2012年 61卷 第16期
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2012, 61(16): 160201.
doi: 10.7498/aps.61.160201
摘要:
静态最短路径问题已经得到很好解决, 然而现实中的网络大多具有动态性和随机性. 网络弧和节点的状态及耗费不仅具有不确定性且相互关联, 弧和节点的耗费都服从一定的概率分布, 因此把最短路径问题看作是一个动态随机优化问题更具有一般性. 文中分析了网络弧和节点的动态随机特性及其相互关系, 定义了动态随机最短路径; 给出了动态随机最短路径优化数学模型, 提出了一种动态随机最短路径遗传算法; 针对网络的拓扑特性设计了高效合理的遗传算子. 实验结果表明, 文中提出的模型和算法能有效地解决动态随机最短路径问题, 可以运用到交通、通信等网络的网络流随机优化问题中.
静态最短路径问题已经得到很好解决, 然而现实中的网络大多具有动态性和随机性. 网络弧和节点的状态及耗费不仅具有不确定性且相互关联, 弧和节点的耗费都服从一定的概率分布, 因此把最短路径问题看作是一个动态随机优化问题更具有一般性. 文中分析了网络弧和节点的动态随机特性及其相互关系, 定义了动态随机最短路径; 给出了动态随机最短路径优化数学模型, 提出了一种动态随机最短路径遗传算法; 针对网络的拓扑特性设计了高效合理的遗传算子. 实验结果表明, 文中提出的模型和算法能有效地解决动态随机最短路径问题, 可以运用到交通、通信等网络的网络流随机优化问题中.
2012, 61(16): 160301.
doi: 10.7498/aps.61.160301
摘要:
研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.
研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.
2012, 61(16): 160302.
doi: 10.7498/aps.61.160302
摘要:
在经典电动力学框架下对磁各向异性介质中的电磁辐射问题进行研究, 得到了电偶极子在磁各向异性介质中的辐射功率表达式. 当介质为磁各向同性时其结果与文献报道的结果相符合, 验证了推导结果的正确性. 利用本文结果可对电偶极子在磁各向异性介质中的辐射效果做出判断, 而且对于进一步研究磁各向异性介质的电磁特性、更有效地开发利用磁各向异性介质具有实际意义.
在经典电动力学框架下对磁各向异性介质中的电磁辐射问题进行研究, 得到了电偶极子在磁各向异性介质中的辐射功率表达式. 当介质为磁各向同性时其结果与文献报道的结果相符合, 验证了推导结果的正确性. 利用本文结果可对电偶极子在磁各向异性介质中的辐射效果做出判断, 而且对于进一步研究磁各向异性介质的电磁特性、更有效地开发利用磁各向异性介质具有实际意义.
2012, 61(16): 160303.
doi: 10.7498/aps.61.160303
摘要:
为提高过程神经网络的逼近和泛化能力, 从研究过程神经元信息处理的量子计算实现机理入手, 提出基于量子旋转门及多位受控非门的物理意义构造量子过程神经元的新思想. 将离散化后的过程式输入信息作为受控非门的控制位, 经过量子旋转门作用后控制目标量子位的状态, 以目标量子位处于状态|1概率幅作为量子过程神经元的输出. 以量子过程神经元为隐层, 普通神经元为输出层, 可构成量子过程神经网络. 基于量子计算机理推导了该模型的学习算法. 将该模型用于太阳黑子数年均值预测, 应用结果表明, 所提方法与普通过程神经网络相比, 预测精度有所提高, 对于复杂预测问题具有一定理论意义和实用价值.
为提高过程神经网络的逼近和泛化能力, 从研究过程神经元信息处理的量子计算实现机理入手, 提出基于量子旋转门及多位受控非门的物理意义构造量子过程神经元的新思想. 将离散化后的过程式输入信息作为受控非门的控制位, 经过量子旋转门作用后控制目标量子位的状态, 以目标量子位处于状态|1概率幅作为量子过程神经元的输出. 以量子过程神经元为隐层, 普通神经元为输出层, 可构成量子过程神经网络. 基于量子计算机理推导了该模型的学习算法. 将该模型用于太阳黑子数年均值预测, 应用结果表明, 所提方法与普通过程神经网络相比, 预测精度有所提高, 对于复杂预测问题具有一定理论意义和实用价值.
2012, 61(16): 160304.
doi: 10.7498/aps.61.160304
摘要:
研究双光子跃迁的双Jaynes-Cummings模型中, 两原子初始处于最大纠缠态、光场初始处于单模热态时的原子纠缠动力学, 考虑双光子过程中的Stark位移、热光场的平均光子数对原子纠缠的影响. 结果表明: 不考虑Stark位移时, 两原子在系统演化过程中周期性地出现退纠缠现象, 而考虑Stark位移时, 两原子长时间地纠缠. 特别是当Stark位移参数取值较大且热光场的平均光子数值比较小时, 两原子能保持 稳定地纠缠. 这些结果表明, 可以利用Stark位移对热环境下双Jaynes-Cummings模型中的原子纠缠进行调控.
研究双光子跃迁的双Jaynes-Cummings模型中, 两原子初始处于最大纠缠态、光场初始处于单模热态时的原子纠缠动力学, 考虑双光子过程中的Stark位移、热光场的平均光子数对原子纠缠的影响. 结果表明: 不考虑Stark位移时, 两原子在系统演化过程中周期性地出现退纠缠现象, 而考虑Stark位移时, 两原子长时间地纠缠. 特别是当Stark位移参数取值较大且热光场的平均光子数值比较小时, 两原子能保持 稳定地纠缠. 这些结果表明, 可以利用Stark位移对热环境下双Jaynes-Cummings模型中的原子纠缠进行调控.
2012, 61(16): 160401.
doi: 10.7498/aps.61.160401
摘要:
研究了轨道和旋转效果到2.5阶后牛顿旋转致密双星拉格朗日动力学与引力波的关系, 分析了有序和混沌轨道的引力波特征.发现当加速度不考虑辐射项时, 有序双星系统辐射的引力波具有周期或拟周期的特征, 而混沌双星系统辐射的引力波却具有明显的混沌特征.当加速度含有辐射项贡献时, 双星必会出现并合现象.此时, 原保守有序双星系统需较长时间才能完成并合过程, 引力波形在双星并合前仍保留拟周期的基本特点;然而, 原保守混沌双星系统仅在较短时间内就会并合, 但因并合时间太短, 无法获取足够的动力学信息导致引力波形的特征不易分辨.
研究了轨道和旋转效果到2.5阶后牛顿旋转致密双星拉格朗日动力学与引力波的关系, 分析了有序和混沌轨道的引力波特征.发现当加速度不考虑辐射项时, 有序双星系统辐射的引力波具有周期或拟周期的特征, 而混沌双星系统辐射的引力波却具有明显的混沌特征.当加速度含有辐射项贡献时, 双星必会出现并合现象.此时, 原保守有序双星系统需较长时间才能完成并合过程, 引力波形在双星并合前仍保留拟周期的基本特点;然而, 原保守混沌双星系统仅在较短时间内就会并合, 但因并合时间太短, 无法获取足够的动力学信息导致引力波形的特征不易分辨.
2012, 61(16): 160501.
doi: 10.7498/aps.61.160501
摘要:
提出了一种分段线性双稳态模型, 推导了模型的解析关系及其输出信噪比, 通过对该模型与连续双稳态模型的对比分析和仿真实验, 证明了该模型的优越性.该模型具有参数之间相互独立、易于调节的特点. 在对模型分析与数值仿真的基础上, 通过电路对强噪声背景下的微弱周期信号检测进行了实验研究. 结果表明分段线性随机共振模型能够有效实现对微弱周期信号的检测, 并能显著增强输出信噪比.
提出了一种分段线性双稳态模型, 推导了模型的解析关系及其输出信噪比, 通过对该模型与连续双稳态模型的对比分析和仿真实验, 证明了该模型的优越性.该模型具有参数之间相互独立、易于调节的特点. 在对模型分析与数值仿真的基础上, 通过电路对强噪声背景下的微弱周期信号检测进行了实验研究. 结果表明分段线性随机共振模型能够有效实现对微弱周期信号的检测, 并能显著增强输出信噪比.
2012, 61(16): 160502.
doi: 10.7498/aps.61.160502
摘要:
用数值模拟方法对具有调制信号的单模激光系统进行了研究, 分析了在阈值附近和远离阈值两种工作方式下的输出信噪比、输出信号功率、 背景噪声功率,并与线性化近似结果进行了对比. 研究发现,激光在阈值附近工作时,输出信噪比会随着量子 噪声的增大出现随机共振现象,这一现象不要求泵噪声与量子噪 声存在关联,但噪声之间的关联会进一步增大信噪比;在远离阈值时, 只有噪声间存在关联时才会发生随机共振现象.研究还发现噪声也 会影响输出信号的功率.
用数值模拟方法对具有调制信号的单模激光系统进行了研究, 分析了在阈值附近和远离阈值两种工作方式下的输出信噪比、输出信号功率、 背景噪声功率,并与线性化近似结果进行了对比. 研究发现,激光在阈值附近工作时,输出信噪比会随着量子 噪声的增大出现随机共振现象,这一现象不要求泵噪声与量子噪 声存在关联,但噪声之间的关联会进一步增大信噪比;在远离阈值时, 只有噪声间存在关联时才会发生随机共振现象.研究还发现噪声也 会影响输出信号的功率.
2012, 61(16): 160503.
doi: 10.7498/aps.61.160503
摘要:
通过专用电力电子仿真软件进行电路仿真, 定性分析了固定关断时间(fixed off-time, FOT)控制Buck变换器输出电压相位滞后于电感电流相位的原因及其引发脉冲簇发现象的机理, 探讨了如何调整输出电容等效串联电阻(equivalent series resistance, ESR)的大小来消除这些复杂非线性现象, 并定量给出了FOT控制Buck变换器处于稳定工作状态时的ESR临界值.结果表明, 输出电容ESR对FOT控制Buck变换器工作状态的影响较大, 当ESR小于临界值时, 输出电压相位滞后于电感电流相位, 发生脉冲簇发现象;而当ESR大于临界值时, 输出电压与电感电流的变化保持同步, 脉冲簇发现象消失.通过描述函数法建立了参考电压至输出电压的传递函数, 由Routh-Hurwitz判据说明了ESR临界值是FOT控制Buck变换器的失稳条件.
通过专用电力电子仿真软件进行电路仿真, 定性分析了固定关断时间(fixed off-time, FOT)控制Buck变换器输出电压相位滞后于电感电流相位的原因及其引发脉冲簇发现象的机理, 探讨了如何调整输出电容等效串联电阻(equivalent series resistance, ESR)的大小来消除这些复杂非线性现象, 并定量给出了FOT控制Buck变换器处于稳定工作状态时的ESR临界值.结果表明, 输出电容ESR对FOT控制Buck变换器工作状态的影响较大, 当ESR小于临界值时, 输出电压相位滞后于电感电流相位, 发生脉冲簇发现象;而当ESR大于临界值时, 输出电压与电感电流的变化保持同步, 脉冲簇发现象消失.通过描述函数法建立了参考电压至输出电压的传递函数, 由Routh-Hurwitz判据说明了ESR临界值是FOT控制Buck变换器的失稳条件.
2012, 61(16): 160504.
doi: 10.7498/aps.61.160504
摘要:
针对海杂波背景下小目标检测对海情依赖性强的问题, 本文采用分数布朗运动模型对实测海杂波建模, 结合多重分形去势波动分析法确定分形参数, 分析了海杂波的单尺度、多重分形特性. 在单尺度分形的基础上, 利用表征海杂波分形特征的分数维和Hurst指数构建了分形差量, 提出了基于分形差量的小目标检测方法;在多重分形基础上, 比较了两种海杂波的高尺度多重分形特性. 结果表明, 当尺度q 10时, 纯海杂波的多重分形参数H(q) 0, 而存在小目标的H(q) 0, 此差异性为高尺度分形参数的海杂波背景小目标检测提供了判定依据. 所研究的两种方法均能实现不同海情下的小目标检测.
针对海杂波背景下小目标检测对海情依赖性强的问题, 本文采用分数布朗运动模型对实测海杂波建模, 结合多重分形去势波动分析法确定分形参数, 分析了海杂波的单尺度、多重分形特性. 在单尺度分形的基础上, 利用表征海杂波分形特征的分数维和Hurst指数构建了分形差量, 提出了基于分形差量的小目标检测方法;在多重分形基础上, 比较了两种海杂波的高尺度多重分形特性. 结果表明, 当尺度q 10时, 纯海杂波的多重分形参数H(q) 0, 而存在小目标的H(q) 0, 此差异性为高尺度分形参数的海杂波背景小目标检测提供了判定依据. 所研究的两种方法均能实现不同海情下的小目标检测.
2012, 61(16): 160505.
doi: 10.7498/aps.61.160505
摘要:
提出外部光注入空间耦合半导体激光器系统,研究 外部光注入两激光器混沌振荡频率增强以及混沌控制等特点, 给出稳定频率失谐公式.研究表明,当单激光器注入时,注入激光器 呈现出三个混沌扩频区域;发现在强激光注入条件下,随着注入程度的 增加,注入激光器混沌振荡频率增强非常有效且可达到 3.5倍以上(尽管另一个激光器频率会缓慢下降); 随着注入光正频率失谐的增加,两激光器混沌振荡都能进一步增 强;发现混沌控制窗口,即在弱注入条件下两激光器可以被控制到单周 期、双周期、四周期、六周期等.当双激光器注入时,随着注入程度 的增加,两激光器混沌振荡频率 进一步增加, 且可达到3.5倍和2.65倍以上; 随着注入光正频率失谐增加, 两激光器混沌振荡频率增加.双激光器注 入控制混沌的一个窗口也被发现:即在强注入条件下两激光器可以被 控制到单周期、三周期、六周期等.最后详细给出了单激光注入系 统从单周期模式锁定到类周期再进入混沌增频的发展路径以及双 激光注入系统从混沌到类周期再进入单周期模式锁定的演化控制路径等.
提出外部光注入空间耦合半导体激光器系统,研究 外部光注入两激光器混沌振荡频率增强以及混沌控制等特点, 给出稳定频率失谐公式.研究表明,当单激光器注入时,注入激光器 呈现出三个混沌扩频区域;发现在强激光注入条件下,随着注入程度的 增加,注入激光器混沌振荡频率增强非常有效且可达到 3.5倍以上(尽管另一个激光器频率会缓慢下降); 随着注入光正频率失谐的增加,两激光器混沌振荡都能进一步增 强;发现混沌控制窗口,即在弱注入条件下两激光器可以被控制到单周 期、双周期、四周期、六周期等.当双激光器注入时,随着注入程度 的增加,两激光器混沌振荡频率 进一步增加, 且可达到3.5倍和2.65倍以上; 随着注入光正频率失谐增加, 两激光器混沌振荡频率增加.双激光器注 入控制混沌的一个窗口也被发现:即在强注入条件下两激光器可以被 控制到单周期、三周期、六周期等.最后详细给出了单激光注入系 统从单周期模式锁定到类周期再进入混沌增频的发展路径以及双 激光注入系统从混沌到类周期再进入单周期模式锁定的演化控制路径等.
2012, 61(16): 160506.
doi: 10.7498/aps.61.160506
摘要:
针对一类分数阶混沌系统的同步问题,基于分数阶系统的类Lyapunov稳定性理论,设计了一种新的自适应同步控制器以及控制增益系数自适应律.与现有结果相比,该方法具有控制器结构简单、控制代价小以及通用性强等特点,可适用于大部分典型的分数阶混沌系统.最后,数值仿真结果验证了所提方法运用于分数阶混沌系统同步研究的有效性.
针对一类分数阶混沌系统的同步问题,基于分数阶系统的类Lyapunov稳定性理论,设计了一种新的自适应同步控制器以及控制增益系数自适应律.与现有结果相比,该方法具有控制器结构简单、控制代价小以及通用性强等特点,可适用于大部分典型的分数阶混沌系统.最后,数值仿真结果验证了所提方法运用于分数阶混沌系统同步研究的有效性.
2012, 61(16): 160507.
doi: 10.7498/aps.61.160507
摘要:
针对一类参量未知的混沌系统构成结构不确定的网络, 选择了适当的滑模面, 通过对未知参量的识别和滑模控制器的设计, 最终实现了整个网络对外部信号的追踪同步. 仿真结果表明, 网络中所有的状态变量同步追踪了外部输入信号的轨迹, 验证了该同步方法的有效性.
针对一类参量未知的混沌系统构成结构不确定的网络, 选择了适当的滑模面, 通过对未知参量的识别和滑模控制器的设计, 最终实现了整个网络对外部信号的追踪同步. 仿真结果表明, 网络中所有的状态变量同步追踪了外部输入信号的轨迹, 验证了该同步方法的有效性.
2012, 61(16): 160508.
doi: 10.7498/aps.61.160508
摘要:
对边界滑移条件下薄膜去湿不稳定性用热力学方法进行了研究, 即在求解的过程中带入边界滑移条件, 得到描述的薄膜去湿不稳定性的特征长度的统一形式, 并比较了忽略Marangoni效应情况下的薄膜 去湿不稳定性和考虑Marangoni效应情况下的去湿不稳定性.
对边界滑移条件下薄膜去湿不稳定性用热力学方法进行了研究, 即在求解的过程中带入边界滑移条件, 得到描述的薄膜去湿不稳定性的特征长度的统一形式, 并比较了忽略Marangoni效应情况下的薄膜 去湿不稳定性和考虑Marangoni效应情况下的去湿不稳定性.
2012, 61(16): 160509.
doi: 10.7498/aps.61.160509
摘要:
通过线性稳定性分析,得到了多前车速度差模型的稳定性条件, 并发现通过调节多前车信息,使交通流的稳定区域明显扩大. 通过约化摄动方法 研究了该模型的非线性动力学特性:在稳定流区域,得到了描述密度波的Burgers方程;在交 通流的不稳定区域内,在临界点附近获得了描述车头间距的修正的Korteweg-de Vries (modified Korteweg-de Vries, mKdV)方程; 在亚稳态区域内,在中性稳定曲线附近获得了描述车头间距 的KdV方程. Burgers的孤波解、mKdV方程的扭结-反扭结波解及KdV方程的 孤波解描述了交通流堵塞现象.
通过线性稳定性分析,得到了多前车速度差模型的稳定性条件, 并发现通过调节多前车信息,使交通流的稳定区域明显扩大. 通过约化摄动方法 研究了该模型的非线性动力学特性:在稳定流区域,得到了描述密度波的Burgers方程;在交 通流的不稳定区域内,在临界点附近获得了描述车头间距的修正的Korteweg-de Vries (modified Korteweg-de Vries, mKdV)方程; 在亚稳态区域内,在中性稳定曲线附近获得了描述车头间距 的KdV方程. Burgers的孤波解、mKdV方程的扭结-反扭结波解及KdV方程的 孤波解描述了交通流堵塞现象.
2012, 61(16): 160510.
doi: 10.7498/aps.61.160510
摘要:
基于Lyapunov稳定性理论和分数阶系统稳定理论以 及分数阶非线性系统性质,提出了一种用来判定分数阶混沌系统是 否稳定的新的判定定理,并把该理论运用于对分数阶混沌系统的控制与 同步,同时给出了数学证明过程,严格保证了该方法的正确性与一般适用性. 运用所提出的稳定性定理,实现了异结构分数阶混沌系统的投影同步. 对分数阶Lorenz混沌系统与分数阶Liu混沌系统实现了投影同步; 针对四维超混沌分数阶系统,也实现了异结构投影同步. 该稳定性定理避 免了求解分数阶平衡点以及Lyapunov指数的问题,从而可以方便地选 择出控制律,并且所得的控制器结构简单、适用范围广. 数值仿真的结果取得了预期的效果,进一步验证了这一稳定性定理的 正确性及普遍适用性.
基于Lyapunov稳定性理论和分数阶系统稳定理论以 及分数阶非线性系统性质,提出了一种用来判定分数阶混沌系统是 否稳定的新的判定定理,并把该理论运用于对分数阶混沌系统的控制与 同步,同时给出了数学证明过程,严格保证了该方法的正确性与一般适用性. 运用所提出的稳定性定理,实现了异结构分数阶混沌系统的投影同步. 对分数阶Lorenz混沌系统与分数阶Liu混沌系统实现了投影同步; 针对四维超混沌分数阶系统,也实现了异结构投影同步. 该稳定性定理避 免了求解分数阶平衡点以及Lyapunov指数的问题,从而可以方便地选 择出控制律,并且所得的控制器结构简单、适用范围广. 数值仿真的结果取得了预期的效果,进一步验证了这一稳定性定理的 正确性及普遍适用性.
2012, 61(16): 160701.
doi: 10.7498/aps.61.160701
摘要:
基于超短激光脉冲与气体作用通过光场离化电流产生太赫兹(THz)辐射的模型, 研究了用双色激光脉冲的方法产生强THz辐射的优化参数条件. 数值计算表明, 导致THz辐射产生的离化电流主要是由一阶电离过程产生的, 高阶离化对该电流产生的贡献很小. 通过调节基频光与倍频光的配比、相位差都能增大离化电流, 从而可以提高THz辐射振幅. 将激光波长拓展到中红外波段, 也有利于提高离化电流. 此外,改变作用气体的种类也能改变离化电流. 在激光和密度参数相等的情况下, 在氦气中可以产生高于氮气中2倍左右的离化电流.
基于超短激光脉冲与气体作用通过光场离化电流产生太赫兹(THz)辐射的模型, 研究了用双色激光脉冲的方法产生强THz辐射的优化参数条件. 数值计算表明, 导致THz辐射产生的离化电流主要是由一阶电离过程产生的, 高阶离化对该电流产生的贡献很小. 通过调节基频光与倍频光的配比、相位差都能增大离化电流, 从而可以提高THz辐射振幅. 将激光波长拓展到中红外波段, 也有利于提高离化电流. 此外,改变作用气体的种类也能改变离化电流. 在激光和密度参数相等的情况下, 在氦气中可以产生高于氮气中2倍左右的离化电流.
2012, 61(16): 160702.
doi: 10.7498/aps.61.160702
摘要:
通过对基于空间相干源和具有分析光栅功能的X射线转换屏的微分干涉X射线相位衬度成像 系统的理论分析, 利用线发射体阵列结构阳极X射线管和光助电化学刻蚀技术 研制的相位光栅和具有分析光栅功能的X射线转换屏, 组建了一种无吸收光栅的X射线微分干涉相衬成像系统. 在此系统上开展了生物样品的实验研究, 获得了较传统吸收成像更为清晰和更多样品结构信息的相位衬度图像. 从而试验验证了该系统方案设计的可行性, 为X射线相衬成像技术从实验室走向临床应用提供了有效途径.
通过对基于空间相干源和具有分析光栅功能的X射线转换屏的微分干涉X射线相位衬度成像 系统的理论分析, 利用线发射体阵列结构阳极X射线管和光助电化学刻蚀技术 研制的相位光栅和具有分析光栅功能的X射线转换屏, 组建了一种无吸收光栅的X射线微分干涉相衬成像系统. 在此系统上开展了生物样品的实验研究, 获得了较传统吸收成像更为清晰和更多样品结构信息的相位衬度图像. 从而试验验证了该系统方案设计的可行性, 为X射线相衬成像技术从实验室走向临床应用提供了有效途径.
2012, 61(16): 162901.
doi: 10.7498/aps.61.162901
摘要:
依据实际器件尺寸, 建立了带螺旋支撑杆的同轴磁绝缘传输线三维数值模拟模型; 选取合适的二极管阴阳极间距作为传输线负载; 设置相应的模拟参数对其进行模拟. 将模拟结果与实验数据进行对比, 证明了模拟的可靠性; 并结合相应的实验数据, 分析了同轴磁绝缘传输线在加入螺旋支撑结构后 对其传输效率的影响.
依据实际器件尺寸, 建立了带螺旋支撑杆的同轴磁绝缘传输线三维数值模拟模型; 选取合适的二极管阴阳极间距作为传输线负载; 设置相应的模拟参数对其进行模拟. 将模拟结果与实验数据进行对比, 证明了模拟的可靠性; 并结合相应的实验数据, 分析了同轴磁绝缘传输线在加入螺旋支撑结构后 对其传输效率的影响.
2012, 61(16): 162902.
doi: 10.7498/aps.61.162902
摘要:
介绍了实现高能电子轰击阳极表面产生的能量沉积及温度变化的数值模 拟理论及方法.构建了一个简单的束发射模型,初步验证了阳极表面电子能量沉积数值计算的准确性. 选取四层圆盘锥形磁绝缘传输线中心汇流区为模型, 对其工作过程中产生的阳极能量沉积及温度变化进行数值模拟,并 将模拟结果与国外相关文献的结论进行了对比,进一步证明了模拟的 准确性.对模拟结果进行了分析,探讨了模拟中结果产生的物理机理.
介绍了实现高能电子轰击阳极表面产生的能量沉积及温度变化的数值模 拟理论及方法.构建了一个简单的束发射模型,初步验证了阳极表面电子能量沉积数值计算的准确性. 选取四层圆盘锥形磁绝缘传输线中心汇流区为模型, 对其工作过程中产生的阳极能量沉积及温度变化进行数值模拟,并 将模拟结果与国外相关文献的结论进行了对比,进一步证明了模拟的 准确性.对模拟结果进行了分析,探讨了模拟中结果产生的物理机理.
2012, 61(16): 163101.
doi: 10.7498/aps.61.163101
摘要:
采用Gassian09程序包中的多种方法对OH, OCI, HOCI分子的基态结构进行优化计算, 优选出QCISD/6-311G(2df), B3P86/6-311+G(2df)方法分别对OH(X2), OCI(X2)分子进行计算, 得到平衡核间距ROH=0.09696 nm, ROCI=0.1569 nm, 谐振频率(OH)=3745.37 cm-1, (OCI)=892.046 cm-1, 与实验结果非常符合. 用Murrell-Sorbie势能函数对OH和OCI分子的扫描势能点进行拟合, 其扫描点都与四参数Murrell-Sorbie函数拟合曲线符合得很好．优选出QCISD(T)/D95(df, pd)方法对HOCI分子进行计算, 得到基态为X1A', 键长ROH =0.0966 nm, 键角HOCI=102.3, 谐振频率1(a1)=738.69 cm-1, 2(b2)=1260.25 cm-1, 离解能De=2.24eV. 通过比较发现这些结果与实验值符合得很好,并优于文献报道的结果. 随后计算出了力常数, 在此基础上,推导出HOCI分子的多体展式势能函数.报道了HOCI分子对称伸缩振动势能图中在H+OCI HOCI反应通道上有一鞍点, H原子需要越过1.74eV的能垒才能生成HOCI的稳定结构, 在Cl+OHHOCI通道上不存在明显势垒, 容易形成稳定的HOCI分子.
采用Gassian09程序包中的多种方法对OH, OCI, HOCI分子的基态结构进行优化计算, 优选出QCISD/6-311G(2df), B3P86/6-311+G(2df)方法分别对OH(X2), OCI(X2)分子进行计算, 得到平衡核间距ROH=0.09696 nm, ROCI=0.1569 nm, 谐振频率(OH)=3745.37 cm-1, (OCI)=892.046 cm-1, 与实验结果非常符合. 用Murrell-Sorbie势能函数对OH和OCI分子的扫描势能点进行拟合, 其扫描点都与四参数Murrell-Sorbie函数拟合曲线符合得很好．优选出QCISD(T)/D95(df, pd)方法对HOCI分子进行计算, 得到基态为X1A', 键长ROH =0.0966 nm, 键角HOCI=102.3, 谐振频率1(a1)=738.69 cm-1, 2(b2)=1260.25 cm-1, 离解能De=2.24eV. 通过比较发现这些结果与实验值符合得很好,并优于文献报道的结果. 随后计算出了力常数, 在此基础上,推导出HOCI分子的多体展式势能函数.报道了HOCI分子对称伸缩振动势能图中在H+OCI HOCI反应通道上有一鞍点, H原子需要越过1.74eV的能垒才能生成HOCI的稳定结构, 在Cl+OHHOCI通道上不存在明显势垒, 容易形成稳定的HOCI分子.
2012, 61(16): 163201.
doi: 10.7498/aps.61.163201
摘要:
在活动星系核吸收光谱中存在着一种重要的吸收特征铁元素的M 壳层不可分辨跃迁系吸收谱, 认识这种特征对于活动星系核区的物理性质的研究具有重要的意义. 利用细致谱线模型, 对实验室中获得的吸收谱进行了理论计算和分析, 较好地重现了实验结果中主要的吸收结构, 同时计算了温度为1050 eV的预测吸收谱,用于活动星系核光谱的研究.
在活动星系核吸收光谱中存在着一种重要的吸收特征铁元素的M 壳层不可分辨跃迁系吸收谱, 认识这种特征对于活动星系核区的物理性质的研究具有重要的意义. 利用细致谱线模型, 对实验室中获得的吸收谱进行了理论计算和分析, 较好地重现了实验结果中主要的吸收结构, 同时计算了温度为1050 eV的预测吸收谱,用于活动星系核光谱的研究.
2012, 61(16): 163202.
doi: 10.7498/aps.61.163202
摘要:
里德堡原子由于具有体积大、寿命长、易极化及在外电场中能级易于操控等特点, 已经成为了目前物理学领域研究的热点之一. 本文在磁光阱中实验测量了铯原子15P3/2和16P3/2态的Stark光谱,根据光谱给出了15P3/2和16P3/2|m|=1/2 Stark态在01400 V/cm场强范围适用的Stark 能量和偶极矩的经验性解析表达式; 用数值方法求解薛定谔方程获得了这些态的Stark能量、偶极矩和电子几率密度分布. 电子几率密度分布定性说明了计算的偶极矩矢量的方向是正确的. 计算的Stark能量、偶极矩与实验结果相一致.
里德堡原子由于具有体积大、寿命长、易极化及在外电场中能级易于操控等特点, 已经成为了目前物理学领域研究的热点之一. 本文在磁光阱中实验测量了铯原子15P3/2和16P3/2态的Stark光谱,根据光谱给出了15P3/2和16P3/2|m|=1/2 Stark态在01400 V/cm场强范围适用的Stark 能量和偶极矩的经验性解析表达式; 用数值方法求解薛定谔方程获得了这些态的Stark能量、偶极矩和电子几率密度分布. 电子几率密度分布定性说明了计算的偶极矩矢量的方向是正确的. 计算的Stark能量、偶极矩与实验结果相一致.
2012, 61(16): 163203.
doi: 10.7498/aps.61.163203
摘要:
通过改进含时量子蒙特卡罗方法研究了一维模型双电子原 子在强激光作用下的电子动力学过程. 与准确的数值积分求解含时薛定谔方程相比, 计算得到的波包对应的量子系综中粒子的动力学变化和含时波包演化结果定性一致, 且大幅度地提高了计算效率. 根据计算得到的经典粒子系综的动力学演化行为, 分析了原子在强激光作用下的激发、电离、重散射等非线性过程.
通过改进含时量子蒙特卡罗方法研究了一维模型双电子原 子在强激光作用下的电子动力学过程. 与准确的数值积分求解含时薛定谔方程相比, 计算得到的波包对应的量子系综中粒子的动力学变化和含时波包演化结果定性一致, 且大幅度地提高了计算效率. 根据计算得到的经典粒子系综的动力学演化行为, 分析了原子在强激光作用下的激发、电离、重散射等非线性过程.
2012, 61(16): 163701.
doi: 10.7498/aps.61.163701
摘要:
材料的载流子浓度和迁移率是影响器件性能的关键因素, 变温Hall测试结果证明杂质掺杂AlGaN中的载流子浓度和迁移率随温度 降低而减小.然而极化诱导掺杂的载流子浓度和迁移率不受温度变化的影响.以准绝缘 的GaN体材料作为衬底, 在组分分层渐变的AlGaN中实现的极化诱导掺杂浓度 仅仅在1017 cm-3数量级甚至更低. 本研究采用载流子浓度为1016 cm-3量级的非有意n型掺杂GaN模板为衬底, 用极化诱导掺杂技术在分子束外延生长的AlGaN薄膜材料中实现了高 达1020 cm-3 量级的超高电子浓度. 准绝缘的体材GaN半导体作衬底时, 只有表面自由电子作为极化掺杂源, 而非有意掺杂的GaN模板衬底除了提供表面自由电子外,还能为极化电场 提供更多的自由电子源, 从而实现超高载流子浓度的n型掺杂.
材料的载流子浓度和迁移率是影响器件性能的关键因素, 变温Hall测试结果证明杂质掺杂AlGaN中的载流子浓度和迁移率随温度 降低而减小.然而极化诱导掺杂的载流子浓度和迁移率不受温度变化的影响.以准绝缘 的GaN体材料作为衬底, 在组分分层渐变的AlGaN中实现的极化诱导掺杂浓度 仅仅在1017 cm-3数量级甚至更低. 本研究采用载流子浓度为1016 cm-3量级的非有意n型掺杂GaN模板为衬底, 用极化诱导掺杂技术在分子束外延生长的AlGaN薄膜材料中实现了高 达1020 cm-3 量级的超高电子浓度. 准绝缘的体材GaN半导体作衬底时, 只有表面自由电子作为极化掺杂源, 而非有意掺杂的GaN模板衬底除了提供表面自由电子外,还能为极化电场 提供更多的自由电子源, 从而实现超高载流子浓度的n型掺杂.
2012, 61(16): 164101.
doi: 10.7498/aps.61.164101
摘要:
提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.86.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.
提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.86.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.
2012, 61(16): 164102.
doi: 10.7498/aps.61.164102
摘要:
为减少坦克在实战中的红外辐射, 分析了坦克炮慢射后的辐射特征, 针对其炮管所辐射的特征波长在812 m的电磁波,选用常见的SiO2和Si为介质, 并在考虑各自色散关系的基础上, 设计了具有光子晶体结构的防辐射涂层. 数值计算表明: 当两介质各取4层, 其几何厚度分别取1330和825 nm时,在812 m 的范围内有一个严格的带隙. 当两介质的几何厚度增加, 带隙红移, 宽度增加, 反之亦然. 只要两介质的几何厚度变化不同时超过10%, 原带隙总是存在. 当介质层数取78时, 涂层在上述波长范围内的严格带隙已形成, 介质层数再增加, 带隙没有实质性的变化. 带隙结构对入射角的变化并不敏感.
为减少坦克在实战中的红外辐射, 分析了坦克炮慢射后的辐射特征, 针对其炮管所辐射的特征波长在812 m的电磁波,选用常见的SiO2和Si为介质, 并在考虑各自色散关系的基础上, 设计了具有光子晶体结构的防辐射涂层. 数值计算表明: 当两介质各取4层, 其几何厚度分别取1330和825 nm时,在812 m 的范围内有一个严格的带隙. 当两介质的几何厚度增加, 带隙红移, 宽度增加, 反之亦然. 只要两介质的几何厚度变化不同时超过10%, 原带隙总是存在. 当介质层数取78时, 涂层在上述波长范围内的严格带隙已形成, 介质层数再增加, 带隙没有实质性的变化. 带隙结构对入射角的变化并不敏感.
2012, 61(16): 164103.
doi: 10.7498/aps.61.164103
摘要:
Bessel光束的重建特性对于粒子多层面操控具有特殊意义. 依据Hankel波理论,分析了无衍射Bessel光束的产生及重建原理, 系统地对轴上圆形障碍物、方形障碍物和离轴圆形障碍 物进行了详细论述.利用光学设计软件ZEMAX对轴棱锥产生Bessel光束经过各 种障碍物的重建现象进行了系统的模拟仿真. 对建立的仿真模型进行实验验 证,实验结果与模拟仿真符合得很好. 结果表明 ZEMAX软件可以对轴棱锥产 生Bessel光束的重建特性进行灵活直观的建模仿真,且仿真结果具有很高的 准确性.
Bessel光束的重建特性对于粒子多层面操控具有特殊意义. 依据Hankel波理论,分析了无衍射Bessel光束的产生及重建原理, 系统地对轴上圆形障碍物、方形障碍物和离轴圆形障碍 物进行了详细论述.利用光学设计软件ZEMAX对轴棱锥产生Bessel光束经过各 种障碍物的重建现象进行了系统的模拟仿真. 对建立的仿真模型进行实验验 证,实验结果与模拟仿真符合得很好. 结果表明 ZEMAX软件可以对轴棱锥产 生Bessel光束的重建特性进行灵活直观的建模仿真,且仿真结果具有很高的 准确性.
2012, 61(16): 164201.
doi: 10.7498/aps.61.164201
摘要:
利用微扰理论研究了TE-TM模转换型光波导隔离器的自相位补偿. 从相位同步和功率转换解释了这种器件的工作原理, 揭示了两个模转换器相位 失配与模转换比例的关系, 数值仿真结果与理论分析相符, 证实了模转换型 波导隔离器中的自相位补偿理论.
利用微扰理论研究了TE-TM模转换型光波导隔离器的自相位补偿. 从相位同步和功率转换解释了这种器件的工作原理, 揭示了两个模转换器相位 失配与模转换比例的关系, 数值仿真结果与理论分析相符, 证实了模转换型 波导隔离器中的自相位补偿理论.
2012, 61(16): 164202.
doi: 10.7498/aps.61.164202
摘要:
提出一种利用组合透镜系统与渐变折射率光纤相结合改进激光 器管芯到单模尾纤耦合性能的新方法. 这种方法首先利用组合透镜系统对具有像 散的激光器输出光束进行整形, 然后采用渐变折射率光纤对整形后的光束进行聚焦处理, 并将处理后的的光束耦合进入普通单模光纤. 利用Jones矩阵理论分析表明, 采用这种方法可以得到86%的功率耦合效率, 1 dB插入损耗对应的渐变折射率光纤长度、 横向偏移和倾斜角容差分别为60 m, 30 m和2.4, 且结构简单, 便于操作, 特别适合于大功率激射的激光模块到单模光纤的耦合. 对于提高激光器输出功率, 改善光束质量具有重要意义.
提出一种利用组合透镜系统与渐变折射率光纤相结合改进激光 器管芯到单模尾纤耦合性能的新方法. 这种方法首先利用组合透镜系统对具有像 散的激光器输出光束进行整形, 然后采用渐变折射率光纤对整形后的光束进行聚焦处理, 并将处理后的的光束耦合进入普通单模光纤. 利用Jones矩阵理论分析表明, 采用这种方法可以得到86%的功率耦合效率, 1 dB插入损耗对应的渐变折射率光纤长度、 横向偏移和倾斜角容差分别为60 m, 30 m和2.4, 且结构简单, 便于操作, 特别适合于大功率激射的激光模块到单模光纤的耦合. 对于提高激光器输出功率, 改善光束质量具有重要意义.
2012, 61(16): 164203.
doi: 10.7498/aps.61.164203
摘要:
建立了复折射率纤芯结合有限差分束传播法的双包 层稀土掺杂光纤抽运吸收效率数值模型,利用该模型对几种常 用内包层外边界结构下双包层稀土掺杂光纤的抽运吸收系数进 行了详细的分析,得出相应双包层光纤的抽运吸收特性. 分析结果对双包层稀土掺杂光纤的优化设计具有重要的指导意义.
建立了复折射率纤芯结合有限差分束传播法的双包 层稀土掺杂光纤抽运吸收效率数值模型,利用该模型对几种常 用内包层外边界结构下双包层稀土掺杂光纤的抽运吸收系数进 行了详细的分析,得出相应双包层光纤的抽运吸收特性. 分析结果对双包层稀土掺杂光纤的优化设计具有重要的指导意义.
2012, 61(16): 164204.
doi: 10.7498/aps.61.164204
摘要:
利用传输矩阵和散射矩阵方法, 具体计算了单通道和双通道结构完美相干吸收效应的产生条件, 并分析了其之间的相关性.结果表明, 单、双通道结构各自都有大量可选条件能促 使完美相干吸收效应的发生, 且在入射波长及其相应介质折射率等参数不变的情况下, 双通道完美相干吸收效应产生所对应的介质长度与单通道完美相干吸收效应产生所对应的 介质长度具有二倍关系.如波长为756 nm的光入射Si介质,完美相干吸收可以在介质长度分别为3.701 和7.402 m的单通道结构和双通道结构中发生. 该研究对促进完美相干吸收效应在光调制、光开关、光学探测等方面应用以及光学通 信和计算领域的硅基集成光子器件设计都具有积极意义.
利用传输矩阵和散射矩阵方法, 具体计算了单通道和双通道结构完美相干吸收效应的产生条件, 并分析了其之间的相关性.结果表明, 单、双通道结构各自都有大量可选条件能促 使完美相干吸收效应的发生, 且在入射波长及其相应介质折射率等参数不变的情况下, 双通道完美相干吸收效应产生所对应的介质长度与单通道完美相干吸收效应产生所对应的 介质长度具有二倍关系.如波长为756 nm的光入射Si介质,完美相干吸收可以在介质长度分别为3.701 和7.402 m的单通道结构和双通道结构中发生. 该研究对促进完美相干吸收效应在光调制、光开关、光学探测等方面应用以及光学通 信和计算领域的硅基集成光子器件设计都具有积极意义.
2012, 61(16): 164205.
doi: 10.7498/aps.61.164205
摘要:
根据小波变换的量子力学机理, 通过选取不同的系数, 构造出两组新的母小波函数. 在此基础上, 利用正规乘积内积分技术, 推导出相干态和粒子数态的小波变换, 并数值模拟出它们的小波变换图谱.
根据小波变换的量子力学机理, 通过选取不同的系数, 构造出两组新的母小波函数. 在此基础上, 利用正规乘积内积分技术, 推导出相干态和粒子数态的小波变换, 并数值模拟出它们的小波变换图谱.
2012, 61(16): 164206.
doi: 10.7498/aps.61.164206
摘要:
飞秒激光共振增强腔在非线性光学、 精密光谱学等研究领域有重要应用, 尤其是近年来已成为产生高重频紫外光梳的强大工具. 采用循环稳定电场方法分析了飞秒激光脉冲在共振 增强腔中的增强和色散特性,给出了增强倍数与 精细度的关系及共振带宽与精细度和腔内色散量的关系. 实验上实现了175 MHz, 15 fs的宽谱飞秒激光脉冲的共振 增强,增强倍数约为10倍左右.
飞秒激光共振增强腔在非线性光学、 精密光谱学等研究领域有重要应用, 尤其是近年来已成为产生高重频紫外光梳的强大工具. 采用循环稳定电场方法分析了飞秒激光脉冲在共振 增强腔中的增强和色散特性,给出了增强倍数与 精细度的关系及共振带宽与精细度和腔内色散量的关系. 实验上实现了175 MHz, 15 fs的宽谱飞秒激光脉冲的共振 增强,增强倍数约为10倍左右.
2012, 61(16): 164207.
doi: 10.7498/aps.61.164207
摘要:
用3维时域有限差分方法分别研究了在355 nm入射激光作用下, 熔石英后表面具有不同形状 和位置的断点划痕对场分布的影响.研究表明,对于椭圆状的坑点, 当共线的轴长逐渐 增大时, 电场幅值与强点数目先增大后减小, 获得最大光强增强因子的两轴 比是1.1-1.2, 此时坑点呈近圆形. 当平行的轴长逐步增大时,电场幅值先逐渐增大, 当两轴比为0.53时趋于平缓, 而强点总数则呈J形曲线不断增长. 当坑点尺寸相同 但排放位置不同时, 相邻坑点的相对面积愈大, 调制愈强.
用3维时域有限差分方法分别研究了在355 nm入射激光作用下, 熔石英后表面具有不同形状 和位置的断点划痕对场分布的影响.研究表明,对于椭圆状的坑点, 当共线的轴长逐渐 增大时, 电场幅值与强点数目先增大后减小, 获得最大光强增强因子的两轴 比是1.1-1.2, 此时坑点呈近圆形. 当平行的轴长逐步增大时,电场幅值先逐渐增大, 当两轴比为0.53时趋于平缓, 而强点总数则呈J形曲线不断增长. 当坑点尺寸相同 但排放位置不同时, 相邻坑点的相对面积愈大, 调制愈强.
2012, 61(16): 164208.
doi: 10.7498/aps.61.164208
摘要:
对铷原子(87Rb)蒸汽中的法拉第旋转、光学偏振自旋转以及二者的叠加旋转效应进行了理论和实验研究.对三种情况下旋转现象建立了简单而有效的理论模型. 实验中把铷原子泡置于自行设计的磁屏蔽腔内, 以屏蔽地磁场的影响.实验选择87Rb F=2F'=3能级D2跃迁线并采用零多普勒光谱 实验结构消除多普勒展宽对实验光谱的影响. 实验中分别观测到了三种旋转现象,实验结果与理论模拟结果非常符合.
对铷原子(87Rb)蒸汽中的法拉第旋转、光学偏振自旋转以及二者的叠加旋转效应进行了理论和实验研究.对三种情况下旋转现象建立了简单而有效的理论模型. 实验中把铷原子泡置于自行设计的磁屏蔽腔内, 以屏蔽地磁场的影响.实验选择87Rb F=2F'=3能级D2跃迁线并采用零多普勒光谱 实验结构消除多普勒展宽对实验光谱的影响. 实验中分别观测到了三种旋转现象,实验结果与理论模拟结果非常符合.
2012, 61(16): 164209.
doi: 10.7498/aps.61.164209
摘要:
高功率激光通常具有振幅调制和相位畸变. 采用统计光学方法推导了截断的有振幅调制和位相畸变光束在大气湍流中传输 的等效曲率半径R的解析公式.研究表明:随着位相畸变参量、振幅调制参量和光 束截断参量的增大,光束在自由空间中的 R增大,但R受湍流的影响也会增大; 并且高斯光束在自由空间中的R最大, 但其受湍流影响也最大. 因此,在大气湍流中传输到足够远时, 截断的有振幅调制和位相畸变光束的R就要比高斯光束的大.特别地, 相对等效曲率半径Rr随传输距离为非单调变化, 存在一个最小值, 即在该位置处R受湍流的影响最大. 此外, 达到 Rr最小值所需传输距离随光束位相畸变和振幅调制的加剧而增大.
高功率激光通常具有振幅调制和相位畸变. 采用统计光学方法推导了截断的有振幅调制和位相畸变光束在大气湍流中传输 的等效曲率半径R的解析公式.研究表明:随着位相畸变参量、振幅调制参量和光 束截断参量的增大,光束在自由空间中的 R增大,但R受湍流的影响也会增大; 并且高斯光束在自由空间中的R最大, 但其受湍流影响也最大. 因此,在大气湍流中传输到足够远时, 截断的有振幅调制和位相畸变光束的R就要比高斯光束的大.特别地, 相对等效曲率半径Rr随传输距离为非单调变化, 存在一个最小值, 即在该位置处R受湍流的影响最大. 此外, 达到 Rr最小值所需传输距离随光束位相畸变和振幅调制的加剧而增大.
2012, 61(16): 164210.
doi: 10.7498/aps.61.164210
摘要:
为了更全面地认识和了解金属Ag的各种物理性质, 对金属Ag的磁光性质进行了研究. 利用光隧穿机制分析了由全介质光子晶体-厚金属Ag膜-全介质光子晶体组成 的三明治结构的透射和磁光法拉第旋转效应. 研究结果表明, 由于电磁场局域在光子晶体和厚金属Ag膜的界面上, 导致厚金属Ag膜透射和磁光法拉第旋转效应的同时增强.
为了更全面地认识和了解金属Ag的各种物理性质, 对金属Ag的磁光性质进行了研究. 利用光隧穿机制分析了由全介质光子晶体-厚金属Ag膜-全介质光子晶体组成 的三明治结构的透射和磁光法拉第旋转效应. 研究结果表明, 由于电磁场局域在光子晶体和厚金属Ag膜的界面上, 导致厚金属Ag膜透射和磁光法拉第旋转效应的同时增强.
2012, 61(16): 164211.
doi: 10.7498/aps.61.164211
摘要:
在微波波段, 用于标定温度和辐射功率的发射率接近于1的标准发射率器件, 即微波频段的黑体, 结构形式一般为表面涂覆吸波材料的金属锥体阵列. 这种黑体器件常用于为微波辐射计提供参考亮温, 要求具有高发射率和均匀的温度分布. 对此类黑体器件的发射率评估主要基于基尔霍夫热平衡定律, 即通过评估反射率来确定发射率. 已报道的研究集中在黑体发射率随频率的变化趋势, 较少针对其随方向和极化状态的变化趋势. 本文针对此类周期型排布的黑体, 提出基于Floquet模式分析的反射率评估方法, 相比已报道的基于后向散射的评估方法, 具有更大的适用范围. 基于这种方法, 对某黑体的发射率随频率、角度和极化状态的变化规律进行了计算分析. 分析结果表明: 此黑体发射率在X到K波段内随频率提高而增大; 在发射率较低的低频处, 垂直极化与水平极化的发射率随俯仰角的变化趋势不同, 并且存在垂直极化发射率随俯仰角增大而明显降低的现象. 这些规律均与其物理上低频段内涂层对电磁波的衰减特性相符合.
在微波波段, 用于标定温度和辐射功率的发射率接近于1的标准发射率器件, 即微波频段的黑体, 结构形式一般为表面涂覆吸波材料的金属锥体阵列. 这种黑体器件常用于为微波辐射计提供参考亮温, 要求具有高发射率和均匀的温度分布. 对此类黑体器件的发射率评估主要基于基尔霍夫热平衡定律, 即通过评估反射率来确定发射率. 已报道的研究集中在黑体发射率随频率的变化趋势, 较少针对其随方向和极化状态的变化趋势. 本文针对此类周期型排布的黑体, 提出基于Floquet模式分析的反射率评估方法, 相比已报道的基于后向散射的评估方法, 具有更大的适用范围. 基于这种方法, 对某黑体的发射率随频率、角度和极化状态的变化规律进行了计算分析. 分析结果表明: 此黑体发射率在X到K波段内随频率提高而增大; 在发射率较低的低频处, 垂直极化与水平极化的发射率随俯仰角的变化趋势不同, 并且存在垂直极化发射率随俯仰角增大而明显降低的现象. 这些规律均与其物理上低频段内涂层对电磁波的衰减特性相符合.
2012, 61(16): 164212.
doi: 10.7498/aps.61.164212
摘要:
进行了数字单幅离轴层析全息图记录和数值处理模拟分析及实验研究.首先定义了单幅层析全息图并分析了基于多向投影的数字单幅离轴层析全息图频谱分布特点, 由此表明它的可处理性.在此基础上,数值模拟分析了基于三向投影的单幅离轴层析全 息图记录与各向投影信息的分离提取, 最后选择了具有周期结构的透明光栅(周期为100 m)作为实验样本, 实现了三向投影的单幅层析全息图的记录以及数值重建, 三束物光波重建周期值误差在4%5%范围内.模拟分析及实验结果验证了单幅层 析全息图记录与信息分离的可行性,同时为实现具备实时检测功能的极少量投影数字全息 层析系统提供了重要的技术基础.
进行了数字单幅离轴层析全息图记录和数值处理模拟分析及实验研究.首先定义了单幅层析全息图并分析了基于多向投影的数字单幅离轴层析全息图频谱分布特点, 由此表明它的可处理性.在此基础上,数值模拟分析了基于三向投影的单幅离轴层析全 息图记录与各向投影信息的分离提取, 最后选择了具有周期结构的透明光栅(周期为100 m)作为实验样本, 实现了三向投影的单幅层析全息图的记录以及数值重建, 三束物光波重建周期值误差在4%5%范围内.模拟分析及实验结果验证了单幅层 析全息图记录与信息分离的可行性,同时为实现具备实时检测功能的极少量投影数字全息 层析系统提供了重要的技术基础.
2012, 61(16): 164301.
doi: 10.7498/aps.61.164301
摘要:
主要研究了多噪声源共同作用下的混合噪声烦恼度的评价过程与预测方法. 首先, 设计并完成了固定播放时长噪声样本作用下的烦恼度主观评价实验, 获得了人工合成的混合噪声样本作用下的混合噪声烦恼度(亦称总烦恼度) T 评价数据与构成混合噪声样本的所有单一噪声样本单独作用时的烦恼度i (i=1, 2, 3, , K; K为混合噪声样本中单一噪声样本的总数) 评价数据. 随后, 细致分析了两组评价数据之间的关系, 提出在已知i 的基础上利用多元线性回归模型预测T. 最后, 解决了如何确定模型中对应各i的权值i (i=1, 2, 3, , K) 的问题. 研究表明, 以所提出的权值确定方法建立的多元线性回归预测模型 能够较为成功地预测混合噪声样本作用下的总烦恼度评价值.
主要研究了多噪声源共同作用下的混合噪声烦恼度的评价过程与预测方法. 首先, 设计并完成了固定播放时长噪声样本作用下的烦恼度主观评价实验, 获得了人工合成的混合噪声样本作用下的混合噪声烦恼度(亦称总烦恼度) T 评价数据与构成混合噪声样本的所有单一噪声样本单独作用时的烦恼度i (i=1, 2, 3, , K; K为混合噪声样本中单一噪声样本的总数) 评价数据. 随后, 细致分析了两组评价数据之间的关系, 提出在已知i 的基础上利用多元线性回归模型预测T. 最后, 解决了如何确定模型中对应各i的权值i (i=1, 2, 3, , K) 的问题. 研究表明, 以所提出的权值确定方法建立的多元线性回归预测模型 能够较为成功地预测混合噪声样本作用下的总烦恼度评价值.
2012, 61(16): 164302.
doi: 10.7498/aps.61.164302
摘要:
通过心理物理实验探讨了包络调制率(300 Hz)和纯音载波频率(8 kHz)对听觉时间调制检测能力的影响. 测试信号为以纯音为载波的正弦幅度调制信号, 采用二选一强迫选择法和自适应调整步长的心理物理实验方法, 测试得到不同载波频率条件下的时间调制传递函数. 实验结果表明, 包络调制率和载波频率均会对听觉的时间调制检测能力产生影响. 当载波频率低于2 kHz时, 人耳的检测能力与调制率呈单调递增趋势;当载波频率高于3.5 kHz时, 检测能力也会受到调制率的显著影响, 但没有显著的单调变化趋势. 当调制率在10100 Hz之间时, 检测能力不随载波频率明显变化;当调制率在150300 Hz之间时, 调制检测能力随着载波频率上升而下降, 在载波频率达到3.5 kHz时, 调制检测能力不随载波频率显著改变.
通过心理物理实验探讨了包络调制率(300 Hz)和纯音载波频率(8 kHz)对听觉时间调制检测能力的影响. 测试信号为以纯音为载波的正弦幅度调制信号, 采用二选一强迫选择法和自适应调整步长的心理物理实验方法, 测试得到不同载波频率条件下的时间调制传递函数. 实验结果表明, 包络调制率和载波频率均会对听觉的时间调制检测能力产生影响. 当载波频率低于2 kHz时, 人耳的检测能力与调制率呈单调递增趋势;当载波频率高于3.5 kHz时, 检测能力也会受到调制率的显著影响, 但没有显著的单调变化趋势. 当调制率在10100 Hz之间时, 检测能力不随载波频率明显变化;当调制率在150300 Hz之间时, 调制检测能力随着载波频率上升而下降, 在载波频率达到3.5 kHz时, 调制检测能力不随载波频率显著改变.
2012, 61(16): 164701.
doi: 10.7498/aps.61.164701
摘要:
运用分形理论给出了非牛顿流体中的赫切尔-巴尔克莱流体在单毛细管中的渗流分形模型. 此模型将赫切尔-巴尔克莱流体的流量、流速、启动压力梯度和有效渗 透率与流体的流变特性、毛细管的结构参数联系起来, 并且不含经验常数, 每个参数都具有明确的物理意义, 所得分形模型更能体现出赫切尔-巴尔克莱流体流动的内在物理机理.
运用分形理论给出了非牛顿流体中的赫切尔-巴尔克莱流体在单毛细管中的渗流分形模型. 此模型将赫切尔-巴尔克莱流体的流量、流速、启动压力梯度和有效渗 透率与流体的流变特性、毛细管的结构参数联系起来, 并且不含经验常数, 每个参数都具有明确的物理意义, 所得分形模型更能体现出赫切尔-巴尔克莱流体流动的内在物理机理.
2012, 61(16): 164702.
doi: 10.7498/aps.61.164702
摘要:
建立了镁颗粒群着火的一维非稳态有限影响体模型, 数值模拟颗粒群中镁颗粒的着火过程. 研究表明, 当镁颗粒表面反应加剧之后,颗粒相温度急剧上升, 迅速达到着火, 而其周围气相的温升速率却远小于颗粒的温升速率; 在着火过程中气相温度只在颗粒表面附近升高比较明显, 整体温度升高不大. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火的影响. 随颗粒浓度的增加, 颗 粒群变得易于着火, 其着火时间变短, 但颗粒浓度增大到一定程度后, 继续增大该值将对颗粒群的着火起消极作用. 环境压力对颗粒群着火的影响比较小,在15 atm范围内颗粒群的着火性能基本不变. 气相中氧气浓度对颗粒群的着火性能影响也不显著, 但当氧气浓度过小时, 对着火过程的影响将大大增强.颗粒粒径、气相/颗粒相初温、辐射源温度对颗粒 群着火的影响巨大,小粒径、高温度促使颗粒群快速着火.数值模拟与文献中试验 结果的变化趋势相一致.
建立了镁颗粒群着火的一维非稳态有限影响体模型, 数值模拟颗粒群中镁颗粒的着火过程. 研究表明, 当镁颗粒表面反应加剧之后,颗粒相温度急剧上升, 迅速达到着火, 而其周围气相的温升速率却远小于颗粒的温升速率; 在着火过程中气相温度只在颗粒表面附近升高比较明显, 整体温度升高不大. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火的影响. 随颗粒浓度的增加, 颗 粒群变得易于着火, 其着火时间变短, 但颗粒浓度增大到一定程度后, 继续增大该值将对颗粒群的着火起消极作用. 环境压力对颗粒群着火的影响比较小,在15 atm范围内颗粒群的着火性能基本不变. 气相中氧气浓度对颗粒群的着火性能影响也不显著, 但当氧气浓度过小时, 对着火过程的影响将大大增强.颗粒粒径、气相/颗粒相初温、辐射源温度对颗粒 群着火的影响巨大,小粒径、高温度促使颗粒群快速着火.数值模拟与文献中试验 结果的变化趋势相一致.
2012, 61(16): 165101.
doi: 10.7498/aps.61.165101
摘要:
采用二维、自洽的PIC/MCC (particle-in-cell with Monte Carlo collision) 方法,模拟了磁控溅射辉光放电过程, 重点讨论了工作参数对放电模式和放电电流的影响. 模拟结果表明, 当工作气压由小到大或空间磁场从强到弱变化时, 放电模式会从阴极空间电荷主导的放电模式过渡到阳极空间电荷主导 的放电模式.在过渡状态,对应的工作气压与磁通密度分别为0.67 Pa和0.05 T; 随着工作气压的增大,放电电流先增大后趋向平衡,当工作气压超过2.5 Pa时,电流开始随工作气压的增大而减小; 而阴极电压增大时,放电电流近似线性增加.
采用二维、自洽的PIC/MCC (particle-in-cell with Monte Carlo collision) 方法,模拟了磁控溅射辉光放电过程, 重点讨论了工作参数对放电模式和放电电流的影响. 模拟结果表明, 当工作气压由小到大或空间磁场从强到弱变化时, 放电模式会从阴极空间电荷主导的放电模式过渡到阳极空间电荷主导 的放电模式.在过渡状态,对应的工作气压与磁通密度分别为0.67 Pa和0.05 T; 随着工作气压的增大,放电电流先增大后趋向平衡,当工作气压超过2.5 Pa时,电流开始随工作气压的增大而减小; 而阴极电压增大时,放电电流近似线性增加.
2012, 61(16): 165201.
doi: 10.7498/aps.61.165201
摘要:
使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.42)1019/cm3等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从16范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.
使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.42)1019/cm3等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从16范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.
2012, 61(16): 165202.
doi: 10.7498/aps.61.165202
摘要:
为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在阳加速器(电流峰值为500800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在14 keV能段, 点光源尺寸小于15 m, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.
为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在阳加速器(电流峰值为500800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在14 keV能段, 点光源尺寸小于15 m, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.
2012, 61(16): 165203.
doi: 10.7498/aps.61.165203
摘要:
采用高H2稀释的SiH4等离子体放电, 特别是甚高频等离子体增强化学气相沉积技术是当前高速制备优质微晶硅薄膜的主流方法. 尽管在实验上取得了很大的突破, 但其沉积机理一直是研究的热点和难点. 本文通过建立二维时变的轴对称模型,在75 MHz放电频率下, 对与微晶硅沉积非常相关的甚高频电容耦合氢等离子体放电进行了数值模拟, 研究了沉积参数对等离子体特性的影响, 并与光发射谱(OES)在线监测结果进行了比较. 结果表明: 电子浓度 ne在等离子体体层中间区域最大, 而电子温度 Te及Hα与Hβ的数密度在体层和鞘层界面附近取极大值; 当气压从1 Torr (1 Torr=133.322 Pa)增大至5 Torr时, 等离子体电势单调降低, 在体层中间区域 ne先快速增大然后逐渐减小, Te先下降后趋于稳定; 随着放电功率从30 W增大到70 W, 电子浓度 ne及Hα与Hβ的数密度均线性增大, 而电子温度 Te基本保持不变; OES在线分析结果与模拟结果符合得很好.
采用高H2稀释的SiH4等离子体放电, 特别是甚高频等离子体增强化学气相沉积技术是当前高速制备优质微晶硅薄膜的主流方法. 尽管在实验上取得了很大的突破, 但其沉积机理一直是研究的热点和难点. 本文通过建立二维时变的轴对称模型,在75 MHz放电频率下, 对与微晶硅沉积非常相关的甚高频电容耦合氢等离子体放电进行了数值模拟, 研究了沉积参数对等离子体特性的影响, 并与光发射谱(OES)在线监测结果进行了比较. 结果表明: 电子浓度 ne在等离子体体层中间区域最大, 而电子温度 Te及Hα与Hβ的数密度在体层和鞘层界面附近取极大值; 当气压从1 Torr (1 Torr=133.322 Pa)增大至5 Torr时, 等离子体电势单调降低, 在体层中间区域 ne先快速增大然后逐渐减小, Te先下降后趋于稳定; 随着放电功率从30 W增大到70 W, 电子浓度 ne及Hα与Hβ的数密度均线性增大, 而电子温度 Te基本保持不变; OES在线分析结果与模拟结果符合得很好.
2012, 61(16): 165204.
doi: 10.7498/aps.61.165204
摘要:
真空二极管是电子束源装置中的一个关键部件, 其阴极发射的电子束进入二极管阴阳极间隙区会产生很强的空间电荷限制效应. 本文针对平板真空二极管中的空间电荷限制效应物理模型, 从库仑定律的积分形式出发, 选取了不同参数的阴极半径与阴阳极间隙距离之比, 计算得到了真空二极管阴阳极间隙区的电场分布情况, 从而避免了采用Poisson方程求解时需要处理复杂的非线性偏微分方程这一问题. 结果表明, 基于库仑定律的计算结果与从Child-Langmuir定律分析得到的结果仅相差一个与二 极管极板边界条件有关的修正量. 当二极管阴极半径与阴阳极间隙距离之比 R/D>10时,一维空间电荷限制定律将是一个较好的近似结果,当 R/D较小时, 用该定律计算误差较大,在实际物理问题中需要谨慎使用.
真空二极管是电子束源装置中的一个关键部件, 其阴极发射的电子束进入二极管阴阳极间隙区会产生很强的空间电荷限制效应. 本文针对平板真空二极管中的空间电荷限制效应物理模型, 从库仑定律的积分形式出发, 选取了不同参数的阴极半径与阴阳极间隙距离之比, 计算得到了真空二极管阴阳极间隙区的电场分布情况, 从而避免了采用Poisson方程求解时需要处理复杂的非线性偏微分方程这一问题. 结果表明, 基于库仑定律的计算结果与从Child-Langmuir定律分析得到的结果仅相差一个与二 极管极板边界条件有关的修正量. 当二极管阴极半径与阴阳极间隙距离之比 R/D>10时,一维空间电荷限制定律将是一个较好的近似结果,当 R/D较小时, 用该定律计算误差较大,在实际物理问题中需要谨慎使用.
2012, 61(16): 166101.
doi: 10.7498/aps.61.166101
摘要:
Si材料中较低的空穴迁移率限制了Si互补金属氧化物半导体器 件在高频领域的应用. 针对SiGe p型金属氧化物半导体场效应管(PMOSFET)结构, 通过求解纵向一维泊松方程,得到了器件的纵向电势分布, 并在此基础上建立了器件的阈值电压模型,讨论了Ge组分、缓冲层厚度、 Si帽层厚度和衬底掺杂对阈值电压的影响.由于SiGe沟道层较薄, 计算中考虑了该层价带势阱中的量子化效应. 当栅电压绝对值过大时, 由于能带弯曲和能级分裂造成SiGe沟道层中的空穴会越过势垒到达Si/SiO2界面, 从而引起器件性能的退化. 建立了量子阱SiGe PMOSFET沟道层的空穴面密度模型, 提出了最大工作栅电压的概念, 对由栅电压引起的沟道饱和进行了计算和分析. 研究结果表明,器件的阈值电压和最大工作栅压与SiGe层Ge组分关系密切, Ge组分的适当提高可以使器件工作栅电压范围有效增大.
Si材料中较低的空穴迁移率限制了Si互补金属氧化物半导体器 件在高频领域的应用. 针对SiGe p型金属氧化物半导体场效应管(PMOSFET)结构, 通过求解纵向一维泊松方程,得到了器件的纵向电势分布, 并在此基础上建立了器件的阈值电压模型,讨论了Ge组分、缓冲层厚度、 Si帽层厚度和衬底掺杂对阈值电压的影响.由于SiGe沟道层较薄, 计算中考虑了该层价带势阱中的量子化效应. 当栅电压绝对值过大时, 由于能带弯曲和能级分裂造成SiGe沟道层中的空穴会越过势垒到达Si/SiO2界面, 从而引起器件性能的退化. 建立了量子阱SiGe PMOSFET沟道层的空穴面密度模型, 提出了最大工作栅电压的概念, 对由栅电压引起的沟道饱和进行了计算和分析. 研究结果表明,器件的阈值电压和最大工作栅压与SiGe层Ge组分关系密切, Ge组分的适当提高可以使器件工作栅电压范围有效增大.
2012, 61(16): 166102.
doi: 10.7498/aps.61.166102
摘要:
采用分子动力学方法结合嵌入原子势, 对Au-Pd共晶纳米粒子的热稳定性进行了模拟研究. 计算结果表明: Au-Pd纳米粒子的熔点明显高于Au单质纳米粒子而低于Pd纳米粒子. 通过计算Lindemann指数发现Au-Pd共晶纳米粒子中的Au原子首先熔化, 然后带动Pd原子的熔化; 熔化所经历的温度区间明显要宽于单质纳米粒子.
采用分子动力学方法结合嵌入原子势, 对Au-Pd共晶纳米粒子的热稳定性进行了模拟研究. 计算结果表明: Au-Pd纳米粒子的熔点明显高于Au单质纳米粒子而低于Pd纳米粒子. 通过计算Lindemann指数发现Au-Pd共晶纳米粒子中的Au原子首先熔化, 然后带动Pd原子的熔化; 熔化所经历的温度区间明显要宽于单质纳米粒子.
2012, 61(16): 166401.
doi: 10.7498/aps.61.166401
摘要:
以揭示共晶系合金在不同过冷度下凝固时初生相的选择规律和凝固组织形成机理为目的, 用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法, 将Ni100-xPx(x=18, 19, 19.6, 20, 21, 原子百分比)合金过冷至平衡液相线以下不同的温度, 用高速红外测温仪记录了试样的凝固冷却曲线, 详尽分析了试样的凝固组织.结果表明, 过冷Ni-P合金快速凝固过程中析出的初生相为α-Ni/Ni3P耦合共晶时, 整个凝固过程中仅出现一次再辉, 在所形成的异常共晶组织中α-Ni颗粒大小分布均匀;而当某一共晶相优先析出时, 另外一相需要在残留液相中重新形核, 致使凝固过程中出现两次再辉, 相应形成颗粒相大小截然不同的两类异常共晶组织;据此绘制了Ni-P合金初生相为共生共晶的区域. Ni-P合金中α-Ni的生长动力学明显快于Ni3P, 使得在大过冷度下过共晶合金也以α-Ni作为初生相进行凝固.
以揭示共晶系合金在不同过冷度下凝固时初生相的选择规律和凝固组织形成机理为目的, 用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法, 将Ni100-xPx(x=18, 19, 19.6, 20, 21, 原子百分比)合金过冷至平衡液相线以下不同的温度, 用高速红外测温仪记录了试样的凝固冷却曲线, 详尽分析了试样的凝固组织.结果表明, 过冷Ni-P合金快速凝固过程中析出的初生相为α-Ni/Ni3P耦合共晶时, 整个凝固过程中仅出现一次再辉, 在所形成的异常共晶组织中α-Ni颗粒大小分布均匀;而当某一共晶相优先析出时, 另外一相需要在残留液相中重新形核, 致使凝固过程中出现两次再辉, 相应形成颗粒相大小截然不同的两类异常共晶组织;据此绘制了Ni-P合金初生相为共生共晶的区域. Ni-P合金中α-Ni的生长动力学明显快于Ni3P, 使得在大过冷度下过共晶合金也以α-Ni作为初生相进行凝固.
2012, 61(16): 166402.
doi: 10.7498/aps.61.166402
摘要:
靴襻渗流最早应用于统计物理学中研究磁铁因非磁性杂质导致磁有序的降低并最终消失的现象. 随着复杂网络研究的深入, 许多学者展开网络上的靴襻渗流研究. 在自然界中, 许多系统自然呈现出二分结构, 二分网络是复杂网络中的一种重要的网络模式. 本文通过建立动力学方程和计算机仿真模拟的方法研究二分网上的靴襻渗流, 关注的参数是二分网中两类节点初始的活跃比例和活跃阈值, 分别用f1, f2和Ω1, Ω2表示, 得到二分网两类节点终态活跃比例随初始活跃比例的变化会发生相变等结论. 同时 验证了动力学方程与仿真模拟的一致性.
靴襻渗流最早应用于统计物理学中研究磁铁因非磁性杂质导致磁有序的降低并最终消失的现象. 随着复杂网络研究的深入, 许多学者展开网络上的靴襻渗流研究. 在自然界中, 许多系统自然呈现出二分结构, 二分网络是复杂网络中的一种重要的网络模式. 本文通过建立动力学方程和计算机仿真模拟的方法研究二分网上的靴襻渗流, 关注的参数是二分网中两类节点初始的活跃比例和活跃阈值, 分别用f1, f2和Ω1, Ω2表示, 得到二分网两类节点终态活跃比例随初始活跃比例的变化会发生相变等结论. 同时 验证了动力学方程与仿真模拟的一致性.
2012, 61(16): 166801.
doi: 10.7498/aps.61.166801
摘要:
微重力条件下内角处液体行为的研究对于认识表面张力主导的液体行为, 预测和控制空间微重力条件下的液体位置、瞬时状态, 以及对空间流体进行有效的管理等方面都非常重要. 通过分析接触角与流体界面在容器内角处的接触线方向之间的关系, 并与Concus-Finn理论进行比较, 提出了内角处接触线、接触角和几何形状之间相互关联的机理, 并探讨了Concus和Finn等 的相关理论结果的物理内涵. 在此基础上, 进一步将内角处的相关理论结果与Surface Evolver程序得出的数值结果进行了比较, 指出当容器中的内角小于180°时, Surface Evolver程序通过自动划分网格即可比较准确地预言内角处的接触线和液面行为, 但是当内角大于180°时, 自动划分网格得到的数值结果有较大的误差, 需要通过手动划分网格减少网格奇异才能减小误差. 因此, 对于具有复杂几何形状的容器, 需注意网格的奇异性, 并对内角处的液面进行定量的验证, 才能有效判断Surface Evolver程序结果的正确性. 本工作对于深入认识内角处的液面特性和机理, 理解Surface Evolver程序的适用条件, 以及分析微重力条件下容器内角处的液体行为等方面都具有明显意义.
微重力条件下内角处液体行为的研究对于认识表面张力主导的液体行为, 预测和控制空间微重力条件下的液体位置、瞬时状态, 以及对空间流体进行有效的管理等方面都非常重要. 通过分析接触角与流体界面在容器内角处的接触线方向之间的关系, 并与Concus-Finn理论进行比较, 提出了内角处接触线、接触角和几何形状之间相互关联的机理, 并探讨了Concus和Finn等 的相关理论结果的物理内涵. 在此基础上, 进一步将内角处的相关理论结果与Surface Evolver程序得出的数值结果进行了比较, 指出当容器中的内角小于180°时, Surface Evolver程序通过自动划分网格即可比较准确地预言内角处的接触线和液面行为, 但是当内角大于180°时, 自动划分网格得到的数值结果有较大的误差, 需要通过手动划分网格减少网格奇异才能减小误差. 因此, 对于具有复杂几何形状的容器, 需注意网格的奇异性, 并对内角处的液面进行定量的验证, 才能有效判断Surface Evolver程序结果的正确性. 本工作对于深入认识内角处的液面特性和机理, 理解Surface Evolver程序的适用条件, 以及分析微重力条件下容器内角处的液体行为等方面都具有明显意义.
2012, 61(16): 167101.
doi: 10.7498/aps.61.167101
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用虚晶近似方法计算了AlN-Al2O3固溶区内尖晶石相氮氧化铝(Al24O24N8, Al23O27N5和Al22O30N2)和-Al2O3, AlN的力学性能和电子结构. 结果证明虚晶近似法应用到氮氧化铝结构计算中是可行的. 力学常数计算结果和弹性模量B, 剪切模量G, 杨氏模量E反映的材料硬度变化趋势与实验基本一致；Al2O3-AlN固 溶区内五种结构均为脆性性质且Al23O27N5脆性最低, 硬度高、脆性低的特性反映了Al23O27N5优异的抗弯强度性能. 五种结构满足力学结构上的稳定性, 立方尖晶石相氮氧化铝表现为弹性各向异性. 能带和态密度的计算分析表明这五种结构均为直接宽带隙结构. 在费米能级附近, 氮氧化铝结构中阴离子的2p态和阳离子的3s, 3p态发生了轨道杂化. 理论结果与实验数据基本符合, 为进一步研究提供了一定的理论方法和依据.
基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用虚晶近似方法计算了AlN-Al2O3固溶区内尖晶石相氮氧化铝(Al24O24N8, Al23O27N5和Al22O30N2)和-Al2O3, AlN的力学性能和电子结构. 结果证明虚晶近似法应用到氮氧化铝结构计算中是可行的. 力学常数计算结果和弹性模量B, 剪切模量G, 杨氏模量E反映的材料硬度变化趋势与实验基本一致；Al2O3-AlN固 溶区内五种结构均为脆性性质且Al23O27N5脆性最低, 硬度高、脆性低的特性反映了Al23O27N5优异的抗弯强度性能. 五种结构满足力学结构上的稳定性, 立方尖晶石相氮氧化铝表现为弹性各向异性. 能带和态密度的计算分析表明这五种结构均为直接宽带隙结构. 在费米能级附近, 氮氧化铝结构中阴离子的2p态和阳离子的3s, 3p态发生了轨道杂化. 理论结果与实验数据基本符合, 为进一步研究提供了一定的理论方法和依据.
2012, 61(16): 167102.
doi: 10.7498/aps.61.167102
摘要:
采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Al原子取代Zn原子的两种Zn1-xAlxO超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布和能带分布的计算. 结果表明: ZnO高掺杂Al的条件下, 掺杂的Al原子浓度越大,间隙带越窄, 蓝移越弱. 计算结果和实验结果相一致.
采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了未掺杂与不同浓度的Al原子取代Zn原子的两种Zn1-xAlxO超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、态密度分布和能带分布的计算. 结果表明: ZnO高掺杂Al的条件下, 掺杂的Al原子浓度越大,间隙带越窄, 蓝移越弱. 计算结果和实验结果相一致.
2012, 61(16): 167103.
doi: 10.7498/aps.61.167103
摘要:
采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了N, Sm分别单掺杂以及Sm-N共掺杂的锐钛矿TiO2超胞模型, 对其态密度、能带结构和吸收光谱进行了计算. 结果表明: N单掺杂的锐钛矿TiO2的红移效果最强, 但Sm-N共掺杂锐钛矿TiO2的载流子寿命更长, 且共掺杂形成的体系更加稳定.
采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了N, Sm分别单掺杂以及Sm-N共掺杂的锐钛矿TiO2超胞模型, 对其态密度、能带结构和吸收光谱进行了计算. 结果表明: N单掺杂的锐钛矿TiO2的红移效果最强, 但Sm-N共掺杂锐钛矿TiO2的载流子寿命更长, 且共掺杂形成的体系更加稳定.
2012, 61(16): 167104.
doi: 10.7498/aps.61.167104
摘要:
基于电流连续方程、欧姆定律及定性三维热流传导模型研究发光二极管(LED)芯片 的电流密度分布、热量、温度之间的相互交叉关系,进而测试分析GaN基蓝光 LED电流扩展效应和亮度分布的关系,认为芯片亮度变化趋势可作为判别电流扩 展性能的有效手段. 由于芯片表面温度、亮度分布和电流密度之间存在紧密的联结 关系,通过测试芯片表面温度或亮度分布就可定性了解器件电流扩展性能, 从而为优化电极结构提供一种判定依据. 在不同电流和热沉温度下,进一步 讨论了电流密度非均匀性和亮度分布的关系, 电流密度拥挤将导致芯片局 部区域热量堆积,非辐射复合作用增强,限制出射光子数目, 因此热 量是影响亮度分布的重要因素之一. 通过载流子传输机理进一步说明 温度影响亮度均匀性的原因,并通过实验说明理论分析的可行性. 通过优化电极结构能改善器件的电流扩展效应以及亮度均匀性, 对提高大功率LED的可靠性具有重要作用.
基于电流连续方程、欧姆定律及定性三维热流传导模型研究发光二极管(LED)芯片 的电流密度分布、热量、温度之间的相互交叉关系,进而测试分析GaN基蓝光 LED电流扩展效应和亮度分布的关系,认为芯片亮度变化趋势可作为判别电流扩 展性能的有效手段. 由于芯片表面温度、亮度分布和电流密度之间存在紧密的联结 关系,通过测试芯片表面温度或亮度分布就可定性了解器件电流扩展性能, 从而为优化电极结构提供一种判定依据. 在不同电流和热沉温度下,进一步 讨论了电流密度非均匀性和亮度分布的关系, 电流密度拥挤将导致芯片局 部区域热量堆积,非辐射复合作用增强,限制出射光子数目, 因此热 量是影响亮度分布的重要因素之一. 通过载流子传输机理进一步说明 温度影响亮度均匀性的原因,并通过实验说明理论分析的可行性. 通过优化电极结构能改善器件的电流扩展效应以及亮度均匀性, 对提高大功率LED的可靠性具有重要作用.
2012, 61(16): 167105.
doi: 10.7498/aps.61.167105
摘要:
采用碳热还原反应和原位掺杂的方法制备了不同Ga掺杂浓度的ZnO纳米结构. X射线衍射 显示掺杂纳米结构中为单一的氧化锌纤锌矿结构. 扫描电子显微镜 观测发现随掺杂浓度的增大, 纳米结构的形貌逐渐从纳米六棱柱变为纳米锥.光致发光 和X射线光电子能谱 测量分别发现随着掺杂浓度升高, 纳米结构的可见发光强度和其中空位 氧峰相对强度逐渐减小直至消失, 两者存在很强的相关性. 上述结果为ZnO可见光发射的氧空位机理提供了新的实验证据. 对Ga掺杂抑制纳米结构中氧空位的原因进行了分析.
采用碳热还原反应和原位掺杂的方法制备了不同Ga掺杂浓度的ZnO纳米结构. X射线衍射 显示掺杂纳米结构中为单一的氧化锌纤锌矿结构. 扫描电子显微镜 观测发现随掺杂浓度的增大, 纳米结构的形貌逐渐从纳米六棱柱变为纳米锥.光致发光 和X射线光电子能谱 测量分别发现随着掺杂浓度升高, 纳米结构的可见发光强度和其中空位 氧峰相对强度逐渐减小直至消失, 两者存在很强的相关性. 上述结果为ZnO可见光发射的氧空位机理提供了新的实验证据. 对Ga掺杂抑制纳米结构中氧空位的原因进行了分析.
2012, 61(16): 167201.
doi: 10.7498/aps.61.167201
摘要:
利用传统固相反应方法, 分别在1440℃, 1460℃, 1480℃和1500℃烧结条件下, 制备了钙钛矿结构的La0.1Sr0.9TiO3陶瓷样品. 样品的粉末X射线衍射结果显示, 不同烧结温度的La0.1Sr0.9TiO3 陶瓷样品均为单相的正交结构. 从样品的扫描电子显微照片来看, 随着烧结温度的增加, 平均晶粒尺寸逐渐增大. 在室温至800℃的测试温区, 测试了样品的电阻率和Seebeck系数, 系统地研究了不同烧结温度对样品热电性能的影响. 结果表明, 样品的电阻率在测试温区内随着测试温度的升高先略微降低, 然后逐渐升高;总体来看, 样品的电阻率随烧结温度的升高先增大后降低. 在测试温区内, Seebeck系数均为负值, 表明样品的载流子为电子; 随着测试温度的升高, Seebeck系数绝对值均有所增大;随烧结温度升高, Seebeck系数绝对值逐渐增大后显著降低. 1480℃制备的样品因其相对较低的电阻率和相对较高的Seebeck系数绝对值, 在165℃时得到最大的功率因子21 μW·K-2·cm-1.
利用传统固相反应方法, 分别在1440℃, 1460℃, 1480℃和1500℃烧结条件下, 制备了钙钛矿结构的La0.1Sr0.9TiO3陶瓷样品. 样品的粉末X射线衍射结果显示, 不同烧结温度的La0.1Sr0.9TiO3 陶瓷样品均为单相的正交结构. 从样品的扫描电子显微照片来看, 随着烧结温度的增加, 平均晶粒尺寸逐渐增大. 在室温至800℃的测试温区, 测试了样品的电阻率和Seebeck系数, 系统地研究了不同烧结温度对样品热电性能的影响. 结果表明, 样品的电阻率在测试温区内随着测试温度的升高先略微降低, 然后逐渐升高;总体来看, 样品的电阻率随烧结温度的升高先增大后降低. 在测试温区内, Seebeck系数均为负值, 表明样品的载流子为电子; 随着测试温度的升高, Seebeck系数绝对值均有所增大;随烧结温度升高, Seebeck系数绝对值逐渐增大后显著降低. 1480℃制备的样品因其相对较低的电阻率和相对较高的Seebeck系数绝对值, 在165℃时得到最大的功率因子21 μW·K-2·cm-1.
2012, 61(16): 167401.
doi: 10.7498/aps.61.167401
摘要:
根据两带Ginzburg-Landau 理论计算了层状超导材料NbS2的上临界磁场, 以及上临界磁场各向异性参数随温度的变化情况, 并将NbS2与MgB2, NbSe2上临界磁场的各向异性进行比较. 所得计算结果与已有实验数据符合得很好, 充分说明了NbS2的超导电性具有两能隙特征. NbS2上临界磁场各向异性参数在5.0 K附近逐渐变小, 这与MgB2和NbSe2有相似之处. 但NbS2的上临界磁场各向异性参数大约为7.3, 明显大于MgB2和NbSe2. 计算结果还表明, NbS2较大能隙所对应能带的有效质量比约为54, 另一能带的有效质量基本为各向同性.
根据两带Ginzburg-Landau 理论计算了层状超导材料NbS2的上临界磁场, 以及上临界磁场各向异性参数随温度的变化情况, 并将NbS2与MgB2, NbSe2上临界磁场的各向异性进行比较. 所得计算结果与已有实验数据符合得很好, 充分说明了NbS2的超导电性具有两能隙特征. NbS2上临界磁场各向异性参数在5.0 K附近逐渐变小, 这与MgB2和NbSe2有相似之处. 但NbS2的上临界磁场各向异性参数大约为7.3, 明显大于MgB2和NbSe2. 计算结果还表明, NbS2较大能隙所对应能带的有效质量比约为54, 另一能带的有效质量基本为各向同性.
2012, 61(16): 167501.
doi: 10.7498/aps.61.167501
摘要:
将铁磁共振频率看成外磁场的函数, 讨论了垂直场下磁性膜中的铁磁共振现象. 结果显示: 当外磁场平行于膜面, 并考虑磁膜具有垂直磁晶各向异性情形时, 其磁共振频率随外磁场的变化分为高频支和低频支两种情况, 具体的依赖关系取决于磁膜内磁晶的各向异性; 当外磁场垂直于膜面, 其磁共振频率随外磁场的关系仅存在一支, 一般地, 磁共振频率随外磁场的增加单调地非线性减小, 但当立方磁晶各向异性场Hk1 与单轴磁晶各向异性场Ha之比值介于2/3 Hk1/Ha <1时, 其磁共振频率随外磁场的增加单调增加, 这与相关的实验结果一致. 研究结果表明: 磁薄膜中有无垂直于膜面的磁各向异性可以通过其磁共振谱的测量进行辨析.
将铁磁共振频率看成外磁场的函数, 讨论了垂直场下磁性膜中的铁磁共振现象. 结果显示: 当外磁场平行于膜面, 并考虑磁膜具有垂直磁晶各向异性情形时, 其磁共振频率随外磁场的变化分为高频支和低频支两种情况, 具体的依赖关系取决于磁膜内磁晶的各向异性; 当外磁场垂直于膜面, 其磁共振频率随外磁场的关系仅存在一支, 一般地, 磁共振频率随外磁场的增加单调地非线性减小, 但当立方磁晶各向异性场Hk1 与单轴磁晶各向异性场Ha之比值介于2/3 Hk1/Ha <1时, 其磁共振频率随外磁场的增加单调增加, 这与相关的实验结果一致. 研究结果表明: 磁薄膜中有无垂直于膜面的磁各向异性可以通过其磁共振谱的测量进行辨析.
2012, 61(16): 167502.
doi: 10.7498/aps.61.167502
摘要:
对熔体急冷法制备的非晶合金 Fe52Co34Hf7B6Cu1 进行了不同频率的中频磁脉冲处理, 用透射电子显微镜、穆斯堡尔谱、正电子湮没寿命谱等方法研究了处 理前后试样的微观结构及结构缺陷变化. 结果表明,经中频磁脉冲处理后,样品发生了部分纳米晶化, 晶化量随磁脉冲频率增加而增加, 当磁脉冲频率为2000 Hz时, 晶化量达33.1%; 在淬态非晶样品中, 正电子在类单空位中的湮没寿命τ1为150.5 ps, 强度 I1为77.7%, 在微孔洞中的湮没寿命τ2为349.7 ps,强度I2为22.3%; 随磁脉冲频率的增加, τ1, τ2值呈现减小的变化趋势, 与淬态非晶相比, I1有所增加, I2下降, τ1, τ2的平均值τ大幅降低.
对熔体急冷法制备的非晶合金 Fe52Co34Hf7B6Cu1 进行了不同频率的中频磁脉冲处理, 用透射电子显微镜、穆斯堡尔谱、正电子湮没寿命谱等方法研究了处 理前后试样的微观结构及结构缺陷变化. 结果表明,经中频磁脉冲处理后,样品发生了部分纳米晶化, 晶化量随磁脉冲频率增加而增加, 当磁脉冲频率为2000 Hz时, 晶化量达33.1%; 在淬态非晶样品中, 正电子在类单空位中的湮没寿命τ1为150.5 ps, 强度 I1为77.7%, 在微孔洞中的湮没寿命τ2为349.7 ps,强度I2为22.3%; 随磁脉冲频率的增加, τ1, τ2值呈现减小的变化趋势, 与淬态非晶相比, I1有所增加, I2下降, τ1, τ2的平均值τ大幅降低.
2012, 61(16): 167503.
doi: 10.7498/aps.61.167503
摘要:
在铁磁层(FM)/反铁磁层(FeMn)耦合体系中插入Pt 插层或对靠近FM/FeMn界面处的FeMn掺杂Pt元素,研究了体系的交换偏置场 Hex及矫顽力Hc随Pt插层深度 dPt与Pt掺杂层厚度tPtFeMn的变化关系. 实验结果表明,引入Pt插层后NiFe/FeMn(dPt)/Pt/FeMn体系的未补偿磁矩(UCS)的数量得到很大的提高,从而对Hex与Hc 起到增强的作用; 同时, 从实验结果可以推测FeMn层内部UCS的分布深度约为1.3 nm. 另外,对靠近FM/FeMn界面处的FeMn掺杂Pt元素,发现掺入Pt元素后体系的Hex 得到有效增强, 这是因为掺入Pt元素后体系UCS的数量也得到很大的提高.
在铁磁层(FM)/反铁磁层(FeMn)耦合体系中插入Pt 插层或对靠近FM/FeMn界面处的FeMn掺杂Pt元素,研究了体系的交换偏置场 Hex及矫顽力Hc随Pt插层深度 dPt与Pt掺杂层厚度tPtFeMn的变化关系. 实验结果表明,引入Pt插层后NiFe/FeMn(dPt)/Pt/FeMn体系的未补偿磁矩(UCS)的数量得到很大的提高,从而对Hex与Hc 起到增强的作用; 同时, 从实验结果可以推测FeMn层内部UCS的分布深度约为1.3 nm. 另外,对靠近FM/FeMn界面处的FeMn掺杂Pt元素,发现掺入Pt元素后体系的Hex 得到有效增强, 这是因为掺入Pt元素后体系UCS的数量也得到很大的提高.
2012, 61(16): 167504.
doi: 10.7498/aps.61.167504
摘要:
具有垂直磁各向异性的磁性纳米结构是自旋转移力矩器件的重要研究内容, 本文采用反常霍尔效应系统地研究了磁控溅射法制备的[CoFeB/Pt]n多层膜的垂直磁各向异性. 当CoFeB的厚度小于0.6 nm时, 可以在[CoFeB/Pt]n多层膜中观察到清晰的垂直磁各向异性, 其垂直磁各向异性强烈依赖于CoFeB和Pt层厚度及多层膜周期数. 当多层膜周期数n ≥ 5时, 出现零剩磁现象. 另外, [CoFeB/Pt]n多层膜的矫顽力均小于2 kA·m-1, 有望作为垂直自由层的重要侯选材料应用于垂直磁纳米结构中.
具有垂直磁各向异性的磁性纳米结构是自旋转移力矩器件的重要研究内容, 本文采用反常霍尔效应系统地研究了磁控溅射法制备的[CoFeB/Pt]n多层膜的垂直磁各向异性. 当CoFeB的厚度小于0.6 nm时, 可以在[CoFeB/Pt]n多层膜中观察到清晰的垂直磁各向异性, 其垂直磁各向异性强烈依赖于CoFeB和Pt层厚度及多层膜周期数. 当多层膜周期数n ≥ 5时, 出现零剩磁现象. 另外, [CoFeB/Pt]n多层膜的矫顽力均小于2 kA·m-1, 有望作为垂直自由层的重要侯选材料应用于垂直磁纳米结构中.
2012, 61(16): 167505.
doi: 10.7498/aps.61.167505
摘要:
制备了CoFe/Pd双层结构的界面处或CoFe层 内部引入纳米氧化层后的系列薄膜. 研究结果显示, 引入纳米氧化层后, 可以使薄膜的磁各向异性在退火后从面内转到垂直膜面方向. 并且对于在CoFe层内部引入纳米氧化层的这类样品, 其强烈的垂直磁性可以在相当宽的有效磁性层厚度范围内(1.22 nm)维持. 在保持垂直磁性的前提下, 这种特殊的双层膜结构中CoFe磁性层厚度比常规CoFe/Pd 多层膜中的CoFe层厚度至少多出1.4 nm. 本文的研究有助于制备出具有较高热稳定性的垂直磁性器件电极.
制备了CoFe/Pd双层结构的界面处或CoFe层 内部引入纳米氧化层后的系列薄膜. 研究结果显示, 引入纳米氧化层后, 可以使薄膜的磁各向异性在退火后从面内转到垂直膜面方向. 并且对于在CoFe层内部引入纳米氧化层的这类样品, 其强烈的垂直磁性可以在相当宽的有效磁性层厚度范围内(1.22 nm)维持. 在保持垂直磁性的前提下, 这种特殊的双层膜结构中CoFe磁性层厚度比常规CoFe/Pd 多层膜中的CoFe层厚度至少多出1.4 nm. 本文的研究有助于制备出具有较高热稳定性的垂直磁性器件电极.
2012, 61(16): 167506.
doi: 10.7498/aps.61.167506
摘要:
研究了Tb0.3Dy0.7Fe2合金在压磁和磁 弹性效应中的磁畴偏转和磁导率特性. 基于Stoner-Wolhfarth 模型能量极小原理, 绘制了自由能与磁畴偏转角度的关系曲线, 研究了压应力和磁场载荷作用下磁畴角度的偏转特性, 计算分析了不同载荷作用下磁畴偏转的磁导率特性, 并与实验数据进行比较论证. 研究表明,应力和磁场的作用都将使磁畴方向[111]和[111]发生角度跃迁, 直观有效地解释了材料巨磁致伸缩效应的机理; 应力和磁场作用下磁畴的偏转将使材料磁导率呈减小趋势, 其中磁场能对磁导率的影响大于应力能, 这一现象在小载荷作用下尤为明显. 实验结果表明, 磁导率的计算数据与实验数据符合得较好, 验证了计算方法的正确性. 理论分析对Terfenol-D磁畴偏转模型的完善 和磁化过程中磁滞回线的绘制非常有意义.
研究了Tb0.3Dy0.7Fe2合金在压磁和磁 弹性效应中的磁畴偏转和磁导率特性. 基于Stoner-Wolhfarth 模型能量极小原理, 绘制了自由能与磁畴偏转角度的关系曲线, 研究了压应力和磁场载荷作用下磁畴角度的偏转特性, 计算分析了不同载荷作用下磁畴偏转的磁导率特性, 并与实验数据进行比较论证. 研究表明,应力和磁场的作用都将使磁畴方向[111]和[111]发生角度跃迁, 直观有效地解释了材料巨磁致伸缩效应的机理; 应力和磁场作用下磁畴的偏转将使材料磁导率呈减小趋势, 其中磁场能对磁导率的影响大于应力能, 这一现象在小载荷作用下尤为明显. 实验结果表明, 磁导率的计算数据与实验数据符合得较好, 验证了计算方法的正确性. 理论分析对Terfenol-D磁畴偏转模型的完善 和磁化过程中磁滞回线的绘制非常有意义.
2012, 61(16): 168101.
doi: 10.7498/aps.61.168101
摘要:
采用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备了ZnO:Mn薄膜, 结合N+ 注入获得Mn-N共掺ZnO薄膜, 进而研究了退火温度对其结构及室温铁磁性的影响. 结果表明, 退火后ZnO:(Mn, N) 薄膜中Mn2+和N3-均处于ZnO晶格位, 没有杂质相生成. 退火温度的升高 有助于修复N+注入引起的晶格损伤, 同时也会让N逸出薄膜, 导致受主(NO)浓度降低. 室温铁磁性存在于ZnO:(Mn, N)薄膜中, 其强弱受NO浓度的影响, 铁磁性起源可采用束缚磁极化子模型进行解释.
采用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备了ZnO:Mn薄膜, 结合N+ 注入获得Mn-N共掺ZnO薄膜, 进而研究了退火温度对其结构及室温铁磁性的影响. 结果表明, 退火后ZnO:(Mn, N) 薄膜中Mn2+和N3-均处于ZnO晶格位, 没有杂质相生成. 退火温度的升高 有助于修复N+注入引起的晶格损伤, 同时也会让N逸出薄膜, 导致受主(NO)浓度降低. 室温铁磁性存在于ZnO:(Mn, N)薄膜中, 其强弱受NO浓度的影响, 铁磁性起源可采用束缚磁极化子模型进行解释.
2012, 61(16): 168102.
doi: 10.7498/aps.61.168102
摘要:
将传统金属橡胶制备工艺和形状记忆合金材料相结合, 研制了一种新型智能阻尼材料记忆合金金属橡胶, 并对其成型工艺、形状记忆效应、热弹性力学性能及参数影响规律进行了试验研究. 研究表明, 作为一种特殊的金属橡胶, 该材料不仅具备普通金属橡胶高阻尼、低密度、孔隙度可控等优点, 同时具备普通金属橡胶所不具备的智能材料特征: 1)良好的单程形状记忆效应, 该材料在大载荷加载后的残余塑性变形可以在升温过程中完全恢复; 2) 弹性模量和损耗因子具有温变特性, 在相变温度区间内弹性模量和损耗因子随温度近似线性变化. 由于同时具备金属橡胶和形状记忆合金两大金属类功能材料的优点, 形状记忆合金金属橡胶成为一种可应用于振动主动控制、 集良好承载能力和阻尼特性于一身、具有结构功能一体化优 势的新型智能阻尼材料.
将传统金属橡胶制备工艺和形状记忆合金材料相结合, 研制了一种新型智能阻尼材料记忆合金金属橡胶, 并对其成型工艺、形状记忆效应、热弹性力学性能及参数影响规律进行了试验研究. 研究表明, 作为一种特殊的金属橡胶, 该材料不仅具备普通金属橡胶高阻尼、低密度、孔隙度可控等优点, 同时具备普通金属橡胶所不具备的智能材料特征: 1)良好的单程形状记忆效应, 该材料在大载荷加载后的残余塑性变形可以在升温过程中完全恢复; 2) 弹性模量和损耗因子具有温变特性, 在相变温度区间内弹性模量和损耗因子随温度近似线性变化. 由于同时具备金属橡胶和形状记忆合金两大金属类功能材料的优点, 形状记忆合金金属橡胶成为一种可应用于振动主动控制、 集良好承载能力和阻尼特性于一身、具有结构功能一体化优 势的新型智能阻尼材料.
2012, 61(16): 168103.
doi: 10.7498/aps.61.168103
摘要:
应用分子动力学模拟方法研究了氧化硅团簇在不同的切削 深度下切削单晶硅粗糙峰的过程, 考察了切削过程中粗糙峰和氧化硅团簇形态变化、团簇的受力状况、粗糙峰原子配位数和温度分布等. 模拟结果表明: 切削深度小于0.5 nm时, 被去除的材料以原子或者原子簇形式存在, 并黏附在颗粒表面被带走; 当切削深度增大至1 nm时, 材料的去除率增大, 并形成大的切屑. 在切削过程中, 由于压力和温度的升高, 粗糙峰切削区域的单晶硅转变为类似Si-Ⅱ相和Bct5-Si相的过渡结构, 在切削过程后的卸载阶段, 过渡结构由于压力和温度的下降转变为非晶态结构.
应用分子动力学模拟方法研究了氧化硅团簇在不同的切削 深度下切削单晶硅粗糙峰的过程, 考察了切削过程中粗糙峰和氧化硅团簇形态变化、团簇的受力状况、粗糙峰原子配位数和温度分布等. 模拟结果表明: 切削深度小于0.5 nm时, 被去除的材料以原子或者原子簇形式存在, 并黏附在颗粒表面被带走; 当切削深度增大至1 nm时, 材料的去除率增大, 并形成大的切屑. 在切削过程中, 由于压力和温度的升高, 粗糙峰切削区域的单晶硅转变为类似Si-Ⅱ相和Bct5-Si相的过渡结构, 在切削过程后的卸载阶段, 过渡结构由于压力和温度的下降转变为非晶态结构.
2012, 61(16): 168201.
doi: 10.7498/aps.61.168201
摘要:
基于染料敏化太阳电池(DSC)光阳极的反射层结构,建立了含有 光路折转的电子连续性方程.计算和分析了不同吸收条件和反射条件下的调制光 电流频率响应特性,研究了DSC内部光路折转对电子传输特性的影响.通过不同膜 厚的强度调制光电流谱 测试表明, 建立的模型反映了DSC内部光路折转时调制光电流频率 响应.动力学研究结果表明, 在含有反射层的DSC中,电子传输动力学过程依赖 于光吸收系数、薄膜厚度以及大颗粒反射能力等因素. DSC内部光路折转导 致较深陷阱被电子填充,缩短了电子在陷阱中的停留时间, 减小了俘获/脱俘影响, 使电子传输过程加快.
基于染料敏化太阳电池(DSC)光阳极的反射层结构,建立了含有 光路折转的电子连续性方程.计算和分析了不同吸收条件和反射条件下的调制光 电流频率响应特性,研究了DSC内部光路折转对电子传输特性的影响.通过不同膜 厚的强度调制光电流谱 测试表明, 建立的模型反映了DSC内部光路折转时调制光电流频率 响应.动力学研究结果表明, 在含有反射层的DSC中,电子传输动力学过程依赖 于光吸收系数、薄膜厚度以及大颗粒反射能力等因素. DSC内部光路折转导 致较深陷阱被电子填充,缩短了电子在陷阱中的停留时间, 减小了俘获/脱俘影响, 使电子传输过程加快.
2012, 61(16): 168401.
doi: 10.7498/aps.61.168401
摘要:
提出了一种可应用于毫米波功率放大器中的新型慢波结构开敞型角向周期 加载金属柱圆波导结构,并且在互作用通道内,引入了薄环形电子注, 推导出了此时的热色散方程,并且对基于该新型慢波结构的行波管的 小信号增益特性进行了深入探讨.通过数值方法 研究了金属柱尺寸和电子注参数 对器件线性特性的影响. 结果表明: 通过对金属柱尺寸的适当设计, 可以获得更高的增益值. 与封闭型结构的比较结果表明, 开敞型角向周期加载金属柱圆波导结构能够 有效地提高小信号增益, 并且对带宽的影响不大. 研究结果为研制基于此新型慢波系统的毫米波行波管奠定了理论基础.
提出了一种可应用于毫米波功率放大器中的新型慢波结构开敞型角向周期 加载金属柱圆波导结构,并且在互作用通道内,引入了薄环形电子注, 推导出了此时的热色散方程,并且对基于该新型慢波结构的行波管的 小信号增益特性进行了深入探讨.通过数值方法 研究了金属柱尺寸和电子注参数 对器件线性特性的影响. 结果表明: 通过对金属柱尺寸的适当设计, 可以获得更高的增益值. 与封闭型结构的比较结果表明, 开敞型角向周期加载金属柱圆波导结构能够 有效地提高小信号增益, 并且对带宽的影响不大. 研究结果为研制基于此新型慢波系统的毫米波行波管奠定了理论基础.
2012, 61(16): 168402.
doi: 10.7498/aps.61.168402
摘要:
研究了器件结构参数对p-i-n结构InGaN单结太阳能电池性能的影响及物理机制. 模拟结果发现: 随着InGaN禁带宽度的增加, InGaN电池的短路电流减小, 但同时开路电压增加, 当InGaN层的禁带宽度为1.5 eV左右时, 同质p-i-n结InGaN电池的效率最高, 并计算了不同厚度的i层对InGaN电池效率的影响. 进一步的计算表明, 适当采用带宽更大的p-InGaN层形成异质p-i-n结InGaN电池可以获得更高效率, 但是p-InGaN层带宽过大也会导致电池的效率急剧下降. 研究还发现, 采用禁带宽度更大的n-InGaN层可以形成背电场, 从而增加p-i-n结InGaN太阳电池的效率. 研究结果表明, 适当选择p-InGaN和n-InGaN禁带宽度形成异质p-i-n结可以提高InGaN太阳能电池效率.
研究了器件结构参数对p-i-n结构InGaN单结太阳能电池性能的影响及物理机制. 模拟结果发现: 随着InGaN禁带宽度的增加, InGaN电池的短路电流减小, 但同时开路电压增加, 当InGaN层的禁带宽度为1.5 eV左右时, 同质p-i-n结InGaN电池的效率最高, 并计算了不同厚度的i层对InGaN电池效率的影响. 进一步的计算表明, 适当采用带宽更大的p-InGaN层形成异质p-i-n结InGaN电池可以获得更高效率, 但是p-InGaN层带宽过大也会导致电池的效率急剧下降. 研究还发现, 采用禁带宽度更大的n-InGaN层可以形成背电场, 从而增加p-i-n结InGaN太阳电池的效率. 研究结果表明, 适当选择p-InGaN和n-InGaN禁带宽度形成异质p-i-n结可以提高InGaN太阳能电池效率.
2012, 61(16): 168701.
doi: 10.7498/aps.61.168701
摘要:
被λ噬菌体感染的大肠杆菌是研究生物基因调控网络的重要模板之一. 根据该调控系统操纵子与调控蛋白相互作用特点, 利用热力学配分函数描述调控蛋白与操纵子的结合概率, 在给出该调控系统的动力学分岔的基础上, 计算系统各定态的热力学熵. 结果显示, 溶源态和裂解态较鞍点和分岔点具有更低的熵值, 且溶源态的熵最低, 说明处于溶源态的系统具有更高的生物序.
被λ噬菌体感染的大肠杆菌是研究生物基因调控网络的重要模板之一. 根据该调控系统操纵子与调控蛋白相互作用特点, 利用热力学配分函数描述调控蛋白与操纵子的结合概率, 在给出该调控系统的动力学分岔的基础上, 计算系统各定态的热力学熵. 结果显示, 溶源态和裂解态较鞍点和分岔点具有更低的熵值, 且溶源态的熵最低, 说明处于溶源态的系统具有更高的生物序.
2012, 61(16): 169201.
doi: 10.7498/aps.61.169201
摘要:
为了研究黑潮海表温度的时间变化特征, 以预测黑潮海表温度变化趋势, 本文利用哈德莱中心1941-2009年海表温度 资料定义了一个黑潮温度指数KI, 来表征吐噶喇海峡以东黑潮及其延伸区的海温变化. 由小波分析得到, KI具有准3、 7年的年际振荡特征和准20年的年代际变化特征, 此外KI还具有明显的季节锁相特征. KI与太平洋年代际振荡(PDO)及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有很好的滞后相关性. 通过美国国家环境预报中心/大气研究中心再分析资料合成分析发现KI为正异常时, 赤道东太平洋海温异常变暖(即厄尔尼诺发生), 哈德莱环流加强, 使得西风动量的输 送增强, 造成阿留申低压加深(PDO为暖相), 进而冷却黑潮延伸区的海表温度并使黑潮延伸区向东延伸, 这一"ENSO-PDO-黑潮海温变化"的过程具有滞后性, 从而使得ENSO指数、PDO指数可以作为黑潮温度变化的前兆因子, 对于预测黑潮海温变化及周边气候均具有一定的意义.
为了研究黑潮海表温度的时间变化特征, 以预测黑潮海表温度变化趋势, 本文利用哈德莱中心1941-2009年海表温度 资料定义了一个黑潮温度指数KI, 来表征吐噶喇海峡以东黑潮及其延伸区的海温变化. 由小波分析得到, KI具有准3、 7年的年际振荡特征和准20年的年代际变化特征, 此外KI还具有明显的季节锁相特征. KI与太平洋年代际振荡(PDO)及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有很好的滞后相关性. 通过美国国家环境预报中心/大气研究中心再分析资料合成分析发现KI为正异常时, 赤道东太平洋海温异常变暖(即厄尔尼诺发生), 哈德莱环流加强, 使得西风动量的输 送增强, 造成阿留申低压加深(PDO为暖相), 进而冷却黑潮延伸区的海表温度并使黑潮延伸区向东延伸, 这一"ENSO-PDO-黑潮海温变化"的过程具有滞后性, 从而使得ENSO指数、PDO指数可以作为黑潮温度变化的前兆因子, 对于预测黑潮海温变化及周边气候均具有一定的意义.
2012, 61(16): 169202.
doi: 10.7498/aps.61.169202
摘要:
台风发生的必要条件是热带低层具有气旋式扰动, 从卫星云图和诊断分析看,许多低层涡旋中存在分立的云团或中尺度系统. 这些涡旋能否发展成为台风,取决于其中的中尺度波动是否发展集合组成密闭云带. 本文利用柱坐标下的两层动力模式,研究了低层弱涡旋中第二类条件不稳定 机 制驱动下的波动的发展和移动问题. 结果表明:热带弱涡旋中的低层基本流垂直切变 可以很大地加强波动的不稳定性; 波动的相速度和群速度都指向涡旋中心, 波动向中心传播,能量向中心频散. 实例和数值研究也都表明,低层涡旋中的中尺度扰动会迅速发展并且向 中心靠近,促使台风形成.
台风发生的必要条件是热带低层具有气旋式扰动, 从卫星云图和诊断分析看,许多低层涡旋中存在分立的云团或中尺度系统. 这些涡旋能否发展成为台风,取决于其中的中尺度波动是否发展集合组成密闭云带. 本文利用柱坐标下的两层动力模式,研究了低层弱涡旋中第二类条件不稳定 机 制驱动下的波动的发展和移动问题. 结果表明:热带弱涡旋中的低层基本流垂直切变 可以很大地加强波动的不稳定性; 波动的相速度和群速度都指向涡旋中心, 波动向中心传播,能量向中心频散. 实例和数值研究也都表明,低层涡旋中的中尺度扰动会迅速发展并且向 中心靠近,促使台风形成.
2012, 61(16): 169203.
doi: 10.7498/aps.61.169203
摘要:
登陆点位置是热带气旋研究的重要课题.为消除因资料单一产生的误差, 本文采用19512010年中国、美国、日本三套热带气旋最佳路径资料, 分析了登陆我国大陆热带气旋频数的年际变化规律, 并研究了登陆纬度的分布和变化特征. 本文以总结三套资料一致反映的现象为主, 得到以下一些有意义的结果: 从总体上看, 中国资料集内的登陆频数比其他两套资料平均每年约多1个. 1970年后三套资料的登陆频数基本保持不变, 登陆纬度有较一致的北移, 而1970年前两者在三套资料内的变化不太一致. 从单位纬度登陆频数上看, 登陆数绝大部分集中在北纬30 以下, 且总体上随纬度增加而减少, 其中北纬2123 登陆数偏多, 北纬2021 和北纬2324 登陆数偏少.
登陆点位置是热带气旋研究的重要课题.为消除因资料单一产生的误差, 本文采用19512010年中国、美国、日本三套热带气旋最佳路径资料, 分析了登陆我国大陆热带气旋频数的年际变化规律, 并研究了登陆纬度的分布和变化特征. 本文以总结三套资料一致反映的现象为主, 得到以下一些有意义的结果: 从总体上看, 中国资料集内的登陆频数比其他两套资料平均每年约多1个. 1970年后三套资料的登陆频数基本保持不变, 登陆纬度有较一致的北移, 而1970年前两者在三套资料内的变化不太一致. 从单位纬度登陆频数上看, 登陆数绝大部分集中在北纬30 以下, 且总体上随纬度增加而减少, 其中北纬2123 登陆数偏多, 北纬2021 和北纬2324 登陆数偏少.
2012, 61(16): 169501.
doi: 10.7498/aps.61.169501
摘要:
针对道路交通流普遍存在的混沌特性以及单交通参数不足以全面反映交通流状态的实际情况,考虑交通动力学系统中多个交通参数之间的关联关系,提出一种新的多参数混沌时间序列预测算法.该算法在相空间重构理论的基础上,借助Bayes估计将多个参数在同一高维相空间中进行相点最优融合,从而增加重构相空间的系统信息量, 使得相空间的相点轨迹更加逼近原交通系统的动力学行为.同时借鉴单 参数混沌时间序列预测方法,从不同角度对动力学系统的运动状态进行描述,以实现多参数时间序列的混沌预测.实验结果表明,通过融合多交通参数时间序列,获得了更加完整的交通流状态变化特征.与单交通参数时间序列的预测结果相比,其预测误差显著降低,均衡系数相应增大,提高了交通流状态预测的准确率.
针对道路交通流普遍存在的混沌特性以及单交通参数不足以全面反映交通流状态的实际情况,考虑交通动力学系统中多个交通参数之间的关联关系,提出一种新的多参数混沌时间序列预测算法.该算法在相空间重构理论的基础上,借助Bayes估计将多个参数在同一高维相空间中进行相点最优融合,从而增加重构相空间的系统信息量, 使得相空间的相点轨迹更加逼近原交通系统的动力学行为.同时借鉴单 参数混沌时间序列预测方法,从不同角度对动力学系统的运动状态进行描述,以实现多参数时间序列的混沌预测.实验结果表明,通过融合多交通参数时间序列,获得了更加完整的交通流状态变化特征.与单交通参数时间序列的预测结果相比,其预测误差显著降低,均衡系数相应增大,提高了交通流状态预测的准确率.
2012, 61(16): 169601.
doi: 10.7498/aps.61.169601
摘要:
太阳黑子活动长期预报对航天、通讯、防灾等具有重要的指导意义. 针对加权一阶局域法在多步预测时存在累积误差效应, 建立了基于相空间重构技术的径向基函数神经网络预测模型. 用该模型对第22, 23 太阳周黑子数平滑月均值进行逐月预报, 并与实测值进行比较. 结果表明, 预报的绝对误差可以控制在15.00 以内, 平均绝对误差分别为5.47, 2.83, 相对误差控制在15.00%以内, 平均相对误差分别为5.45%, 4.60%, 验证了该模型在预测太阳黑子数时具有较高的精度. 将该预测模型用于第24 太阳周黑子数平滑月均值预报, 做出了自2009 年1月到2019年12月共132 个月的黑子数平滑月均值的预报, 指出黑子数平滑月均值的最大值为104.77, 将出现的时间为2013年1月.
太阳黑子活动长期预报对航天、通讯、防灾等具有重要的指导意义. 针对加权一阶局域法在多步预测时存在累积误差效应, 建立了基于相空间重构技术的径向基函数神经网络预测模型. 用该模型对第22, 23 太阳周黑子数平滑月均值进行逐月预报, 并与实测值进行比较. 结果表明, 预报的绝对误差可以控制在15.00 以内, 平均绝对误差分别为5.47, 2.83, 相对误差控制在15.00%以内, 平均相对误差分别为5.45%, 4.60%, 验证了该模型在预测太阳黑子数时具有较高的精度. 将该预测模型用于第24 太阳周黑子数平滑月均值预报, 做出了自2009 年1月到2019年12月共132 个月的黑子数平滑月均值的预报, 指出黑子数平滑月均值的最大值为104.77, 将出现的时间为2013年1月.
