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先进的振动控制技术在航空航天及船舶领域具有广泛需求. 当前, 大多数系统的吸振与隔振设计分离, 且现有隔振设计难以有效增强低频线谱隔离. 因此, 本文针对典型欧拉梁, 提出了一种吸隔振一体化设计方法. 基于声学超材料的带隙波阻原理, 研究了振动在横向和纵向的传播特性及其协同调节规律. 结果表明, 通过使用波阻隔振器实现多种模态的吸振和隔振, 无需额外结构即可高效控制低频和宽带振动. 在横向通路中, 引入局域共振带隙显著提高了低频隔振效果; 在纵向通路中, 除了近零及Bragg带隙外, 波阻隔振器还能产生多种带隙, 实现了低频宽带吸振. 研究显示, 通过叠加纵向与横向带隙可达成100 Hz内87.3%的带隙占比. 采用有限元法验证了解析结果的准确性. 研究结果为复杂梁、板、管路、框架等结构的吸隔振一体化设计提供了可行思路.
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21世纪以来, 扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用. 为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率, 人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum, UHV)和低温(low temperature, LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM). 目前, 大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(4He), 使SPM的温度达到约4.2 K. 然而由于4He元素在自然界中含量低且因需求日益增长, 导致液氦价格急剧飙升, 严重影响到了4He相关低温设备的正常运行. 为应对上述问题, 干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向. 在此背景下, 将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合, 搭建干式低温扫描探针显微镜, 成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一. 本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面, 介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统. 最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战, 探讨了该技术未来的发展方向.
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针对复杂网络中关键节点的识别、评估及排序问题, 受物理系统中不同节点间信息的多维度、多层次相互影响过程的启发, 提出了一种基于图卷积神经网络的多维参数的节点重要性评估方法. 该方法结合了卷积神经网络自动学习的特性, 综合考虑节点的内在特性、与邻近节点的交互关系以及其在整个网络中的功能角色, 构建了一种新颖的关键节点识别框架, 即多维参数控制图卷积网络(multi-parameter control graph convolutional networks, MPC-GCN). 通过卷积神经网络对节点及其邻居特征的逐层聚合, 自动提取并综合节点的局部特性、全局特性及位置特性, 实现对节点重要性的多维度评估, 同时引入灵活的参数调整机制, 允许调整不同维度信息对评估结果的影响权重, 以适应不同网络结构的需求. 为验证该方法的有效性, 在随机生成的小型网络上验证了参数对模型的作用; 并在8个大型网络上利用SIR模型进行仿真实验, 并以M(R)值、Kendall相关系数、被传染节点占比及最大连通子图相对大小作为评价标准. 结果表明, MPC-GCN方法在单调性、准确性、适用性及鲁棒性上都优于其他相关方法, 能够显著区分不同节点的重要程度. 该方法有效克服了现有方法评估角度单一和适应性方面的局限性, 提高了评估的全面性和适用性.
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大气压等离子体射流具有广阔的应用前景, 而电压、气体流速、外磁场均会影响其性能, 其组合影响更会使得放电规律复杂化. 但是目前缺乏三者组合对射流特性的综合影响研究, 无法更全面评估多放电条件下的放电特性规律. 因此, 本文以交流氩气等离子体射流为对象, 研究了电压、外磁场、气体流速三者组合作用对放电的宏观形貌、功率、气体温度、电子激发温度、电子密度、Ar*光谱强度、·OH粒子数密度等参量的影响. 结果表明, 电压对射流参量的影响规律不受气体流速和外磁场的影响, 增大电压能提升放电性能; 加入外磁场可以在不引起放电功率显著变化的情况下提升放电性能, 尤其是当磁场仅作用于等离子羽时, 提升效果最显著; 气体流速对射流性能的改变会受到电压和外磁场的影响, 并不是在单个放电条件最优的组合情况下取得最佳的射流性能. 本研究有助于更全面了解不同放电条件下射流特性, 为优化射流性能提供指导, 有利于推动大气压等离子体射流技术的发展.
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激光等离子体不稳定性(laser plasma instability, LPI)是惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)点火过程中的关键问题之一, 多年来受到了广泛的关注. 其中, 宽带激光被认为是解决LPI问题的一个有效途径, 并且目前已经有了大量的模拟研究和少量背向、近前向散射的实验研究, 但是仍然需要侧向散射的实验研究作为补充. 因此, 基于输出达到数百焦耳的宽带二倍频激光装置—“昆吾”, 本文针对宽带激光与传统窄带激光与驱动平面厚靶产生的等离子体不稳定性的侧向散射以及超热电子产额设计实验. 实验结果表明, 功率密度为1×1015W·cm–2的宽带激光激发的侧向受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)与侧向受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)在不同角度下的光谱和份额与窄带激光存在显著差异. 进一步分析发现, 宽带条件下侧向的超热电子份额整体高于窄带, 而此时宽带条件下小角度近前向、小角度近背向的SRS份额却远低于窄带, 初步的定性分析认为此时SRS可能不是超热电子的主要产生机制, 认为此时可能是PDI对超热电子的产生起了主导作用.
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热反射技术是测量块体和薄膜材料热物性的重要工具,但参数间复杂的相互关系为数据解析带来挑战。本文以频域热反射法(FDTR)为例,利用奇异值分解(SVD)对热反射信号进行了深入分析,系统揭示了不同变量之间的关联,并提出了热反射实验中的关键组合参数。这种方法不仅厘清了变量间的关系,还明确了实验中可提取的最大参数数量。作为应用实例,本文对铝/蓝宝石样品进行了测量和信号分析,发现相较于常规仅拟合衬底热导率和界面热导两个参数的做法,最佳拟合FDTR信号能够同时确定金属膜热导率、衬底热导率、衬底比热容和界面热导四个参数。拟合结果与文献参考值和其他方法测量结果进行了对比,验证了该方法的有效性。本研究深化了对热反射现象的理解,为热表征技术和材料研究的进一步发展提供了有力支持。
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本文基于PASSKEy构建了一个多层介质球的二氧化碳填充式介质阻挡放电二维模型,对此模型的流注传播演化动态过程进行了深入系统的仿真研究。研究指出第一层和第二层介质球的内侧不是二氧化碳解离等反应发生的主要区域,主要区域为流注传播路径以及第一层介质球的外侧。同时,本文还对此模型的电子密度与电场的演化进行了深入解析,并给出了相应的物理机理和对应特征点的局部电场演化。此外,本文还分别研究了空间电荷和表面电荷的时空演化,指出整体上空间中的负电荷随着流注的形成和传播,不断收缩于流注内部和介质表面,而正电荷主导放电空间的电荷分布。并且通过展开特定介质球的表面,给出了具体的分布角度范围和演变趋势。最后本文还研究了一氧化碳粒子和二氧化碳离子和氧气离子的时空演化机理,并且对放电空间中所有的电子和二氧化碳离子的空间能量沉积进行了积分,数据表明在此模型中的总能量沉积值约为1.428 mJ/m,二氧化碳离子的沉积能量约为0.1251 mJ/m,占比达8.8%。
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经颅聚焦超声是一种具有发展前景的技术,具有无创,安全,穿透深度深等优点。声全息透镜作为一种低成本且便捷的经颅聚焦方法,具有较大的发展潜力。然而,基于单片声全息透镜通常只能实现单一经颅聚焦声场的重建,在实际应用场景下缺乏应用灵活性。针对这一问题,本文提出了一种用于经颅聚焦的多频声全息透镜的设计方法,通过提取在不同频率下设计的聚焦到不同位置的两片声全息透镜中的有效信息,并将其整合到一片声全息透镜中来实现,生成的声全息透镜可以在不同频率的激发下聚焦到不同位置。仿真和实验结果表明,通过此方法设计的声全息透镜在不同频率的超声波激发下,可以克服颅骨对超声波的散射效应,在颅骨后方精确的形成高质量的声聚焦点。
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共形超构表面具有灵活的外形,便于适应复杂的平台结构,在移动载体散射调控方面具有显著的应用优势。但共形超构表面散射场电磁仿真时间周期长、优化复杂,难以支撑共形超构表面的敏捷设计。本文提出了一种基于迁移学习的共形超构表面散射场高效智能计算方法。首先,根据天线理论和全波电磁仿真在物理机理上的同一性,预先用大量理论数据训练源域模型,构建相位分布与散射场的初始映射模型;然后,将少量全波仿真训练数据作为目标域样本,依托预训练、参数冻结和模型微调实现初始模型的有效迁移,完成超构表面相位分布到散射场映射模型的构建;最后,针对不同的共形几何结构,在迁移学习模型基础上进行了二次迁移。结果表明,本文所提方法的散射场计算时间较全波仿真下降3个数量级,在少样本条件下应用迁移学习后散射场计算精度平均提升19.8%,训练数据量仅占未迁移学习模型的42.9%,数据集收集时间缩短50.1%,同时在超构表面共形结构发生改变时具有一定泛化性。
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在选择合适的活性空间和基组、考虑各种物理效应(标量相对论效应、核–价电子关联效应、完备基组极限和自旋–轨道耦合效应)的基础上, 本文利用优化的icMRCI+Q方法获得了X3Σ–/a1Δ/b1Σ+/A3Π/c1Π(OH+)←X2Π(OH)精确的电离能、OH+离子14个Λ-S态和相应的27个Ω态势能曲线. 利用全电子icMRCI/cc-pCV5Z + SOC理论获得了6个Ω态[$ {{{\mathrm{X}}}}{}^3\Sigma _{{0^ + }}^{{ - }} $, $ {{\text{X}}^{3}}{{\Sigma }}_{1}^{{ - }} $, (1)2, (2)2, (2)1和(1)0–]之间的跃迁偶极距. 并且本文获得的电离能、光谱和振动–转动跃迁数据与现有的测量值符合得非常好. 研究发现: 1) (1) 2(υ' = 0—6, J' = 2, +)的辐射寿命随着υ'的增大而逐渐缩短, 辐射宽度随着υ'的增大而逐渐增宽; (1)2(υ' = 0—6, J' = 2, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –)自发辐射较弱. 2) (2)2第一势阱(υ' = 0—2, J' = 2, +), (2)1(υ' = 0—9, J' = 1, +)和(1)0–(υ' = 0—8, J' = 0, +)的辐射寿命都是随着υ'的增大而逐渐增长, 辐射宽度都随着υ'的增大而逐渐变窄; (2)2第一势阱(υ' = 0—2, J' = 2, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –), (2)1(υ' = 0—9, J' = 1, +)– $ {\text{X}}{}^{3}{{\Sigma }}_{{{0}^ + }}^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –)和(1)0–(υ' = 0—8, J' = 0, +)–$ {\text{X}}{}^3{{\Sigma }}_1^{{ - }} $(υ'', J'' = 1, –)的自发辐射很强. 3) (2)2第一势阱(υ' = 0—2, +), (2)1(υ' = 0—9, +)和(1)0–(υ' = 0—8, +)的辐射寿命都是随着J'的增大而逐渐增长. 本文数据集可在科学数据银行数据库 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00058 中访问获取(数据集私有访问链接https://www.scidb.cn/s/B7buIr ).
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在植物中, 光合作用的高效光电转化效率归因于色素蛋白复合体中所建立的强大捕光网络与灵活的能量转移机制. 对色素蛋白复合体结构与功能的解析是光合作用研究中的重要方向, 对人工光合作用研究和能源可持续发展战略具有指导意义. 随着冷冻电子显微镜的快速发展, 大量复合体的精密结构得以解析. 冷冻光学(光谱)显微镜是冷冻电子显微镜的重要互补技术, 发展至今已有约35年的历史. 该方法通过光谱特征可精确识别多种色素蛋白复合体, 而低温成像不仅有效地抑制了单个复合体或细胞样品的光损伤, 还限制了复合体中色素间的uphill能量转移, 从而提高荧光量子收率. 冷冻光学显微镜不仅成为表征单个蛋白质的结构动态与捕光功能的有力工具; 还为可视化和定量复杂的光合成分在细胞体内的空间分布提供了可能性. 因此, 该技术的应用极大地发展了在微观尺度下分析色素蛋白结构与功能的研究领域, 这对于光合作用研究体系的推进具有重大意义. 本文从单分子光谱与单细胞光谱技术两方面总结了冷冻光谱显微镜技术在自然光合作用中的主要应用与取得的成果, 其中包括探究色素蛋白复合体的捕光功能与蛋白质动态的关联, 复合体中能量异质性的表征, 在细胞体内可视化光合蛋白的能量调控机制等.
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引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波, 通过探测引力波可以使得人类从另一个角度去观测宇宙. 在空间引力波探测的过程中, 惯性传感器中的检验质量会受到太空环境中粒子和射线的作用而积累电荷, 影响了引力波探测的精度, 因此需要对检验质量上的电荷进行控制, 即开展电荷管理. 在以往的电荷管理系统中应用紫外汞灯和紫外(UV)LED作为光源, 取得了不同的效果. 本文主要综述了空间引力波探测中电荷管理系统的紫外光源研究进展. 汞灯作为第1代系统光源, 虽能完成任务, 但有着启动慢、功耗高等缺点, UV LED凭借其体积、功耗等方面的优点, 逐步成为目前电荷管理系统的光源. 近年来, 随着紫外微型LED (UV micro-LED)技术的成熟, 其较高的外量子效率和良好的可靠性展示出应用于电荷管理系统的潜力, 是未来电荷管理系统可选择的紫外光源之一.
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全无机CsPbX3材料作为一种新型的钙钛矿材料应用于太阳能电池具有生产高效、稳定的商用器件的潜在前景,但由空穴传输材料和贵金属电极所带来的成本和稳定性问题却亟需解决,由此基于无空穴传输层结构(HTL-free)的全无机体系的碳基钙钛矿太阳能电池(C-PSCs)引起了广泛关注。本文通过精细调控X位卤素阴离子中I和Br的比例,基于一步反溶剂法,在大气环境下制备CsPbIxBr3-x薄膜和HTL-free C-PSCs,找到兼顾效率和稳定的平衡点。之后,为进一步提高相应器件的性能,将苯乙基溴化胺(PEABr)引入钙钛矿中,最终基于PEABr处理后的钙钛矿薄膜具有更好的结晶度以及更低的缺陷态密度,而生成少量二维钙钛矿能够钝化钙钛矿薄膜,并抑制载流子的非辐射复合。通过适量PEABr处理后,器件的光电转换效率(PCE)显著增强,从对照组最佳器件的10.18%提高到12.61%。由此,该方法为大气环境下制备高效率、低成本的HTL-free C-PSCs提供了优化思路。
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量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术因其在确保通信安全方面的潜力而备受关注,但其在大规模网络中的应用受限于量子资源的稀缺性和低效的利用率。尤其在Ekert91协议中,尽管利用了纠缠态对进行密钥生成,实际参与密钥生成的纠缠对数量有限,导致资源利用率不高。为了克服这一挑战,本文提出一种基于多尺度纠缠重整化假设(Multiscale Entanglement Renormalization Ansatz,MERA)的QKD优化方案,以提高纠缠资源的利用效率。该方案利用MERA的分层结构和多体态压缩特性,有效减少量子存储需求,并显著提升纠缠对的利用率。实验模拟显示,在相同的加密请求(1024比特)和物理条件下,与传统方法相比,本文的方案节省了124,151对纠缠资源,既显著提高了资源的利用效率,又未降低密钥生成过程的安全性,有助于推动QKD技术在资源受限的环境中进一步发展和应用。
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随着量子信息技术的发展,多用户量子纠缠密钥分发网络受到越来越多的关注。其中,多波长量子光源是建立多用户连接的关键器件。尽管近年来在多波长量子光源的研究上取得了显著的进展,但受限于非线性光学器件的设计和制备技术,增加量子光源的输出波长数仍然具有挑战性。本文系统分析了氮化硅微环谐振腔的色散和尺寸等关键参数;设计并制备得到了自由光谱范围为20 GHz的氮化硅微环谐振腔,实验测试了氮化硅微环腔中产生量子关联光子对的产生和输出特性。实验结果表明,该光源在25.6 nm的波长范围内实现了71对波长上的关联光子对产生。
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