Vol. 65, No. 4 (2016)
2016年02月20日
综述
编辑推荐
2016, 65 (4): 047201.
doi: 10.7498/aps.65.047201
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VO2是一种热致相变金属氧化物. 在341 K附近, VO2发生由低温绝缘体相到高温金属相的可逆转变, 同时伴随着光学、电学和磁学等性质的可逆突变, 这种独特的性质使得VO2在光电开关材料、智能玻璃、存储介质材料等领域有着广阔的应用前景. 因此, VO2金属-绝缘体可逆相变一直是人们的研究热点, 但其相变机理至今未有定论. 首先, 简要概述了VO2相变时晶体结构和能带结构的变化情况: 从晶体结构来讲, 相变前后VO2从低温时的单斜相VO2(M)转变为高温稳定的金红石相VO2(R), 在一定条件下此过程也可能伴随着亚稳态单斜相VO2(B)与四方相VO2(A)的产生; 从能带结构来看, VO2处于低温单斜相时, 其d//能带和*能带之间存在一个禁带, 带宽约为0.7 eV, 费米能级恰好落在禁带之间, 表现出绝缘性, 而在高温金红石相时, 其费米能级落在*能带与d//能带之间的重叠部分, 因此表现出金属导电性. 其次, 着重总结了VO2相变物理机理的研究现状. 主要包括: 电子关联驱动相变、结构驱动相变以及电子关联和结构共同驱动相变的3种理论体系以及支撑这些理论体系的实验结果. 文献报道争论的焦点在于, VO2是否是Mott绝缘体以及结构相变与MIT相变是否精确同时发生. 最后, 展望了VO2材料研究的发展方向.
总论
2016, 65 (4): 040201.
doi: 10.7498/aps.65.040201
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介绍了广义非线性薛定谔方程, 并且运用分步傅里叶方法进行了数值求解. 在外部势场一定的情况下, 给定系统一个小的初始扰动, 讨论了广义非线性薛定谔方程中复系数p, q 对波场演变过程的影响. 通过数值研究发现波场会相继出现调制不稳定性、波坍缩、逆级联以及整个空间的湍流现象. 而当改变非线性频移系数的量级时, 数值研究发现在波坍缩之后出现了逆级联, 最终系统的能量主要凝聚在3个不同波矢终端的附近区域.
2016, 65 (4): 040401.
doi: 10.7498/aps.65.040401
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在D=d+2维各向异性的Lifshitz黑洞时空背景中, 在探子极限下, 用解析方法研究了临界温度附近引力系统的微扰, 计算出超导的关联长度(1/Tc)(1-(T/Tc)-1/2, 这与平均场论的结果一致. 进一步, 考虑在该系统中加一个均匀外磁场, 计算出穿透深度(Tc-T)-1/2, 该结果与Ginzburg-Landau理论相符.
2016, 65 (4): 040501.
doi: 10.7498/aps.65.040501
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利用基于压缩感知的成像系统可以透过静态的散射介质获得高质量的重建图像. 但是当散射介质动态变化时, 因为采样所得的测量值受到散射介质衰减系数非线性变化的影响, 重建图像质量会大大下降. 针对上述情况, 本文提出基于压缩感知成像系统的测量值线性拉伸算法, 该算法能够对所得到的非线性测量值进行分析, 根据测量值大小的不同将测量值划分成数个区域并计算补偿系数, 从而根据补偿系数进行测量值线性拉伸变换, 使测量值线性化. 最后再对变换后的测量值进行压缩感知重建计算. 通过理论分析、计算机仿真和实验证明了所提算法能够有效地应对动态的散射介质, 提高基于压缩感知成像系统在透过动态散射介质时的图像重建质量.
2016, 65 (4): 040502.
doi: 10.7498/aps.65.040502
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针对非线性系统的状态估计问题, 提出了一种自调整平滑区间粒子滤波平滑算法. 该算法的显著特点是根据采样粒子观测值与系统状态观测值之间的偏差动态修正滤波平滑区间的长度, 有效抑制了传统的粒子滤波平滑算法中因区间长度固定可能造成粒子权重重新赋值带来误差增大的问题. 该算法的原理是依据粒子滤波器的工作机理, 把系统状态信息和热槽组成一个抽象的整体, 将粒子滤波平滑过程类比为观测信息和热槽交互的统计力学系统. 在无新的观测信息时, 整个系统遵循热力学第二定律, 即无论从任何初始状态出发, 整个力学系统的熵是非减的; 而当出现新的观测信息时, 粒子滤波器像麦克斯韦妖从新的观测信息中抽取能量传送给热槽, 使整个抽象系统的熵减少, 根据系统熵的递变规律变化对滤波平滑区间的长度加以动态修正, 优化粒子的权重赋值, 进而提高系统状态的估计精度. 利用matlab进行了仿真分析, 验证了该算法的有效性.
基本粒子物理学与场
2016, 65 (4): 041201.
doi: 10.7498/aps.65.041201
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用夸克势模型研究结构相同而自旋和轨道量子数不同的介子之间质量劈裂是检验势模型有效性的重要手段之一. 在以往的用各种夸克势模型计算质量劈裂工作中, 当轻介子和重介子一起计算时, -很容易劈裂, 而c-J/等的劈裂都很 难达到实验值. 这里首先用正规化形状因子2/(q2+2), 对完整的动量空间中的Breit夸克势的第三项实施二次正规化, 除了第一项 库仑势和第七项常数项势, 对其余的项实施一次正规化, 然后用来计算 质量劈裂. 研究计算发现, 只有当屏蔽质量取为关于 折合质量r=mr mj/(mr+mj) 的三阶多项式时, 轻介子-和重介子c-J/, b-(1s), 还有c0-c1-c2 等的劈裂 精确达到实验值, 同时其他介子质量也都比以往得到较大的改善. 因此, 本文给出了一个有效的夸克势模型.
原子和分子物理学
2016, 65 (4): 043701.
doi: 10.7498/aps.65.043701
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采用1064 nm多模30 W连续光纤激光器, 搭建了一个周期为25 m的一维远失谐光学晶格势场. 对铷原子进行磁光阱装载和偏振梯度冷却, 实现了铷冷原子团在光晶格中的装载. 借助于短程飞行时间法, 测量晶格中冷原子温度为20 K, 为下一步实现量子信息存储实验奠定了基础.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2016, 65 (4): 044101.
doi: 10.7498/aps.65.044101
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针对复杂屏蔽腔体往往是由多个空间构成的实际情况, 本文构建了内置条状金属板的双层金属腔体物理解析模型, 将外层腔体的近场电磁干扰等效为电偶极子, 基于Bethe小孔耦合理论并利用推广的腔体格林函数推导了内腔体的电磁场分布的近似表达式. 利用该解析模型计算分析了条状金属板的位置和方向对屏蔽效能的影响. 通过计算结果与全波仿真软件CST仿真结果的对比, 证实了本文所建理论模型的有效性, 为复杂腔体屏蔽效能的快速计算提供了理论参考.
2016, 65 (4): 044102.
doi: 10.7498/aps.65.044102
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在激光尾场加速电子的机理中, 引入适当的密度梯度容易实现并控制电子注入到等离子体波中实现加速. 迄今对密度梯度注入的理论研究主要采用粒子模拟. 本文发展了一种解析处理密度梯度注入的方法, 分析了密度下降区域中电子的注入和加速. 给出了一维密度梯度中电子注入发生的条件, 采用哈密顿力学得到了线性条件下密度梯度区的电子相空间分界线(separatrix); 讨论了密度梯度区电子注入的时间对电子进入密度均匀区持续加速的影响. 用粒子模拟验证了分析结果.
2016, 65 (4): 044103.
doi: 10.7498/aps.65.044103
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用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光, 再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光, 相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束. 通过干涉理论与实验结果相互佐证, 得出局域空心光束的周期为2.5 mm. 进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响, 发现随着相干度的降低局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低, 但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.
2016, 65 (4): 044201.
doi: 10.7498/aps.65.044201
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根据各向异性媒质理论, 设计了一种宽带、反射型超材料极化旋转体, 能够将线极化波极化方向旋转90, 极化转化率大于90%的工作带宽为5.514.5 GHz. 该极化旋转体由两层介质板、金属双开口谐振环和金属底板周期排列构成, 具有各向异性的特点, 单元两对角线方向的电场分量反射系数相同, 反射相位相差180, 导致其极化旋转特性. 利用表面电流分布图, 分析不同极化波入射时该极化旋转体的谐振状态, 实验和仿真结果符合较好. 该极化旋转体在新型天线设计和隐身技术等方面具有广阔的应用前景.
2016, 65 (4): 044202.
doi: 10.7498/aps.65.044202
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根据矢量光场衍射积分理论和离散复振幅光瞳滤波原理, 通过一种由双/2波片和离散复振幅滤波器组成的可调谐复振幅滤波器, 研究了大数值孔径下超长焦深聚焦矢量光场的构建与调控. 给出了一个六环带区的离散复振幅滤波器, 对入射光场的偏振态、振幅滤波和相位滤波三者进行同步优化, 获得了焦深接近10的三维平顶光场; 通过调控双/2波片夹角来改变聚焦光场的矢量化结构, 使之在光针场、平顶光场、光管场及中间结构光场之间交替变化. 研究结果揭示了入射光场矢量化结构演化与聚焦光场矢量化结构变换之间的关系, 解决了获取动态的、可调控的超长焦深聚焦光场的问题. 两种基本的聚焦光场光针场、光管场的独自使用或三维平顶光场的调和使用, 将会在光学显微、光学微纳操控以及光学精细加工领域获得重要应用.
2016, 65 (4): 044203.
doi: 10.7498/aps.65.044203
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1.5 m光通信波段非经典光场在光纤中有着极低的传输损耗, 因而是基于光纤的实用化连续变量量子信息研究的重要资源. 本文利用周期极化磷酸氧钛晶体构成的半整块结构简并光学参量放大器, 实验获得了连续变量1.5 m光通信波段的明亮压缩态光场. 光学参量放大器的阈值功率为230 mW. 当780 nm抽运光场功率为110 mW, 1.5 m注入信号光场功率为3 mW时, 连续变量1.5 m明亮正交位相压缩态光场的压缩度达4.7 dB. 进而利用时域零拍探测系统测量压缩态, 采用量子层析技术重构了该明亮正交位相压缩态光场的Wigner准概率分布函数.
2016, 65 (4): 044204.
doi: 10.7498/aps.65.044204
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提出了一种利用串联谐振腔来抑制光电振荡器边模的方案. 此方案中, 在传统光电振荡器结构中加入无源微波谐振腔结构来提高滤波器的Q值. 分析了该结构的基本原理, 并与传统光电振荡器结构进行对比, 此结构能有效提高边模抑制比. 实验中产生了10 GHz的微波信号, 所测得的边模抑制比达72 dB, 单边带相位噪声为-122 dBc/Hz@10 kHz. 同时, 利用锁相技术, 振荡频率的稳定性得到了很大的改善, 在3 h内漂移小于 4 Hz. 该方案无需增加有源器件, 保留了传统光电振荡器低相位噪声的优势, 又有效抑制了边模, 为光电振荡器的应用提供了一种新的方法.
2016, 65 (4): 044205.
doi: 10.7498/aps.65.044205
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基于准玻色方法, 利用平均场理论解析求解了环境作用下双光子过程耦合腔阵列体系的哈密顿量, 得到了体系序参量的解析表达式, 并讨论了耗散对体系超流-Mott绝缘相变的影响. 研究结果表明: 双光子共振情况下系统重铸相干的腔间耦合率临界值为(ZJ/)= (ZJ/)c' 0.34;双光子相互作用过程比单光子过程具有更大的耗散率, 系统维持长程相干状态的时间更短, 而实现重铸相干的腔间耦合率的临界值更大.
2016, 65 (4): 044206.
doi: 10.7498/aps.65.044206
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基于非线性薛定谔方程建立了氟化物(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF, ZBLAN)光纤振荡器中产生中红外超短脉冲的理论模型, 在此基础上研究了中红外超短脉冲在氟化物光纤振荡器中形成的物理机理, 数值模拟了氟化物光纤振荡器中中红外超短脉冲的演化过程. 分析了腔内净色散和小信号增益系数对振荡器中锁模脉冲产生的影响, 并给出了参数设置范围. 研究发现: 当掺Er3+氟化物光纤长度, 小信号增益系数, 不饱和损耗为一定值时, 腔内净色散在一定范围内才会出现稳定的锁模脉冲, 且随着腔内净色散增加脉冲宽度变宽, 光谱变窄, 峰值功率降低; 当掺Er3+氟化物光纤长度及不饱和损耗一定, 腔内净色散量为合理值, 小信号增益系数在合理的范围时可以得到稳定的锁模脉冲, 且随着小信号增益系数的增加脉冲宽度变宽, 光谱变宽, 峰值功率增加.
2016, 65 (4): 044207.
doi: 10.7498/aps.65.044207
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外腔共振是提高和频效率的有效方法. 实现外腔共振高效和频需要基频光高效地耦合到外部谐振腔中, 因此系统要达到阻抗匹配. 本文分别建立了双波长和单波长外腔共振和频系统的理论模型, 分析了腔增强因子与耦合腔镜反射率、入射基频光功率等参数的依赖关系, 通过数值模拟获得最优化的共振光耦合腔镜反射率, 使系统达到阻抗匹配, 提高和频效率. 研究表明, 无论双波长还是单波长外腔共振和频系统, 共振基频光的最佳耦合腔镜反射率只会随着另一束共振或者不共振的基频光入射功率的增加而减小, 而其本身的入射功率变化则影响较小; 进一步分析表明, 若共振基频光的耦合腔镜反射率超过阻抗匹配值, 和频光功率将会迅速减小, 而小于阻抗匹配值时, 和频光功率减少速度相对较慢, 因此实验过程中要尽量避免过耦合的情况出现. 本文的理论分析过程将对外腔和频实验有一定的指导意义.
2016, 65 (4): 044208.
doi: 10.7498/aps.65.044208
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采用传统高温熔融法制备了掺Yb硅酸盐玻璃, 玻璃组成为 60SiO2-12Al2O3-28CaO-1.0 mol%Yb2O3. 将玻璃分成两组, 一组经总剂量3 kGy的Co60辐射源辐射, 另一组做空白对照. 然后测试了玻璃未辐射、辐射后及热漂白后的吸收谱和近红外发光谱. 实验结果表明: 一定的热处理会使得玻璃在辐射过程中产生的色心缺陷发生分解, 即辐射后的玻璃在300900 nm波段的吸收系数显著地降低了, 在400 nm处未经辐射、经3 kGy辐射以及热漂白后的玻璃吸收系数分别是0.93, 2.9, 1.89 cm-1. 另外, 玻璃的近红外发光强度明显增强, 在1028 nm处未经辐射、经3 kGy辐射以及热漂白后的玻璃近红外发光相对强度分别是588, 261, 436, 从而极大地改善了玻璃的光学性能. 所以一定的热处理可以使辐射后的玻璃产生热漂白的现象. 研究结果为进一步发展抗辐射玻璃材料提供了新的实验依据.
2016, 65 (4): 044209.
doi: 10.7498/aps.65.044209
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研究不同参数退火处理的熔石英表面损伤修复点再次损伤及损伤增长时的形貌和损伤增长率的差异, 同时与未退火的基底及修复点的损伤增长行为对比. 结果表明: 未退火的修复点再次损伤后, 损伤点周围的裂纹会在应力的作用下继续扩展, 导致更加严重、尺寸更大的损伤点; 当退火处理将修复点周围应力导致的光程差控制在25 nm左右时, 虽损伤增长速率较快, 但可有效抑制裂纹扩展. 同时研究结果也表明只要退火过程能将修复点周围应力导致的光程差控制在10 nm以下, 其损伤增长率与基底的损伤增长率没有明显差异, 从而可以有效控制修复点的损伤增长速率. 研究结果可为分析应力对修复点损伤增长的影响、指导退火参数的优化提供参考.
2016, 65 (4): 044210.
doi: 10.7498/aps.65.044210
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基于Sagnac结构的分布式光纤干涉仪具有灵敏度高和动态范围大等特点, 特别适合监测入侵信号, 并确定其发生位置. 不同于现有的时域自相关及频域陷波点定位方法, 本文提出将两相干光束相位差信号变换到倒谱域, 通过倒谱系数峰来方便准确地确定入侵位置. 此外, 为克服倒谱定位中降采样带来的分辨率粗糙问题, 提出了多分辨率定位综合的改进方法. 通过改变降采样因子和利用高阶倒谱峰两种措施对同一入侵信号得到一系列定位值, 并对所有定位值取平均作为入侵信号的最终定位值. 实验首先在距离传感光缆尾端40.498 km处制造3个入侵信号. 采用本文提出的倒谱方法对该入侵得到84个定位值, 综合后的定位误差分别只有9 m, 17 m 和 11 m, 显示了对入侵信号定位的准确性. 之后对不同位置的入侵信号进行定位, 7次实验的定位误差的标准差达到12 m, 而相同情况下的自相关方法和陷波点方法的定位误差标准差分别为695 m和118 m. 此外, 这种方法还具有操作简单、易于自动测量等特点, 有望在Sagnac干涉传感系统中发挥重要作用.
2016, 65 (4): 044211.
doi: 10.7498/aps.65.044211
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采用自平衡零拍方案, 对低频段的标准量子真空涨落进行了测量. 实验确定了该系统的饱和光功率约为3.2 mW. 在10 Hz400 kHz的频率范围内, 系统的共模抑制比平均为55 dB, 在100 Hz处高达63 dB, 对激光经典技术噪声具有很强的抑制作用. 当入射光功率为400 W 时, 真空涨落噪声达到11 dB. 此低频量子真空噪声探测系统可广泛应用于量子计量和量子光学等研究领域.
2016, 65 (4): 044301.
doi: 10.7498/aps.65.044301
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设计了一种二维三组元声子晶体结构, 利用偶然简并的方法在布里渊区中心实现了半狄拉克点, 探究了随着组元几何参数的改变半狄拉克点的演变过程. 利用有限元方法研究发现在半狄拉克点频率附近沿着X 方向声子晶体表现出与零折射率材料相似的行为, 许多奇异特性如单向透射等均可以观察到. 另外还发现在半狄拉克点频率附近声子晶体是各向异性的, 沿着不同方向声波的传播现象是不同的, 这种特性是狄拉克点及类狄拉克点所不具备的. 这种各向异性的声波传播特性有许多重要的应用, 如单方向完美透射和单方向波前整形等.
2016, 65 (4): 044302.
doi: 10.7498/aps.65.044302
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通过获得扩频处理增益, 直接序列扩频水声通信系统具有较高的稳定性, 是高质量水声通信及远程水声通信的首选通信方式. 但复杂的海洋环境使得直扩系统在解扩时受到载波相位跳变的影响, 这将导致直扩系统的扩频处理增益下降. 为此, 本文针对直扩系统提出了差分能量检测器算法, 通过比较接收端相关器输出能量完成解码, 并与有源平均声强器算法相结合, 提出单矢量差分能量检测器算法. 该算法具有很好的抗载波相位跳变和多途扩展干扰的能力, 并可对信号方位信息实时跟踪估计, 利用估计方位进行矢量组合可获得矢量处理增益, 从而保证直扩系统可以在低信噪比、时变信道条件下稳定工作. 通过仿真分析和大连海试试验, 验证了本文提出的单矢量差分能量检测器算法的有效性和稳健性.
2016, 65 (4): 044303.
doi: 10.7498/aps.65.044303
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研究基于温度梯度分布的宽频带声聚焦效应. 利用两个恒温热源产生的温度梯度分布, 控制声波传播路径, 实现声波聚焦效应. 该机理源于温度场连续变化引起声折射率连续变化, 无反射能量损失, 具有宽频带及高聚焦性能等优点. 在此基础上, 分析入射声源频率、热源温度、分界面空间分布、热源位置、介质的衰减系数、热源温度不对称分布等因素对声聚焦性能的影响, 利用气凝胶材料验证单一介质中基于温度梯度分布的声聚焦系统的可行性.
2016, 65 (4): 044304.
doi: 10.7498/aps.65.044304
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为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.
2016, 65 (4): 044305.
doi: 10.7498/aps.65.044305
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提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.
气体、等离子体和放电物理
2016, 65 (4): 045201.
doi: 10.7498/aps.65.045201
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空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 WA-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.
2016, 65 (4): 045202.
doi: 10.7498/aps.65.045202
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采用电泳沉积法、碳纳米管纸和化学气相沉积直接生长法制备了三种碳纳米管阴极. 从强流发射性能、阴极等离子体膨胀、阴极起动、发射均匀性、工作稳定性以及脉冲放气特性等多个方面, 对比研究了碳纳米管阴极和化纤天鹅绒阴极的强流发射特性, 研究表明碳纳米管阵列和碳纳米管纸阴极发射性能明显优于普通化纤天鹅绒, 碳纳米管阴极发射性能与碳纳米管取向无关, 管壁的缺陷发射对无序碳纳米管阴极强流发射具有重要贡献. 碳纳米管阴极的起动场强约为普通化纤天鹅绒的2/3, 电场上升率相同时碳纳米管阴极比化纤天鹅绒阴极起动时间短1217 ns. 碳纳米管阴极发射均匀性优于化纤天鹅绒, 尤其是碳纳米管阵列, 整个阴极表面等离子体光斑致密且均匀. 在二极管本底气压为610-3 Pa时, 碳纳米管纸阴极对应的二极管峰值气压不到0.3 Pa, 约为普通化纤天鹅绒阴极的1/5, 碳纳米管阵列阴极放气量在三种阴极中最少, 仅为0.042 Pa. 结果表明, 碳纳米管阴极在强流电子束源和相关高功率微波器件领域具有潜在的应用价值.
2016, 65 (4): 045203.
doi: 10.7498/aps.65.045203
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激光驱动冲击波能提供高压的物质状态, 是状态方程研究的重要工具. 超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线源, 具有短脉冲、微焦点、高产额、能量可调的特点, 是高压物质密度测量的首选背光源. 本文基于蒙特卡罗程序Geant4建立了X射线照相模型, 客体密度分布由流体力学程序Multi-1D模拟激光冲击加载高压物质获得. 在一维长方体形密度客体情况下, 定义了均方根、峰值偏差与上升沿斜率比三种指标, 对照相图像求解的密度结果进行评价, 开展了照相结果信噪比、分辨率与对比度等参数优化. 并开展了一维圆柱形密度客体的照相模拟, 建立了基于Radon逆变换法的Abel反演算法. 反演结果与模拟设计密度分布符合良好, 要求X射线源半径在5 m以内; 反演结果与模拟设计密度分布较为一致, 要求X射线源半径在15 m以内.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2016, 65 (4): 046101.
doi: 10.7498/aps.65.046101
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近年来, 基于非晶合金名义弹性区的流变力学行为探索其结构及形变机理是非晶合金领域研究的热点之一. 本文根据非晶合金结构不均匀性的特征, 提出能够比拟树状分形网络结构的分数阶微分流变模型研究非晶合金的黏弹性行为. 通过室温纳米压痕实验, 对三种不同泊松比和玻璃化转变温度的非晶合金的黏弹性变形行为进行了研究. 实验结果表明: 在表观弹性区, 非晶合金的变形表现出与加载速率相关的线性黏弹性性质. 根据Riemann-Liouville分数阶微积分定义, 分别由分数阶微分及整数阶Kelvin模型对实验结果进行了分析. 分析结果表明, 相对于整数阶流变模型, 分数阶微分流变模型能更精细地表征材料的黏弹性变形特征; 在流变模型参数中, 黏性系数A和分数阶次反映出材料的流变特性和流动趋势, 流变参数与玻璃转变温度、泊松比之间具有较好的相关性, 上述相关性有助于从微观结构角度理解材料塑性与泊松比的关联.
2016, 65 (4): 046102.
doi: 10.7498/aps.65.046102
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以Zr替代Ti(或Al)掺杂-TiAl体系为研究对象, 掺杂浓度(摩尔比)分别为1/54, 1/36, 1/24和1/16. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算研究了Zr掺杂-TiAl体系的晶体结构及其稳定性、延性和电子性质等. 结果显示, Zr替位掺杂, 可以改变-TiAl基合金的结构对称性. 计算的形成能表明, Zr替代Ti原子会使体系的形成能降低, 而Zr替代Al原子会使体系的形成能增加. 因而, 在掺入-TiAl时, Zr更倾向于替代Ti 原子, 但是Zr替代Al原子也具有一定的可能性, 从而会产生多样的掺杂体系, 对于改善合金的性质具有重要意义. 对各个体系轴比的计算与分析表明, 当掺杂浓度为1.85 at%6.25 at% 时, Zr替代Al原子会使体系的轴比减小、接近于1, 从而改善合金的延性效果明显. 能带结构显示各个Zr掺杂-TiAl体系均具有金属导电性. 对电子态密度和布居数的分析表明, Zr替代Al原子后, Zr与其邻近Ti原子的共价键结合强度大为降低, 导致合金体系中的Ti-Al(Zr)键的平均强度明显减弱, 金属键增强, 这是改善-TiAl合金延性的重要因素.
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2016, 65 (4): 046201.
doi: 10.7498/aps.65.046201
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基于CQ4脉冲功率实验装置开展了Z-切石英晶体在磁驱动准等熵加载下的窗口折射率修正关系研究. 实验中采用激光波长1550 nm的双源光外差测速仪测量获得了LiF窗口和Z-切石英晶体窗口与不同厚度极板界面的粒子速度. 利用反积分方法由实验测得的LiF窗口与极板界面粒子速度计算得到了极板的加载磁压力历史; 以获得的磁压力为输入条件, 采用LS-DYNA计算软件正向计算得到石英晶体窗口与极板界面的真实粒子速度历史. 由实验获得的Z-切石英晶体窗口/极板界面表观粒子速度和计算得到的真实粒子速度, 获得了Z-切石英晶体弹性极限内的连续的折射率修正关系, 将其折射率修正关系的适用压力范围拓宽至14.55 GPa. 表观粒子速度与真实粒子速度关系采用线性拟合时, 折射率修正关系为n=1.087 ( 0.008)+0.4408/0, 与冲击数据拟合的结果一致. 由折射率实验数据对Z-切石英晶体的极化率分析认为, 在其弹性极限压力范围内加载路径和温度对折射率的影响可以忽略.
2016, 65 (4): 046801.
doi: 10.7498/aps.65.046801
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以飞秒激光放大器作为光源联合使用瞬态反射/透射实验技术研究了纳米Au半透明纳米薄膜中非平衡载能粒子的热传导过程. 在相同实验条件下, 发现该薄膜的瞬态透射和反射信号明显不同并且延迟时间在5.07.5 ps时瞬态透射信号的符号发生改变. 对纳米薄膜的透射和反射信号进行了对比分析, 分别使用双温模型和Crude近似进行数据模拟并拟合, 分析认为沿膜厚方向的温度梯度变化和界面热阻效应引起介电函数的变化不同, 从而引起了瞬态透射信号和反射信号的不同. 对于半透明金属纳米薄膜需要同时考虑其瞬态透射和反射影响才能得到准确的瞬态吸收结果. 随着抽运脉冲能量的增加, 可以看到上升时间约为1.0 ps, 电子-晶格弛豫时间增加.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2016, 65 (4): 047501.
doi: 10.7498/aps.65.047501
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在Ginzburg-Landan理论的框架下, 运用有限差分法研究了在圆环电流产生磁场下的介观超导圆环内的涡旋结构, 讨论了超导圆环尺寸和不同空间分布的磁场对涡旋形成的影响, 得到在一般超导圆环体内的基态多是巨涡旋态、而多涡旋态多以激发态形式存在的结论, 说明磁场一般从超导圆环的环孔穿过, 而很难穿过超导圆环体.
2016, 65 (4): 047701.
doi: 10.7498/aps.65.047701
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介质材料表面电荷的积累和衰减行为是制约众多高压直流电力设备研制的关键因素. 薄片状介质试样的表面电荷密度与表面电位近似呈线性关系, 因此常通过表面电位衰减行为研究表面电荷的衰减特性. 基于电晕充电、表面电荷沉积和脱陷、介质体内单极性电荷输运等3个物理过程, 建立表面电位动态响应的物理模型. 通过计算环氧树脂的表面电位衰减行为, 得到栅极电压、相对介电常数和体电导率等对其表面电位衰减特性的影响. 栅极电压越高, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂材料参数典型值(相对介电常数3.93, 体电导率10-14 S m-1)下, 归一化表面电位的衰减速率随时间变化的曲线可拟合为分段幂函数, 其中, 分段幂函数的特征时间、指数系数与栅极电压分别呈幂函数和线性变化关系. 相对介电常数越大, 表面电位的衰减速度越慢; 环氧树脂相对介电常数典型范围(34)内, 表面电位衰减时间常数由1720 s增大到2540 s, 两者呈线性关系. 体电导率越大, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂体电导率典型范围(10-1510-13 S m-1)内, 表面电位衰减时间常数由24760 s 减小到260 s, 两者呈幂函数变化关系.
2016, 65 (4): 047801.
doi: 10.7498/aps.65.047801
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设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构, 将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上, 利用有限元法研究了该结构的电光调制特性. 通过改变石墨烯的化学势可以调控光纤的相位和开关特性, 还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度. 然而, 空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置, 只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度, 而且由N 层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍. 这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗, 通过改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数, 而石墨烯的层数和空气孔半径却不会改变石墨烯的介电常数, 但是改变了石墨烯和光的作用强度. 经过参数优化之后, 我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器, 工作在11801760 nm波段, 具有小尺寸(5 mm125 m)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz) 和低插入损耗(1.23 dB) 特性. 研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.
2016, 65 (4): 047802.
doi: 10.7498/aps.65.047802
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黑索金(环三亚甲基三硝胺, RDX, C3H6O6N6)是一种非常重要的次级炸药, 因其高能量密度及对外界刺激的低感度而具有广泛的军事和工业应用. 为了能在生产、运输、存储以及使用中对其行为进行有效控制, 人们对它的化学性质、力学性质, 尤其是起爆进行了大量的研究. 炸药的起爆是一个非常复杂的过程, 其中最主要的问题之一就是能量是如何从连续介质尺度的刺激转移到原子尺度引起吸热分解的. 根据冲击波致爆的非平衡态Zel'dovich-von Neumann-Doering模型, 声子作为最初的热载体在整个过程中起着非常重要的作用. 实验上, 非弹性中子散射技术是研究晶体中原子和分子运动动力学的有力手段, 尤其是对于包含了大部分声子晶格模式的低频区域来说极具优势. 利用非弹性中子散射技术测得了RDX 在10104 cm-1 范围内的振动谱, 结合固态量子化学计算, 对所测的12个振动模式进行指认. 研究结果有助于人们对起爆详细机理的认识.
2016, 65 (4): 047901.
doi: 10.7498/aps.65.047901
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多载波微放电即发生在宽带、大功率真空无源微波部件中的二次电子倍增放电现象, 是影响空间和加速器应用中无源微波部件长期可靠性的主要隐患. 多载波微放电全局阈值功率的预测对于工作在真空环境中的微波部件至关重要, 但迄今尚无有效方法进行上述阈值的准确分析. 本文将微放电发生过程中二次电子分布区域等效为等离子体, 通过在理论上建立微波部件的电磁特性和电子密度间的对应关系, 提出了一种基于测试系统可检测水平的多载波微放电全局阈值功率分析方法. 为了能够通过蒙特卡罗优化方法得到全局阈值, 进一步基于电子加速的类半正弦等效, 提出了微放电演化过程中电子数涨落的快速计算方法. 基于以上两种方法得到的针对实际微波部件的全局阈值分析结果与实验结果相符合. 不同于传统基于多载波信号功率分析的经验方法, 本文基于临界电子密度判断依据和电子数涨落快速计算, 为多载波微放电全局阈值的准确预测提供了一种高效的分析方法.
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2016, 65 (4): 047902.
doi: 10.7498/aps.65.047902
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利用紫外光电子能谱、X射线光电子能谱以及原子力显微镜系统研究了2,7-二辛基[1] 苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(C8-BTBT)生长在单晶Ni(100)上的能级结构随着薄膜厚度的演化以及薄膜的生长方式. 发现第一层C8-BTBT平躺生长且与Ni基底发生了化学吸附反应. 从第二层起分子直立生长且呈现岛状生长模式. 这种平躺至直立的分子取向转变, 导致薄膜的能级结构在第一层与第二层间发生阶梯式的变化, 真空能级与最高占据能级同步下降. 此后能带结构随着薄膜厚度的增加逐渐向下弯曲, 功函数随着膜厚的增加而减小. 同时还发现由于直立生长的C8-BTBT其层间电导率较差导致实验中的能级未能收敛. 实验结果提示对基于Ni和C8-BTBT的自旋器件需要插入缓冲层并尽可能减少C8-BTBT的层数.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2016, 65 (4): 048101.
doi: 10.7498/aps.65.048101
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采用密度泛函理论方法研究了三种imogolite类(未取代、NH2取代和F取代)纳米管的直径单分散性及表面电荷的分布情况, 并从键长方面定性地解释了直径单分散性的原因. 我们给出了IMO, IMO_NH2和IMO_F的应变能曲线, 结果表明三种纳米管结构的最稳定管径值按照IMO IMO_NH2 IMO_F的顺序递增, 而imogolite类纳米管直径单分散性是由于管径的增大导致内部SiO, AlO键与外部Al-OH键键长变化趋势相反造成的, 总之是内部SiO, AlO 键和外部AlOH键相互作用的结果. 此外, 对三种稳定的纳米管结构做了Mulliken布局分析, 并总结了纳米管直径变化对表面电荷的影响. 结果表明正电荷主要积聚在外表面, 而内表面则感应出负电荷, 同时随着纳米管直径的增大表面电荷逐渐增加, 揭示了表面电荷与管径大小的关系. 研究表明, 可以通过改变imogolite内表面不同的官能化取代来控制纳米管直径, 进而调节表面电荷的分布情况, 这在imogolite类材料的分子设计及应用方面有着重要意义.
2016, 65 (4): 048102.
doi: 10.7498/aps.65.048102
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系统研究了铁磁性形状记忆合金Mn2 -xNiGa1+x的结构、磁性和有序化转变. 研究表明: 随着Ga含量的增加, Mn2 -xNiGa1+x的母相结构由Hg2CuTi 型逐渐转变到Cu2MnAl型Heusler结构. 母相的晶格常数先增加后降低, 当x=0.3时达到最大值. 0.3 x 0.8时, 材料除呈现Heusler结构的主相之外, 还出现了Ni2In型六角相. 过渡金属中3d电子之间交换相互作用的减弱, 导致Mn2-xNiGa1+x主相的居里温度由Mn2NiGa的590 K逐渐降低至Ga2MnNi的220 K左右; 当x=0.60.8时, Ni2In型六角相的居里温度与主相的居里温度出现分离. Ga对Mn的替代引起合金中原子间耦合作用的变化, 导致低温下Mn2 -xNiGa1+x的饱和磁化强度先增加后降低, 即x0.4时呈上升趋势, x0.4时急剧下降. 差热分析结果显示, 随着x从0增加到1, 样品熔化温度逐渐降低, B2相到Heusler相的转变温度先降低后增加.
2016, 65 (4): 048401.
doi: 10.7498/aps.65.048401
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文章对基于磁共振的水下非接触式电能传输系统在海水中的传输机理以及电涡流损耗进行了分析. 首先基于互感模型, 建立了空气中磁共振非接触式电能传输系统的数学模型, 分析了系统的频率特性, 从理论上对频率分裂现象进行了解释. 然后针对海水环境, 通过麦克斯韦方程组建立系统的数学模型, 通过级数展开, 略去高阶项, 得到计算电涡流损耗的近似公式, 分析了电涡流损耗与线圈半径、谐振频率、传输距离、磁感应强度的关系, 为水下非接触式电能传输系统的总体设计提供了理论依据. 最后通过实验验证了在空气中和海水中进行非接触式电能传输的异同, 以及电涡流损耗与各项参数的关系. 实验表明: 在空气中当传输距离为50 mm、传输功率为100 W时, 效率在80%以上; 在海水中当传输距离为50 mm、传输功率为100 W时, 效率约为67%, 说明基于磁共振的水下非接触式电能传输系统在海水中也有很好的应用前景.
2016, 65 (4): 048701.
doi: 10.7498/aps.65.048701
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光瞳截断作用对纯位相调制激光束整形系统的系统性能有重要影响. 本文提出了一种关于光瞳半径对近场调制位相和远场系统评价函数影响的定量分析方法. 通过拉格朗日乘数法等方法分析光瞳半径对近场调制位相的影响, 结果表明: 近场调制位相随光瞳半径近似线性增加. 通过建立数学模型, 拟合分析光瞳半径对系统评价函数的影响. 结果表明: 对方形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到99%左右, 光瞳半径为2.5倍高斯光束束腰半径时, 相关系数达到0.997, 光强偏离残差平方均值达到0.0004左右, 光瞳截断作用趋于最小; 对圆形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到97%, 光瞳半径为3倍高斯光束束腰半径时, 相关系数与光强偏离残差平方均值变化幅度均在10-3量级, 系统评价函数趋于收敛, 光瞳截断作用趋于最小.
2016, 65 (4): 048801.
doi: 10.7498/aps.65.048801
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采用类桑拿法制备了聚苯乙烯微球模板, 结合双层Mo金属结构, 获得了具有周期性结构的Mo金属催化电极. 通控制氧气对聚苯乙烯球的刻蚀时间, 可有效调制Mo金属催化电极的横、纵向尺寸, 从而获得不同的衬底比表面积. 通过原子力显微镜表面形貌测试、电化学线性扫描、塔菲尔测试以及阻抗谱分析表明: 增大刻蚀时间可有效提高Mo金属催化电极的表面粗糙度和比表面积, 进而降低电荷传输电阻和塔菲尔斜率, 促进催化电极/电解液界面处析氢反应的进行. 采用类桑拿法和双层Mo金属结构制备周期性结构的方法简单, 可大面积化, 同时低温磁控溅射法制备的Mo金属催化电极成本低廉, 温度兼容多种太阳电池器件, 具有形成高效一体化光水解制氢器件的潜力.
地球物理学、天文学和天体物理学
2016, 65 (4): 049701.
doi: 10.7498/aps.65.049701
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转动和潮汐效应是影响恒星结构和演化的非常重要的物理因素. 根据对Achernar的观测数据, 用扰动理论推导了临界转动恒星Achernar分别作为单星和双星的斜压结构的特征, 给出Achernar等压面上的密度等物理量的分布. 利用考虑转动和潮汐及形变效应的单、双星模型研究了Achernar的引力昏暗现象. 结果表明正剪切增强离心力、减小赤道的重力加速度和温度, 反剪切结果则与之相反. 反剪切和刚性转动情况并不符合对Achernar的引力昏暗观测结果. 发现转动双星模型比单星模型虽更符合Achernar赤道和极半径之比的观测值, 但理论计算的角速度比观测值小. 对比理论计算和观测结果发现, 当Achernar的自转角速度为4.65 10-5 s-1, 正剪切率/s为0.7851时, Achernar的极点温度为16041 K, 赤道温度为12073 K. 所有理论计算与观测值的相对误差不超过7%.
