、窄带宽的相干辐射, 波段可覆盖从太赫兹到软X射线, 具有巨大的科学及产业应用前景. 本文在对现有加速器光源—同步辐射光源和自由电子激光简要介绍的基础上, 对SSMB的概念及潜力、原理验证实验进展、核心物理及关键技术挑战、清华SSMB-EUV光源方案及其对科学研究和芯片光刻潜在的变革性影响进行总结论述. 所综述的工作是在我国自己创新性工作基础上进行的, 对于国内读者了解该领域的工作及发展具有一定的帮助.
总论
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2022, 71 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.71.20220248
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针对绝热算法在系统演化过程中需要较长操作时间的问题, 本文提出了电路量子电动力学系统中基于超绝热捷径的两量子比特控制相位门的快速制备方案. 首先将量子比特的能级进行编码, 针对不同初始态分类讨论, 获得系统的有效哈密顿量. 通过反绝热驱动, 推导出系统有效哈密顿量的修正项, 以抑制不同本征态之间不必要的跃迁, 从而获得了高保真度的基于超绝热捷径控制相位门. 数值模拟验证了本方案的有效性, 最终保真度为0.991. 所提方案可以加速演化, 并且比绝热通道更有效. 此外, 本方案对谐振器的衰减和超导量子比特的退相干具有鲁棒性. 通过对谐振腔的泄漏、量子比特的自发辐射和退相位的影响分析, 得到的系统最终保真度始终保持在0.984以上.
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2022, 71 (15): 150302.
doi: 10.7498/aps.71.20220260
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实验上展示了钇铁石榴石(YIG)晶体小球中磁振子与超导量子比特的驱动缀饰态之间的相干强耦合, 磁振子的加入使得在超导量子比特中形成了双重缀饰态. 实验中一个钇铁石榴石晶体小球与一个超导量子比特同时放置在三维谐振腔中, 分别通过磁偶极相互作用和电偶极相互作用与谐振腔中的本征场($\mathrm{TE_{102}}$ 模式)耦合, 并通过腔模作为媒介实现两者之间的有效相干强耦合. 给超导量子比特施加一个共振的微波驱动并改变驱动强度, 测得耦合系统能级劈裂随驱动强度的变化, 并理论上利用粒子-空穴对与玻色场耦合的模型做了计算. 在大部分的驱动强度范围内实验结果都与理论计算结果符合得较好, 表明驱动下的比特-磁振子耦合系统可以用来模拟粒子-空穴对称对与玻色场的耦合系统. 本文使用的混合量子系统为模拟玻色子与费米子的混合系统提供了一个新途径.
2022, 71 (15): 150303.
doi: 10.7498/aps.71.20220158
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量子卫星通信是量子通信领域的研究热点和前沿, 具有覆盖面广、通信效率高和安全性强的特点. 量子通信组网的构建策略是量子通信的重要组成部分, 然而, 有关量子空中通信组网构建策略的研究, 迄今尚未展开. 本文采用仿生学原理, 根据雁群空中飞行阵列的特点, 提出了一种仿雁群Λ型量子空中通信组网拓扑结构, 该结构可分为单头节点Λ型和多头节点Λ型. 基于Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)态的可认证QSDC网间通信系统和GHZ-EPR (Einstein-Podolsky-Rosen)量子卫星组网隐形传态通信系统, 对该Λ型量子空中通信组网结构的误码率、能耗、吞吐率等参数进行了研究. 理论分析和仿真结果表明, 仿雁群单头节点Λ型组网结构, 在噪声平均功率谱密度为2 dB/m的环境中, 当网中头节点与子节点的通信距离小于400 m时, 误码率小于0.094; 若头节点与子节点的通信距离由400 m增大到1000 m时, 误码率增长较快, 达到0.585; 当单侧子节点数由2增加到7时, 吞吐率由110.6 kb/s下降到46.45 kb/s. 以总节点数21为例, 单头节点Λ型组网结构可节省32.6%的能量, 吞吐率下降到23.9 kb/s. 相比之下, 总节点数为21的多头节点Λ型组网结构, 可节省29.3%的能量, 吞吐率达到163.4 kb/s. 由此可见, 采用仿雁群阵列结构的量子空中组网, 具有很好的网络可扩展性、优良的信息安全性和灵活的网络结构.
2022, 71 (15): 150304.
doi: 10.7498/aps.71.20220202
摘要 +
首先介绍了单次发送单光子的量子安全直接通信方案的具体步骤. 基于该方案的基本步骤, 逐步扩展到分两次和分四次发送单光子序列的量子安全直接通信方案, 重点介绍各方案对应的编码规则. 分析上述方案的效率可以看出, 发送次数的增加可以增加单光子的分类, 大大提高每个单光子的编码容量和整个通信中量子态的传输效率. 最后提出有通用性的分n (n为2的整数次幂)次发送单光子来进行量子安全直接通信的方案及其编码规则, 经过安全性分析证明方案安全可行. 通过效率分析, 该方案比现有方案的通信效率更高, 而且该方案的实施只用到单光子, 不涉及量子纠缠, 实现难度更小.
2022, 71 (15): 150501.
doi: 10.7498/aps.71.20212385
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探索自驱粒子形状对自组装结构和动力学的影响是软物质研究的前沿课题. 组装基元形成的寡聚体及其动力学是大量粒子形成组装结构的基础. 本文设计了一种“十”字形自驱粒子, 发现其可以形成数种不同构型的寡聚体, 计算了寡聚体(二、三、四聚体)的均方位移、角速度、角速度分布概率、轨迹曲率分布概率等. 寡聚体的运动行为可分为两类: 一类是合力为零但力矩不为零, 寡聚体进行小半径的偏心旋转; 另一类是合力不为零力矩也不为零, 寡聚体呈现大半径的偏心旋转. 寡聚体的平动动力学在短时间尺度(大致约为1—2 s, 与其角速度有关)都呈现超扩散现象, 但转动速度受寡聚体结构影响; 力矩越大, 转动惯量越小, 角速度越大. 对于三聚体, 轨迹曲率与角速度有关, 角速度越大, 曲率也越大.
2022, 71 (15): 150502.
doi: 10.7498/aps.71.20220204
摘要 +
混沌光的延时特征(time delay signature, TDS)和带宽是影响混沌激光应用的两个重要参量, 常用来表征混沌光的混沌特性. 将具有外腔光反馈的半导体激光器(semiconductor laser, SL)作为主激光器, 以具有自混沌光相位调制光反馈的SL作为从激光器, 并将主激光器输出的混沌光双路注入到从激光器中, 构成具有外光双路注入的自混沌光相位调制光反馈的半导体激光器系统. 数值研究了外光注入系数和反馈系数等参数对系统输出光TDS的影响, 然后将此系统对TDS的抑制效果和具有外光双路注入的光反馈半导体激光器以及具有外光单路注入的自混沌光相位调制光反馈半导体激光器进行对比和分析, 从而阐明了本文所提出的方案对TDS的抑制效果较好. 在TDS被有效抑制的参数条件下, 研究了混沌光的带宽, 结果表明: 本文提出的方案可以有效提高系统输出混沌光的带宽, 获得混沌光的3 dB带宽的最大值约为16 GHz.
2022, 71 (15): 150701.
doi: 10.7498/aps.71.20220191
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通过构造两个线性耦合的拉盖尔-高斯旋转腔系统, 实现携带轨道角动量的涡旋光束的非互易传输现象. 系统中, 两个拉盖尔-高斯旋转腔模通过扭力与中间的旋转镜耦合, 同时两个涡旋腔场通过光纤直接耦合起来. 两个强光场分别驱动不同的腔模, 并利用一个弱探测场从系统一侧入射, 从而对该系统两个传播方向的光响应特性进行研究. 利用该系统哈密顿量和海森伯-郎之万方程, 结合输入-输出关系可得到系统的输出光谱. 结果表明此系统中的涡旋光束的非互易性来源于光旋转相互作用以及涡旋腔场相互作用之间的量子干涉效应. 因此, 可以通过调节非互易相位差来对系统的非互易传输进行调制. 此外, 两个涡旋光束所携带的拓扑荷比值会显著影响传输特性; 在适当的拓扑荷比值下, 该系统可以实现涡旋光束的单向传输. 本研究成果有望用于实现理想的涡旋光隔离器.
核物理学
2022, 71 (15): 152101.
doi: 10.7498/aps.71.20212343
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系统研究了2013年发表的核电荷半径数据库中的实验值, 基于这个数据库中大量的同位素链核电核半径实验值, 对相邻3个同位素核电荷半径之间的关系进行分析, 进而得到一个新的核电荷半径关系: 一个原子核的电荷半径等于其左右相邻的两个同位素核电荷半径之和的一半. 运用该关系对质量数$ A\geqslant20 $ (质子数$ Z\geqslant10 $ 和中子数$ N\geqslant10 $ )的核电荷半径进行拟合, 结果发现核电荷半径的理论值与实验值符合得较好, 均方根偏差(RMSD)仅为0.00471 fm; 对质量数$ A\geqslant54 $ 的核电荷半径进行拟合时, 得到理论值和实验值的RMSD仅为0.00337 fm. 同时还添加了奇偶摆动修正来提高核电荷半径的精确度. 此外, 利用这个新的核电荷关系, 结合1999年和2004年发表的数据库对一些核电荷半径进行预言, 得到核电荷半径的预言值与2013年发表的数据库中的实验值符合得较好; 基于CR2013数据库得到的预言值与近几年新测得的核电荷半径的实验值也较接近. 研究结果表明新的核电荷半径关系对电荷半径的描述和预言具有一定的精确性和可靠性.
原子和分子物理学
2022, 71 (15): 153101.
doi: 10.7498/aps.71.20220407
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二维材料由于其在力学、电学以及光学等领域的潜在应用而受到广泛关注. 基于第一性原理计算, 通过有序地排列SiH3SGeH3的Si-S-Ge骨架, 设计了一种全新的二维材料SiGeS. 单层SiGeS具有良好的能量、动力学以及热力学稳定性. SiGeS具有非常罕见的负泊松比. 此外, 单层SiGeS是间接带隙半导体, 其带隙值为1.95 eV. 在应变的作用下, SiGeS可转变为带隙范围为1.32—1.58 eV的直接带隙半导体, 可被应用在光学或半导体领域. 同时, 本征SiGeS拥有优异光吸收能力, 其最高光吸收系数可达约105 cm–1, 吸收范围主要在可见光到紫外波段. 在应变下, 光吸收范围可覆盖到整个红外波段. 这些有趣的性质使得SiGeS成为一种多功能材料, 有望被用于纳米电子、纳米力学以及纳米光学等领域.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2022, 71 (15): 154101.
doi: 10.7498/aps.71.20220176
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磁偶极子理论在金属磁记忆检测正演分析中得到了广泛应用, 但是现有模型中的磁荷密度多为假设值, 且假设磁荷在缺陷断面或应力集中区域呈均匀分布或线性分布, 无法实现磁记忆信号的准确定量分析. 针对上述问题, 本文在结合力磁耦合理论、磁荷理论和有限元方法基础上, 将试件离散为有限多个微小单元, 假设单元内部磁特征参数分布均匀, 建立了单元应力、磁化强度与磁荷密度之间的关系, 构建了能够考虑应力不均匀分布对磁荷密度分布影响的金属磁记忆检测正演模型. 与实验结果对比发现, 本文建立模型无论是定性还是定量上都能很好预测磁记忆信号变化规律; 在此基础上, 对比了应力集中和宏观裂纹表面磁场分布的差异, 并以裂纹缺陷为例, 详细讨论了裂纹缺陷尺寸参数对磁记忆信号及其特征参量的影响规律. 理论分析表明, 本文模型可为定量分析磁记忆检测过程中缺陷附近磁场变化规律提供新的理论模型.
2022, 71 (15): 154201.
doi: 10.7498/aps.71.20220101
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基于裂纹模板法制备了一种高屏蔽性能的金属网格透明导电薄膜. 采用现有裂纹模板法制备得到的金属网格透明导电薄膜, 其金属网格厚度较薄, 屏蔽性能有待改进. 本文在研究了裂纹材料的旋涂转速对龟裂图案的影响关系分布曲线中, 增加了缝隙深度因子, 选取了合适的裂纹材料和旋涂方案, 制备得到理想的随机图案分布的裂纹模板. 通过磁控溅射法在裂纹模板缝隙内外沉积厚度为1 μm的金属层, 引入了超声波清洗结合有机溶剂的方法, 高效去除裂纹胶模板后, 得到了金属网格透明导电薄膜样品. 实测的金属网格透明导电薄膜样品透光率超过85%, 同时方阻值保持在2.8 Ω/□左右, 具有良好的透光和电磁屏蔽性能. 通过制备加厚金属网格透明导电薄膜改进了屏蔽性能, 为后续基于裂纹模板法制备高屏蔽性能金属网格透明导电薄膜提供了参考.
2022, 71 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.71.20220455
摘要 +
将白光激光聚焦照射不同液体, 可以形成不同形状的彩色干涉环, 即“相干彩虹”. 形成相干彩虹的原因是激光加热使液体局部温度分布发生变化, 影响了折射性质, 形成了光程差, 从而使不同波长的光各自发生干涉(热透镜效应). 本文确定了激光束的波前曲率对相干彩虹的形状和大小的影响, 揭示了样品(纵向厚度很薄的液体)在凸透镜焦点前后相同距离处产生的相干彩虹有显著差别的原因: 焦点前波前曲率为负, 焦点后波前曲率为正. 通过构建一个包含波前曲率和热透镜效应的函数, 很好地拟合了实验结果. 数值模拟还定量说明了激光加热导致的液体不稳定性(发生对流)使得相干彩虹的形状具有上下不对称性, 而中心过热区(产生气泡)使得相干彩虹的内部出现暗区, 以及在这个暗区中观察到的内疏外密的衍射环和泊松亮斑.
2022, 71 (15): 154203.
doi: 10.7498/aps.71.20220420
摘要 +
针对阶梯相位调制窄谱激光主动照明方法, 基于物理模型及工程应用需求, 对窄谱激光谱线线型、阶梯相位调制器光学镜数量、光学镜厚度梯度误差三种影响因素, 进行了主动照明远场光斑均匀性数值模拟, 揭示了照明远场光斑闪烁指数随影响因素的变化规律. 结果表明: 激光谱线线型对照明光斑均匀性的影响很小, 均匀型、高斯型、洛伦兹型激光谱线照明光斑空间闪烁指数均值分别为0.27, 0.28, 0.28; 照明光斑闪烁指数随阶梯相位调制器光学镜数量增多而降低, 且逐渐趋于平缓; 光学镜厚度梯度毫米量级的误差对闪烁指数的影响很小, 误差为–0.6 mm时, 空间闪烁指数由0.266增大到0.271, 恶化率仅为1.9%.
2022, 71 (15): 154204.
doi: 10.7498/aps.71.20220503
摘要 +
掺铒光纤放大器的增益带宽是限制光纤通信系统传输容量提升的重要因素. 受铒离子激发态吸收所限, 常规L波段掺铒光纤难以实现更长波段的带宽扩展. 本文基于改进的化学气相沉积工艺成功制备了P/Al共掺石英基L波段扩展掺铒光纤, 研究了共掺离子对于铒离子4I13/2能级到4I9/2能级激发态吸收的影响. 通过分别搭建单级前向泵浦和多级的放大结构, 测试了其宽带放大性能. 基于前向980 nm泵浦的单级结构, 当输入信号功率为–9 dBm, 泵浦功率为530 mW时, 该光纤在1625.3 nm处增益达10.5 dB, 最大噪声指数为5.9 dB. 多级放大结构下, 该光纤在1625.3 nm处增益可达23.4 dB. 实验结果表明P/Al共掺石英基掺铒光纤可以有效抑制铒离子的激发态吸收, 为进一步扩展L波段增益带宽提供了强有力的可行方案.
2022, 71 (15): 154205.
doi: 10.7498/aps.71.20220229
摘要 +
空间调制快拍成像测偏技术能通过单次曝光同时获取目标全部斯托克斯参量. 针对传统参考光线定标技术不适用动态环境(如温度变化)下偏振信息精确测量的瓶颈问题, 本文提出了线性剪切空间调制快拍成像动态定标技术. 该技术采用沿着同一方向剪切的两块改进型萨瓦偏光镜作为核心调制器件, 两者厚度比为1∶2, 通过快拍获取的干涉图和厚度比, 可以推演出核心调制器件产生的空间调制相位因子, 由此解调出目标全部偏振信息. 该技术最显著的优点是测量目标与系统定标同时进行, 过程中不需要任何预知参考目标. 本文对该技术方案进行了详细的理论分析, 并通过数值模拟和搭建实验平台, 验证了该方案的可行性; 为空间调制快拍成像测偏技术的定标提供了新思路, 有力推动其动态环境下工程实际应用进程.
2022, 71 (15): 154206.
doi: 10.7498/aps.71.20220313
摘要 +
以光力时域分析传感器为例, 实验研究了非线性效应对前向受激布里渊散射分布式传感的影响, 并给出了优化过程. 前向受激布里渊散射的产生由于增益系数低, 需要较高的脉冲功率(W级)进行激发, 由于读取脉冲光与散射光同向传输特性, 高功率脉冲将诱发前向受激布里渊散射传感系统中各种非线性效应. 借鉴前人激活-读取分离技术, 可有效避免激活脉冲非线性效应的影响, 然而读取脉冲非线性效应对传感性能仍存在直接影响. 基于此, 本文研究了不同读取脉冲功率条件下, 非线性效应对前向受激布里渊散射传感性能的影响及其物理机理; 具体展示了～4.7 km 标准单模光纤中, 一、二阶散射边带随读取脉冲功率的演化过程, 最终找到了优化区间, 得到较为完美的本地增益谱, 并且延长了传感距离.
2022, 71 (15): 154401.
doi: 10.7498/aps.71.20212362
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求解了两条相同的耦合Frenkel-Kontorova (FK) 链在低温、有限温和高温情况下的格波解及色散关系, 进而研究了耦合FK双链的晶格振动特点. 结果表明, 耦合FK双链的色散关系包含一个声学支和一个光学支, 两者的频谱范围和频率禁带与FK链的恢复力系数、链间耦合强度系数均有关联, 低温和有限温的情况还与外势深度有关系. 并且研究发现当链间耦合强度较小时, 不存在频率禁带; 当链间耦合强度逐渐增加到某一临界值后, 频率禁带出现, 且随着链间耦合强度增加, 频隙不断变大, 这是因为光学支随着链间耦合强度增加不断向高频方向移动. 此外, 还发现带隙结构出现的临界链间耦合强度始终为FK链恢复力系数的2倍, 并不受温度的影响. 本文还研究了给定链间耦合强度下温度对耦合FK双链色散关系的影响规律. 本研究内容可为分析链间界面耦合和温度对晶格的振动特点和物理性质的影响提供理论依据, 从而对于能量输运、热调控等实际应用发挥重要的指导作用.
2022, 71 (15): 154701.
doi: 10.7498/aps.71.20220362
摘要 +
Rayleigh-Taylor不稳定性(RTI)作为流体和等离子体中基础的物理现象, 在天体物理、空间物理以及工程领域扮演着重要角色. 尤其在惯性约束核聚变(ICF)研究中, RTI等宏观流体不稳定性是不可回避的物理问题. 本文利用开源的辐射磁流体模拟程序FLASH对激光驱动调制靶产生的RTI进行了二维的数值模拟, 系统地考察和比较了RTI在无磁场、Biermann自生磁场、不同外加磁场情况下的演化. 模拟结果表明, Biermann自生磁场和平行流向的外加磁场在RTI演化过程中基本不会改变RTI的界面动力学, 而垂直流向的外加磁场对RTI以及RTI尖钉尾部的Kelvin-Helmholtz涡旋有致稳作用, 其中磁压力起主导作用. 研究结果为后续开展和ICF相关的靶物理研究提供借鉴, 也有助于加深对流体混合过程的理解.
气体、等离子体和放电物理
封面文章
2022, 71 (15): 155201.
doi: 10.7498/aps.71.20220361
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在双锥对撞点火激光核聚变方案中, 两个锥口相距约100 μm放置的金锥内氘氚球冠靶在高功率纳秒激光烧蚀驱动下, 获得沿金锥的球对称压缩和加速, 形成沿着金锥轴向的超音速高密度喷流, 出射喷流在两个金锥的几何中心发生对撞减速并形成聚变密度等离子体. 在对撞过程中, 高速运动喷流的动能转化为内能, 实现对等离子体的预加热, 与此同时, 皮秒拍瓦激光产生的高能快电子从垂直方向入射并加热高密度等离子体, 使其快速升温达到聚变温度, 实现聚变点火. 2020年在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光联合实验室神光II升级激光装置上, 我们利用总能量为10 kJ的八路纳秒激光进行了两轮实验. 实验利用包括X射线汤姆逊散射、硬X射线单色背光成像、X射线条纹和分幅成像等多种主动、被动诊断方法对超音速高密度喷流对撞过程进行了高时空分辨研究, 实验测量发现, 在单锥口形成的超音速等离子体喷流密度为5.5—8 g/cm3; 在对撞过程中形成了阻滞时间约200 ps的高密度等离子体, 中心密度达到了(46 ± 24) g/cm3. 通过对等离子的温度、速度的分析发现, 对撞过程中动能到内能的转换效率高达89.5%.
2022, 71 (15): 155202.
doi: 10.7498/aps.71.20220367
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高约束模式对改善等离子体约束有着重要意义, 但目前主要依赖人工进行模式识别, 其效率低、成本高, 导致核聚变装置中大量的诊断数据没有得到充分分析. 为了解决这个问题, 本文将机器学习中的谱聚类算法应用到EAST托卡马克装置上的电子回旋辐射成像、一维诊断系统电子回旋辐射计、磁探针、软X射线和快辐射等不同诊断系统的数据上, 在时域及频域上识别出了锯齿模, 验证了谱聚类方法的迁移性及准确性, 解决了监督学习在数据处理上迁移性差以及需要依赖大量标签数据的问题. 此外, 本文实现了特定模式的筛选; 最后利用电子回旋辐射成像及磁探针数据发现了一种可能的新模式, 为新模式探索提供了一种新思路.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
编辑推荐
2022, 71 (15): 156101.
doi: 10.7498/aps.71.20220419
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巴黎-爱丁堡压机(Paris-Edinbrugh press)因具有大体积样品、便携、结构简单等优点, 被广泛应用于中子源进行高压原位中子衍射实验. 但因单轴加压而导致封垫和组装不断沿径向向外流动的特点, 给高压下组装的加热效率、保温效果、上下压砧的绝缘及热电偶连接等方面带来困难, 从而使得巴黎-爱丁堡压机在高压下的温度加载非常具有挑战性. 本文通过对高温高压组装的结构进行优化设计, 提高了组装的加热效率和保温效果. 通过对热电偶引线方式的优化, 实现了高压下温度的直接测量. 设计的HPT-3组装和HPT-3.5 组装在高压下的温度加载最高可分别达到2000 K和1500 K, 并且二者较大的样品尺寸满足中子衍射实验的需求. 原位高温高压中子衍射实验结果说明, HPT-3组装在压力8.5 GPa、温度1508 K的条件下可以获得高质量的样品的中子衍射谱, 同时该结果也进一步验证了所设计组装的良好稳定性.
2022, 71 (15): 156102.
doi: 10.7498/aps.71.20220446
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研究了经历不同时间退火后, Fe80Si9B10Cu1非晶合金结构弛豫过程中纳米尺度结构不均匀性的演变及其对合金磁性能的影响. 基于小角X射线散射和原子力显微镜分析, 随着弛豫的进行, 合金的纳米尺度结构不均匀性逐渐衰减. 结合穆斯堡尔谱分析结果, 弛豫态合金综合软磁性能的提高可归因于纳米尺度结构不均匀性的减弱. 从流变单元模型来看, 随着弛豫程度的加深, 流变单元的体积分数显著降低, 部分流变单元湮灭并转化为理想弹性基体. 一方面, 弛豫态样品的原子结构排列更加紧密, 磁交换相互作用更强, 饱和磁感应强度也更高; 另一方面, 准位错偶极子的数量密度随着流变单元在弛豫过程中的湮灭而逐渐减小, 磁畴壁的钉扎效应减弱, 合金的磁各向异性下降, 矫顽力降低. 本文从结构不均匀性的角度研究了Fe80Si9B10Cu1非晶合金弛豫过程中磁性能变化的结构机制, 有助于建立铁基非晶合金结构和磁性能之间的关联性.
2022, 71 (15): 156103.
doi: 10.7498/aps.71.20220356
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铁素体/马氏体钢, 如T91钢和SIMP钢, 被选为第4代铅冷快堆和加速器驱动系统(ADS)的主要候选结构材料. 但容器钢与液态铅铋共晶(LBE)在高温下的相容性限制了它们的应用. 铁素体/马氏体钢在600 ℃的LBE中腐蚀严重. 为了保护铁素体/马氏体钢免受高温LBE腐蚀, 在钢表面制备AlOx (x < 1.5)涂层. 本文采用磁控溅射法在T91钢和SIMP钢表面制备了AlOx涂层. 对表面有涂层的T91钢和SIMP钢以及表面无涂层的T91钢和SIMP钢在600 ℃的饱和氧浓度的LBE中腐蚀300 h和700 h的结果进行比较. 结果表明, 涂层钢表面的氧化层比无涂层钢表面的氧化层薄, 这表明AlOx涂层可以有效防止铁、铬和氧元素的快速扩散. 然而, 在LBE中腐蚀700 h后, AlOx涂层出现裂纹, 表面有涂层的T91钢和SIMP钢均遭受到明显的氧化腐蚀, 说明该涂层在600 ℃的LBE中可以在短时间内保护基体免受高温腐蚀. 但是涂层在600 ℃的LBE 中不能长时间保持稳定. 这可能是由于此次实验条件制备的AlOx涂层膜基结合力不强或制备的AlOx涂层里面存在大量的金属铝和结构缺陷. AlOx涂层在LBE中的高温稳定性有待进一步研究.
2022, 71 (15): 156801.
doi: 10.7498/aps.71.20220365
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钙钛矿超晶格中蕴含着丰富的磁现象, 特别是锰酸镧/镍酸镧超晶格中的异常磁交换偏置现象是一个研究热点. 本文采用脉冲激光沉积技术, 制备出不同取向的锰酸镧/镍酸镧超晶格, 并对超晶格的电输运性能和交换偏置现象进行了系统的研究. 实验发现, 超晶格在不同取向的衬底上外延生长并保持晶格应力; 超晶格的母体是Mott绝缘体并遵循二维Mott变程跃迁导电机理; 不同取向的超晶格都表现出交换偏置现象; 场冷和零场冷曲线表明在低温下超晶格中存在两种不同的磁性组元. 对超晶格交换场强度的进一步分析发现, 交换场强度与超晶格的取向以及超晶格与衬底界面处的极性补偿有关. 在不同温度下都观察到, 极性连续的超晶格的交换场强度都高于极性失配的超晶格. 上述研究结果对进一步理解钙钛矿超晶格中的磁电输运性能有所帮助.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
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2022, 71 (15): 157301.
doi: 10.7498/aps.71.20220358
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基于柔性热电薄膜制冷的面内散热技术有望为电子器件高效面内散热提供解决方案, 但柔性热电薄膜电输运性能太低和面内散热器件结构设计困难严重制约了该技术在电子元器件散热中的应用. 本文通过在环氧树脂/Bi0.5Sb1.5Te3柔性热电薄膜中掺入具有同时调控电热输运行为功能的石墨烯, 发现不仅有助于Bi0.5Sb1.5Te3晶粒沿(000l)择优取向, 而且还提供了载流子快速传输通道, 石墨烯/Bi0.5Sb1.5Te3柔性热电薄膜的载流子浓度和迁移率同时显著增大; 石墨烯掺入量为1.0%的柔性热电薄膜室温最高功率因子达到1.56 mW/(K2·m), 与环氧树脂/Bi0.5Sb1.5Te3柔性热电薄膜相比提高了71%, 其最大制冷温差提高了1倍. 利用这种高性能石墨烯/Bi0.5Sb1.5Te3柔性热电薄膜制冷, 设计并制备出了级联结构高效面内散热器件, 发现该器件可以将热量从热源区逐级传输至散热区, 实现热源区温度下降1.4—1.9 ℃, 展现出了高效稳定的面内散热能力.
2022, 71 (15): 157501.
doi: 10.7498/aps.71.20220476
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采用磁控溅射法制备了具有不同衬底层(Cu, Co和Ni80Fe20)的Fe65Co35双层合金薄膜. 研究了不同衬底材料以及NiFe衬底层厚度对FeCo合金薄膜结构与磁性的影响. 研究结果表明: 衬底层的引入可以增加薄膜的面内单轴各向异性, 且薄膜的软磁性能显著提升, 获得良好软磁性的原因归结为晶粒的细化、层间的偶极相互作用以及表面粗糙度的降低, 并且对于相同厚度的不同衬底层, NiFe衬底层对FeCo薄膜软磁性能的提升最为明显; 通过改变NiFe衬底层厚度, 实现了对薄膜各向异性的调控, NiFe/FeCo表现出良好的高频响应和低的阻尼系数, 同时较小的薄膜厚度能够减小涡流损耗, 因此, 促进了其在高频微波磁性器件方面的应用.
2022, 71 (15): 157502.
doi: 10.7498/aps.71.20212317
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目前金属软磁粉芯材料在高频电感等电子元件的应用前景广阔, 然而其主要的构成元素属于过渡金属, 表面易形成致密的氧化层, 影响其软磁性能的调控. 为了解决这些问题, 本文引入H2/Ar混合气体高温预处理工艺对FeNiMo原粉进行还原, 证实了还原性气氛高温处理可以有效地去除材料表面的金属氧化物, 增加金属单质的含量, 进而显著提升FeNiMo原粉的有效磁导率. 对预处理后的FeNiMo粉末进行SiO2绝缘包覆, 所获得的FeNiMo/SiO2软磁复合材料表面包覆均匀; 与未处理FeNiMo原粉包覆SiO2所形成的软磁复合粉芯相比, H2/Ar混合气体高温预处理后的FeNiMo/SiO2具有更高的有效磁导率、更低的损耗. 与同类其他软磁复合粉芯相比, 通过H2/Ar混合气体高温预处理工艺和绝缘包覆工艺的协同效应, 所制备的FeNiMo/SiO2复合粉芯具有优异的软磁性能. 因此经过还原性气氛高温预处理工艺后的绝缘包覆可以更大程度地提升软磁粉芯复合材料的有效磁导率, 降低其损耗, 为软磁复合粉芯材料性能的提升提供了一种新的策略.
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2022, 71 (15): 157801.
doi: 10.7498/aps.71.20220305
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ZIFs晶体由咪唑基桥接单金属离子构成, 可通过咪唑酯连接物灵活选取合适的官能团对其结构进行调控, 因而被赋予更多新的性质和功能. ZIFs晶体中孔结构及其化学环境与其性能紧密相关. 本文采用静置法制备了ZIFs纳米晶体. X射线衍射结果证实制备的晶体为典型的ZIF-8晶体, 扫描电子显微镜图可观察到其规则的菱型结构. N2吸附-脱附测试表明ZIFs晶体具有较大的比表面积和孔容, 分别为2966.26 m2/g和3.01 cm3/g. 随着Co摩尔含量的增大, ZIFs晶体比表面积和孔体积逐渐减小, 但是其孔径大小几乎稳定保持在12 Å左右. 而N2吸附-脱附等温线计算得到的孔径分布未显示咪唑配体组成的六元环的超微孔信息(3.4 Å). 此外, 利用正电子湮没寿命和多普勒展宽对晶体的微观结构和表面性能进行了研究. 正电子的寿命谱有4个分量. 较长寿命$ {\tau }_{3} $ , $ {\tau }_{4} $ 分别是o-Ps在其微孔区域和晶体规则棱角间隙处的湮没寿命. 随Co摩尔含量增大, 其寿命$ {\tau }_{3} $ 几乎没有变化, 而较长寿命$ {\tau }_{4} $ 从30.89 ns降至12.57 ns, 其对应强度$ {I}_{3} $ , $ {I}_{4} $ 也分别从12.93%和8.15%急剧下降至3.68%和0.54%. 随Co摩尔含量的增大, 多普勒展宽得到的S参数呈连续上升趋势, 进一步多高斯拟合表明p-Ps强度也逐渐增大, 这主要是由于电子偶素发生了自旋转换效应. 因此, ZIFs纳米晶体中$ {\tau }_{4} $ 下降很可能是由于正电子偶素与晶体表面Co离子发生了自旋转换效应.
2022, 71 (15): 157901.
doi: 10.7498/aps.71.20220244
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根据建立的变掺杂变组分反射式AlxGa1–xAs/GaAs光电阴极的分辨力模型以及调制传递函数(MTF)理论模型, 仿真了材料中掺杂浓度线性变化、Al组分线性变化, 掺杂浓度均匀不变、Al组分线性变化, 掺杂浓度线性变化、Al组分均匀不变, 掺杂浓度均匀不变、Al组分均匀不变这4种不同结构反射式光电阴极的分辨力特性. 分析了Al组分、掺杂浓度、AlxGa1–xAs层厚度、GaAs层厚度和入射光波长对阴极分辨力的影响. 仿真结果表明, 阴极材料中掺杂浓度梯度变化以及Al组分梯度变化都可以提高反射式AlxGa1–xAs/GaAs光电阴极的分辨力, 其中掺杂浓度线性变化的同时, Al组分线性变化对AlxGa1–xAs/GaAs光电阴极分辨力的影响最为明显. 仿真结果还表明: Al组分从0.45线性变化至0时, 阴极分辨力最好; 掺杂浓度从1019—1018 cm–3线性变化比保持1019 cm–3不变, 阴极分辨力更好; 而阴极中AlxGa1–xAs、GaAs层厚度以及入射光波长对4种阴极分辨力的影响则有着不同的变化规律.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2022, 71 (15): 158101.
doi: 10.7498/aps.71.20220171
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在无机钙钛矿太阳能电池的研究中, 薄膜制备工艺是影响钙钛矿太阳能电池光电转换效率(PCE)的重要因素之一. CsPbBr3钙钛矿作为稳定性极好的无机钙钛矿之一, 因其前驱体盐(PbBr2, CsBr)溶解度差异过大, 通常采用多步法进行制备. 而由于对成膜机理的认识不充分, 导致制备的薄膜存在薄膜形貌差、前驱体反应不完全等问题. 本文通过旋涂不同次数的CsBr溶液, 探究了CsPbBr3钙钛矿的成膜机理. 成膜过程中CsBr扩散进入预先沉积的PbBr2薄膜完成反应, 短暂反应时间使薄膜深层反应不充分而薄膜表面过度反应, CsPb2Br5和Cs4PbBr6等相伴随CsPbBr3钙钛矿出现, 反复退火形成的薄膜阻挡CsBr扩散加剧了这一现象. 适当地延长前驱体的反应时间, 能为CsBr扩散及反应提供更充分的空间. 基于优化反应时间, CsPbBr3钙钛矿薄膜形貌得到改善、其晶粒尺寸得到提升, 钙钛矿薄膜中的晶界减少, 从而抑制了载流子复合. 在4次旋涂和30 s反应时间的条件下, 组装的CsPbBr3钙钛矿太阳能电池开路电压从1.01 V提升至1.28 V, PCE从5.32%提升至6.30%, 器件短路电流密度Jsc = 8.40 mA/cm2, 填充因子FF = 59%. 基于以上研究, 为多步旋涂法制备CsPbBr3钙钛矿薄膜和电池提供了理论借鉴.
2022, 71 (15): 158501.
doi: 10.7498/aps.71.20220373
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超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能, 在量子信息、激光雷达等方面有广泛的应用. 通常, SNSPD工作在直流偏置下, 在时域上具有自由运行探测的优点. 而在卫星激光测距、单光子激光雷达等光信号到达时间有规律的应用场景中, 使用交流偏置有望提升器件运行速率、有效抑制背景暗计数, 却存在信号读出困难的棘手问题. 本文报道了自差分读出的交流偏置SNSPD系统, 该系统包含两根并行排布纳米线构成的2-pixel SNSPD器件. 给两根纳米线加载相同的100 MHz交流偏置信号, 并对两路输出信号差分使噪声信号相抵消, 实现光子响应信号的读出. 基于该方法测得, 响应信号的信噪比相比差分之前提升10倍, 在交流偏置下器件的暗计数降低至直流偏置下的约1/4, 计数率达到直流偏置下的约1.5倍. 本文为交流偏置SNSPD测试提供了一种思路, 为其应用提供参考数据.
2022, 71 (15): 158502.
doi: 10.7498/aps.71.20220335
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由于具有极低的噪声等效功率, 超导转变边沿探测器(transition edge sensor, TES)近年来被广泛地应用于国际各个宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)极化观测项目中. 为保证探测器工作在性能最佳区间, 探测器饱和功率值需根据观测地点气象条件及观测波段进行调整, 而探测器梁架结构尺寸直接决定了饱和功率大小. 因工艺差异等原因, 不同加工方案下得到的梁架尺寸参数往往不能直接用于横向比对. 在之前的观测项目中, 一般先加工出一系列不同尺寸器件并逐一测量, 然后通过拟合实测饱和功率与梁架尺寸的关系推测实际需要尺寸. 为了与目标值匹配, 往往需要多次加工迭代过程. 本文使用边界限制的声子输运模型, 成功整合了之前观测项目中的器件参数, 对TES梁架尺寸进行预估. 并按照预估值首次在国内制备了用于探测CMB极化信号的TES探测器芯片. 测量表明参数与目标值相差较小. 该方法可以很好地对同类TES探测器尺寸进行估计, 对之后TES探测器的设计有指导性意义.
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2022, 71 (15): 158503.
doi: 10.7498/aps.71.20220161
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氮化镓材料具有大的禁带宽度(3.4 eV)、高的击穿场强(3.3 MV/cm), 在高温、高压等方面有良好的应用前景. 尤其是对于铝镓氮/氮化镓异质结构材料而言, 由极化效应产生的高面密度和高迁移率二维电子气在降低器件导通电阻、提高器件工作效率方面具有极大的优势. 由于缺乏高质量、大尺寸的氮化镓单晶衬底, 常规氮化镓材料均是在蓝宝石、硅和碳化硅等异质衬底上外延而成. 较大的晶格失配和热失配导致异质外延过程中产生密度高达107—1010 cm–2的穿透位错, 使器件性能难以进一步提升. 本文采用基于自支撑氮化镓衬底的铝镓氮/氮化镓异质结构材料制备凹槽阳极结构肖特基势垒二极管, 通过对欧姆接触区域铝镓氮势垒层刻蚀深度的精确控制, 依托单步自对准凹槽欧姆接触技术解决了低位错密度自支撑氮化镓材料的低阻欧姆接触技术难题, 实现了接触电阻仅为0.37 Ω·mm的低阻欧姆接触; 通过采用慢速低损伤刻蚀技术制备阳极凹槽区域, 使器件阳极金属与氮化镓导电沟道直接接触, 实现了高达3 × 107开关比的高性能器件, 且器件开启电压仅为0.67 V, 425 K高温下, 器件反向漏电仅为1.6 × 10–7 A/mm. 实验结果表明, 基于自支撑氮化镓衬底的凹槽阳极结构铝镓氮/氮化镓肖特基势垒二极管可以有效抑制器件反向漏电, 极大地提升器件电学性能.
2022, 71 (15): 158701.
doi: 10.7498/aps.71.20220124
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氮的高温高压物态方程以及相图对于研究和制备高能量密度含能材料至关重要. 本文采用基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法, 研究了液氮的高温高压行为, 给出 900—25000 K, 2—200 GPa区间流体氮的物态方程以及组分、相态变化. 在上述相空间, 观察到流体氮分子相-聚合物相以及聚合物-原子相的相变发生. 获得的液氮Hugoniot理论曲线与实验结果吻合较好, 发现30—60 GPa区间Hugoniot曲线的软化与分子-聚合物流体相的相变有关; 在60 GPa后Hugoniot曲线变陡峭与流体氮进入聚合物相区有关.
2022, 71 (15): 158702.
doi: 10.7498/aps.71.20220173
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得益于单光子探测器的超高灵敏度, 光子计数成像系统近年来成为极弱光探测成像领域的研究热点. 基于单点扫描的光子计数成像系统, 以光子累积的方式获取大量返回光子事件后重建目标图像. 然而, 单像素探测时间固定导致的光子事件累积冗余或累积不足的问题, 限制了系统的成像效率. 本文提出了一种基于自动选取单像素最佳累积时间的时间自适应扫描方法, 并分别进行了单点测距和扫描成像实验. 结果表明, 本文提出的方法在重建质量接近的深度图像(64 × 88)时的数据总获取时间相比单像素固定累积时间的扫描方法降低了一个数量级, 极大地提高了扫描数据获取的效率, 为光子计数成像系统快速成像提供了新思路.
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2022, 71 (15): 158801.
doi: 10.7498/aps.71.20220354
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纳米增强剂通常被用来提升相变材料的导热性能, 但这种方式通常伴随着复合后材料相变焓的降低. 虽然这种降低难以避免, 但其微观机理乃至影响规律却始终未能明晰. 为深入探究纳米复合相变材料相变焓降低的机理, 本文以熔融硝酸钠(太阳盐的重要组成成分)为相变材料, 制备了石墨烯纳米片质量分数为0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%的复合相变材料. 通过实验测量与分子动力学模拟的方法深入分析了石墨烯纳米片的掺杂导致熔融硝酸钠产生团簇以及复合材料熔点和相变焓非依数性降低的影响机理. 结果表明, 石墨烯纳米片质量分数为1.5%时, 硝酸钠致密层和石墨烯纳米片间的质心等效距离最接近他们相互作用势的势阱位置, 此时二者之间相互吸引作用最强, 熔盐分子的运动受限最为严重, 难以发生熔化, 从而导致相变焓降低最为显著. 为了最大限度地避免纳米复合相变材料相变焓的损失, 应根据相变材料与纳米增强剂的类型及其相互作用类型, 合理选择纳米增强剂的质量分数. 在实际应用中, 恰当的质量分数还将在一定程度上降低复合相变材料的制备成本.
2022, 71 (15): 158802.
doi: 10.7498/aps.71.20212015
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目前对质子交换燃料电池动态性能的研究多针对于运行参数对系统的影响, 未涉及多时间尺度下电池的动态特性和相应多时间尺度模型的研究. 为探明质子交换膜燃料电池动态变化时系统内各因素在不同时间尺度下对输出性能的影响效力, 利用质量扩散方程及理想气体状态方程求得氧气和氢气有效分压, 根据能量守恒定律、热力学定律、电化学反应方程建立动态模型. 通过设置载荷突变(大、中、小时间尺度动态时长分别为0.6 s, 165 s, 16 min)研究负载电流突变时电压立即突变的机理, 从作用于动态性能时长的时间常数着手, 控制变量分析双层电荷层效应的电容C、燃料氧化剂的延迟时间常数τe、热力学特性(温度T)对动态性能的影响(变量初值为C = 4 F, τe = 80 s, T = 307.7 K), 明确其在不同时间尺度下的作用强度, 借助Matlab/Simulink平台仿真呈现研究结果并验证所建模型的正确性和有效性. 仿真结果表明: 负载突变时电压突变是由于开路电压和欧姆极化电阻的作用且欧姆电阻占主导(欧姆过电压变化值2 V, 开路电压变化0.05 V), 小时间尺度(ms)下C对动态性能起主导作用, 中时间尺度(s)下τe对动态特性影响较大, 大时间尺度(102—103 s)下T的作用较强, 并据此推导出了电池的多时间尺度模型. 本研究为后续电池能量管理、评价动态性能、精准控制提供参考依据及理论支撑.
地球物理学、天文学和天体物理学
2022, 71 (15): 159101.
doi: 10.7498/aps.71.20220267
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地球重力场信息是大地测量学、地球物理学、地球动力学等学科所必需的重要基础信息, 重力场测绘是获取地球重力场信息的有效手段. 相比于卫星、海洋、航空重力场测绘, 车载重力场测绘具有灵活性强、空间分辨率高、精度高等优点. 基于相对重力仪和高精度绝对重力基准点可以实现陆域小范围重力场测绘, 但相对重力仪存在零点漂移, 不适用于长基线、大范围的陆域测绘. 本文基于小型化原子重力仪搭建了一套车载绝对重力快速测绘系统, 在郊区安静外场环境, 由12个测点约3 km的测绘结果评估仪器的内符合精度为0.123 mGal (1 Gal = 10–2 m/s2), 外符合精度为0.112 mGal, 并在闹市复杂外场环境下实现了单点调节时间小于2 min, 有效测量时间5 min的快速绝对重力测量, 通过19个测点跨区约24 km的重力场快速测绘, 评估仪器的内符合精度为0.162 mGal, 外符合精度为0.169 mGal. 最后将原子重力仪的外场重力场测绘数据与卫星重力模型计算的数据进行了比较, 发现两者的自由空间重力异常数据的整体变化趋势相吻合. 本文为外场绝对重力场快速测绘提供了一种新的方案.
2022, 71 (15): 159501.
doi: 10.7498/aps.71.20220084
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由磁场重联触发的发生在日冕和过渡区域上的具有高度动态的太阳爆发活动是灾害性空间天气的驱动源, 对太阳爆发活动的空间成像和光谱分光测量是实现精准空间天气预报的关键数据来源. 太阳大气上单离子氦的Lyman α跃迁产生波长30.4 nm的He II共振谱线, 相比于邻近的谱线强度至少高一个数量级, 因此能用来观测太阳爆发事件中的物质流动和能量输运过程. 本文针对传统的太阳极紫外成像仪和成像光谱仪的缺陷, 利用光线追迹方法设计了一款工作在He II 30.4 nm波长处的二维光谱层析成像仪器, 采用无狭缝的3个级次(–1, 0, +1)同时衍射成像架构, 单次快照可实现大视场的二维光谱瞬时成像. 由于3个级次图像的空间信息和光谱信息混叠, 利用有限层析投影角度的光谱数据反演算法, 重构了观测目标的三维数据立方体I (x, y, λ).
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