特邀综述
封面文章
2020, 69 (3): 036501.
doi: 10.7498/aps.69.20191906
摘要 +
热辐射作为一种无处不在的物理现象, 对于科学研究和工程应用都具有重要意义. 传统上对热辐射的理解主要是基于普朗克定律, 它描述了物体通过辐射交换能量的能力. 而近年来的研究表明, 由于微纳光学材料在尺寸上远小于热辐射峰值波长, 它们的热辐射性质往往很大程度上有别于传统黑体辐射理论所描述的宏观物体. 更重要的是, 微纳光学材料的热辐射性质可以通过改变它们的几何尺寸和微观构型进行定量的优化设计与精确调控. 纳米光学材料与辐射制冷效应的结合, 给热辐射效应在能源和环境等相关领域的应用提供了极具前景的应用价值. 本文首先从热辐射的基本原理和规律出发, 介绍纳米结构热辐射增强的发展进程和最新进展, 包括二维材料间的近场热辐射机理以及尺寸效应导致的远场热辐射增强; 其次, 介绍了近年来纳米光学材料在辐射制冷应用中的重大进展, 包括可以实现高效日间辐射制冷的各种纳米光学材料设计; 最后, 进一步介绍了日间辐射制冷的各种实际应用, 包括建筑物制冷、冷凝水收集、舒适衣物与太阳能电池降温等. 此外, 展望了纳米光学材料的辐射制冷技术在推动荒漠生态环境的治理与改造方面的广阔未来.
综述
2020, 69 (3): 038702.
doi: 10.7498/aps.69.20191346
摘要 +
磁共振扩散张量成像可以定量无创研究人体内水分子在三维空间中的各向异性扩散规律, 进而获取重要的病理及生理信息. 为了得到水分子各向异性扩散信息, 需要按照一定的方案依次施加不同方向的扩散敏感梯度磁场, 测量水分子在这些方向上的扩散系数用以估算扩散张量. 扩散张量成像测量结果的准确程度受梯度磁场方向分布方案的影响, 本文对扩散敏感梯度磁场方向分布方案进行综述, 包括完全随机方案、启发式方案、规则多面体式方案和数值优化方案等, 分析这些方案的优势与局限性, 并提出需进一步研究的问题.
总论
2020, 69 (3): 030301.
doi: 10.7498/aps.69.20191173
摘要 +
传统量子系统的哈密顿是自伴算子, 哈密顿的自伴性不仅保证系统遵循酉演化和保持概率守恒, 而且也保证了它自身具有实的能量本征值, 这类系统称为自伴量子系统. 然而, 确实存在一些物理系统(如$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ -对称量子系统), 其哈密顿不是自伴的, 这类系统称为非自伴量子系统. 为了深入研究$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ -对称量子系统, 并考虑到算子$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ 的共轭线性性, 首先讨论了共轭线性算子的一些性质, 包括它们的矩阵表示和谱结构等; 其次, 分别研究了具有共轭线性对称性和完整共轭线性对称性的线性算子, 通过它们的矩阵表示, 给出了共轭线性对称性和完整共轭线性对称性的等价刻画; 作为应用, 得到了关于$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ -对称及完整$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ -对称算子的一些有趣性质, 并通过一些具体例子, 说明了完整$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ -对称性对张量积运算不具有封闭性, 同时说明了完整$ {\mathcal{P}}{\mathcal{T}} $ -对称性既不是哈密顿算子在某个正定内积下自伴的充分条件, 也不是必要条件.
编辑推荐
2020, 69 (3): 030601.
doi: 10.7498/aps.69.20191525
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作为一种快速、低成本和非接触的测量手段, 光学散射测量在半导体制造业中的纳米结构三维形貌表征方面获得了广泛关注与运用. 光学散射测量是一种基于模型的测量方法, 在纳米结构待测参数的逆向提取过程中, 为降低参数之间的耦合性, 通常需要将结构的光学常数作为固定的已知量, 即假设结构的材料光学常数不受光学散射仪入射光照的影响. 事实上, 这一假设对于半导体制造业中的绝大多数材料是成立的, 但某些感光材料的光学常数有可能随着入射光的照射时间增加而发生改变, 而由此产生的误差会在一定程度上传递给待测形貌参数的逆向提取值. 本文针对聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶薄膜培片和光栅结构分别开展了光学散射测量实验与仿真研究, 结果表明该光刻胶材料的光学常数随着入射光照时间增加而变化, 进而导致光栅结构形貌参数的提取结果较大地偏离于真实值, 不容被忽视. 这一研究发现将为更进一步提高光刻胶纳米结构三维形貌参数的测量精确度提供理论依据.
2020, 69 (3): 030701.
doi: 10.7498/aps.69.20191456
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针对斯托克斯光和反斯托克斯光的本质损耗、附加损耗使分布式光纤温度传感器产生测温误差的问题, 通过对分布式光纤温度传感器的温度解调原理的研究, 提出了拟合斯托克斯光与反斯托克斯光之间衰减差的方法实现温度自补偿, 以此减小测温误差. 以传感光纤上不同位置的两部分作为参考段和测温段, 参考段的光信号作为测温段拟合多阶衰减差和解调温度的参量, 通过引入多阶拟合结果解调温度, 减小因斯托克斯光和反斯托克斯光的本质损耗、附加损耗导致的温度误差, 实现温度的初步修正. 改变光纤上同一位置的温度, 取3组不同温度值及对应信号值计算引入拟合衰减差前后的瑞利噪声, 分析了瑞利噪声与光纤长度和温度的关系, 通过引入拟合衰减差消除瑞利噪声, 减小了斯托克斯光和反斯托克斯光的本质损耗、附加损耗导致的瑞利噪声误差, 实现温度的再次修正. 分析比较多阶衰减差拟合结果对测温误差以及消除瑞利噪声的影响, 获得最优拟合阶次. 在拟合因参考段的附加损耗而导致的测温段的附加误差后, 通过拟合结果进行温度补偿, 完成了最终温度修正. 实验结果表明, 在30—90 ℃, 引入一阶线性拟合结果的温度修正效果最好, 经过三次修正后, 测温误差从10.50 ℃降低至0.90 ℃.
2020, 69 (3): 030702.
doi: 10.7498/aps.69.20191446
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X射线掠入射光学系统是我国首颗脉冲星导航试验卫星主载荷聚焦型脉冲星探测器的核心部件, 在增大探测面积、提高探测器灵敏度方面发挥着重要作用, 实现了国内首次在轨验证. 针对脉冲星导航探测X射线光子到达时间的特点, 开展了基于单次抛物面镜反射的掠入射聚焦光学系统设计, 通过理论计算与推导, 获得了可制造的光学系统反射镜设计参数, 光学系统理论有效面积为15.6 cm2@1 keV, 对设计的光学系统进行了聚焦性能仿真, 全视场范围内均满足探测器聚焦要求, 开展电铸镍复制工艺研究, 完成了芯轴的超精密控形加工, 在此基础上制造了4层金属反射镜, 利用北京同步辐射4B7B光束线测试了各层反射镜的反射率, 基于实测反射率的光学系统有效面积为13.2 cm2@1 keV. 最后基于在轨观测数据, 评价得到光学系统的有效面积为4.22 cm2@1 keV, 分析了地面标定有效面积与在轨评价有效面积存在差别的原因, 验证了设计、仿真与制造方法的正确性, 为大面积掠入射光学系统的研制奠定了基础.
核物理学
2020, 69 (3): 032901.
doi: 10.7498/aps.69.20191691
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角度准直器在高能质子照相中有着重要作用, 既可以利用准直器提高图像对比度, 又能通过二次成像实现材料诊断及密度重建, 因此减小通过准直器后通量值的误差具有重要意义. 本文通过理论分析, 提出了一种高能质子照相中准直器设计的方法, 通过Geant4程序建立了1.6 GeV的质子成像系统, 该系统分别使用理想准直器、拉伸型准直器和利用该方法设计的准直器, 并对比通过客体后的通量分布. 结果表明, 在使用理想准直器和该方法设计的角度准直器时, 二者得到的客体的通量分布符合较好, 而使用拉伸型准直器时, 与使用理想准直器得到的结果相差较大. 因此利用理想准直器方法设计的准直器可以很好地减小通量误差.
原子和分子物理学
2020, 69 (3): 033101.
doi: 10.7498/aps.69.20190627
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用嵌入位错线法和重合位置点阵法构建含有小角度和大角度倾斜角的双晶氧化锌纳米结构. 用非平衡分子动力学方法模拟双晶氧化锌在不同倾斜角度下的晶界能、卡皮查热阻, 并研究了样本长度和温度对卡皮查热阻和热导率的影响. 模拟结果表明, 晶界能在小角度区域随倾斜角线性增加, 而在大角度区域达到稳定, 与卡皮查热阻的变化趋势一致. 热导率随样本长度的增加而增加, 卡皮查热阻表现出相反的趋势. 然而随着温度的增加, 热导率和卡皮查热阻都减小. 通过比较含5.45°和38.94°晶界样本的声子态密度, 发现声子光学支对热传导的影响不大, 主要由声子声学支贡献, 大角度晶界对声子散射作用更强, 声学支波峰向低频率移动.
2020, 69 (3): 033401.
doi: 10.7498/aps.69.20191514
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为提升在中国原子能科学研究院的100 MeV质子回旋加速器上进行多能点质子单粒子效应实验的效率, 针对该加速器提供的100 MeV质子设计了一种二进制降能器. 降能器包括6片铝降能片, 厚度分别为0.5, 1, 2, 4, 8, 16, 32 mm, 即后一片厚度均为前一片的2倍. 提出相对厚度的概念, 此概念也可用来表示产生的质子能点的次序以及降能器的状态或操作. 降能器产生的9.69 MeV以上的61个质子能点间隔在0.84—4.09 MeV之间, 且能量岐离均在10%以下, 散射角半高宽均在45 mrad以下, 基本可满足质子单粒子效应实验的要求. 对加速器直接提供的质子的能量精度对降能器产生的质子能点的影响进行分析, 发现经降能器产生的质子能量越低, 其影响也就越大. 此外, 降能器对加速器直接能够提供的70—100 MeV能区的质子也是适用的, 且可通过增加降能片数量的方式来获得更加连续化的质子能点. 本文提出的降能器设计方法简单有效, 具有较强的借鉴价值.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2020, 69 (3): 034101.
doi: 10.7498/aps.69.20191212
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传统的载流细导体段模型是分析导体闭合回路磁场的基本模型, 尽管不满足电流连续性定律, 但适用于导体闭合回路的磁场分析. 然而, 对于工程中只关注导体闭合回路中某一局部的多分支导体段并联的电流分配问题, 传统模型将不能完整地反映各分支导体段之间磁场的相互作用. 为此, 现有文献提出的位移电流模型, 满足了电流连续性定律, 较好地解决了上述问题, 但是, 仍然存在理论不完整、不自洽以及计算公式复杂等问题. 本文提出载流细导体段的传导电流模型, 确保了载流细导体段在段内、段端及段外的电流连续性. 推导出物理内涵更加深刻的总磁场微分方程和矢量磁位计算公式. 提出载流细导体段传导电流模型磁场能量和电感的计算公式, 极大地降低了计算复杂度, 弥补了现有文献的不足. 本文算例从模型、公式、计算等方面验证了本文理论和计算公式的正确性.
2020, 69 (3): 034102.
doi: 10.7498/aps.69.20191586
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相干X射线衍射成像方法是一种先进的成像技术, 分辨率可达纳米量级. 国际上大多数的同步辐射装置和自由电子激光装置都建立了该成像方法, 并有将其作为主要成像技术的趋势. 上海光源作为目前国内唯一的一台第三代同步辐射光源, 尚未建立基于硬X射线的相干衍射成像实验平台. 随着一批以波荡器为光源的光束线站投入使用, 使得该方法的建立成为了可能. 本文基于上海光源BL19U2生物小角散射线站, 通过有效的光路设计, 搭建了相干衍射实验平台, 在12 keV和13.5 keV能量点均获得了硬X射线相干光束, 并基于小孔衍射测量了入射光束的空间相干长度. 该平台支持常规和扫描相干衍射实验模式, 对小孔衍射图样及波带片扫描衍射图样实现了正确的相位重建, 证明了该平台初步具备开展硬X射线相干衍射成像实验的能力. 硬X射线相干衍射成像实验平台为国内首次建立, 将为国内该实验方法的发展和应用提供有效的软硬件支持.
2020, 69 (3): 034201.
doi: 10.7498/aps.69.20191340
摘要 +
Talbot效应是一种近场自成像效应, 通常只有周期光栅可以产生Talbot效应, 而环形光栅无法产生. 本文通过引入保角变换, 发现可以在环形光栅外部设计适当的折射率渐变层介质, 使得其中也能够产生严格的Talbot效应, 并计算了对应的自成像半径表达式. 本文利用FDTD软件分别将一个环形光栅放置在真空中以及人工设计的折射率渐变层中进行了模拟, 并对二者的结果进行了比较分析, 发现这种折射率渐变层介质确实对点光源入射的环形光栅的自成像情况有着很好的改善. 希望这一工作能够推广Talbot效应的应用范围.
2020, 69 (3): 034202.
doi: 10.7498/aps.69.20191218
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光束正入射至均匀突变界面时的自旋-轨道相互作用表现为拓扑荷数为±2的、自旋可控的涡旋相位. 然而, 该涡旋相位的物理来源以及界面的性质在自旋-轨道相互作用过程中起到何种作用, 这些问题还有待解决.首先建立一个简洁的菲涅耳琼斯矩阵来描述这种自旋-轨道相互作用, 并揭示其中的涡旋相位其实是一种贝里(Berry)几何相位, 它来源于光束本身的拓扑结构, 而界面的性质影响自旋-轨道相互作用的转换效率. 一般情况下, 转换效率极低, 限制了其应用. 因此, 基于上述理论, 提出采用光轴平行于界面法线方向的单轴薄层材料, 来极大地增强这种自旋-轨道相互作用.
2020, 69 (3): 034203.
doi: 10.7498/aps.69.20191143
摘要 +
为了安全高效地对图像信息进行传输, 提出了一种新颖的基于多模光纤散斑的压缩感知结合双随机相位编码的光学图像加密方法. 多模光纤产生的光斑作为压缩感知的测量矩阵, 完成对图像的第一次压缩和加密, 并且充当第一级密钥; 再利用双随机相位编码技术进行第二次加密, 实现对图像的完整加密过程, 随机相位掩模板充当第二级密钥, 解密过程与此相反. 通过将光斑测量矩阵与用于压缩感知的常用随机测量矩阵进行对比研究后发现, 使用光斑测量矩阵解密后的图像质量更好, 而且相比于其他随机测量矩阵在硬件实现上的复杂性与高成本, 光斑矩阵可以很容易地通过简单的光学器件来获得, 且可以利用工作波长的改变来进行变换, 也即第一级密钥非常容易变换. 同时经研究表明, 本文方法可以有效抵抗统计分析、噪声干扰和剪切等攻击, 且对密钥敏感性高, 具有良好的鲁棒性和安全性. 因此, 本文提出的这种基于光斑矩阵的压缩感知与双随机相位编码结合起来的加密方法, 可以获得良好的加密效果与极大的密钥空间, 并且易于在光学领域整合.
2020, 69 (3): 034204.
doi: 10.7498/aps.69.20191348
摘要 +
相位锁定是双模压缩微波制备的关键问题之一. 针对基于超导180°混合环的制备方案相位稳定度不高且信息处理复杂等问题, 提出一种相位锁定方案. 对约瑟夫森参量放大器的信号输入进行相位调制, 输出的单模压缩微波与另一未调制的同频单模压缩微波在超导180°混合环内干涉, 实现双模压缩微波的制备与路径分离. 将未调制的单模压缩微波与一路双模压缩微波混频, 解调出相位调制信号可得到两路单模压缩微波的相对相位及误差, 将相位误差反馈于约瑟夫森参量放大器的抽运实现相对相位的锁定, 获得稳定的双模压缩输出. 本研究对高性能纠缠微波源的设计提供了理论参考.
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2020, 69 (3): 034205.
doi: 10.7498/aps.69.20191515
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可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种应用非常广泛的吸收光谱测量技术. 利用宽带可调谐窄线宽光源进行吸收光谱测量的超光谱吸收技术可以在单次扫描中获取一段连续光谱的所有吸收数据, 可大大提高可调谐二极管激光吸收光谱技术的数据信息容量和光谱诊断能力. 分析了在2 μm波段对水进行超光谱吸收测量时对激光器输出线宽的具体要求. 利用掺铥光纤在2 μm波段较宽的发射谱, 采用可调谐法布里-珀罗滤波器和光纤可饱和吸收体相结合的技术方案搭建了一台宽带调谐窄线宽的2 μm光纤激光器. 获得了1840—1900 nm约60 nm范围的调谐光谱输出, 激光器静态线宽仅为0.05 nm. 利用该光源对空气中水在2 μm波段的吸收光谱数据进行了超光谱吸收测量, 在1856—1886 nm约30 nm的光谱范围内分辨了35条水的吸收谱线. 通过对不同线宽条件下1870—1880 nm范围内的理论吸收光谱数据进行对比发现, 测量数据无法有效分辨分别位于1873 nm和1877 nm处与强吸收线相邻的两条吸收谱线, 且测量结果与激光线宽在0.08 nm条件下的HITRAN2012光谱数据库最为接近. 这表明, 在动态扫描过程中激光器的线宽得到了展宽.
2020, 69 (3): 034206.
doi: 10.7498/aps.69.20191438
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飞秒激光成丝超连续辐射具有高强度和高时空相干性等优点, 作为一种超宽带光源在很多领域都具有广泛的应用前景. 本文提出一种结合微透镜阵列的空间调制和基于液晶空间光调制器的时域整形的飞秒激光脉冲整形方式, 利用基于遗传算法的反馈优化控制, 实现了飞秒激光在熔融石英中成丝产生的超连续辐射强度的调制, 得到了在一定范围内光谱强度可控的超连续辐射光谱; 光谱的能量密度可以从0.03 μJ/nm调制到0.09 μJ/nm, 其能量密度变化达到了初始值的3倍. 计算了典型迭代代数对应的整形脉冲时域包络, 分析了超连续光谱随迭代代数的演化趋势, 结果表明, 脉冲包络的峰值强度和波形分布是影响超连续光谱展宽和强度的主要物理原因.
2020, 69 (3): 034207.
doi: 10.7498/aps.69.20191333
摘要 +
稀土掺杂上转换发光材料的发光特性不仅依赖于基质材料本身, 而且与其激发条件密切相关. 本文主要是以Ho3+离子为研究对象, 在NaYF4和LiYF4这两种不同的基质中, 研究其在不同激发条件下的上转换发光特性. 通过共聚焦显微光谱测试系统, 对比Ho3+离子在NaYF4和LiYF4微米晶体中的发光特性. 实验结果发现: Ho3+离子在这两种不同基质中均展现出较强的荧光发射. 然而, 当激发功率增加时, 在单颗粒NaYF4微米晶体中, Ho3+离子展现出了红白色荧光发射, 即展现出较强的红光、绿光及蓝光发射. 然而, 在单个LiYF4微米晶体中, 当激发功率增加时, Ho3+离子则发射出较强绿光及微弱的红光, 红绿比变化并不明显, 其蓝光发射强度也相对较弱. 当激发这两种微米粉末晶体时, 结果发现: Ho3+离子均发射较强的绿光发射并伴有微弱红光发射, 两种晶体中的发射特性极其相似. 由此可见, 在常规测试条件下, 一些特殊发光现象是很难被观测到的. 同时, 通过对其光谱特性的分析, 对Ho3+离子的发光机理进行了研究.
2020, 69 (3): 034301.
doi: 10.7498/aps.69.20191440
摘要 +
提出了一种新的求解非线性波动方程的数值迭代法, 它是一种半解析的方法. 与完全的数值计算方法(如有限元、有限差分法)相比, 这种迭代法的解具有非常清晰的物理含义, 即它的解是各阶谐波的组合. 与微扰法相比, 它能够考虑各阶谐波的相互作用, 且能够满足能量守恒定律. 用它研究了非线性声波在液体中的传播性质, 结果表明, 在微扰法适用的声强范围内迭代法也适用, 在微扰法不适用的一个较宽的声强范围内迭代法依然适用.
2020, 69 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.69.20191185
摘要 +
采用间断有限元法(discontinuous finite element method, DFEM)求解非规则形状介质内的辐射导热耦合传热问题, 得到了典型非规则形状介质内辐射导热耦合传热问题的高精度数值结果. 和传统连续型有限元方法不同, DFEM将计算区域划分成相互独立的离散单元, 形函数的构造、未知量的加权近似以及控制方程的求解均在每一个离散单元上进行. 通过在单元之间施加迎风格式的数值通量, DFEM保证了整个计算区域的连续性, 因此这种方法兼具良好的几何灵活性和局部守恒性. 推导了辐射传输方程和能量扩散方程的DFEM离散格式, 验证了DFEM求解辐射导热耦合传热问题的正确性; 同时研究了不同几何形状介质内辐射导热耦合传热问题, 得到了典型非规则形状介质内辐射导热耦合传热的高精度数值结果.
2020, 69 (3): 034601.
doi: 10.7498/aps.69.20191104
摘要 +
提出了一种锥形靶层裂实验新方法, 开展非一维应变冲击条件下高纯铜初始层裂行为实验研究, 讨论了锥形靶内部损伤分布特征及其与自由面速度典型特征之间的内禀关系. 结果显示: 1)初始层裂的锥形靶内部出现了连续损伤区, 损伤区扩展方向与锥面平行, 从锥底到锥顶呈现了不同的损伤状态, 从微孔洞独立长大到局部聚集, 最后形成宏观裂纹, 这种损伤状态分布特征归因于锥形靶内部拉伸应力幅值和持续时间的空间演化; 2)通过锥形靶横截面损伤度定量统计分析, 揭示损伤演化早期的微孔洞成核与早期长大过程是随机的, 而损伤演化后期的微孔洞聚集过程具有显著的局域化特征; 3)不同位置处实测的自由面法向粒子速度剖面呈现出典型的层裂Pull-back信号, 但是通过与内部损伤分布特征对比, 揭示基于Pull-back速度获得高纯铜层裂强度本质是微孔洞成核阈值应力, Pull-back回跳速度斜率反映了损伤演化速率, Pull-back回跳幅值与损伤度引起的应力松弛密切相关.
编辑推荐
2020, 69 (3): 034701.
doi: 10.7498/aps.69.20191011
摘要 +
钝体是目前各种工程中广泛应用的一种结构. 钝体绕流的尾迹涡动力学也是经典的流体力学研究对象之一. 本文通过直接数值模拟, 针对低雷诺数下各种钝体结构的不可压缩绕流, 当形成三维尾迹时, 研究具有特定符号的涡量分布特征. 通过分析两类钝体结构, 基本的直柱体和受到几何扰动的柱体, 总结并得到了更为广泛适用的涡量符号律. 通过对比并分析这两类钝体结构, 结合理论证明的结果, 进一步厘清了对产生涡量符号律的这两类钝体结构之间的内在物理关联, 即引起自然失稳的小扰动在惯性力作用下产生的表面涡量只能向下游演化发展, 而几何扰动则根据扰动位置, 产生的表面涡量可以向扰动上游或下游演化发展. 从而可以推测所有钝体结构尾迹中的各种型式的涡脱落模态, 从涡量符号律的演化角度来看, 实际上是一致的, 都是起源于壁面产生特定符号组合规律的Π型涡.
2020, 69 (3): 034702.
doi: 10.7498/aps.69.20191429
摘要 +
受自然界启发, 仿生微结构被广泛用于调控固-液界面的性质. 研究显示, 液滴在微结构表面的各向异性浸润行为可用于实现微流动方向和速度的控制, 且其各向异性浸润与微结构的尺寸和分布等密切相关. 本文研究了微矩形凹槽尺寸对液滴各向异性浸润行为的影响规律. 结果显示, 液滴沿平行沟槽的方向具有较小的运动阻力、易铺展, 因此具有较小接触角; 而垂直于沟槽方向, 由于沟槽的阻隔作用具有较大运动阻力, 因而具有较大接触角, 并且在垂直方向液滴的浸润过程是三相线一系列钉扎和跳跃行为. 在微矩形凹槽表面, 液滴沿平行方向接触角θ//与肋板宽度R和凹槽宽度G密切相关, 其值与表面固体面积比成反比; 而垂直于沟槽方向的接触角θ⊥随肋板宽度R和凹槽宽度G变化基本保持不变. 同时各向异性液滴的变形比L/W、特征方向接触角比值θ⊥/θ// 与表面固体面积比成正比. 研究结果有助于加深理解微结构表面浸润行为的机制, 并为微矩形凹槽在微流动控制方向的应用提供技术支持.
气体、等离子体和放电物理
2020, 69 (3): 035201.
doi: 10.7498/aps.69.20191332
摘要 +
超短超强激光脉冲在气体等离子体中激发的尾波场加速在过去40年里有了长足的发展, 人们已经在厘米加速距离内获得了数GeV的准单能电子加速, 激光尾波加速的最高电子能量已经达到8 GeV. 为了进一步提升加速电子束的稳定性和品质, 多种电子注入方式先后被提出. 本文研究了基于锐真空-等离子体边界面的密度跃变注入, 着重讨论了不同角度的倾斜边界面对注入电子品质的影响. 二维粒子模拟研究表明, 与倾角为0°的垂直边界面相比, 在合适的倾斜边界角下, 第二个尾波空泡内产生的注入电量可以有近三倍的提升, 同时偏振方向与入射面平行的驱动激光可以增加第一个空泡内注入电子的电量. 根据不同激光入射角度时尾波场中电子自注入的起始位置差异, 分析了电子电量与横向振荡增强的原因. 这些研究有利于提升基于Betatron运动的尾波场辐射及其应用.
2020, 69 (3): 035202.
doi: 10.7498/aps.69.20191321
摘要 +
同轴枪脉冲放电产生的等离子体具有高速度、高密度的特点, 在核聚变、空间推进、天体物理领域具有很高的应用价值. 本文针对不同放电方式对等离子体特性的影响进行了理论实验研究, 通过调换脉冲电源整流二极管的方向改变充电电流方向实现正、负脉冲放电, 采用光学、电学、磁探针等诊断手段, 研究了正、负脉冲放电产生的等离子体性能; 通过高速相机观察到正脉冲等离子体的分团现象, 使用了图像处理技术, 量化对比了等离子体发光强度. 结果表明在相同工作气压和放电电压下, 负脉冲等离子体拥有更高的密度, 流速稍小但性能趋稳; 而正脉冲等离子体具有更高的射流速度, 也易产生明显的分团现象, 所得实验结果与理论分析相一致.
2020, 69 (3): 035203.
doi: 10.7498/aps.69.20191411
摘要 +
磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion, MagLIF)结合了传统磁约束聚变和惯性约束聚变的优点, 理论上可以显著地降低聚变实现的难度, 具有极大的应用潜力. 以研究MagLIF中的关键问题为目标, 建立能够综合考虑磁化、预加热、套筒内爆、聚变反应、端面效应、磁通压缩等多种复杂机制在内的集成化物理模型, 特别是通过引入流体喷射模型, 使得可以在一维计算条件下考虑具有二维特性的端面损失情况, 并额外考虑Nernst扩散项对磁通损失的影响. 在此基础上编写实现一维集成化MagLIF数值模拟程序MIST (magnetic implosion simulation tools), 与FP-1装置(2 MA, 7.2 μs)上铝套筒内爆实验结果的对比验证了程序磁流体模块的正确性; 将聚变模块纳入后与国外同类程序LASNEX和HYDRA计算结果进行整体比较, 所得数值结果总体接近, 主要差异体现在燃料温度的计算上, 对可能影响的原因进行了简要分析. 所建立的集成化模型与程序将为未来开展MagLIF聚变实验研究提供坚实的理论基础和重要工具.
2020, 69 (3): 035204.
doi: 10.7498/aps.69.20191423
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辐射流体采用限流的局域Spitzer-Härm (S-H)电子热流近似, 在预估等离子体状态时可能与实验观察存在偏差. 利用一维(1D3V)含碰撞的粒子模拟程序, 研究了激光聚变黑腔中金等离子体的电子分布函数和电子热流. 分析表明, 在等离子体的冕区, $\alpha=Z(v_{\rm{os}}/v_{\rm{te}})^2 > 1$ , 电子分布函数表现为超高斯分布(m = 3.34), 克努森数$\lambda_{\rm{e}}/L_{\rm{e}}=0.011$ 大于局域S-H理论的临界值$2\times10^{-3}$ . 这导致了局域S-H电子热流远大于实际热流. 这种实际热流受限现象将导致辐射流体模拟给出的冕区电子温度高于神光实验测量值. 而在等离子体的高密度区域, 电子分布函数仍表现为超高斯分布(m = 2.93), 克努森数$\lambda_{\rm{e}}/L_{\rm{e}}=7.58\times10^{-4}$ 小于局域S-H理论的临界值, 限流的局域S-H电子热流具有一定的适用性. 但电子热流严重依赖于限流因子$f_{\rm{e}}$ , 辐射流体模拟需要根据不同位置的光强和电子温度调整$f_{\rm e}$ 的大小.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2020, 69 (3): 036101.
doi: 10.7498/aps.69.20191379
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在材料辐照损伤过程中, 间隙型位错环的形成及动力学行为严重影响材料在辐照条件下的服役行为. 在常用的以体心立方铁为基的合金材料中, 1/2$\left\langle 111 \right\rangle $ 和$\left\langle 100 \right\rangle $ 是两种主要的位错环, 其对辐照损伤的影响一直都是核材料领域研究的热点之一. 在之前的研究中, 人们对{111}面与单个1/2$\left\langle 111 \right\rangle $ 位错环的相互作用进行了深入研究, 发现表面对位错环性质确实有重要的影响. 采用分子动力学方法, 在原子尺度详细研究了另一个重要的表面铁{100}面对$\left\langle 100 \right\rangle $ 间隙型位错环动力学过程的影响. 模拟发现位错环伯格斯矢量与表面法线方向的关系、距表面的深度、位错环之间的相互作用以及温度等, 都对位错环与表面的相互作用产生重要影响, 其中, 表面作用下的伯格斯矢量的演化以及$\left\langle 100 \right\rangle $ 位错环在此过程中的一维运动首次被发现. 基于这些模拟结果, 就$\left\langle 100 \right\rangle $ 位错环对表面辐照损伤结构的影响进行详细地研究, 给出$\left\langle 100 \right\rangle $ 位错环对表面凹凸结构的贡献, 这些结果为理解辐照过程中材料表面的演化提供一种可能的解释.
2020, 69 (3): 036201.
doi: 10.7498/aps.69.20191425
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层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷, 广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中, 对材料的力学性能有显著的影响. 目前, 关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究. 本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为, 对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析. 研究发现, 层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌, 并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷. 在中低速度加载下, 层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展, 为孔洞提供了更宽的形核区域, 促进了孔洞的异质成核, 造成材料层裂强度大幅度减小. 当冲击速度较高时, 层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
编辑推荐
2020, 69 (3): 037201.
doi: 10.7498/aps.69.20191623
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利用自旋噪声谱技术研究了无缓冲气体133Cs原子气室的自旋动力学和展宽机制. 在宏观原子气室中, 自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为高斯分布; 在空间局域较强的微米气室中, 自旋弛豫速率失谐频率谱的线型为洛伦兹分布. 实验测量得到的自旋弛豫速率失谐频率谱的展宽约4 GHz, 明显大于宏观原子气室中约500 MHz的多普勒非均匀展宽. 同时, 研究了两种气室的总噪声的失谐频率谱. 在宏观原子气室中, 总噪声强度强烈依赖于激光相对于原子共振跃迁的频率失谐; 在微米气室中, 由于较强的均匀展宽, 总噪声的失谐频率谱中心处出现明显的凹陷. 通过建立简化的物理模型来计算微米气室的展宽机制, 在实验与理论中解释了原子的均匀展宽特性.
2020, 69 (3): 037901.
doi: 10.7498/aps.69.20191496
摘要 +
为了提高大功率磁控管的输出功率, 延长其使用寿命, 首次采用稀土氧化物Y2O3和过渡金属氧化物HfO2制备大功率磁控管用Y2Hf2O7 (铪酸钇)陶瓷阴极, 并对该阴极的热发射特性和寿命特性等进行了测试, 热发射测试结果显示该阴极在1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1600 ℃br亮度温度, 300 V阳极电压下即可分别提供0.15, 0.2, 0.5, 1.1, 1.8, 2.5, 3.5 A/cm2的发射电流密度. 利用理查森直线法求得该阴极的绝对零度逸出功为1.26 eV, 理查森-道舒曼公式法求得该阴极在1450, 1500, 1550, 1600 ℃br亮度温度下的有效逸出功分别为3.10, 3.15, 3.21, 3.26 eV. 寿命实验结果显示, 该阴极在工作温度为1400 ℃br, 直流负载为0.5 A/cm2的条件下, 寿命超过4000 h. 最后, 利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线能谱分析仪、俄歇电子能谱仪以及结合氩离子刻蚀技术的深度俄歇能谱仪等分别对该阴极活性物质的分子结构, 阴极表面微观形貌、元素成分及含量等进行了研究. 结果表明, 高温烧结合成了单一的铪酸钇物相, 高温烧结过程中当一种Y3+价稀土氧化物Y2O3掺入Hf4+价的过渡金属氧化物HfO2时, 会发生离子置换固溶, 为了保持铪酸钇晶格的电中性, 晶格中就会产生一个氧空位. 当阴极在激活、老练、热发射测试时, 会加速氧空位的生成, 产生的氧空位越多, 阴极表面导电性就会越好, 这间接降低了逸出功, 从而提高了阴极的热发射能力.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2020, 69 (3): 038101.
doi: 10.7498/aps.69.20191191
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通过分子动力学模拟方法对不同预取向聚乙烯醇熔体(polyvinyl alcohol, PVA)形成的半晶态高分子熔体形成核结晶及拉伸过程中的应力-应变响应特性进行了系统地研究. 模拟结果显示预取向度高的PVA熔体对应更快的成核动力学. 通过追踪全trans伸直链长度(d tt)、成核原子维诺体积(V )和中心对称参数(S)等序参量在不同取向度熔体下的等温成核与结晶演化过程, 给出了PVA熔体成核路径及形成半晶态的分子构象; 通过对形成的半晶态高分子结构进一步分析, 发现随着熔体取向度的增加, 晶体和无定型对应的取向度也会增加, 但是当应变剪切大于5时, 其对应的结晶度、晶体和无定型取向度不再发生变化; 通过对无定型区链结构的定义与分析, 可知取向度越高的熔体对应越高的Tie链数目, 随着熔体取向度的增加, Loop链的数目也会减小; 通过恒速拉伸应力测试可知, 所形成半晶态高分子结构力学响应会随着取向度及Tie链数增加而增加, 当取向及Tie链数目相同时, 应力-应变曲线形状大小也基本保持一致.
2020, 69 (3): 038102.
doi: 10.7498/aps.69.20191530
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通过使用化学气相沉积法, 成功制备出超长、大尺寸的Sb掺杂ZnO微米线. 基于非平衡电桥原理, 利用单根Sb掺杂ZnO微米线作为非平衡电桥的一个桥臂, 制作出了可以在室温环境下工作的气敏传感器原型器件. 结果表明: 室温下测得该传感器对20, 50, 100和200 ppm (1 ppm = 10–6)不同浓度的丙酮及乙醇气体的响应-恢复曲线均呈现为矩形形状, 在空气及被测气体中均有稳定的电流值, 并随着探测气体浓度的增大, 器件的响应值也在逐渐增加. 此外, 还发现器件对丙酮气体具有更好的选择性, 当丙酮气体浓度为200 ppm时, 该传感器的响应时间为0.2 s, 恢复时间为0.3 s, 响应度高达243%. 通过与普通电导式气敏传感器对比发现, 采用这种非平衡电桥结构传感器可以明显地提高响应度, 使响应和恢复时间更快. 此外, 还研究了器件的气体探测机理.
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2020, 69 (3): 038501.
doi: 10.7498/aps.69.20191263
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金属卤化物钙钛矿材料由于具有高的光致发光量子产率、高色纯度、带隙可调等杰出的光学性能, 被作为发光材料广泛地用于制备钙钛矿电致发光二极管(perovskite light-emitting diodes, PeLEDs). 虽然取得了较好的研究进展, 但是其效率和稳定性还未达到商业化的要求, 还需要进一步提高. 为了提高PeLEDs的效率和稳定性, 本文使用旋涂法, 引入了一种具有宽带隙和较好空穴传输能力的有机小分子材料4,4′-cyclohexylidenebis [N,N-bis (p-tolyl) aniline] (TAPC) 作为激子阻挡层, 获得了效率和寿命都得到提高的全无机PeLEDs. 研究表明, PeLEDs效率和寿命得到提高的物理机制主要源于两方面: 1) TAPC具有恰当的最高占有分子轨道能级, 与PEDOT:PSS的最高占有分子轨道能级和CsPbBr3的价带边形成了阶梯式能级分布, 有利于空穴注入和传输; 同时TAPC具有较高的最低未占分子轨道能级, 能够有效地阻止电子泄漏到阳极端, 并能很好地将电子和激子限制在发光层内; 2) TAPC层的引入可以避免钙钛矿发光层与强酸性的空穴注入材料Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)的直接接触, 进而免除钙钛矿发光层由于与PEDOT: PSS的直接接触所导致的激子淬灭, 从而提高了激子的发光辐射复合率.
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2020, 69 (3): 038701.
doi: 10.7498/aps.69.20191607
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α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)在帕金森病的发病机理中起着关键的作用, 因而近年来受到了越来越广泛的关注. α-syn在膜上的动力学过程对理解其功能至关重要. 本文使用基于脂质体的单分子荧光衰减方法—LipoFRET, 首次对较高浓度下α-syn与磷脂膜的相互作用的动态过程进行了单分子层面上的研究. 研究发现, 在溶液中α-syn浓度升高时, 其中央NAC区域可离开磷脂膜表面进入水相中; 而N端部分位于膜表面内的位置变浅, 并有更高的概率脱离膜表面进入溶液中. 利用单分子荧光成像对α-syn解离的观察则发现, 随着溶液中的α-syn浓度升高, 脂质体上的α-syn解离速率加快. 因此高浓度下, α-syn在膜上各区域垂直位置变化促进了蛋白从膜上的解离. 结合LipoFRET的实验结果可以推断, α-syn的解离可能是由于不同的α-syn分子膜作用位点互相竞争而导致的解离. 这样的特征, 可能是体内环境中影响α-syn控制其聚集的重要性质.
