2015年 64卷 第4期
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2015, 64(4): 040503.
doi: 10.7498/aps.64.040503
摘要:
针对非线性自适应混沌信号去噪算法的参数优化问题, 考虑到最优滤波窗长受到不同因素的影响, 为提高该算法的自适应性, 提出一种滤波窗长自动最优化的判决准则. 依据混沌信号和噪声自相关函数的不同, 首先采用不同窗长对含噪混沌信号进行去噪, 然后计算每个窗长对应的残差自相关度(RAD), 最后通过对最小RAD所对应的窗长进行一定比例收缩实现窗长的最优化. 仿真结果表明, 该判决准则能够在不同条件下对滤波窗长进行有效的自动最优化, 提高了混沌信号去噪算法的自适应性.
针对非线性自适应混沌信号去噪算法的参数优化问题, 考虑到最优滤波窗长受到不同因素的影响, 为提高该算法的自适应性, 提出一种滤波窗长自动最优化的判决准则. 依据混沌信号和噪声自相关函数的不同, 首先采用不同窗长对含噪混沌信号进行去噪, 然后计算每个窗长对应的残差自相关度(RAD), 最后通过对最小RAD所对应的窗长进行一定比例收缩实现窗长的最优化. 仿真结果表明, 该判决准则能够在不同条件下对滤波窗长进行有效的自动最优化, 提高了混沌信号去噪算法的自适应性.
2015, 64(4): 040505.
doi: 10.7498/aps.64.040505
摘要:
针对分数阶混沌系统的同步问题, 基于滑模控制理论和自适应控制理论, 设计了一个具有较强鲁棒性的分数阶积分滑模面, 并提出了一种自适应滑模控制器在不消除非线性项的情况下实现一类三维分数阶混沌系统同步的方法. 利用所设计的自适应滑膜控制器实现了分数阶Chen系统、分数阶Liu系统以及分数阶Arneodo系统的混沌同步. 数值模拟仿真结果验证了所设计的控制器的有效性和可行性.
针对分数阶混沌系统的同步问题, 基于滑模控制理论和自适应控制理论, 设计了一个具有较强鲁棒性的分数阶积分滑模面, 并提出了一种自适应滑模控制器在不消除非线性项的情况下实现一类三维分数阶混沌系统同步的方法. 利用所设计的自适应滑膜控制器实现了分数阶Chen系统、分数阶Liu系统以及分数阶Arneodo系统的混沌同步. 数值模拟仿真结果验证了所设计的控制器的有效性和可行性.
2015, 64(4): 040506.
doi: 10.7498/aps.64.040506
摘要:
基于经验模态分解理论, 提出了一种基于粒子群算法的支持向量机预测方法. 采用总体平均经验模式分解法将混沌信号分解为若干固有模态函数和趋势分量, 将复杂的非线性信号转化为具有不同尺度特征的平稳分量. 利用粒子群算法对支持向量机的惩罚系数和核函数进行优化, 结合支持向量机建立混沌序列的单步预测模型. 从预测误差中检测淹没在混沌背景中的微弱信号(包括瞬态信号和周期信号). 对Lorenz系统和实测IPIX雷达数据进行仿真实验, 结果表明, 该方法能够有效地从混沌背景噪声中检测出微弱目标信号, Lorenz系统得到的均方根误差0.000000339 (-102.8225 dB时)比传统支持向量机方法的均方根误差0.049 (-54.60 dB时)降低了5个数量级, 从海杂波中检测出具有谐波特性的微弱信号, 表明预测模型具有更低的门限和误差.
基于经验模态分解理论, 提出了一种基于粒子群算法的支持向量机预测方法. 采用总体平均经验模式分解法将混沌信号分解为若干固有模态函数和趋势分量, 将复杂的非线性信号转化为具有不同尺度特征的平稳分量. 利用粒子群算法对支持向量机的惩罚系数和核函数进行优化, 结合支持向量机建立混沌序列的单步预测模型. 从预测误差中检测淹没在混沌背景中的微弱信号(包括瞬态信号和周期信号). 对Lorenz系统和实测IPIX雷达数据进行仿真实验, 结果表明, 该方法能够有效地从混沌背景噪声中检测出微弱目标信号, Lorenz系统得到的均方根误差0.000000339 (-102.8225 dB时)比传统支持向量机方法的均方根误差0.049 (-54.60 dB时)降低了5个数量级, 从海杂波中检测出具有谐波特性的微弱信号, 表明预测模型具有更低的门限和误差.
2015, 64(4): 040502.
doi: 10.7498/aps.64.040502
摘要:
对单周期控制三电平Boost功率因数校正(PFC)变换器中存在的慢尺度分岔现象进行了研究, 基于Floquet乘子法分析了主要电路参数对系统稳定性的影响. 首先, 分析了该电路的工作原理, 并由输入输出功率平衡推导出电路的简化模型. 然后, 采用谐波平衡法求解出电路的周期解, 根据Floquet理论分析周期解的稳定性. 通过计算Floquet乘子, 分析了电路中电压反馈电阻Rvf 对系统慢尺度分岔行为的影响. 搭建电路仿真模型, 验证了简化模型及Floquet理论分析的正确性. 最后, 计算了电路中其他参数组成的稳定边界. 研究结果表明, 正确选择三电平Boost PFC变换器的电路参数对于其稳定运行, 提高输入侧功率因数具有重要意义.
对单周期控制三电平Boost功率因数校正(PFC)变换器中存在的慢尺度分岔现象进行了研究, 基于Floquet乘子法分析了主要电路参数对系统稳定性的影响. 首先, 分析了该电路的工作原理, 并由输入输出功率平衡推导出电路的简化模型. 然后, 采用谐波平衡法求解出电路的周期解, 根据Floquet理论分析周期解的稳定性. 通过计算Floquet乘子, 分析了电路中电压反馈电阻Rvf 对系统慢尺度分岔行为的影响. 搭建电路仿真模型, 验证了简化模型及Floquet理论分析的正确性. 最后, 计算了电路中其他参数组成的稳定边界. 研究结果表明, 正确选择三电平Boost PFC变换器的电路参数对于其稳定运行, 提高输入侧功率因数具有重要意义.
2015, 64(4): 040504.
doi: 10.7498/aps.64.040504
摘要:
以永磁同步发电机为研究对象, 在两相同步旋转坐标系下建立了数学模型. 针对永磁同步发电系统在某些参数和工作条件下出现的混沌运动现象, 在考虑系统扰动的情况下通过求解Riccatic方程得到满足最小性能指标的输出反馈控制增益矩阵, 并将该增益矩阵反馈到系统中, 用来改善系统性能. 仿真结果表明, 基于Riccatic方程的最优输出反馈H∞控制, 在系统发生扰动时, 能对混沌运动下永磁同步发电机做出快速响应, 使系统脱离混沌运动, 运行稳定.
以永磁同步发电机为研究对象, 在两相同步旋转坐标系下建立了数学模型. 针对永磁同步发电系统在某些参数和工作条件下出现的混沌运动现象, 在考虑系统扰动的情况下通过求解Riccatic方程得到满足最小性能指标的输出反馈控制增益矩阵, 并将该增益矩阵反馈到系统中, 用来改善系统性能. 仿真结果表明, 基于Riccatic方程的最优输出反馈H∞控制, 在系统发生扰动时, 能对混沌运动下永磁同步发电机做出快速响应, 使系统脱离混沌运动, 运行稳定.
2015, 64(4): 040501.
doi: 10.7498/aps.64.040501
摘要:
基于低温下量子系统的相关实验多是在体积、能量和粒子数都可变的外场束缚下进行的事实, 由体积、能量和粒子数可变的完全开放系统的统计分布(N-E-V分布)研究了弱磁场中弱相互作用费米系统的热力学性质. 首先求出了一般情况下由费米积分表示的内能和热容的解析表达式. 在此基础上, 又给出了在低温极限条件下内能与热容的解析表达式和数值计算结果, 并将N-E-V分布(粒子数密度变化)的结果与赝势法(粒子数密度不变)的结果进行了比较. 结果表明: N-E-V分布方法的计算结果总是补偿赝势法计算结果的过度偏差. 由N-E-V 分布方法所得结果最特异之处在于: 在低温条件下, 弱磁场中弱相互作用费米系统存在一相变温度tc, 其正处于费米系统发生玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和费米原子形成库珀对的超流状态(BCS)相变及BEC-BCS跨越的温度范围内, 且不随反映弱相互作用大小和特征的散射长度a (a0斥力)变化, 但随弱磁场的加强而降低, 即弱磁场可调节该相变温度. 磁场为零时, 相变温度最高, 为费米温度的0.184倍.
基于低温下量子系统的相关实验多是在体积、能量和粒子数都可变的外场束缚下进行的事实, 由体积、能量和粒子数可变的完全开放系统的统计分布(N-E-V分布)研究了弱磁场中弱相互作用费米系统的热力学性质. 首先求出了一般情况下由费米积分表示的内能和热容的解析表达式. 在此基础上, 又给出了在低温极限条件下内能与热容的解析表达式和数值计算结果, 并将N-E-V分布(粒子数密度变化)的结果与赝势法(粒子数密度不变)的结果进行了比较. 结果表明: N-E-V分布方法的计算结果总是补偿赝势法计算结果的过度偏差. 由N-E-V 分布方法所得结果最特异之处在于: 在低温条件下, 弱磁场中弱相互作用费米系统存在一相变温度tc, 其正处于费米系统发生玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和费米原子形成库珀对的超流状态(BCS)相变及BEC-BCS跨越的温度范围内, 且不随反映弱相互作用大小和特征的散射长度a (a0斥力)变化, 但随弱磁场的加强而降低, 即弱磁场可调节该相变温度. 磁场为零时, 相变温度最高, 为费米温度的0.184倍.
2015, 64(4): 040301.
doi: 10.7498/aps.64.040301
摘要:
针对基于纠缠态的量子通信网络, 提出了网络模型. 基于网络模型, 首先分析了基础链路的量子信道建立速率. 然后根据基础链路的量子信道建立速率, 针对不同的量子信道建立方法, 对中继长链路上的量子信道建立速率进行分析, 得到在逐点方法和分段方法下所对应的量子信道建立速率. 最后, 利用逾渗模型, 对大规模纠缠态量子通信网络中任意两点间的量子信道建立速率进行分析, 推导出n个节点量子通信网络中, 量子信道建立速率为Ω (1/n).
针对基于纠缠态的量子通信网络, 提出了网络模型. 基于网络模型, 首先分析了基础链路的量子信道建立速率. 然后根据基础链路的量子信道建立速率, 针对不同的量子信道建立方法, 对中继长链路上的量子信道建立速率进行分析, 得到在逐点方法和分段方法下所对应的量子信道建立速率. 最后, 利用逾渗模型, 对大规模纠缠态量子通信网络中任意两点间的量子信道建立速率进行分析, 推导出n个节点量子通信网络中, 量子信道建立速率为Ω (1/n).
2015, 64(4): 044204.
doi: 10.7498/aps.64.044204
摘要:
研究基于注入锁定法布里-珀罗激光器的全光双稳态效应及其在全光存储中的应用. 进行了法布里-珀罗激光器的注入锁定的实验研究, 对注入锁定的法布里-珀罗激光器的输出功率特性进行实验分析, 得到了不同注入光波长失谐量对迟滞曲线的门限宽度和消光比的影响. 进一步, 通过对控制信号功率的合理设置, 实现了对10 Gb/s输入信号的2.5 GHz光存储验证了利用注入锁定法布里-珀罗激光器实现高速全光存储的可行性, 在高速光纤通信领域具有极大的应用价值.
研究基于注入锁定法布里-珀罗激光器的全光双稳态效应及其在全光存储中的应用. 进行了法布里-珀罗激光器的注入锁定的实验研究, 对注入锁定的法布里-珀罗激光器的输出功率特性进行实验分析, 得到了不同注入光波长失谐量对迟滞曲线的门限宽度和消光比的影响. 进一步, 通过对控制信号功率的合理设置, 实现了对10 Gb/s输入信号的2.5 GHz光存储验证了利用注入锁定法布里-珀罗激光器实现高速全光存储的可行性, 在高速光纤通信领域具有极大的应用价值.
2015, 64(4): 044102.
doi: 10.7498/aps.64.044102
摘要:
传统的线束串扰模型只是在系统内共模激励的基础上建立的, 没有考虑系统间差模激励下线束串扰的情况. 针对差模激励下系统独立回路间线束串扰的物理问题, 提出了一种基于多导体传输线理论的差模激励新型线束串扰的计算方法.该方法根据差模激励下线间的耦合机理, 利用传输线传播横向电磁模式得到新型三导体传输线寄生参数电路及数学矩阵模型, 通过镜像法以及诺埃曼公式推导出寄生参数的计算公式, 并在频域内得到新型线束串扰的链参数矩阵方程, 根据新型差模串扰模型始端、终端边界条件最终得到串扰电压的频域解.以差模激励下平行双线回路对其他回路受扰线的串扰为例, 通过仿真受扰线不同布置情况下的串扰电压, 得到了差模激励源的线束间串扰的物理规律, 即受扰线位于差模回路之间时所受的串扰要远大于位于回路外时所受的串扰, 并验证所提出的模型及方法可以计算不同频率差模激励引起的干扰. 利用解析的方法解决了线束串扰中差模激励下的导线串扰问题, 为实际中如大量导线的捆扎以及导线干扰的预测等电磁兼容问题提供了理论依据, 具有指导意义, 完善了多导体传输线理论在线束串扰中的应用.
传统的线束串扰模型只是在系统内共模激励的基础上建立的, 没有考虑系统间差模激励下线束串扰的情况. 针对差模激励下系统独立回路间线束串扰的物理问题, 提出了一种基于多导体传输线理论的差模激励新型线束串扰的计算方法.该方法根据差模激励下线间的耦合机理, 利用传输线传播横向电磁模式得到新型三导体传输线寄生参数电路及数学矩阵模型, 通过镜像法以及诺埃曼公式推导出寄生参数的计算公式, 并在频域内得到新型线束串扰的链参数矩阵方程, 根据新型差模串扰模型始端、终端边界条件最终得到串扰电压的频域解.以差模激励下平行双线回路对其他回路受扰线的串扰为例, 通过仿真受扰线不同布置情况下的串扰电压, 得到了差模激励源的线束间串扰的物理规律, 即受扰线位于差模回路之间时所受的串扰要远大于位于回路外时所受的串扰, 并验证所提出的模型及方法可以计算不同频率差模激励引起的干扰. 利用解析的方法解决了线束串扰中差模激励下的导线串扰问题, 为实际中如大量导线的捆扎以及导线干扰的预测等电磁兼容问题提供了理论依据, 具有指导意义, 完善了多导体传输线理论在线束串扰中的应用.
2015, 64(4): 044201.
doi: 10.7498/aps.64.044201
摘要:
在图像处理过程中, 为了在图像去噪时更好地保留图像边缘细节信息, 首先结合扩散系数和曲率的性质建立了一个曲率平滑模型. 考虑到图像受到噪声污染时曲率会发生显著变化, 将图像的水平集曲率作为一个检测因子代入到上述模型中, 提出了一个梯度与曲率相结合的新模型. 分析与仿真结果表明, 该模型与Perona-Malik模型相比较保留了更多的图像信息, 有效地增强了图像尖锐的边缘, 同时很好地保持了图像的直线和曲线边缘、角点、斜坡和小尺度特征, 是一个理想的模型.
在图像处理过程中, 为了在图像去噪时更好地保留图像边缘细节信息, 首先结合扩散系数和曲率的性质建立了一个曲率平滑模型. 考虑到图像受到噪声污染时曲率会发生显著变化, 将图像的水平集曲率作为一个检测因子代入到上述模型中, 提出了一个梯度与曲率相结合的新模型. 分析与仿真结果表明, 该模型与Perona-Malik模型相比较保留了更多的图像信息, 有效地增强了图像尖锐的边缘, 同时很好地保持了图像的直线和曲线边缘、角点、斜坡和小尺度特征, 是一个理想的模型.
2015, 64(4): 044203.
doi: 10.7498/aps.64.044203
摘要:
对基于MgO:APLN的多光参量振荡器进行了实验研究. 通过优化MgO:APLN极化结构及参量光耦合输出透过率, 在200 kHz高重复频率1064 nm激光抽运下, 通过单极化晶体实现了1.57 μm, 3.84 μm跨周期参量光输出, 平均功率分别达到2.4 W和1.31 W, 对应光-光转换效率为11.54%和6.25%. 同时针对多光参量振荡过程的逆转换现象, 通过耦合波方程对其进行了数值演化, 并引入“逆转换能量传导区”概念, 指出逆转换能量传导区的存在促使弱增益光学参量振荡器的参量光得到二次增强, 所得结论与实验结果相符合.
对基于MgO:APLN的多光参量振荡器进行了实验研究. 通过优化MgO:APLN极化结构及参量光耦合输出透过率, 在200 kHz高重复频率1064 nm激光抽运下, 通过单极化晶体实现了1.57 μm, 3.84 μm跨周期参量光输出, 平均功率分别达到2.4 W和1.31 W, 对应光-光转换效率为11.54%和6.25%. 同时针对多光参量振荡过程的逆转换现象, 通过耦合波方程对其进行了数值演化, 并引入“逆转换能量传导区”概念, 指出逆转换能量传导区的存在促使弱增益光学参量振荡器的参量光得到二次增强, 所得结论与实验结果相符合.
2015, 64(4): 044101.
doi: 10.7498/aps.64.044101
摘要:
单负(仅介电常数或仅磁导率小于零)超材料以及由导线-开口谐振环组成的双负超材料本构参数的提取通常采用传统的S参数方法. 由于磁电耦合超材料存在交叉极化现象, 仅用介电常数和磁导率两个本构参数无法准确描述其电磁特性. 传统的S参数提取方法一开始就假定超材料仅具有介电常数和磁导率两个本构参数, 所以采用该方法提取磁电耦合超材料本构参数存在明显局限性. 将磁电耦合超材料中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过推导平均电通密度和磁通密度与外加电磁场的相互关系, 从理论上获取了磁电耦合超材料2×2 的本构参数矩阵, 确定了磁电耦合超材料这四个本构参数与磁元件的磁导率、电元件的介电常数、空间色散项和耦合系数之间的关系解析公式, 进而获得了折射率理论计算公式. 利用该折射率公式对折射率提取值进行了非线性拟合, 发现提取值和理论值之间的误差很小, 这个结果很好地验证了所给出的本构矩阵解析式和折射率公式的正确性. 根据拟合结果, 获得了磁电耦合超材料本构矩阵中四个电磁参数的频率响应曲线. 所提出的磁电耦合超材料本构矩阵参数获取方法将为研究磁电超材料中电元件和磁元件的耦合现象提供重要的理论参考.
单负(仅介电常数或仅磁导率小于零)超材料以及由导线-开口谐振环组成的双负超材料本构参数的提取通常采用传统的S参数方法. 由于磁电耦合超材料存在交叉极化现象, 仅用介电常数和磁导率两个本构参数无法准确描述其电磁特性. 传统的S参数提取方法一开始就假定超材料仅具有介电常数和磁导率两个本构参数, 所以采用该方法提取磁电耦合超材料本构参数存在明显局限性. 将磁电耦合超材料中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过推导平均电通密度和磁通密度与外加电磁场的相互关系, 从理论上获取了磁电耦合超材料2×2 的本构参数矩阵, 确定了磁电耦合超材料这四个本构参数与磁元件的磁导率、电元件的介电常数、空间色散项和耦合系数之间的关系解析公式, 进而获得了折射率理论计算公式. 利用该折射率公式对折射率提取值进行了非线性拟合, 发现提取值和理论值之间的误差很小, 这个结果很好地验证了所给出的本构矩阵解析式和折射率公式的正确性. 根据拟合结果, 获得了磁电耦合超材料本构矩阵中四个电磁参数的频率响应曲线. 所提出的磁电耦合超材料本构矩阵参数获取方法将为研究磁电超材料中电元件和磁元件的耦合现象提供重要的理论参考.
2015, 64(4): 044301.
doi: 10.7498/aps.64.044301
摘要:
热声发动机的起振过程是一个产生并维持自激振荡的过程, 研究热声自激振荡机理有助于进一步了解热声效应的实质. 根据热声网络理论, 建立了驻波热声发动机的整机网络. 将热声网络比拟成电网络, 利用厄米特式计算了输入热声网络的视在功流, 功流平衡对应自激, 在角频率虚部为零的情况下计算了热声发动机的阈值温度和运行频率. 结果表明, 计算值与实验值符合得较好, 充气压力与阈值温度和运行频率的耦合关系大致相同. 所得结论有助于进一步探究热声效应机理以及热声发动机系统的优化设计.
热声发动机的起振过程是一个产生并维持自激振荡的过程, 研究热声自激振荡机理有助于进一步了解热声效应的实质. 根据热声网络理论, 建立了驻波热声发动机的整机网络. 将热声网络比拟成电网络, 利用厄米特式计算了输入热声网络的视在功流, 功流平衡对应自激, 在角频率虚部为零的情况下计算了热声发动机的阈值温度和运行频率. 结果表明, 计算值与实验值符合得较好, 充气压力与阈值温度和运行频率的耦合关系大致相同. 所得结论有助于进一步探究热声效应机理以及热声发动机系统的优化设计.
2015, 64(4): 044202.
doi: 10.7498/aps.64.044202
摘要:
提出并验证了一种有源环形谐振腔辅助滤波的光电振荡器. 它利用有源环形谐振腔提供的高Q光学梳状频率响应特性, 对振荡器中的光信号模式进行选择, 能有效地提高输出信号的边模抑制比, 获得光电振荡器的单模输出. 理论上, 对光电振荡器的起振模式以及有源腔的频率响应进行了分析, 仿真结果表明有源环形谐振腔的辅助滤波有利于光电振荡器的边模抑制和单模输出. 在实验上, 通过对比验证了理论的预期结果, 并最终得到中心频率为20 GHz, 边模抑制比为58.83 dB, 在频偏10 kHz处相位噪声为-97 dBc/Hz的单模信号输出. 该方案保留了已有光电振荡器边模抑制方法的优势, 实现方法上更加简便, 在工作带宽和可调谐性方面具备良好的灵活性.
提出并验证了一种有源环形谐振腔辅助滤波的光电振荡器. 它利用有源环形谐振腔提供的高Q光学梳状频率响应特性, 对振荡器中的光信号模式进行选择, 能有效地提高输出信号的边模抑制比, 获得光电振荡器的单模输出. 理论上, 对光电振荡器的起振模式以及有源腔的频率响应进行了分析, 仿真结果表明有源环形谐振腔的辅助滤波有利于光电振荡器的边模抑制和单模输出. 在实验上, 通过对比验证了理论的预期结果, 并最终得到中心频率为20 GHz, 边模抑制比为58.83 dB, 在频偏10 kHz处相位噪声为-97 dBc/Hz的单模信号输出. 该方案保留了已有光电振荡器边模抑制方法的优势, 实现方法上更加简便, 在工作带宽和可调谐性方面具备良好的灵活性.
2015, 64(4): 044205.
doi: 10.7498/aps.64.044205
摘要:
目前光学陀螺的主要工作原理是Sagnac效应, 如何提高Sagnac效应的测量精度是提高陀螺精度的一个重要研究课题. 传统的光学陀螺利用光短波长的特性来提高检测精度. 但考虑到微波的相位(频率)检测精度远高于光波的相位(频率)检测精度, 如果能够利用微波实现Sagnac效应的检测, 就能得到比光学陀螺更高的检测精度, 从而为实现高精度的微波陀螺提供了可能. 利用基于光电振荡器的光载微波结构实现了微波Sagnac效应的检测. 实验结果证明了微波检测Sagnac效应的可行性, 为将来实现高精度的微波谐振陀螺打下基础.
目前光学陀螺的主要工作原理是Sagnac效应, 如何提高Sagnac效应的测量精度是提高陀螺精度的一个重要研究课题. 传统的光学陀螺利用光短波长的特性来提高检测精度. 但考虑到微波的相位(频率)检测精度远高于光波的相位(频率)检测精度, 如果能够利用微波实现Sagnac效应的检测, 就能得到比光学陀螺更高的检测精度, 从而为实现高精度的微波陀螺提供了可能. 利用基于光电振荡器的光载微波结构实现了微波Sagnac效应的检测. 实验结果证明了微波检测Sagnac效应的可行性, 为将来实现高精度的微波谐振陀螺打下基础.
2015, 64(4): 044501.
doi: 10.7498/aps.64.044501
摘要:
研究了垂直振动激发下钨颗粒的动态有效质量() 和耗散功率p()随频率 的依赖关系. 实验发现, 在给定的振动幅度下, 自由表面样品有效质量的实数部分M1 () 、虚数部分M2 () 以及耗散功率p()随频率的变化曲线均出现一个尖锐的共振峰. 随着在颗粒上表面施加压强的增大, M1 (), M2 () 和耗散功率p()曲线的峰值频率向高频移动, 且峰值高度也相应增大. 进一步研究发现, 有效质量实数部分的共振频率fg 随表面压强P的变化满足分段幂律规律, 当P较小时, 幂指数为0.3, 当P较大时, 幂指数减小为1/6. 颗粒系统的品质因子的倒数1/Q随压强P的变化满足指数衰减规律.
研究了垂直振动激发下钨颗粒的动态有效质量() 和耗散功率p()随频率 的依赖关系. 实验发现, 在给定的振动幅度下, 自由表面样品有效质量的实数部分M1 () 、虚数部分M2 () 以及耗散功率p()随频率的变化曲线均出现一个尖锐的共振峰. 随着在颗粒上表面施加压强的增大, M1 (), M2 () 和耗散功率p()曲线的峰值频率向高频移动, 且峰值高度也相应增大. 进一步研究发现, 有效质量实数部分的共振频率fg 随表面压强P的变化满足分段幂律规律, 当P较小时, 幂指数为0.3, 当P较大时, 幂指数减小为1/6. 颗粒系统的品质因子的倒数1/Q随压强P的变化满足指数衰减规律.
2015, 64(4): 044502.
doi: 10.7498/aps.64.044502
摘要:
微博网络的快速性、爆发性和时效性, 以及用户复杂的行为模式, 使得研究其信息传播模型及影响因素成为网络舆情的热点方向. 利用压缩映射定理, 分析不动点迭代过程的收敛条件, 得到有向网络信息传播过程的渗流阈值和巨出向分支的数值解法; 通过可变同配系数生成模型, 分析关联特征对信息传播的影响; 最后利用微博转发网络数据进行仿真对比实验. 结果表明: 虽然四类关联特征同时体现出同配、异配特征, 但信息传播结果更多受入度-入度相关性、入度-出度相关性影响; 通过删除少量节点的方法, 提取边同配比例, 验证大部分节点的四类关联特征呈现一致性.
微博网络的快速性、爆发性和时效性, 以及用户复杂的行为模式, 使得研究其信息传播模型及影响因素成为网络舆情的热点方向. 利用压缩映射定理, 分析不动点迭代过程的收敛条件, 得到有向网络信息传播过程的渗流阈值和巨出向分支的数值解法; 通过可变同配系数生成模型, 分析关联特征对信息传播的影响; 最后利用微博转发网络数据进行仿真对比实验. 结果表明: 虽然四类关联特征同时体现出同配、异配特征, 但信息传播结果更多受入度-入度相关性、入度-出度相关性影响; 通过删除少量节点的方法, 提取边同配比例, 验证大部分节点的四类关联特征呈现一致性.
2015, 64(4): 044601.
doi: 10.7498/aps.64.044601
摘要:
在动力学普遍原理中, 高斯最小拘束原理的特点是可通过寻求函数极值的变分方法直接得出运动规律, 而无须建立动力学微分方程. Kirchhoff动力学比拟方法以刚性截面的姿态表述弹性细杆的几何形态, 并发展为以弧坐标s和时间t为自变量的弹性杆分析力学. 由于截面姿态的局部微小改变沿弧坐标的积累不受限制, Kirchhoff模型适合描述弹性杆的超大变形. Cosserat弹性杆模型考虑了Kirchhoff模型忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布力等因素, 是更符合实际弹性杆的动力学模型. 建立了基于高斯原理的Cosserat弹性杆的分析力学模型, 导出拘束函数的普遍形式, 以平面运动为例进行讨论. 关于弹性杆空间不可自相侵占的特殊问题, 给出相应的约束条件对可能运动施加限制, 以避免自相侵占情况发生.
在动力学普遍原理中, 高斯最小拘束原理的特点是可通过寻求函数极值的变分方法直接得出运动规律, 而无须建立动力学微分方程. Kirchhoff动力学比拟方法以刚性截面的姿态表述弹性细杆的几何形态, 并发展为以弧坐标s和时间t为自变量的弹性杆分析力学. 由于截面姿态的局部微小改变沿弧坐标的积累不受限制, Kirchhoff模型适合描述弹性杆的超大变形. Cosserat弹性杆模型考虑了Kirchhoff模型忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布力等因素, 是更符合实际弹性杆的动力学模型. 建立了基于高斯原理的Cosserat弹性杆的分析力学模型, 导出拘束函数的普遍形式, 以平面运动为例进行讨论. 关于弹性杆空间不可自相侵占的特殊问题, 给出相应的约束条件对可能运动施加限制, 以避免自相侵占情况发生.
2015, 64(4): 045203.
doi: 10.7498/aps.64.045203
摘要:
高功率微波在土壤中传播时, 会引起土壤击穿电离而导致土壤电阻率的非线性变化, 土壤电阻率的变化又将反作用于传播过程, 加剧高功率微波衰减, 影响其能量传输效率. 通过对土壤动态电离过程的分析, 结合Maxwell方程组构建了高功率微波土壤传播模型, 采用时域有限差分法对该模型进行数值验证. 数值结果显示了高功率微波在土壤中传播、衰减等物理图像, 以及土壤电阻率的非线性变化过程. 理论分析验证了这些数值结果.
高功率微波在土壤中传播时, 会引起土壤击穿电离而导致土壤电阻率的非线性变化, 土壤电阻率的变化又将反作用于传播过程, 加剧高功率微波衰减, 影响其能量传输效率. 通过对土壤动态电离过程的分析, 结合Maxwell方程组构建了高功率微波土壤传播模型, 采用时域有限差分法对该模型进行数值验证. 数值结果显示了高功率微波在土壤中传播、衰减等物理图像, 以及土壤电阻率的非线性变化过程. 理论分析验证了这些数值结果.
2015, 64(4): 045201.
doi: 10.7498/aps.64.045201
摘要:
惯性约束聚变内爆物理研究中, 示踪元素X光谱线诊断方法是推测内爆压缩温度、密度以及燃料混合的有效办法, 因此, 对示踪元素X光发射的规律及其与内爆过程的关系的研究非常必要, 有助于通过谱线发射特征诊断内爆状态. 以SGIII原型装置的实验条件下的内爆过程为例, 对内爆靶丸示踪元素Ar发射X光谱线进行了理论模拟. 研究了谱线自吸收效应、Ar掺杂浓度、等离子体空间分布不均匀等对Ar发射的X光谱线分布的影响. 还对Ar发射X光谱线强度的时间演化及其与内爆过程的关系进行了研究. 结果表明, 增加掺杂浓度, 谱线强度增强, 但是谱线自吸收效应的影响也明显增强. 示踪元素Ar发射的X光谱线强度的峰值时刻与中子产生速率的峰值时刻接近(前者延迟约15 ps). 高温、高密度及合适的电离度是谱线发射的3个条件, 在X光谱线发射的峰值时刻, 由于燃料芯部Ar等离子体过电离, Ar等离子体发射的X光谱线的空间峰值区域靠近燃料边界区域, 占燃料总体积56%的薄壳(厚度～4 μm), 其发射的X光谱线强度约为总强度的72%. 因此, 对发射谱线分布拟合得到的空间平均的等离子体温度、密度主要反映这一区域的等离子体状态.
惯性约束聚变内爆物理研究中, 示踪元素X光谱线诊断方法是推测内爆压缩温度、密度以及燃料混合的有效办法, 因此, 对示踪元素X光发射的规律及其与内爆过程的关系的研究非常必要, 有助于通过谱线发射特征诊断内爆状态. 以SGIII原型装置的实验条件下的内爆过程为例, 对内爆靶丸示踪元素Ar发射X光谱线进行了理论模拟. 研究了谱线自吸收效应、Ar掺杂浓度、等离子体空间分布不均匀等对Ar发射的X光谱线分布的影响. 还对Ar发射X光谱线强度的时间演化及其与内爆过程的关系进行了研究. 结果表明, 增加掺杂浓度, 谱线强度增强, 但是谱线自吸收效应的影响也明显增强. 示踪元素Ar发射的X光谱线强度的峰值时刻与中子产生速率的峰值时刻接近(前者延迟约15 ps). 高温、高密度及合适的电离度是谱线发射的3个条件, 在X光谱线发射的峰值时刻, 由于燃料芯部Ar等离子体过电离, Ar等离子体发射的X光谱线的空间峰值区域靠近燃料边界区域, 占燃料总体积56%的薄壳(厚度～4 μm), 其发射的X光谱线强度约为总强度的72%. 因此, 对发射谱线分布拟合得到的空间平均的等离子体温度、密度主要反映这一区域的等离子体状态.
2015, 64(4): 045204.
doi: 10.7498/aps.64.045204
摘要:
基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.
基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.
2015, 64(4): 045206.
doi: 10.7498/aps.64.045206
摘要:
在高气压(大于100 Torr, 1 Torr=1.33322×102 Pa)平板位形的均匀直流辉光放电中, 一定条件下观察到平行排列的明暗相间的等离子体辉纹. 结合等离子体的光发射谱诊断, 研究了气体组分对等离子体光学特性的影响. 研究发现, 随着甲烷浓度的增加, 辉纹间距减小, 相应的电子激发温度降低. 当甲烷浓度增加时, 等离子体中低电离能的粒种增加, 粒子平均电离能减小, 这种情况下, 电子被电场加速较短的距离所获得的能量就可以激发粒子, 产生可见的光发射, 表现为辉纹间距缩短. 随着氩气的引入, 能够观察到明显的辉纹, 且增大氩气含量, 辉纹间距增加, 这与氩的较高电离能有关, 而相应的电子激发温度增加. 研究结果表明, 随着工作气体的改变, 等离子体辉纹间距呈现出一种对电子温度的响应.
在高气压(大于100 Torr, 1 Torr=1.33322×102 Pa)平板位形的均匀直流辉光放电中, 一定条件下观察到平行排列的明暗相间的等离子体辉纹. 结合等离子体的光发射谱诊断, 研究了气体组分对等离子体光学特性的影响. 研究发现, 随着甲烷浓度的增加, 辉纹间距减小, 相应的电子激发温度降低. 当甲烷浓度增加时, 等离子体中低电离能的粒种增加, 粒子平均电离能减小, 这种情况下, 电子被电场加速较短的距离所获得的能量就可以激发粒子, 产生可见的光发射, 表现为辉纹间距缩短. 随着氩气的引入, 能够观察到明显的辉纹, 且增大氩气含量, 辉纹间距增加, 这与氩的较高电离能有关, 而相应的电子激发温度增加. 研究结果表明, 随着工作气体的改变, 等离子体辉纹间距呈现出一种对电子温度的响应.
2015, 64(4): 045205.
doi: 10.7498/aps.64.045205
摘要:
在局域热动平衡近似下, 利用能量平衡关系, 建立热核系统整体点火能量平衡方程, 对该方程求解得到热核反应系统点火阈值. 在计算和分析的基础上给出参数空间的点火关系, 以及该条件受装量、核子数比以及返照率等因素的影响情况. 点火时刻面密度越大, 则对应的点火温度越低, 并且电子-辐射温度脱离越小, 越接近三温平衡的点火状态; 反之则在点火时刻对应较大温度脱离. 更重要的是, 该分析方法还可以根据点火时刻系统的物理状态, 通过线性稳定性分析方法, 描述出系统的后续行为, 也就是说, 可以判断出这样的热核系统能否继续升温并实现深度燃烧.
在局域热动平衡近似下, 利用能量平衡关系, 建立热核系统整体点火能量平衡方程, 对该方程求解得到热核反应系统点火阈值. 在计算和分析的基础上给出参数空间的点火关系, 以及该条件受装量、核子数比以及返照率等因素的影响情况. 点火时刻面密度越大, 则对应的点火温度越低, 并且电子-辐射温度脱离越小, 越接近三温平衡的点火状态; 反之则在点火时刻对应较大温度脱离. 更重要的是, 该分析方法还可以根据点火时刻系统的物理状态, 通过线性稳定性分析方法, 描述出系统的后续行为, 也就是说, 可以判断出这样的热核系统能否继续升温并实现深度燃烧.
2015, 64(4): 045202.
doi: 10.7498/aps.64.045202
摘要:
采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.
采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.
2015, 64(4): 047101.
doi: 10.7498/aps.64.047101
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO2, N, Cu单掺杂TiO2及N/Cu共掺杂TiO2 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO2禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO2禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO2禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.
基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO2, N, Cu单掺杂TiO2及N/Cu共掺杂TiO2 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO2禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO2禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO2禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.
2015, 64(4): 047102.
doi: 10.7498/aps.64.047102
摘要:
采用第一性原理计算方法, 研究了四方MoSi2薄膜的电子性质. 计算结果表明, 各种厚度的薄膜都是金属性的, 并且随着厚度的增加, 其态密度与能带结构都逐渐趋近于MoSi2块体的特性. 通过对MoSi2薄膜磁性的分析, 发现三个原子层厚的薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.33 B; 而当薄膜的厚度大于三个原子层时, 薄膜不具有磁性. 此外, 进一步对单侧加氢饱和以及双侧加氢饱和结构下三原子层MoSi2薄膜的电子性质进行了研究, 发现单侧加氢饱和的三原子层MoSi2薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.26 B, 而双侧加氢饱和三原子层MoSi2薄膜是非磁性的. 双侧未饱和与单侧加氢饱和的三原子层MoSi2薄膜的自旋极化率分别为30%和33%. 这些研究结果表明, 三原子层厚的MoSi2 超薄薄膜在悬空或者生长于基底之上时具有金属磁性, 预示着它在纳米电子学和自旋电子学器件等方面都有潜在的应用前景.
采用第一性原理计算方法, 研究了四方MoSi2薄膜的电子性质. 计算结果表明, 各种厚度的薄膜都是金属性的, 并且随着厚度的增加, 其态密度与能带结构都逐渐趋近于MoSi2块体的特性. 通过对MoSi2薄膜磁性的分析, 发现三个原子层厚的薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.33 B; 而当薄膜的厚度大于三个原子层时, 薄膜不具有磁性. 此外, 进一步对单侧加氢饱和以及双侧加氢饱和结构下三原子层MoSi2薄膜的电子性质进行了研究, 发现单侧加氢饱和的三原子层MoSi2薄膜具有磁性, 其原胞净磁矩为0.26 B, 而双侧加氢饱和三原子层MoSi2薄膜是非磁性的. 双侧未饱和与单侧加氢饱和的三原子层MoSi2薄膜的自旋极化率分别为30%和33%. 这些研究结果表明, 三原子层厚的MoSi2 超薄薄膜在悬空或者生长于基底之上时具有金属磁性, 预示着它在纳米电子学和自旋电子学器件等方面都有潜在的应用前景.
2015, 64(4): 047104.
doi: 10.7498/aps.64.047104
摘要:
采用磁控共溅射技术制备了铒铥共掺杂氧化锌发光薄膜. 通过优化退火温度, 实现了薄膜的近红外 平坦宽带发射, 总带宽可达到~ 500 nm, 覆盖了光通信S+C+L+U 区波段. 此发射带由Er3+ 的1535 nm (4I13/2 → 4I15/2) 发射峰及Tm3+ 的1460 nm (3H4 → 3F4), 1640 nm (1G4 → 3F2), 1740 nm (3F4 → 3H6) 发射峰组成. 研究表明: 退火温度低于800 ℃ 时, 没有观察到薄膜样品明显的光致发光现象; 随着退火温度 从800 ℃ 升高到1000 ℃, I1640/I1535 发射峰强度比从0.2 升高到0.3, I1740/I1535 发射峰强度比从0.5 降低 到0.4, 发射峰强度比均基本保持稳定; 当退火温度高于1000 ℃ 时, I1640/I1535 发射峰强度比从0.3 升高到 0.6, I1740/I1535 发射峰强度比从0.4 升高到0.8, 发射峰强度比均急剧增加. 变温行为表明: 随着温度从10 K 逐渐升高到300 K, 谱线的总带宽基本不变, 在340—360 nm 之间; Tm3+ 在1640 和1740 nm 处的发射峰强度 分别降低了2/3 和1/2, Er3+ 在1535 nm 的发射峰强度增大了1.2 倍. 这是因为随着温度的升高, 声子数目增 多, Er3+ 与Tm3+ 离子之间发生能量传递的概率不断变大, 并且在Tm3+ 离子之间没有发生交叉弛豫现象.
采用磁控共溅射技术制备了铒铥共掺杂氧化锌发光薄膜. 通过优化退火温度, 实现了薄膜的近红外 平坦宽带发射, 总带宽可达到~ 500 nm, 覆盖了光通信S+C+L+U 区波段. 此发射带由Er3+ 的1535 nm (4I13/2 → 4I15/2) 发射峰及Tm3+ 的1460 nm (3H4 → 3F4), 1640 nm (1G4 → 3F2), 1740 nm (3F4 → 3H6) 发射峰组成. 研究表明: 退火温度低于800 ℃ 时, 没有观察到薄膜样品明显的光致发光现象; 随着退火温度 从800 ℃ 升高到1000 ℃, I1640/I1535 发射峰强度比从0.2 升高到0.3, I1740/I1535 发射峰强度比从0.5 降低 到0.4, 发射峰强度比均基本保持稳定; 当退火温度高于1000 ℃ 时, I1640/I1535 发射峰强度比从0.3 升高到 0.6, I1740/I1535 发射峰强度比从0.4 升高到0.8, 发射峰强度比均急剧增加. 变温行为表明: 随着温度从10 K 逐渐升高到300 K, 谱线的总带宽基本不变, 在340—360 nm 之间; Tm3+ 在1640 和1740 nm 处的发射峰强度 分别降低了2/3 和1/2, Er3+ 在1535 nm 的发射峰强度增大了1.2 倍. 这是因为随着温度的升高, 声子数目增 多, Er3+ 与Tm3+ 离子之间发生能量传递的概率不断变大, 并且在Tm3+ 离子之间没有发生交叉弛豫现象.
2015, 64(4): 047103.
doi: 10.7498/aps.64.047103
摘要:
研究了处于永磁体强磁场中Mn1.2Fe0.8P1-xSix 系列化合物的热磁发电性能, 采用高性能球磨和固相烧结合成方法制备了Mn1.2Fe0.8P1-xSix 系列化合物, 并对该系列化合物的物相结构、磁性和热磁发电性能进行了测量. 结果表明: Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63和Mn1.2Fe0.8P0.35Si0.65化合物是具有Fe2P型六角结构的一级相变软磁性材料, 两者居里温度分别为334 K和348 K, 处于工业余热温区. 根据一级相变磁性材料在居里温度磁化强度发生突变这一特性, 研制热磁发电演示装置, 测量了Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63和Mn1.2Fe0.8P0.35Si0.65这两种材料铁磁相变产生感应电流大小与线圈匝数、热磁发电材料质量、表面积、表面上温度梯度的关系. 研究结果表明, Mn1.2Fe0.8P1-xSix系列化合物具有很好的热磁发电性能, 有望成为热磁发电候选材料.
研究了处于永磁体强磁场中Mn1.2Fe0.8P1-xSix 系列化合物的热磁发电性能, 采用高性能球磨和固相烧结合成方法制备了Mn1.2Fe0.8P1-xSix 系列化合物, 并对该系列化合物的物相结构、磁性和热磁发电性能进行了测量. 结果表明: Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63和Mn1.2Fe0.8P0.35Si0.65化合物是具有Fe2P型六角结构的一级相变软磁性材料, 两者居里温度分别为334 K和348 K, 处于工业余热温区. 根据一级相变磁性材料在居里温度磁化强度发生突变这一特性, 研制热磁发电演示装置, 测量了Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63和Mn1.2Fe0.8P0.35Si0.65这两种材料铁磁相变产生感应电流大小与线圈匝数、热磁发电材料质量、表面积、表面上温度梯度的关系. 研究结果表明, Mn1.2Fe0.8P1-xSix系列化合物具有很好的热磁发电性能, 有望成为热磁发电候选材料.
2015, 64(4): 047202.
doi: 10.7498/aps.64.047202
摘要:
采用金属有机物化学气相沉积技术生长了不同掺杂浓度的GaN薄膜, 并且通过霍尔效应测试和塞贝克效应测试, 表征了室温下GaN薄膜的载流子浓度、迁移率和塞贝克系数. 在实验测试的基础上, 计算了GaN薄膜的热电功率因子, 并且结合理论热导率确定了室温条件下GaN薄膜的热电优值(ZT). 研究结果表明: GaN薄膜的迁移率随着载流子浓度的增加而减小, 电导率随着载流子浓度的增加而增加; GaN 薄膜材料的塞贝克系数随载流子浓度的增加而降低, 其数量级在100–500 μV/K范围内; GaN薄膜材料在载流子浓度为1.60×1018 cm-3时, 热电功率因子出现极大值4.72×10-4 W/mK2; 由于Si杂质浓度的增加, 增强了GaN薄膜中的声子散射, 使得GaN薄膜的热导率随着载流子浓度的增加而降低. GaN薄膜的载流子浓度为1.60×1018 cm-3时, 室温ZT达到极大值0.0025.
采用金属有机物化学气相沉积技术生长了不同掺杂浓度的GaN薄膜, 并且通过霍尔效应测试和塞贝克效应测试, 表征了室温下GaN薄膜的载流子浓度、迁移率和塞贝克系数. 在实验测试的基础上, 计算了GaN薄膜的热电功率因子, 并且结合理论热导率确定了室温条件下GaN薄膜的热电优值(ZT). 研究结果表明: GaN薄膜的迁移率随着载流子浓度的增加而减小, 电导率随着载流子浓度的增加而增加; GaN 薄膜材料的塞贝克系数随载流子浓度的增加而降低, 其数量级在100–500 μV/K范围内; GaN薄膜材料在载流子浓度为1.60×1018 cm-3时, 热电功率因子出现极大值4.72×10-4 W/mK2; 由于Si杂质浓度的增加, 增强了GaN薄膜中的声子散射, 使得GaN薄膜的热导率随着载流子浓度的增加而降低. GaN薄膜的载流子浓度为1.60×1018 cm-3时, 室温ZT达到极大值0.0025.
2015, 64(4): 047801.
doi: 10.7498/aps.64.047801
摘要:
研究了兼有电光效应和磁光效应的晶体内电光与磁光效应的互补特性及其传感应用. 在光强度调制条件下, 晶体中偏振光波的电光调制与磁光调制具有互相补偿的效果, 从而能够使输出光强度保持为一个固定值. 基于这种互补特性, 提出了一种利用单块闪烁锗酸铋(Bi4Ge3O12, BGO)晶体的电光补偿型光学电流(磁场)传感器, 其光学传感单元由两个偏振器和一块平行四边形BGO晶体组成. 该晶体自身能够产生π/2的光学相位偏置, 同时兼用作电流传感和电光补偿元件, 通过控制BGO晶体的外加电压, 能够实时补偿被测电流(磁场)变化引起的磁光旋转角和输出光强度的变化, 从而实现电流(磁场)的闭环光学测量. 实验测量了5.0 A范围内的工频交流电流, 所需要的电光补偿电压约为21.2 V/A, 补偿电压与被测电流之间具有良好的线性关系, 其非线性误差低于1.7%.
研究了兼有电光效应和磁光效应的晶体内电光与磁光效应的互补特性及其传感应用. 在光强度调制条件下, 晶体中偏振光波的电光调制与磁光调制具有互相补偿的效果, 从而能够使输出光强度保持为一个固定值. 基于这种互补特性, 提出了一种利用单块闪烁锗酸铋(Bi4Ge3O12, BGO)晶体的电光补偿型光学电流(磁场)传感器, 其光学传感单元由两个偏振器和一块平行四边形BGO晶体组成. 该晶体自身能够产生π/2的光学相位偏置, 同时兼用作电流传感和电光补偿元件, 通过控制BGO晶体的外加电压, 能够实时补偿被测电流(磁场)变化引起的磁光旋转角和输出光强度的变化, 从而实现电流(磁场)的闭环光学测量. 实验测量了5.0 A范围内的工频交流电流, 所需要的电光补偿电压约为21.2 V/A, 补偿电压与被测电流之间具有良好的线性关系, 其非线性误差低于1.7%.
2015, 64(4): 047201.
doi: 10.7498/aps.64.047201
摘要:
用高压烧结法对水热法制备的Bi2Te3纳米线及纳米颗粒粉体进行了压制成型, 并与真空热压法制备的样品进行了形貌和热电性能的比较. 研究表明, 高压烧结样品内的晶粒尺寸明显小于热压样品. 热电性能的研究表明, 高压烧结样品的电阻率、赛贝克系数和热导率均优于真空热压样品. 由纳米线粉体高压烧结的样品其热电优值ZT 在室温时达到了0.5, 高于真空热压样品的值, 表明高压烧结是热电材料纳米粉体成型的一种有效方法.
用高压烧结法对水热法制备的Bi2Te3纳米线及纳米颗粒粉体进行了压制成型, 并与真空热压法制备的样品进行了形貌和热电性能的比较. 研究表明, 高压烧结样品内的晶粒尺寸明显小于热压样品. 热电性能的研究表明, 高压烧结样品的电阻率、赛贝克系数和热导率均优于真空热压样品. 由纳米线粉体高压烧结的样品其热电优值ZT 在室温时达到了0.5, 高于真空热压样品的值, 表明高压烧结是热电材料纳米粉体成型的一种有效方法.
2015, 64(4): 046801.
doi: 10.7498/aps.64.046801
摘要:
用LaB6灯丝200 kV高分辨透射电镜拍摄了有小角晶界的3C-SiC/(001)Si 薄膜的[110]高分辨电子显微像. 用像解卷技术把本不直接反映晶体结构的实验像转化为结构像. 首先, 从完整区的结构像中分辨开间距仅为0.109 nm的Si和C原子柱; 随后按赝弱相位物体近似像衬理论, 分析像衬随晶体厚度的变化规律, 辨认出Si和C原子; 进而在原子水平上得出小角晶界附近两个复合位错的核心结构, 构建了结构模型并计算了模拟像. 实验像与模拟像的一致程度验证了结构模型的正确性. 于是, 在已知完整晶体结构的前提下, 仅从一帧实验高分辨像出发, 推演出原子的种类和位错核心的原子组态. 还讨论了3C-SiC 小角晶界的形成与晶界附近出现复合位错的关系.
用LaB6灯丝200 kV高分辨透射电镜拍摄了有小角晶界的3C-SiC/(001)Si 薄膜的[110]高分辨电子显微像. 用像解卷技术把本不直接反映晶体结构的实验像转化为结构像. 首先, 从完整区的结构像中分辨开间距仅为0.109 nm的Si和C原子柱; 随后按赝弱相位物体近似像衬理论, 分析像衬随晶体厚度的变化规律, 辨认出Si和C原子; 进而在原子水平上得出小角晶界附近两个复合位错的核心结构, 构建了结构模型并计算了模拟像. 实验像与模拟像的一致程度验证了结构模型的正确性. 于是, 在已知完整晶体结构的前提下, 仅从一帧实验高分辨像出发, 推演出原子的种类和位错核心的原子组态. 还讨论了3C-SiC 小角晶界的形成与晶界附近出现复合位错的关系.
2015, 64(4): 046103.
doi: 10.7498/aps.64.046103
摘要:
利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究. 首先, 通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态, 得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律. 发现He泡压强随其深度增加逐渐变大, 体积则逐渐减小, 但当He泡深度增大到2.6 nm时, 二者均维持在某个固定值附近. 然后对包含有He泡的Ti体系在温度作用下的演化过程进行了模拟, 发现不同深度处He泡从金属Ti内释放出来所需要的临界温度有很大差别, 总体来看He泡越深, 释放所需的临界温度越高. 但不同温度下He原子的释放速率没有明显差别, 释放过程几乎均为瞬间完成. 最后通过对He泡内部压强和其上方金属Ti薄层的抗张强度进行统计对比, 阐述了金属Ti 体内He泡的释放机制: 当He泡内部压强大于其上方Ti薄层抗张强度时, He泡就会将Ti 薄层撕裂, 从而使He原子得到释放.
利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究. 首先, 通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态, 得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律. 发现He泡压强随其深度增加逐渐变大, 体积则逐渐减小, 但当He泡深度增大到2.6 nm时, 二者均维持在某个固定值附近. 然后对包含有He泡的Ti体系在温度作用下的演化过程进行了模拟, 发现不同深度处He泡从金属Ti内释放出来所需要的临界温度有很大差别, 总体来看He泡越深, 释放所需的临界温度越高. 但不同温度下He原子的释放速率没有明显差别, 释放过程几乎均为瞬间完成. 最后通过对He泡内部压强和其上方金属Ti薄层的抗张强度进行统计对比, 阐述了金属Ti 体内He泡的释放机制: 当He泡内部压强大于其上方Ti薄层抗张强度时, He泡就会将Ti 薄层撕裂, 从而使He原子得到释放.
2015, 64(4): 046102.
doi: 10.7498/aps.64.046102
摘要:
锯齿型和扶手椅型六角形石墨烯分别跨接在两Au电极上, 构成分子纳器件, 同时考虑对六角形石墨烯分别进行B, N和BN局部规则掺杂. 利用第一性原理方法, 系统地研究了这些器件的电子输运特性. 计算结果表明: B及BN掺杂到扶手椅型六角形石墨烯, 对其电流有较好的调控效应, 同时发现本征及掺杂后的锯齿型六角形石墨烯均表现为半导体性质, 且N及BN掺杂时, 表现出明显的负微分电阻现象, 特别是N掺杂的情况, 能呈现显著的负微分电阻效应, 这也许对于发展分子开关有重要应用. 通过其透射特性及掺杂诱发的六角形石墨烯电子结构的变化, 对这些结果的内在原因进行了说明.
锯齿型和扶手椅型六角形石墨烯分别跨接在两Au电极上, 构成分子纳器件, 同时考虑对六角形石墨烯分别进行B, N和BN局部规则掺杂. 利用第一性原理方法, 系统地研究了这些器件的电子输运特性. 计算结果表明: B及BN掺杂到扶手椅型六角形石墨烯, 对其电流有较好的调控效应, 同时发现本征及掺杂后的锯齿型六角形石墨烯均表现为半导体性质, 且N及BN掺杂时, 表现出明显的负微分电阻现象, 特别是N掺杂的情况, 能呈现显著的负微分电阻效应, 这也许对于发展分子开关有重要应用. 通过其透射特性及掺杂诱发的六角形石墨烯电子结构的变化, 对这些结果的内在原因进行了说明.
2015, 64(4): 046301.
doi: 10.7498/aps.64.046301
摘要:
使用基于密度泛函微扰理论的线性响应方法, 模拟研究了强激光辐照对闪锌矿结构的碳化硅晶体结构稳定性的影响. 通过计算在不同电子温度下3C-SiC晶体的声子色散曲线, 发现3C-SiC的横声学声子频率随电子温度的升高会出现虚频, 其临界电子温度是3.395 eV. 结果表明, 在强激光辐照下3C-SiC 晶体变得不稳定, 这与以前对金刚石结构的碳、硅和闪锌矿结构的砷化镓、锑化铟的研究结果非常类似. 电子温度在0–4.50 eV 范围内时, 3C-SiC晶体在Γ 点的LO-TO分裂度随电子温度的升高而增大, 超过4.50 eV后随电子温度的升高而减小. 这表明只有在足够强的激光辐照下, 电子激发才会削弱晶体的离子性强度.
使用基于密度泛函微扰理论的线性响应方法, 模拟研究了强激光辐照对闪锌矿结构的碳化硅晶体结构稳定性的影响. 通过计算在不同电子温度下3C-SiC晶体的声子色散曲线, 发现3C-SiC的横声学声子频率随电子温度的升高会出现虚频, 其临界电子温度是3.395 eV. 结果表明, 在强激光辐照下3C-SiC 晶体变得不稳定, 这与以前对金刚石结构的碳、硅和闪锌矿结构的砷化镓、锑化铟的研究结果非常类似. 电子温度在0–4.50 eV 范围内时, 3C-SiC晶体在Γ 点的LO-TO分裂度随电子温度的升高而增大, 超过4.50 eV后随电子温度的升高而减小. 这表明只有在足够强的激光辐照下, 电子激发才会削弱晶体的离子性强度.
2015, 64(4): 046401.
doi: 10.7498/aps.64.046401
摘要:
过渡金属Zr具有优良的物理、化学及力学性能, 具有广泛的应用价值. 主要通过新近发展的自洽晶格动力学方法, 充分考虑声子间的相互作用, 成功获得了β-Zr的高温高压声子色散曲线, 预测了β-Zr在相图中能够稳定存在的区域, 进一步比较α-Zr, ω-Zr和β-Zr的自由能, 获得了α-β 及ω-β 相变的相边界, 构建了Zr的参考相图. 同时, 也获得了β-Zr的高温状态方程及热膨胀系数, 能够为构建Zr的全区物态方程提供有益的参考.
过渡金属Zr具有优良的物理、化学及力学性能, 具有广泛的应用价值. 主要通过新近发展的自洽晶格动力学方法, 充分考虑声子间的相互作用, 成功获得了β-Zr的高温高压声子色散曲线, 预测了β-Zr在相图中能够稳定存在的区域, 进一步比较α-Zr, ω-Zr和β-Zr的自由能, 获得了α-β 及ω-β 相变的相边界, 构建了Zr的参考相图. 同时, 也获得了β-Zr的高温状态方程及热膨胀系数, 能够为构建Zr的全区物态方程提供有益的参考.
2015, 64(4): 046701.
doi: 10.7498/aps.64.046701
摘要:
利用分子动力学方法建立了硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型, 并采用Morse势函数和Tersoff势函数相互耦合的方法来表征模型内原子间的相互作用关系, 在此基础上对不同温度(0–800 K)条件下硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能进行了分子动力学仿真计算. 结果表明: 当温度由0 K上升到800 K的过程中, 金刚石涂层膜基界面拉伸强度呈下降趋势, 并且在0–300 K范围内下降趋势明显, 在300–800 K范围内下降趋势缓和; 体系能量随温度的变化具有相同的下降趋势.
利用分子动力学方法建立了硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型, 并采用Morse势函数和Tersoff势函数相互耦合的方法来表征模型内原子间的相互作用关系, 在此基础上对不同温度(0–800 K)条件下硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能进行了分子动力学仿真计算. 结果表明: 当温度由0 K上升到800 K的过程中, 金刚石涂层膜基界面拉伸强度呈下降趋势, 并且在0–300 K范围内下降趋势明显, 在300–800 K范围内下降趋势缓和; 体系能量随温度的变化具有相同的下降趋势.
2015, 64(4): 046802.
doi: 10.7498/aps.64.046802
摘要:
以波长为780 nm、重复频率为76 MHz、脉宽为130 fs的飞秒激光作为激发光源, 采用超快时间分辨光谱技术研究了CdTe量子点-铜酞菁复合体系的荧光共振能量转移. 实验结果表明, 在780 nm的双光子激发条件下, 复合体系中CdTe量子点的荧光寿命随着铜酞菁溶液浓度的增加而减少, 荧光共振能量转移效率增加. 同时也研究了激发功率对荧光共振能量转移效率的影响. 结果表明, 随着激发光功率的增加, 复合体系溶液中CdTe量子点的荧光寿命增加, 荧光共振能量转移效率减小, 其物理机理是因为高激发功率下的热效应和由双光子诱导的高阶激发态的跃迁. 当激发光功率为200 mW时, 双光子荧光共振能量转移效率为43.8%. 研究表明CdTe量子点-铜酞菁复合体系是非常有潜力的第三代光敏剂.
以波长为780 nm、重复频率为76 MHz、脉宽为130 fs的飞秒激光作为激发光源, 采用超快时间分辨光谱技术研究了CdTe量子点-铜酞菁复合体系的荧光共振能量转移. 实验结果表明, 在780 nm的双光子激发条件下, 复合体系中CdTe量子点的荧光寿命随着铜酞菁溶液浓度的增加而减少, 荧光共振能量转移效率增加. 同时也研究了激发功率对荧光共振能量转移效率的影响. 结果表明, 随着激发光功率的增加, 复合体系溶液中CdTe量子点的荧光寿命增加, 荧光共振能量转移效率减小, 其物理机理是因为高激发功率下的热效应和由双光子诱导的高阶激发态的跃迁. 当激发光功率为200 mW时, 双光子荧光共振能量转移效率为43.8%. 研究表明CdTe量子点-铜酞菁复合体系是非常有潜力的第三代光敏剂.
2015, 64(4): 046101.
doi: 10.7498/aps.64.046101
摘要:
应用小角X射线散射等方法, 系统、定量地测试表征了聚丙烯腈基碳纤维原丝中纳米孔的尺寸、形状、体积分数、单位体积中纳米孔绝对数量以及纤维总孔洞率等形态结构参量, 并对这些参量在水洗、水洗牵伸、热致密化、高压蒸汽牵伸及热稳定化等工艺过程中的变化规律及原因进行了研究. 结果表明, 纺丝过程中牵伸及高温热处理均可使纤维总孔洞率逐步下降. 纳米孔尺寸体积分数Vi测试表明, 对于小于10 nm3的小纳米孔和大于103 nm3的较大纳米孔, 两者的Vi在纺丝初期水洗牵伸工艺中分别为0.217和0.369, 而在纺丝后期热稳定化处理后发生大幅度改变, 分别为0.948 与0.015. 其原因并不是在高压蒸汽牵伸及热稳定处理中较小纳米孔含量的增加, 而是较大纳米孔含量的大幅度减少. 纳米孔形状研究表明, 纺丝工艺中的多次牵伸处理均使纳米孔的长短轴比加大, 而大于玻璃化温度的热处理均使纳米孔长短轴比收缩, 并且对于较小纳米孔来说这种收缩更为显著.
应用小角X射线散射等方法, 系统、定量地测试表征了聚丙烯腈基碳纤维原丝中纳米孔的尺寸、形状、体积分数、单位体积中纳米孔绝对数量以及纤维总孔洞率等形态结构参量, 并对这些参量在水洗、水洗牵伸、热致密化、高压蒸汽牵伸及热稳定化等工艺过程中的变化规律及原因进行了研究. 结果表明, 纺丝过程中牵伸及高温热处理均可使纤维总孔洞率逐步下降. 纳米孔尺寸体积分数Vi测试表明, 对于小于10 nm3的小纳米孔和大于103 nm3的较大纳米孔, 两者的Vi在纺丝初期水洗牵伸工艺中分别为0.217和0.369, 而在纺丝后期热稳定化处理后发生大幅度改变, 分别为0.948 与0.015. 其原因并不是在高压蒸汽牵伸及热稳定处理中较小纳米孔含量的增加, 而是较大纳米孔含量的大幅度减少. 纳米孔形状研究表明, 纺丝工艺中的多次牵伸处理均使纳米孔的长短轴比加大, 而大于玻璃化温度的热处理均使纳米孔长短轴比收缩, 并且对于较小纳米孔来说这种收缩更为显著.
2015, 64(4): 049201.
doi: 10.7498/aps.64.049201
摘要:
利用去趋势波动分析方法对中国四季日平均气温观测资料进行了研究, 发现四季日平均气温均具有很好的长程相关性特征, 中国西部地区尤其是新疆和西藏的长程相关性较强. 基于观测资料中的这种长程相关性特征, 评估了北京气候中心气候系统模式对中国四季日平均气温的模拟性能, 发现该模式能够较好地反映中国四季日平均气温的长程相关性特征. 总体而言, 模式对春季的日平均气温的长程相关性模拟效果最好, 仅对江南地区的长程相关性的模拟较差; 夏季, 模式模拟误差较大的地区包括中国中东部地区及西藏大部, 其中华北南部、黄淮西部、江南大部、华南等地模拟效果最差; 秋季, 模式对东部沿海及东北大部、华北西南部等地模拟的长程相关性偏强, 而在西北大部模拟的长程相关性明显偏弱; 冬季, 除东部沿海地区模拟的长程相关性偏强外, 全国其余大部分地区接近观测或偏弱, 其中西北、西南、华南北部、江南南部、东北北部偏弱明显, 青藏高原西部偏弱最为显著.
利用去趋势波动分析方法对中国四季日平均气温观测资料进行了研究, 发现四季日平均气温均具有很好的长程相关性特征, 中国西部地区尤其是新疆和西藏的长程相关性较强. 基于观测资料中的这种长程相关性特征, 评估了北京气候中心气候系统模式对中国四季日平均气温的模拟性能, 发现该模式能够较好地反映中国四季日平均气温的长程相关性特征. 总体而言, 模式对春季的日平均气温的长程相关性模拟效果最好, 仅对江南地区的长程相关性的模拟较差; 夏季, 模式模拟误差较大的地区包括中国中东部地区及西藏大部, 其中华北南部、黄淮西部、江南大部、华南等地模拟效果最差; 秋季, 模式对东部沿海及东北大部、华北西南部等地模拟的长程相关性偏强, 而在西北大部模拟的长程相关性明显偏弱; 冬季, 除东部沿海地区模拟的长程相关性偏强外, 全国其余大部分地区接近观测或偏弱, 其中西北、西南、华南北部、江南南部、东北北部偏弱明显, 青藏高原西部偏弱最为显著.
2015, 64(4): 049202.
doi: 10.7498/aps.64.049202
摘要:
针对标准化降水蒸发指数中Thornthwaite方法对干旱区估算误差较大的问题, 采用FAO Penman-Monteith方法计算潜在蒸发, 改进标准化降水蒸发指数计算方法. 应用1961–2013 年全国541个气象站点逐日观测资料, 从分布检验以及与标准化降水指数、Palmer干旱指数、实测土壤湿度等常用干旱指标一致性校核等方面, 评估改进前后标准化降水蒸发指数在区域和季节上的适用性. 结果表明: 改进蒸发能力计算方法能够显著提高标准化降水蒸发指数的区域和季节适用范围, 使标准化降水蒸发指数能够应用于全国不同季节的干旱评估, 改进了干旱区标准化降水蒸发指数冬季适用性不高的不足, 改进后的标准化降水蒸发指数在年尺度及月尺度上的干旱评估能力均得到改善, 满足我国以季节性干旱为主的干旱评估需求.
针对标准化降水蒸发指数中Thornthwaite方法对干旱区估算误差较大的问题, 采用FAO Penman-Monteith方法计算潜在蒸发, 改进标准化降水蒸发指数计算方法. 应用1961–2013 年全国541个气象站点逐日观测资料, 从分布检验以及与标准化降水指数、Palmer干旱指数、实测土壤湿度等常用干旱指标一致性校核等方面, 评估改进前后标准化降水蒸发指数在区域和季节上的适用性. 结果表明: 改进蒸发能力计算方法能够显著提高标准化降水蒸发指数的区域和季节适用范围, 使标准化降水蒸发指数能够应用于全国不同季节的干旱评估, 改进了干旱区标准化降水蒸发指数冬季适用性不高的不足, 改进后的标准化降水蒸发指数在年尺度及月尺度上的干旱评估能力均得到改善, 满足我国以季节性干旱为主的干旱评估需求.
2015, 64(4): 049203.
doi: 10.7498/aps.64.049203
摘要:
基于2013年8月中国中东部地区持续高温及其减弱过程, 利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心逐日平均的500 hPa高度场、风场再分析资料和美国国家海洋和大气管理局的海温重建扩展资料进行分析, 通过前期海温强迫相似年的选取方法以及带通滤波和经验正交函数分解等方法提取出10–30 d的稳定分量, 并通过对稳定分量的诊断分析探究了这次持续高温及其减弱过程的维持机制. 研究发现: 通过选取与个例前期海温强迫最相似的30年来代替常规的气候态30 年(1981–2010 年), 所提取的气候态稳定分量所占的比重变化不大, 稍有减弱, 而异常型稳定分量占的比重显著性提高, 且其所刻画的影响异常事件的天气系统强度及稳定性明显提高, 能够更加清晰地显示延伸期天气过程的维持机制. 这表明在提取稳定分量时考虑前期的海温强迫作用是非常有必要的. 同时, 通过对延伸期稳定分量的分析, 表明此次持续高温及减退过程主要受到北极涛动、亚洲大陆中高纬纬向环流形势和西太平洋副热带高压(西太副高)强度、位置的共同影响.
基于2013年8月中国中东部地区持续高温及其减弱过程, 利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心逐日平均的500 hPa高度场、风场再分析资料和美国国家海洋和大气管理局的海温重建扩展资料进行分析, 通过前期海温强迫相似年的选取方法以及带通滤波和经验正交函数分解等方法提取出10–30 d的稳定分量, 并通过对稳定分量的诊断分析探究了这次持续高温及其减弱过程的维持机制. 研究发现: 通过选取与个例前期海温强迫最相似的30年来代替常规的气候态30 年(1981–2010 年), 所提取的气候态稳定分量所占的比重变化不大, 稍有减弱, 而异常型稳定分量占的比重显著性提高, 且其所刻画的影响异常事件的天气系统强度及稳定性明显提高, 能够更加清晰地显示延伸期天气过程的维持机制. 这表明在提取稳定分量时考虑前期的海温强迫作用是非常有必要的. 同时, 通过对延伸期稳定分量的分析, 表明此次持续高温及减退过程主要受到北极涛动、亚洲大陆中高纬纬向环流形势和西太平洋副热带高压(西太副高)强度、位置的共同影响.
2015, 64(4): 042101.
doi: 10.7498/aps.64.042101
摘要:
利用瑞利散射法可以对团簇的尺寸以及团簇形成的演变过程进行研究, 这种方法非常简单易行且对团簇是非破坏性的. 通过对纯氙气以及氢氙混合气体形成的团簇的瑞利散射进行测量, 研究并分析了瑞利散射强度随时间、初始背压 以及气体混合比例的变化, 由此估算了在不同情况下形成团簇的平均尺寸. 通过获得的氢氙混合气体瑞利散射强度与背压的关系I=(1.5 10-5)P6.47, 发现了混合气体中氢气对氙团簇形成的促进作用, 并从热力学和分子间作用力的角度进行了理论分析, 得到了氢氙混合气体不易于液化这一新现象, 为实现高背压下更大尺寸团簇的产生提供了可能. 所获得的结果为今后基于氙团簇的X射线产生实验, 以及基于氘氙混合气体的中子产生实验研究提供了良好的实验依据.
利用瑞利散射法可以对团簇的尺寸以及团簇形成的演变过程进行研究, 这种方法非常简单易行且对团簇是非破坏性的. 通过对纯氙气以及氢氙混合气体形成的团簇的瑞利散射进行测量, 研究并分析了瑞利散射强度随时间、初始背压 以及气体混合比例的变化, 由此估算了在不同情况下形成团簇的平均尺寸. 通过获得的氢氙混合气体瑞利散射强度与背压的关系I=(1.5 10-5)P6.47, 发现了混合气体中氢气对氙团簇形成的促进作用, 并从热力学和分子间作用力的角度进行了理论分析, 得到了氢氙混合气体不易于液化这一新现象, 为实现高背压下更大尺寸团簇的产生提供了可能. 所获得的结果为今后基于氙团簇的X射线产生实验, 以及基于氘氙混合气体的中子产生实验研究提供了良好的实验依据.
2015, 64(4): 042801.
doi: 10.7498/aps.64.042801
摘要:
中子散射成像技术是近年来国外正在发展的一项新型辐射成像技术, 在深空宇宙探测、核材料监控等方面具有广阔的应用前景. 角分辨是衡量该技术成像能力的一项重要参数. 研究了位置不确定度和能量分辨对角分辨的影响. 理论分析表明: 以不同角度散射, 成像的角分辨不同; 位置不确定不仅直接影响角分辨, 还通过影响能量不确定度对角分辨间接贡献; 位置分辨主要来源于探测器的结构尺寸, 当探测器尺寸小于5 cm, 影响角分辨的主要来源是能量不确定度. 利用所获得的理论结果指导设计了原理探测系统, 并对设计的原理系统开展了初步实验研究. 结果表明, 分析结果与实验得到的角分辨参数基本一致.
中子散射成像技术是近年来国外正在发展的一项新型辐射成像技术, 在深空宇宙探测、核材料监控等方面具有广阔的应用前景. 角分辨是衡量该技术成像能力的一项重要参数. 研究了位置不确定度和能量分辨对角分辨的影响. 理论分析表明: 以不同角度散射, 成像的角分辨不同; 位置不确定不仅直接影响角分辨, 还通过影响能量不确定度对角分辨间接贡献; 位置分辨主要来源于探测器的结构尺寸, 当探测器尺寸小于5 cm, 影响角分辨的主要来源是能量不确定度. 利用所获得的理论结果指导设计了原理探测系统, 并对设计的原理系统开展了初步实验研究. 结果表明, 分析结果与实验得到的角分辨参数基本一致.
2015, 64(4): 042102.
doi: 10.7498/aps.64.042102
摘要:
硅锗团簇结构与电子性质的研究对于研发新型微电子材料具有重要意义. 将遗传算法和基于密度泛函理论的紧束缚方法相结合, 研究了SimGen(m+n=9)团簇的原子堆积结构和电子性质. 计算结果发现, SimGen(m+n=9) 团簇存在两种低能原子堆积稳定构型: 带小金字塔的五边形双锥堆积和带桥位Ge原子的四面体紧密堆积. 随着团簇内锗原子数目的逐渐增加, 两种堆积结构均出现明显的转变, 其中最低能量的几何结构由单侧带相邻双金字塔的五边形双锥结构转变为双侧带相邻单金字塔的五边形双锥结构. 随着原子堆积结构的变化, 团簇内原子电荷分布及电子最高占据轨道与电子最低未占据轨道的能隙随团簇内所含硅和锗元素组分的不同呈现出明显的差异.
硅锗团簇结构与电子性质的研究对于研发新型微电子材料具有重要意义. 将遗传算法和基于密度泛函理论的紧束缚方法相结合, 研究了SimGen(m+n=9)团簇的原子堆积结构和电子性质. 计算结果发现, SimGen(m+n=9) 团簇存在两种低能原子堆积稳定构型: 带小金字塔的五边形双锥堆积和带桥位Ge原子的四面体紧密堆积. 随着团簇内锗原子数目的逐渐增加, 两种堆积结构均出现明显的转变, 其中最低能量的几何结构由单侧带相邻双金字塔的五边形双锥结构转变为双侧带相邻单金字塔的五边形双锥结构. 随着原子堆积结构的变化, 团簇内原子电荷分布及电子最高占据轨道与电子最低未占据轨道的能隙随团簇内所含硅和锗元素组分的不同呈现出明显的差异.
2015, 64(4): 043201.
doi: 10.7498/aps.64.043201
摘要:
通过数值求解含时薛定谔方程, 研究了原子在高频激光作用下的电离概率、光电子谱和谐波发射谱. 研究发现, 随着入射激光强度的增加, 原子的电离概率逐渐增加, 达到最大后下降, 其光电子发射谱和高次谐波发射谱均由单峰结构变成多峰. 而通过对谐波发射谱的时间-频率分析发现, 在电离抑制区域, 脉冲的峰值附近谐波受到抑制, 谐波发射主要发生在上升沿和下降沿, 二者的干涉效应产生了谐波的多峰值结构. 利用光电子发射谱和谐波发射谱随入射激光强度的改变规律, 可以实现对引起原子电离抑制的激光强度进行诊断.
通过数值求解含时薛定谔方程, 研究了原子在高频激光作用下的电离概率、光电子谱和谐波发射谱. 研究发现, 随着入射激光强度的增加, 原子的电离概率逐渐增加, 达到最大后下降, 其光电子发射谱和高次谐波发射谱均由单峰结构变成多峰. 而通过对谐波发射谱的时间-频率分析发现, 在电离抑制区域, 脉冲的峰值附近谐波受到抑制, 谐波发射主要发生在上升沿和下降沿, 二者的干涉效应产生了谐波的多峰值结构. 利用光电子发射谱和谐波发射谱随入射激光强度的改变规律, 可以实现对引起原子电离抑制的激光强度进行诊断.
2015, 64(4): 043101.
doi: 10.7498/aps.64.043101
摘要:
以LANL2DZ为基组, 采用Hartree-Fock(HF)方法研究了不同外电场(-0.025–0.040 a.u.)对ZnSe分子的基态几何结构、电荷分布、能量、电偶极矩、最高占据轨道(HOMO)能级、最低空轨道(LUMO)能级、能隙、红外光谱特性的影响; 继而采用含时的TD-HF方法研究了ZnSe分子在外电场下前9 个激发态的吸收谱、激发能、振子强度等激发特性. 研究结果表明: 当电场从-0.025 a.u.变化到0.04 a.u. 时, 键长先减小后增加; 分子偶极矩先由正减小到0, 然后又反向增加; 体系总能量一直减小; 谐振频率先增加后减小, 红外光谱强度先减小后又增加. ZnSe分子的LUMO能级一直增加, HOMO能级先增加后又减小, 变化趋势较小, 而能隙一直增大. 外电场对ZnSe分子的激发特性影响较大, 当电场从-0.025 a.u.变化到0.04 a.u.时, 激发能增加, 相应的激发波长减小; 对应的振子强度也受到很大影响, 原来振子强度最强的激发态变得很弱, 而原来振子强度很弱的激发态变得最强. 因此, 可以通过改变电场来控制ZnSe的激发特性.
以LANL2DZ为基组, 采用Hartree-Fock(HF)方法研究了不同外电场(-0.025–0.040 a.u.)对ZnSe分子的基态几何结构、电荷分布、能量、电偶极矩、最高占据轨道(HOMO)能级、最低空轨道(LUMO)能级、能隙、红外光谱特性的影响; 继而采用含时的TD-HF方法研究了ZnSe分子在外电场下前9 个激发态的吸收谱、激发能、振子强度等激发特性. 研究结果表明: 当电场从-0.025 a.u.变化到0.04 a.u. 时, 键长先减小后增加; 分子偶极矩先由正减小到0, 然后又反向增加; 体系总能量一直减小; 谐振频率先增加后减小, 红外光谱强度先减小后又增加. ZnSe分子的LUMO能级一直增加, HOMO能级先增加后又减小, 变化趋势较小, 而能隙一直增大. 外电场对ZnSe分子的激发特性影响较大, 当电场从-0.025 a.u.变化到0.04 a.u.时, 激发能增加, 相应的激发波长减小; 对应的振子强度也受到很大影响, 原来振子强度最强的激发态变得很弱, 而原来振子强度很弱的激发态变得最强. 因此, 可以通过改变电场来控制ZnSe的激发特性.
2015, 64(4): 043401.
doi: 10.7498/aps.64.043401
摘要:
在MRCI+Q/ang-cc-PCVQZ+DK理论基础上对LiAr第一激发态(A2Π)的势能曲线进行了理论计算, 采用HFD(Hartree-Fock dispersion)解析势能函数对得到的势能曲线进行拟合, 并得到了相应的光谱常数, 计算结果与实验值和大部分理论计算值符合得很好. 通过求解核运动的薛定谔方程完整地获得了每个电子态下J=0时的振动能级Ev、转动惯量Bv和6 个离心畸变常数(Dv, Hv, Lv, Mv, Nv, Ov). 然后采用分波法研究了低温及极低温度下激发态Li原子和基态Ar原子沿LiAr相互作用势的弹性碰撞, 在1.0×10- 12 –3.45×10-6 eV碰撞能区内通过数值计算得到了这一弹性碰撞的总截面和各分波截面, 讨论了各分波截面对总截面的影响. 结果表明: 在入射能量低于10-9 eV时弹性散射的总截面值很大且几乎为一常数, 总弹性截面的形状主要由s分波决定, 但是随着碰撞能量的增加, s分波对总截面的贡献不断减少, 高阶分波对散射截面的贡献逐渐增大.
在MRCI+Q/ang-cc-PCVQZ+DK理论基础上对LiAr第一激发态(A2Π)的势能曲线进行了理论计算, 采用HFD(Hartree-Fock dispersion)解析势能函数对得到的势能曲线进行拟合, 并得到了相应的光谱常数, 计算结果与实验值和大部分理论计算值符合得很好. 通过求解核运动的薛定谔方程完整地获得了每个电子态下J=0时的振动能级Ev、转动惯量Bv和6 个离心畸变常数(Dv, Hv, Lv, Mv, Nv, Ov). 然后采用分波法研究了低温及极低温度下激发态Li原子和基态Ar原子沿LiAr相互作用势的弹性碰撞, 在1.0×10- 12 –3.45×10-6 eV碰撞能区内通过数值计算得到了这一弹性碰撞的总截面和各分波截面, 讨论了各分波截面对总截面的影响. 结果表明: 在入射能量低于10-9 eV时弹性散射的总截面值很大且几乎为一常数, 总弹性截面的形状主要由s分波决定, 但是随着碰撞能量的增加, s分波对总截面的贡献不断减少, 高阶分波对散射截面的贡献逐渐增大.
2015, 64(4): 043403.
doi: 10.7498/aps.64.043403
摘要:
利用量子失协的几何度量方案研究了双自旋海森堡模型中的量子关联特性, 得到了一般情形下两量子态量子失协度的解析表达式, 讨论了量子位之间的耦合强度、温度和外加磁场强度等对量子关联大小的影响, 并给出了对应的量子关联调控方案. 此外还发现在低温下量子失协存在突变的现象. 结果表明, 在双自旋的海森堡模型体系下, 可以通过对系统参数(如温度、耦合强度、磁场强度等)的调节来实现对量子关联大小的有效调控, 这将会对在量子信息科学中精确控制量子失协和实现量子态的隐形传输以及量子逻辑门的设计提供一定的借鉴和指导意义.
利用量子失协的几何度量方案研究了双自旋海森堡模型中的量子关联特性, 得到了一般情形下两量子态量子失协度的解析表达式, 讨论了量子位之间的耦合强度、温度和外加磁场强度等对量子关联大小的影响, 并给出了对应的量子关联调控方案. 此外还发现在低温下量子失协存在突变的现象. 结果表明, 在双自旋的海森堡模型体系下, 可以通过对系统参数(如温度、耦合强度、磁场强度等)的调节来实现对量子关联大小的有效调控, 这将会对在量子信息科学中精确控制量子失协和实现量子态的隐形传输以及量子逻辑门的设计提供一定的借鉴和指导意义.
2015, 64(4): 043402.
doi: 10.7498/aps.64.043402
摘要:
基于翟红生和韩克利给出的势能面[Zhai H S, Han K L 2011 J. Chem. Phys. 135 104314], 运用准经典轨线方法对H+NH及其同位素取代反应的立体动力学性质进行了理论研究. 分别计算并讨论了碰撞能Ec=8和16 kcal/mol时反应的极化微分反应截面、两矢量k-j'相关分布函数P(θr)、 三矢量 k- k'- j'相关分布函数P(φr)、空间分布函数P(θr, φr). 结果表明, 对于上述的两个碰撞能, 由于同位素取代反应中质量因子的不同, 同位素效应对H+NH反应的立体动力学性质的影响很明显.
基于翟红生和韩克利给出的势能面[Zhai H S, Han K L 2011 J. Chem. Phys. 135 104314], 运用准经典轨线方法对H+NH及其同位素取代反应的立体动力学性质进行了理论研究. 分别计算并讨论了碰撞能Ec=8和16 kcal/mol时反应的极化微分反应截面、两矢量k-j'相关分布函数P(θr)、 三矢量 k- k'- j'相关分布函数P(φr)、空间分布函数P(θr, φr). 结果表明, 对于上述的两个碰撞能, 由于同位素取代反应中质量因子的不同, 同位素效应对H+NH反应的立体动力学性质的影响很明显.
2015, 64(4): 048402.
doi: 10.7498/aps.64.048402
摘要:
构建了具有“Al/DNA-CTMAB/Ag NPs/DNA-CTMAB/ITO”结构的有机忆阻器件, 并对其电流-电压 (I-V)曲线进行测量. 结果表明, 嵌入Ag纳米颗粒层, 不仅可以增强器件的导电性, 而且忆阻特性也显著提高. 当颗粒粒径在15–20 nm范围时, 开-关电流比ION/IOFF能够达到103. 器件的I-V特性受扫描电压幅值VA的影响, 随着VA的增大, 高阻态的电流变化较小, 而低阻态的电流明显增大, 开(或关)电压VSET (VRESET)和ION/IOFF增加. 实验还发现, 器件高低阻状态的相互转换取决于外加电场的方向, 说明该忆阻器具有极性.
构建了具有“Al/DNA-CTMAB/Ag NPs/DNA-CTMAB/ITO”结构的有机忆阻器件, 并对其电流-电压 (I-V)曲线进行测量. 结果表明, 嵌入Ag纳米颗粒层, 不仅可以增强器件的导电性, 而且忆阻特性也显著提高. 当颗粒粒径在15–20 nm范围时, 开-关电流比ION/IOFF能够达到103. 器件的I-V特性受扫描电压幅值VA的影响, 随着VA的增大, 高阻态的电流变化较小, 而低阻态的电流明显增大, 开(或关)电压VSET (VRESET)和ION/IOFF增加. 实验还发现, 器件高低阻状态的相互转换取决于外加电场的方向, 说明该忆阻器具有极性.
2015, 64(4): 048902.
doi: 10.7498/aps.64.048902
摘要:
利用典型的Barabási-Albert无标度网络构建了基于度的正/负相关相依网络模型, 该模型考虑子网络间的相依方式及相依程度, 主要定义了两个参数F和K, F表示相依节点比例, K表示相依冗余度. 在随机攻击及基于度的蓄意攻击模式下, 针对网络的级联失效问题, 研究了不同的F值和K值对该相依网络模型鲁棒性的影响, 与随机相依网络模型进行了对比研究. 仿真结果表明:无论是随机相依或是基于度的正/负相关相依网络, 其鲁棒性都是随着F的增大而减弱, 随着K的增大而增强; 在随机攻击下, 全相依模式(F=1)时, 基于度正相关相依网络模型鲁棒性最优, 部分相依模式 (F =0.2, 0.5, 0.8)时, 基于度的负相关相依网络模型则表现出更好的鲁棒性. 而在基于度的蓄意攻击下, 无论F为何值, 基于度的正相关相依网络模型表现出弱鲁棒性.
利用典型的Barabási-Albert无标度网络构建了基于度的正/负相关相依网络模型, 该模型考虑子网络间的相依方式及相依程度, 主要定义了两个参数F和K, F表示相依节点比例, K表示相依冗余度. 在随机攻击及基于度的蓄意攻击模式下, 针对网络的级联失效问题, 研究了不同的F值和K值对该相依网络模型鲁棒性的影响, 与随机相依网络模型进行了对比研究. 仿真结果表明:无论是随机相依或是基于度的正/负相关相依网络, 其鲁棒性都是随着F的增大而减弱, 随着K的增大而增强; 在随机攻击下, 全相依模式(F=1)时, 基于度正相关相依网络模型鲁棒性最优, 部分相依模式 (F =0.2, 0.5, 0.8)时, 基于度的负相关相依网络模型则表现出更好的鲁棒性. 而在基于度的蓄意攻击下, 无论F为何值, 基于度的正相关相依网络模型表现出弱鲁棒性.
2015, 64(4): 048401.
doi: 10.7498/aps.64.048401
摘要:
混沌控制与反混沌控制是一对逆问题. 通过研究系统状态变量的关联性, 分析了在电流型连续电流模式Boost变换器关联系数变化的情况下, 实现系统的混沌控制与反混沌控制的方法, 为实际应用打下理论基础. 建立了系统的离散数学模型, 利用单值矩阵理论解释了变换器混沌控制与反混沌控制的机理. 研究结果表明, 在只改变系统状态变量的关联系数的情况下, 该控制策略能够将处于任意状态的Boost变换器控制到周期1, 2, 4轨道以及混沌态, 系统的输出可实现混沌与反混沌控制. 仿真结果证明了所提出方法以及研究结果的正确性.
混沌控制与反混沌控制是一对逆问题. 通过研究系统状态变量的关联性, 分析了在电流型连续电流模式Boost变换器关联系数变化的情况下, 实现系统的混沌控制与反混沌控制的方法, 为实际应用打下理论基础. 建立了系统的离散数学模型, 利用单值矩阵理论解释了变换器混沌控制与反混沌控制的机理. 研究结果表明, 在只改变系统状态变量的关联系数的情况下, 该控制策略能够将处于任意状态的Boost变换器控制到周期1, 2, 4轨道以及混沌态, 系统的输出可实现混沌与反混沌控制. 仿真结果证明了所提出方法以及研究结果的正确性.
2015, 64(4): 048901.
doi: 10.7498/aps.64.048901
摘要:
研究负荷作用下相依网络中的级联故障具有重要的现实意义, 可为提高相依网络的鲁棒性提供参考. 构建了双层相依网络级联故障模型, 主要研究了外部度和内部度对负荷贡献比、耦合因素、层内度-度相关性对相依网络级联故障的影响. 研究表明, 当外部度和内部度对负荷贡献比达到一定值时, 相依网络抵抗级联故障的鲁棒性最强. 而耦合因素的影响是多方面的, 为了达到较高鲁棒性, 建议采用异配耦合方式和尽可能大的平均外部度, 并尽量使外部度保持均匀分布. 另外, 与不考虑负荷作用时相反, 当表征层内度-度相关性的相关系数越大时, 其抵抗级联故障的能力越强.
研究负荷作用下相依网络中的级联故障具有重要的现实意义, 可为提高相依网络的鲁棒性提供参考. 构建了双层相依网络级联故障模型, 主要研究了外部度和内部度对负荷贡献比、耦合因素、层内度-度相关性对相依网络级联故障的影响. 研究表明, 当外部度和内部度对负荷贡献比达到一定值时, 相依网络抵抗级联故障的鲁棒性最强. 而耦合因素的影响是多方面的, 为了达到较高鲁棒性, 建议采用异配耦合方式和尽可能大的平均外部度, 并尽量使外部度保持均匀分布. 另外, 与不考虑负荷作用时相反, 当表征层内度-度相关性的相关系数越大时, 其抵抗级联故障的能力越强.
2015, 64(4): 048701.
doi: 10.7498/aps.64.048701
摘要:
双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence, TPEF)显微是一种非线性光学显微技术, 具有高的时间分辨率和空间分辨率、高的信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点. 传统的TPEF显微一般采用波长可调谐的超短脉冲激光器作为光源. 在实际应用中, 利用TPEF显微技术研究含有多种荧光团或未知成分的待测样品, 往往需要多次改变激发光的波长以获得对各种荧光团的最佳激发. 为了同时获取不同荧光团的荧光信号, 利用超连续谱激光光源实现了多色TPEF显微成像, 实验中无需调节波长, 能够同时获得具有两种不同发射波长的荧光标记的铃兰根茎切片样品的TPEF图像. 实验结果表明, 与传统的TPEF显微相比, 该方法能够同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度TPEF图像, 具有系统结构简单、操作简便、信息量大等优点, 在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景.
双光子激发荧光(two-photon excited fluorescence, TPEF)显微是一种非线性光学显微技术, 具有高的时间分辨率和空间分辨率、高的信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点. 传统的TPEF显微一般采用波长可调谐的超短脉冲激光器作为光源. 在实际应用中, 利用TPEF显微技术研究含有多种荧光团或未知成分的待测样品, 往往需要多次改变激发光的波长以获得对各种荧光团的最佳激发. 为了同时获取不同荧光团的荧光信号, 利用超连续谱激光光源实现了多色TPEF显微成像, 实验中无需调节波长, 能够同时获得具有两种不同发射波长的荧光标记的铃兰根茎切片样品的TPEF图像. 实验结果表明, 与传统的TPEF显微相比, 该方法能够同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度TPEF图像, 具有系统结构简单、操作简便、信息量大等优点, 在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景.
