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润湿性影响薄液膜沸腾传热的分子动力学研究
白璞, 王登甲, 刘艳峰
2024, 73 (9): 090201.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
纳米尺度下表面润湿性如何影响薄液膜沸腾传热仍是一个具有挑战性的研究. 本研究采用分子动力学方法探讨壁面润湿性影响纳米尺度薄液膜沸腾换热的机制. 结果发现: 亲水表面能够显著地提升沸腾换热性能, 有较早的沸腾起始时间, 较高的升温速率、热流密度和界面导热率, 以及较小的界面热阻. 通过建立二维表面势能模型, 揭示表面润湿性影响纳米尺度沸腾换热的机理. 亲水壁面的表面势能为–0.34 eV, 而疏水壁面的表面势能仅为–0.09 eV, 提升表面润湿性强化沸腾传热的本质原因是表面势能绝对值的提高. 此外, 通过计算分子间的相互作用能, 揭示了纳米尺度下亲疏水壁面的成核机理. 水分子-亲水壁面、水分子-疏水壁面和水分子内部的相互作用能分别为1.57, 0.26和0.48 eV/nm2. 亲水表面的界面能大于水分子内部的相互作用能, 因此亲水表面上气泡成核发生在水膜内部; 疏水表面上的界面能比水分子内部的相互作用能弱, 疏水表面的气泡成核发生在固/液界面处. 本研究揭示了表面润湿性如何影响纳米尺度薄液膜沸腾传热和气泡成核的主要机制.

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基于空间分辨法分析时间低相干光自聚焦效应
单翀, 孔令豹, 崔勇, 季来林, 赵晓晖, 李福建, 饶大幸, 赵元安, 隋展, 邵建达
2024, 73 (9): 090601.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性, 在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注. 然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大. 同时, 传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中, 多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生, 这为对比不同激光的非线性效应带来巨大影响. 本文利用短焦距透镜对熔石英进行紧聚焦, 通过调节入射激光能量, 在避免前表面损伤的前提下, 诱导熔石英产生自聚焦成丝损伤. 随后通过理论计算对光束在样品体内传输过程的光斑变化进行空间分辨处理, 并得到对应细分位置的非线性数值. 最终将各个位置对应的非线性相位变化值进行积分, 得到前表面无损条件下材料的非线性自聚焦特征数值. 测试结果表明时间低相干光的非线性自聚焦效应比传统单模脉冲激光更强. 本文不仅设计了一套更加精确的对比不同激光非线性效应的测试方法, 同时也探明了时间相干性对于非线性自聚焦效应的影响机制, 为高功率时间低相干激光器的设计提供理论依据和参考.
中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算
曹嵩, 殷雯, 周斌, 胡志良, 沈飞, 易天成, 王松林, 梁天骄
2024, 73 (9): 092501.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
中国散裂中子源一期工程于2018年通过国家验收, 当前束流功率已经达到140 kW. 为进一步提高靶站慢化器输出中子强度, 已经提出中国散裂中子源二期500 kW功率升级计划. 靶站关键部件长期受到高通量、高能量的粒子辐照, 会产生较强的辐照损伤, 影响着这些部件的使用寿命. 本文首先使用PHITS3.33程序计算了钨、SS316不锈钢、6061铝合金3种材料的质子和中子原子离位截面以及氢、氦的产生截面, 并分析了NRT (Norgett-Robinson-Torrens )模型和热平衡前原子复位修正(athermal recombination corrected, ARC)模型对材料离位损伤的影响. 在此基础上结合中国散裂中子源二期靶站基线模型计算了靶站关键部件在500 kW的束流功率下运行5000 h产生的原子离位次数(displacement per atom, DPA)以及氢、氦的产额. 计算结果表明, 钨靶受辐照后产生的NRT-dpa, ARC-dpa, H和He产额最大值分别为8.01 dpa/y (1 y = 2500 MW·h), 2.39 dpa/y, 5110 appm/y (atom parts per million, appm, 每百万原子中产生该原子的个数)和884 appm/y. 同样也计算了靶容器、慢化器反射体容器和质子束窗的辐照损伤值, 根据这些部件的辐照损伤值预估了各自的使用寿命. 这些结果对分析中国散裂中子源二期靶站关键部件的辐照损伤情况, 构建合理的维护方案有着十分重要的意义.

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镱原子超精细诱导5d6s 3D1,3→6s2 1S0 E2跃迁及超精细常数的精确计算
赵国栋, 曹进, 梁婷, 冯敏, 卢本全, 常宏
2024, 73 (9): 093101.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
在镱原子中, 利用$ {\rm 5d6s \; {^3D_1} \to 6s^2 \; {^1S_0}} $跃迁探索宇称破缺效应已经得到了深入的研究. 但是$ {\rm 5d6s\; {^3D_1}} $态与基态$ {\rm 6s^2 \; {^1S_0}} $之间的M1跃迁和超精细诱导E2跃迁很大程度上影响了宇称破缺信号的探测. 因此, 很有必要精确计算$ {\rm 5d6s\; {^3D_1}} $态与基态$ {\rm 6s^2\; {^1S_0}} $之间的M1跃迁和超精细诱导E2跃迁的跃迁概率. 本文利用多组态Dirac-Hartree-Fock理论精确计算了$ {\rm 5d6s \; {^3D_1} \to 6s^2 \; {^1S_0}} $ M1跃迁和超精细诱导$ {\rm 5d6s \; ^3D_{1,3} \to 6s^2 \; {^1S_0}} $ E2跃迁的跃迁概率. 计算时详细分析了电子关联效应对跃迁概率的影响. 此外, 还分析了不同微扰态和不同超精细相互作用对跃迁概率的影响. 本文计算的$ {\rm ^3D_{1,2,3}} $$ {\rm ^1D_2} $ 态的超精细常数与实验测量结果符合得很好, 从而证明了本文所用计算模型的合理性. 结合实验测量的超精细常数和本文理论计算所得的核外电子在原子核处的电场梯度, 重新评估了$ ^{173} $Yb原子核电四极矩$ Q = 2.89(5)\; \rm {b} $, 评估结果与目前被推荐的结果符合得很好.

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电场方向对一维断裂纳米通道连接处水桥结构的影响
孟现文
2024, 73 (9): 093102.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
电场影响纳米通道内的水分子的电偶极矩取向, 进而影响纳米通道内的水分子的传输. 为了有效发掘水分子在纳米通道内的传输特点, 必须研究更复杂的纳米通道结构. 最新一种构造复杂纳米通道的方式是构造断裂纳米通道. 在研究断裂纳米通道内的水分子的动力学特点时, 通常是在零电场或单一电场方向下进行的, 电场方向对断裂纳米通道内的水分子的影响机理尚不明确, 这制约了部分场控分子器件的设计. 为了探究该问题, 本文采用分子动力学模拟方法, 系统研究了电场方向从0°变化到180°的过程中, 电场方向对完整纳米通道以及断裂长度分别为0.2和0.4 nm的断裂纳米通道内的水分子的占据数、传输、水桥、电偶极矩偏向等性质的影响. 结果表明, 在1 V/nm的电场强度作用下, 这三种纳米通道内的水分子的占据数、传输等差别主要集中在电场方向与管轴夹角为90°时, 此时完整纳米通道内能形成稳定的水链, 断裂长度为0.2 nm的纳米通道的连接处能形成不稳定的水桥, 而断裂长度为0.4 nm的纳米通道的连接处不能形成水桥. 此外, 模拟发现当电场极化方向与管轴夹角为90°时, 增大电场的强度, 断裂纳米通道连接处的水桥更容易断裂.
反旋双色椭圆偏振激光场中Ar原子的非序列双电离
葛振杰, 苏旭, 白丽华
2024, 73 (9): 093201.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
利用经典系综方法研究了不同椭偏率的反旋双色椭圆偏振(two-color elliptically polarized, TCEP)激光场中Ar原子非序列双电离(nonsequential double ionization, NSDI)的电子关联特性和再碰撞动力学. 不同于反旋双色圆偏振激光场, 反旋TCEP激光场不再具有空间对称性, 返回电子主要从一个方向返回母离子, 从而导致电子动量分布表现出很强的不对称性. 数值结果显示随着椭偏率的增大, Ar原子NSDI的产量逐渐减小, 并且电子对在椭圆偏振激光场长轴方向上的关联电子动量分布, 从主要位于第一和第三象限的正相关逐渐演变为主要位于第二和第四象限的反相关. 通过对不同特征时间的统计分析表明, 随着椭偏率的增大, 旅行时间和返回电子的重碰撞能量逐渐减小, 而延迟时间却增大, 这是电子对关联特性发生变化的主要原因. 此外, 进一步分析发现, 无论是“短轨迹”还是“长轨迹”, 椭偏率的增大都会使两个电子由同向出射逐渐转变为反向出射, 这表明椭偏率和旅行时间都影响着电子的出射方向.
基于里德伯原子Stark效应射频电场测量灵敏度研究
韩小萱, 孙光祖, 郝丽萍, 白素英, 焦月春
2024, 73 (9): 093202.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
里德伯原子极化率大, 在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移, 可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究. 采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型, 计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱, 修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子的DC Stark离子能谱拟合, 在获得60D5/2和70D5/2里德伯原子态极化率$ {\alpha _{{\text{DC}}}} $的同时实现低频弱场灵敏度的计算. 并计算了Cs里德伯原子60D5/2态频率在0—500 GHz范围内振荡电场中的AC Stark能级频移量, 对里德伯原子传感器在其宽光谱范围内的灵敏度进行定量分析, 实现任意场频率最佳灵敏度的计算, 为里德伯原子传感器的研究提供理论基础.
基于T形四周期谐振慢波结构的X波段高功率微波产生技术的理论与仿真
骆新耀, 薛宇哲, 徐彻, 杜创洲, 刘庆想
2024, 73 (9): 094101.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
优化设计了T形四周期谐振慢波结构, 并进行了高频理论分析. 利用镜像法将T形波导单元进行脊波导化等效设计, 并通过等效电路分析了等效脊波导的高频特性, 由此进行T形波导的谐振频率与结构解析理论分析. 在此基础上构造了T形四周期谐振慢波结构, 对该结构进行色散特性分析, 确定谐振模式和频率, 得到了模式同步电压范围. 最后基于提出的T形周期谐振慢波结构进行对应的相对论扩展互作用辐射源的仿真验证. 通过三维粒子仿真模拟分析及优化设计, 在448 kV注电压、400 A注电流和0.4 T的均匀轴向磁场条件下, 得到了频率为9.8 GHz、平均输出功率71.4 MW的高功率微波, 对应电子效率为39.8%. 本文提出的以T形波导为单元的新型谐振慢波结构有效地利用较少周期实现高效率、高功率微波产生, 为高功率微波科学提供了有效的高频结构的紧凑化方案.

封面文章

三维空间轨道角动量全息
贾谊成, 张福荣, 张景风, 孔令军, 张向东
2024, 73 (9): 094202.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
光的轨道角动量自由度已被作为一种新的信息载体用于光全息信息处理技术之中. 然而, 目前关于轨道角动量全息技术的研究主要集中在二维轨道角动量全息, 即重构的二维全息图像位于三维空间中的某一个平面内. 如何进一步实现三维空间轨道角动量全息技术并将其用于增加全息通信的信息容量仍然是一个空白. 本文基于轨道角动量自由度和重构的二维图像在三维空间中的位置自由度, 实现了三维空间轨道角动量全息技术. 换言之, 在我们实现的三维空间轨道角动量全息中, 目标物体图像的获得不仅要求使用正确的解码轨道角动量态, 还要求在正确的空间位置来探测物体的图像. 此外, 还进一步研究了三维空间轨道角动量全息复用技术, 并指出该复用技术可用于信息加密. 与传统的二维轨道角动量全息技术相比, 三维空间轨道角动量全息技术使用了额外的自由度, 即成像的空间位置. 因此, 基于三维空间轨道角动量全息技术的加密方案可以进一步提高信息的安全等级. 我们的理论模拟结果和实验结果验证了三维空间轨道角动量全息技术以及三维空间轨道角动量全息加密技术的可行性.
基于VMD-ICA的水下激光雷达抗散射信号处理方法
李朝锋, 王振, 刘欣宇, 杨苏辉, 徐震, 樊超阳
2024, 73 (9): 094203.  出版时间: 2024-05-05
摘要 +
提出一种基于变分模态分解(VMD)与独立元分析(ICA)相结合的水下信号处理方法. 该方法运用VMD将一组回波信号分解为多组按照频率高低顺序排列的本征模态信号. 然后, 将这些模态信号作为ICA的观测矩阵, 以确保分离所得目标回波信号的完整性. 该方法提出将分解所得的各层模态信号与原信号进行相关性和信杂比比较, 以确定其分解层数. 应用ICA方法对散射与目标回波进行分离, 从而恢复强散射水体中的微弱目标回波, 大大提高其测距精度. 进行不同衰减长度水体的532 nm调频连续光水下测距实验. 经实验验证, 该信号处理方法在激光输出功率2.3 W时, 成功实现对9个衰减长度内目标的测量, 使用算法将测距精度由16 cm 提升至5 cm以内.
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