Vol. 62, No. 24 (2013)
2013年12月20日
总论
2013, 62 (24): 240301.
doi:10.7498/aps.62.240301
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提出量子力学算符Hermite多项式方法，即将若干常用的特殊函数的宗量由普通数变为算符，并用它来发现涉及Hermite多项式（单变数和双变数）的二项式定理和涉及Laguerre多项式的负二项式定理，它们在计算若干量子光场的物理性质时有实质性的应用. 该方法不但具有简捷的优点，而且能导出很多新的算符恒等式，成为发展数学物理理论的一个重要分支.
2013, 62 (24): 240501.
doi:10.7498/aps.62.240501
摘要 +
研究具有幂律记忆性的细胞液中双头分子马达的定向输运现象，选取幂函数作为广义Langevin方程的阻尼核函数，建立了分数阶过阻尼耦合Brown马达模型，讨论了阶数及耦合系数对双头分子马达定向输运速度的影响. 仿真结果表明，分数阶过阻尼双头分子马达也会产生定向输运现象，并且在某些阶数下会产生整数阶情形所不具有的反向定向流. 当噪声强度固定时，输运速度随着阶数以及耦合系数的变化均会出现广义随机共振现象. 特别地，研究发现双头分子马达在记忆闪烁棘轮势中具有某些单头分子马达所不具备的运动特性，定向流的大小和方向由噪声与双头间作用力相互耦合控制.
2013, 62 (24): 240502.
doi:10.7498/aps.62.240502
摘要 +
时滞和噪声在复杂网络中普遍存在，而含有耦合时滞和噪声摄动的耦合网络同步的研究工作却极其稀少. 本文针对噪声环境下具有不同节点动力学、不同拓扑结构及不同节点数目的耦合时滞网络，提出了两个网络之间的广义投影滞后同步. 首先，构建了更加贴近现实的驱动-响应网络同步的理论框架；其次，基于随机时滞微分方程LaSalle不变性原理，严格证明了在合理的控制器作用下，驱动网络和响应网络在几乎必然渐近稳定性意义下能够取得广义投影滞后同步；最后，借助于计算机仿真，通过具体的网络模型验证了理论推理的有效性. 数值模拟结果表明，驱动网络与响应网络不但能够达到广义投影滞后同步，而且同步效果不依赖于耦合时滞和比例因子的选取，同时也揭示了更新增益和耦合时滞对同步收敛速度的显著性影响.
2013, 62 (24): 240503.
doi:10.7498/aps.62.240503
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由一个正弦映射和一个三次方映射通过非线性耦合，构成一个新的二维正弦离散映射. 基于此二维正弦离散映射得到系统的不动点以及相应的特征值，分析了系统的稳定性，研究了系统的复杂非线性动力学行为及其吸引子的演变过程. 研究结果表明：此二维正弦离散映射中存在复杂的对称性破缺分岔、Hopf分岔、倍周期分岔和周期振荡快慢效应等非线性物理现象. 进一步根据控制变量变化时系统的分岔图、Lyapunov指数图和相轨迹图分析了系统的分岔模式共存、快慢周期振荡及其吸引子的演变过程，通过数值仿真验证了理论分析的正确性.
2013, 62 (24): 240504.
doi:10.7498/aps.62.240504
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分数阶系统稳定性理论是分数阶非线性系统控制的基础. 针对分数阶非线性系统稳定性理论的讨论，本文从另一角度证明了该理论的正确性. 结果表明，分数阶非线性系统稳定性理论不仅适用于分数阶自治系统，也同样适用于分数阶非自治系统. 利用该理论分析了多个实例并进行了数值仿真，仿真结果验证了该理论的有效性.
2013, 62 (24): 240505.
doi:10.7498/aps.62.240505
摘要 +
建立了周期切换下的非线性电路模型，基于子系统平衡点及其稳定性分析，分别给出了其相应的fold分岔和Hopf分岔条件，讨论了子系统在不同平衡态下由周期切换导致的各种复杂行为，指出切换系统的周期解随参数的变化存在着倍周期分岔和鞍结分岔两种失稳情形，并相应地导致不同的混沌振荡，进而结合系统轨迹及其相应的分岔分析，揭示了各种振荡模式的动力学机理.
2013, 62 (24): 240506.
doi:10.7498/aps.62.240506
摘要 +
三电平逆变器相较于传统的两电平逆变器具有输出电压谐波畸变率小、开关管电压应力小等优点，因而在大功率场合受到了越来越多的关注. 本文针对一种复合式单相三电平逆变器，对其中的分岔和混沌现象进行了深入的研究，建立了电流闭环比例控制下的一阶离散模型，得到了不同时间段内的频闪映射模型. 以比例系数k，负载电阻R，负载电感L及输入电压E为变化参数，研究了三电平逆变器的分岔现象：通过分岔图和李雅普诺夫指数谱分析了慢变尺度下比例系数、负载电感、负载电阻和输入电压对系统动态性能的影响；通过折叠图直观地观测到了快变尺度下不同比例系数、负载电感所导致的分岔过程. 最后搭建了Matlab/Simulink仿真模型，得到了电流闭环比例控制时电流i的时域波形，仿真结果与理论分析相一致. 研究表明，正确选择单相三电平逆变器的电路参数对于其稳定运行具有重要意义.
2013, 62 (24): 240507.
doi:10.7498/aps.62.240507
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在电位耦合条件下，利用Morris-Lecar神经元模型构造环链神经元网络，研究了离子通道分布不均匀情形下神经元网络群体电活动的演化和转变问题. 在数值研究中通过改变局部区域的离子通道电导值模拟离子通道的非均匀分布，并对其可能的机制进行了分析. 还研究了网络中局部区域的钙离子电导的差异性和钾离子电导的差异性如何逐渐激发周边神经元，以及诱发的行波如何依赖于神经元之间的耦合强度. 研究发现，增大钙离子电导到一定程度或减小钾离子电导到一定程度可以诱发周围神经元产生兴奋并产生稳定的行波；相反，减小钙离子电导或增大钾离子电导则会减缓或阻断行波的传递. 在同时改变钙离子电导和钾离子电导的情况下，行波的诱发和传播完全依赖于钙离子电导的增量和钾离子电导的减量.
2013, 62 (24): 240508.
doi:10.7498/aps.62.240508
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为了研究针对联合图像专家小组压缩标准（joint photographic experts group，JPEG）彩色图像特点的加密算法，综合选择加密和在编码过程中加密两种思路，提出了一种空域和频域结合的加密算法. 首先在空域对8×8分块进行扩散置乱，然后利用边缘检测手段找出包含细节信息较多的重要分块，先加密所有分块中的直流（direct current，DC）系数，再选择重要分块中的一部分交流（alternating current，AC）系数进行加密，最后将分块重要性标记信息嵌入AC系数中进行传输. 通过理论分析和大量实验证明，算法格式兼容，密文图像视觉效果好、色彩分布均匀；算法密钥空间大，密钥敏感性强，安全性良好.
2013, 62 (24): 240509.
doi:10.7498/aps.62.240509
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针对正则化极端学习机的隐层具有随机选择的特性，提出了一种增加删除机制来自适应地确定正则化极端学习机的隐层节点数. 这种机制以对优化目标函数影响的大小作为评价隐层节点优劣的标准，从而淘汰那些比较“差”的节点，将那些比较“优”的节点保留下来，起到一个优化正则化极端学习机隐层节点数的目的. 与已有的只具有增加隐层节点数的机制相比较，本文提出的增加删除机制在减少正则化极端学习机隐层节点数、增强其泛化性能、提高其实时性等方面具有一定的优势. 典型混沌时间序列的实例证明了具有增加删除机制的正则化极端学习机的有效性和可行性.
2013, 62 (24): 240510.
doi:10.7498/aps.62.240510
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在Hindmarsh-Rose神经元动力系统中研究了Newman-Watts （NW）网络的同步，给出了一些最优同步网络的拓扑结构. 数值结果表明：NW网络的同步能力主要由耦合点在耦合空间的分布决定，耦合点分布均匀的NW网络一般具有较强的同步能力；在给定连边数的情况下，可能存在多个结构不同的最优同步网络，最优同步网络具有最强的同步能力、均匀的度分布和较好的对称性，但是其对称性不一定是最好的. 最优同步网络一般是非规则网络，但在少数情况下，规则网络也有可能是最优同步网络. 提出了一种新的网络——遍历网络，该网络具有最优同步网络的特点和很强的同步能力.
2013, 62 (24): 240511.
doi:10.7498/aps.62.240511
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针对现有自行车流模型对车辆间作用考虑不足的问题，在原多车道元胞自动机模型的基础上引入动态地场，在模型中纳入了排斥力，并充分考虑了前车速度对后车行驶的影响，体现了自行车的灵活性等特征，提出了换道成本的概念并建立了新的基于比较交通环境的换道规则. 数值仿真结果表明：1）该模型能更准确地描述自行车流，反映自行车流的特征，得到的数据符合实际；2）单位车道宽度的通行能力随着车道数的增加有小幅下降；3）激进的驾驶风格使得换道次数大幅增加，通行能力下降.
2013, 62 (24): 240701.
doi:10.7498/aps.62.240701
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采用高温固相法制备了Tm3+，Yb3共掺CaWO4多晶材料. 980 nm二极管激光器激发下，在可见区获得了1G4→3H6，1G4→3H4，3H2，3H3→3H6 跃迁产生的上转换荧光. 讨论了Yb3+ 离子浓度的变化对Tm3+ 的上转换发光强度的影响，同时根据荧光强度比的方法研究了689 和705 nm 红色上转换荧光在313–773 K 范围内的温度特性. 结果表明：基于Tm3+，Yb3+ 共掺CaWO4 多晶材料的红色上转换荧光可以实现温度监测，其测温的最大灵敏度值为5.7×10-4 K-1，相应的测量温度为458 K.
核物理学
2013, 62 (24): 242801.
doi:10.7498/aps.62.242801
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对应用于激光吸收光谱法碳同位素丰度测量中的激光频率实时刻度系统进行研究. 采用不同自由光谱范围的共焦法布里-珀罗干涉仪对测量过程中的激光扫描频率进行实时测量. 分别采用线性内插法和多项式拟合法对激光频率每次扫描过程中的频率非线性进行分析，通过对4976–4980 cm-1波段CO2吸收谱的多次测量平均的实验结果与HITRAN-2008数据库相应的吸收峰数据进行比较，得到两种方法的激光频率刻度精度均可达到10-4 cm-1，线性内插法的刻度精度要好于多项式拟合法. 验证了激光频率实时刻度系统在碳同位素丰度测量中应用的可行性.
2013, 62 (24): 242802.
doi:10.7498/aps.62.242802
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全面禁止核试验条约的达成是防止核武器扩散的重要手段. 如何判断一次核试验的发生是一个关键课题. 研究了基于测量惰性气体氙同位素133mXe，133Xe，135Xe和131mXe来鉴别核试验和民用反应堆泄漏的方法. 通过分析这些处于复杂衰变链上核素的数量随时间的变化，寻找核试验与反应堆泄露事件的区别. 对两次朝鲜可疑的事件进行了测量和分析. 为了验证理论计算结果，设计了一次热中子辐照钚的模拟实验.
编辑推荐
2013, 62 (24): 242901.
doi:10.7498/aps.62.242901
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在粒子束引导的等离子尾波场加速机制中，为了加速电子获得最大能量，大量研究集中于改变单束牵引粒子束的线度、形状、电荷性质等参数. 综合考虑已有的实验结果，本文提出了一种相比于单束电子牵引更为有效的加速方式，利用双束平行电子束来加速自注入的电子. 通过2.5维粒子程序模拟，发现在牵引电子束具有相同能量、电量、尺寸的条件下，通过双束平行电子束加速得到的电子具有长程加速、高能和准单能性的特性. 同时在空泡内形成了一束独特的回流电子，进一步使得自注入电子具有更好的准直性.
原子和分子物理学
2013, 62 (24): 243101.
doi:10.7498/aps.62.243101
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采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对正交碘化铟（InI）晶体可能存在的6种本征点缺陷（碘空位、铟空位、碘占铟位、铟占碘位、碘间隙、铟间隙）结构进行优化. 通过缺陷形成能的计算，得出各缺陷在生长过程中形成的难易程度；通过态密度的计算，分析出各种缺陷能级位置及其对载流子传输的影响. 结果表明：最主要的低能缺陷铟间隙会引入复合中心和深空穴陷阱，前者降低少数载流子的寿命，后者俘获价带的空穴而降低空穴的迁移率-寿命积. 计算结果为实验中提高InI 晶体载流子的迁移率-寿命积提供理论指导，对获得性能优异的InI核辐射探测材料有重要帮助.
2013, 62 (24): 243201.
doi:10.7498/aps.62.243201
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基于半经典理论，建立了中性原子与激光驻波场相互作用的模型，分析了中性原子在激光驻波场沟道效应作用下运动轨迹及沉积特性，探讨了球差、色差和原子束发散角对沉积条纹的影响. 得到了上述三种影响因素下纳米光栅的半高宽分别为0.532，12.16，96.70 nm. 仿真结果表明，随着原子束发散角度的增加，沉积条纹的对比度将会下降，当原子束发散角分别为0.1 mard时，其对比度为85.2：1，发散角为0.3 mrad时，条纹对比度为5.33：1，而当发散角增加至0.5 mrad以上时，沉积条纹将会出现分裂现象，导致条纹的恶化.
2013, 62 (24): 243601.
doi:10.7498/aps.62.243601
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采用基于密度泛函理论中的广义梯度近似，在考虑自旋多重度的情况下，对YnNO（n=1–12）团簇进行了构型优化，以及稳定性和成键特性分析，结果表明：n=5，7，8，10时，NO吸附使相应的Yn团簇基态结构发生了明显变化，吸附后，所有尺寸中的N–O键长明显伸长，振动频率减弱，表明NO在Yn团簇表面发生的是解离性吸附，N–Y，O–Y键的共同作用使YnNO团簇具有很大的吸附能；特别是n=3，5，8时，N–O键断裂，吸附能值分别为9.92，9.24，9.82 eV. YnNO和Yn 的二阶能量差分变化趋势表明，NO 吸附对Yn团簇稳定性和成键特性均产生较大影响. N，O原子sp3轨道杂化时孤对电子的出现导致N–O键断裂，增强了N–Y和O–Y间的成键能力，使Y3NO，Y5NO，Y8NO团簇表现出了很好的稳定性.
电磁学、光学、声学、传热学、经典力学和流体动力学
2013, 62 (24): 244101.
doi:10.7498/aps.62.244101
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为了增强完美吸波体的吸波性能，提出了一种高Q值超薄完美吸波体的设计方法. 该方法将基片集成波导技术与一般完美吸波体设计方法有机结合，通过合理添加金属过孔实现了高Q值的完美吸波体设计. 利用该方法设计出了厚度0.0065λ、半波功率带宽5.8%的完美吸波体，其吸波率Q值为33.9，比普通完美吸波体吸波率Q值提升了20%以上；其1.5和3 dBsm的雷达散射截面缩减Q值分别提高了54%和67%以上；同时该方法消除了传统设计中的频率偏移问题. 实测与仿真结果表明所设计的吸波体具有高Q值特征，也具有良好的雷达散射截面缩减效果，散射截面缩减最高达14 dBsm. 仿真和实测验证了设计方法的可靠性.
2013, 62 (24): 244201.
doi:10.7498/aps.62.244201
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为了研究激光在实际加工表面的散射特性，利用分辨率为10 nW的激光功率计PM100D，波长为1550 nm的激光器和精密转台，自行设计并搭建了半球空间中目标表面散射特性的测量系统. 以典型的刨床加工的若干标准粗糙度比较样块为被测目标，在1550 nm红外激光以不同方位照射下，测量了微观具有V形槽结构的不同粗糙度的样块表面的散射功率分布. 实验结果转换成双向反射分布函数后，对比分析了入射光方位、入射角和表面粗糙度对此类典型表面散射特性的影响，并分析了特殊散射场形成的原因. 结果表明，表面纹理、入射角以及粗糙度均对目标表面的散射特性有规律性影响，这一结果对于具有规律性加工纹理表面的散射特性的研究和建模有一定的参考价值，对激光技术在实际加工表面的应用研究提供了一定的基础.
2013, 62 (24): 244202.
doi:10.7498/aps.62.244202
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提出了一种新型超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器. 应用全矢量有限元法，系统地研究了光纤结构参数对偏振分束器带宽和偏振分束器长度的影响. 分析结果表明：增加掺氟区折射率，既能提高分束器带宽，也能减少分束器长度；增大光纤中空气孔的孔距及孔径与孔距比，可以增加分束器的带宽，但同时也会导致分束器的长度增大，使得器件尺寸增大. 因此，在设计中需兼顾分束器的带宽和长度来选取光纤的结构参数. 通过结构参数的优化，设计出一种短长度、高消光比和超宽带的偏振分束器，其长度为7.362 mm，消光比高于20 dB的带宽为600 nm.
2013, 62 (24): 244203.
doi:10.7498/aps.62.244203
摘要 +
为了在降低数字全息显微成像系统成本的同时实现高分辨成像，对像面数字全息显微术的记录与再现过程进行了理论分析，结合系统的点扩散函数，对该系统的横向分辨率进行了分析. 得到了如下结论：像面数字全息显微系统的横向分辨率对电荷耦合器件（CCD）光敏面尺寸变化不敏感；对于常见的CCD 器件，其像元尺寸的变化对该系统的横向分辨率影响甚微. 此外，对像面数字全息显微系统的成像特点进行了分析，结果表明：利用像面数字全息系统可以实现物体信息的完整记录与再现，其成像分辨率及像质优于预放大数字全息系统. 利用搭建的数字全息实验记录系统，从强度及位相两方面对理论分析结果进行了验证，实验结果表明了理论分析的正确性.
2013, 62 (24): 244401.
doi:10.7498/aps.62.244401
摘要 +
通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射，提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法，并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究. 提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪，根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程，并通过统计声子束的分布得到温度分布. 稳态导热过程的模拟发现，尺寸效应会引起边界温度跳跃，其值随着Knudsen数的增大而增大；计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大，与文献中的实验数据和理论模型相符. 通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化，发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关，材料尺寸越小，弹道输运越强，薄膜中的热波现象也越显著.
2013, 62 (24): 244701.
doi:10.7498/aps.62.244701
摘要 +
基于波动方程给出了计及可压缩性的边界积分方程. 以此为基础，求解行波驱动下非球状空泡的运动规律及其运动稳定性，并分析比较了行波频率、幅值以及初相位对空泡运动特性的影响. 研究结果表明：较高的行波频率与较低的幅值是空泡稳定运动的充分条件. 在一定幅值和频率的行波驱动下，空泡将在收缩阶段末期形成与行波传播方向相同的高速射流；计及流场可压缩性后，空泡脉动一次的时间减短，幅度减弱，射流顶点速度以及空泡内部压力的峰值随之减小；随着行波频率的增大或是幅值的降低，空泡脉动幅度与射流强度逐渐减弱；行波初相位的变化使空泡的初始运动状态随之改变，并影响非球状变形时的射流强度.
气体、等离子体和放电物理
2013, 62 (24): 245201.
doi:10.7498/aps.62.245201
摘要 +
讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆，部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明，电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA，10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验，根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW，能量约为0.5 J，能量转换效率约为10-7；峰值频率位于20–70 MHz，具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW，能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下，电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方，随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式，本文的研究结论表明，在更高的驱动电流下，电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径，势必会对诊断设备造成严重影响；此外，这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值.
2013, 62 (24): 245202.
doi:10.7498/aps.62.245202
摘要 +
通过分子动力学模拟的方法对感应耦合等离子体刻蚀中Lag效应的产生机理进行了研究. 研究结果表明，在刻蚀过程中普遍存在Lag效应，宽槽的刻蚀率明显比窄槽的刻蚀率要高，这是由于宽槽更有利于产物从槽中的逸出；窄槽中产物从槽中逸出的速率较低，较多的产物拥挤在窄槽中降低了入射的F等离子体入射的速度，从而降低了F等离子体到达Si表面的能量，而相同条件下，刻蚀率随能量的降低而降低；另一方面，窄槽中入射的等离子体与槽壁的距离较近，使得入射的F更容易与槽壁表面的Si的悬挂键结合沉积在槽壁表面，使刻蚀出的槽宽度变窄，进一步影响到后继粒子的入射；Lag 效应随槽宽的减小而增强，随温度的升高而减弱，随入射粒子能量的升高而增强.
2013, 62 (24): 245203.
doi:10.7498/aps.62.245203
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为多种复杂环境下的稳态和脉冲DT聚变中子能谱测量建立了一种灵敏度优化反冲质子磁谱仪. 使用成像板和同位素α源测量了谱仪的反冲质子能量-位置投影关系. 利用稳态加速器中子源平台、通过单粒子计数方法结合三维带电粒子输运程序模拟，研究了谱仪脉冲中子灵敏度能量响应. 通过高探测效率参数设置使谱仪对DT中子的探测效率达到2×10-5 cm2水平，从而在较弱中子源上获得了较高统计精度实验数据. 程序模拟结果与谱仪α粒子刻度和DT中子标定实验结果取得了良好的一致性，可由此发展精细解谱技术，以提高脉冲中子能谱测量的灵敏度和能量分辨.
2013, 62 (24): 245204.
doi:10.7498/aps.62.245204
摘要 +
理论和实验上研究了Xe介质毛细管放电极紫外光源等离子体时间特性和最佳条件. 从理论上建立了Xe介质一维辐射磁流体力学模型，模拟了不同气压和电流条件下等离子体压缩和辐射特性；实验上测量了放电电流30 kA时不同气压条件下13.5 nm （2%带宽）动态特性. 理论和实验结果表明：不同放电电流条件下，存在最佳气压值，最佳气压随着电流的增加而增加；同时，电流增加时，13.5 nm （2%带宽）辐射光强峰值时刻减小.
2013, 62 (24): 245205.
doi:10.7498/aps.62.245205
摘要 +
空间电子辐照环境中，聚合物介质充放电现象是威胁航天器安全的重要因素. 传统航天器介质充放电模型仅能分析材料充电过程，缺乏对放电前后介质电位残余情况与放电脉冲强弱的评估. 本文通过引入介质放电电导率，在数值积分 充电模型基础上建立同时描述航天器介质内部充电和放电过程的新模型，并将模型计算结果与实验数据进行比较，验证了所构建的模型. 模型分析结果表明，聚合物介质放电残余电位与放电电流脉冲宽度随着样品电阻率的增加而增大，放电电流强度随着临界电场强度和充电时间的增加而增强，其增幅随着辐照电子束流强度的增加而增大.
2013, 62 (24): 245206.
doi:10.7498/aps.62.245206
摘要 +
利用SOLPS5.0模拟研究东方超环托卡马克（EAST）高约束模式时的刮削层等离子体. 在高约束模式放电实验参数（第36291炮）的限制下，通过调整上游区径向反常输运系数来实现高约束模式模拟，在上游电子密度和温度与实验符合的条件下能够很好地进行下游区模拟. 在实现高约束模拟的基础上又分别研究了漂移项对偏滤器靶板能流不对称性的影响和上游能流衰减宽度对靶板能流密度峰值的影响. 通过模拟发现，漂移是导致EAST放电内外靶板不对称性的主要原因，增大上游能流衰减宽度可以明显降低入射到靶板的峰值热流，并且偏滤器区辐射以及与中性粒子的相互作用减小了能流的衰减宽度对达到靶板能流的影响.
凝聚物质：结构、力学和热学性质
2013, 62 (24): 246101.
doi:10.7498/aps.62.246101
摘要 +
利用高温固相反应法制备了纯相的HoVO4，并在0–21.25 GPa压强范围内测定了HoVO4的拉曼光谱. 通过分析其拉曼峰的频移和劈裂变化情况，发现HoVO4在9.3 GPa发生相变. 根据第一性原理选取并优化相似体系的高压晶体结构，将其与HoVO4的常压锆石矿型I41/amd结构进行了能量比较，确认HoVO4 相变结构为白钨矿型结构（I41/a）. 研究结果表明，HoVO4具有ScVO4和YVO4体系的从锆石矿型结构（I41/amd）至白钨矿型结构的相变过程. 分析对应结构相的体积随压强的变化，发现体积坍塌对该相变起重要作用. 上述研究结果有助于了解HoVO4的高压结构以及该材料在高压特殊条件下的应用.
2013, 62 (24): 246301.
doi:10.7498/aps.62.246301
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采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了当氮化硼纳米管（BNNT）中的B原子和N原子被5d过渡金属原子（Lu，Hf，Ta，W，Re，Os，Ir，Pt，Au，Hg）取代时BNNT的几何结构、电子结构和磁性性质. 作为对比，给出了理想BNNT，B缺陷体系（VB）和N缺陷体系（VN）的相应结果. 研究发现：5d原子取代B（B5d）时体系的局域对称性接近于C3v，但是取代N（N5d）时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大；利用相同的5d原子进行掺杂时，B5d的成键能比N5d的成键能大；对于B5d或者N5d，其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低；掺杂体系中出现了明显的杂质能级，给出了态密度等结果；不同掺杂情况的磁矩不同，取代B 时体系的总磁矩呈现出较强的规律性. 利用对称性和分子轨道理论解释了5d原子取代B时杂质能级的产生和磁性的变化规律.
2013, 62 (24): 246401.
doi:10.7498/aps.62.246401
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采用水浴恒温蒸发方法研究了液膜存在时的毛细蒸发过程. 研究结果表明：毛细蒸发过程中液/气界面符合黏性指延，且不受蒸发速度及液膜状态的影响；蒸发过程可分为剧烈减速、匀速蒸发、线性减速蒸发和边界效应四个阶段，分别对应不同的液膜状态；毛细蒸发的主要区域在毛细管端口液膜处，工质由液体区流向端口蒸发区的过程中液膜起到了通道桥梁作用.
2013, 62 (24): 246801.
doi:10.7498/aps.62.246801
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潮湿对SiO2的强度有重要影响. 采用反应场分子动力学模拟方法，研究液态水对无定形SiO2 （a-SiO2）准静态拉伸特性的影响. 准静态拉伸模拟的结果表明，在干燥条件下，a-SiO2的拉伸强度为9.4 GPa，而在含液态水时则下降为4.7 GPa，表明液态水使得a-SiO2拉伸强度发生显著下降. 根据应力-应变曲线分析可知，干燥条件下a-SiO2结构的刚度随着拉伸应变的增加保持稳定，而含液态水的a-SiO2刚度随着拉伸应变的增加而逐步降低，并且应变为16%–20%时的应力-应变曲线类似于金属的屈服现象. 通过对拉伸过程的原子图像分析可知，含液态水a-SiO2的拉伸过程并没有发生塑性变形，而是因为应力增大加速了水解反应，使得应力-应变曲线表现出上述塑性现象.
凝聚物质：电子结构、电学、磁学和光学性质
2013, 62 (24): 247101.
doi:10.7498/aps.62.247101
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在正则系综统下，温度为2000 K时，利用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算方法对Al与赤铁矿α-Fe2O3的铝热反应进行了研究. 模拟得出Fe–O键的数量随着时间的增加而减小，Al–O键和Fe–Fe键的数量随时间的增加而增大；同时Fe离子总的电荷量随时间的增加而减小，而Al离子总的电荷量随时间的增加而增大. 模拟结果表明，在Al/Fe2O3铝热反应中发生了氧化还原反应，Al被氧化，Fe离子被还原；在界面处生成Al–O键，Fe–O键发生断裂；氧化还原反应完成需约3 ps.
2013, 62 (24): 247102.
doi:10.7498/aps.62.247102
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采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，计算研究了Au-Sn二元系金属间化合物的生成焓、结合能、电子结构、弹性性质和结构稳定性. 计算结果表明：Au5Sn合金的生成焓最小，说明Au5Sn较容易生成，但Au5Sn在热力学和力学上是不稳定的；AuSn2和AuSn4的键合作用较强，弹性模量、剪切模量均大于AuSn和Au5Sn；从电子结构的角度，AuSn2和AuSn4 的成键主要来自于Au原子d 轨道与Sn原子p轨道的杂化；而AuSn以Sn–Sn键的相互作用为主，Au5Sn相中Au 的占比较大，导致Au–Au共价键发挥作用，抑制了Sn导带p电子的成键.
编辑推荐
2013, 62 (24): 247201.
doi:10.7498/aps.62.247201
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功能层厚度是影响有机电致发光器件出光效率的主要因素之一，故获得不同功能层厚度对器件出光特性的影响规律是制备高性能器件的重要基础. 本文基于薄膜光学原理、电偶极子辐射理论及Fabry-Prot微腔原理，建立了结构为glass/ITO/N，N0-bis（naphthalen-1-yl）-N，N0-bis（phenyl）-benzidine（NPB）/tris（8-hydroxyquinoline）aluminum（Alq3）/molybdenum trioxide（MoO3）/NPB/Alq3/Al的叠层有机电致发光器件的光学模型，系统地研究了各个功能层厚度对叠层有机电致发光器件出光强度的影响，得到了功能层厚度对器件出光强度影响的规律. 该模型的建立与所获得的结果可对深入了解叠层有机电致发光器件的工作机理以及制备高性能的器件提供一定的帮助.
2013, 62 (24): 247301.
doi:10.7498/aps.62.247301
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假设超晶格锯齿形沟道对粒子的作用等效为形状相似的周期场作用. 在经典力学框架内，引入正弦平方势，把粒子运动方程化为具有阻尼项和双频激励项的摆方程. 用Melnikov方法对单频激励系统的分叉与混沌进行分析；用Lyapunov方法对双频激励系统的稳定性进行讨论. 结果表明：在弱非线性情况下，双频激励系统存在局域不稳定，且这种不稳定将向全局扩展，直至混沌的出现；导致混沌的双频激励强度远小于单频激励强度；外加一个适当的超声场可望将这种敏感钝化，使系统的稳定性得到改善.
2013, 62 (24): 247401.
doi:10.7498/aps.62.247401
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采用Sn自熔剂法制备了具有n型传导的Ⅷ型Ba8Ga16-xGexSn30 （0 ≤ x ≤ 1.0）单晶笼合物，并对其结构和热电特性进行研究. 研究结果表明：Ge在单晶中的实际含量较少，随着掺杂量的增加样品的晶格常数略有减小，Ge掺杂后样品的载流子浓度较掺杂前低，迁移率增加；所有样品的Seebeck系数均为负值，且绝对值较未掺杂样品低，但Ge掺杂后样品的电导率提高了62%；x=0.5的样品在500 K附近取得最大ZT值1.25.
2013, 62 (24): 247701.
doi:10.7498/aps.62.247701
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考虑1-3型垂直异质铁电P（VDF-TrFE）基复合薄膜结构，利用非线性的热力学理论分析和讨论了平面外应变对复合薄膜电热性能的调控作用. 结果表明，在施加的垂直电场下，平面外应变可以有效地调控电极化、热释电系数、绝热温差等铁电、电热性能. 通过合理的调控平面外应变可以在很大的温度区域范围内获得比纯平面外延薄膜结构更高的绝热温差. 研究结果预示着垂直异质P（VDF-TrFE）基复合薄膜结构在一定的工作温度范围内具有优异的电热性能，在微电源、光通信二极管、红外传感器等微型元件方面有着广泛的应用前景.
2013, 62 (24): 247801.
doi:10.7498/aps.62.247801
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陷光是改善薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以非晶硅（α-Si）薄膜太阳电池为例，设计了一种新的复合陷光结构：在Ag背电极与硅薄膜之间制备一维Ag纳米光栅，并通过保形生长在电池前表面沉积织构的减反膜. 采用有限元数值模拟方法，研究了该复合陷光结构对电池光吸收的影响，并对Ag纳米光栅的结构参数进行了优化. 模拟结果表明：该复合陷光结构可在宽光谱范围内较大地提高太阳电池的光吸收；当Ag纳米光栅的周期P为600 nm，高度H为90 nm，宽度W为180 nm时，在AM1.5光谱垂直入射条件下α-Si薄膜电池在300–800 nm波长范围内总的光吸收较无陷光结构的参考电池提高达103%，其中在650–750 nm长波范围内的光子吸收率提高达300%以上. 结合电场强度分布，对电池在各个波段光吸收提高的物理机制进行了分析. 另外，该复合陷光结构的引入，还较大地改善了非晶硅电池对太阳光入射角度的敏感性.
2013, 62 (24): 247802.
doi:10.7498/aps.62.247802
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采用脉冲直流磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法对B掺杂ZnO （BZO）薄膜进行了研究. 以B2O3：ZnO陶瓷靶为溅射靶材，制备了低电阻率、可见和近红外光区高透过率的BZO薄膜. 系统地研究了衬底温度对BZO薄膜的结构、光电特性的影响. 结果表明：适当的增加衬底温度可以促进BZO薄膜结晶质量改善，晶粒尺寸增加，迁移率增大，电阻率降低. 在200 ℃时制备了电阻率为7.03×10-4 Ω·cm，400–1100 nm平均透过率为89%的BZO薄膜. 理论模拟结果表明：在BZO薄膜中，以替位方式掺入的B （BZn）的形成能最低，B主要以替位形式掺入ZnO，其次分别为八面体间隙（BIO）和四面体间隙（BIT）的掺杂方式. B 掺入后，费米能级穿过导带，材料表现出n型半导体特性，光学带隙展宽，导电电子主要来源于B 2p，O 2p及Zn 4s电子轨道.
2013, 62 (24): 247803.
doi:10.7498/aps.62.247803
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采用磁控溅射方法在Si（111）基片上制备金属锰膜，用椭圆偏振光谱在入射光子能量为2.04.0 eV范围内研究了溅射功率对薄膜光学性质的影响. 利用德鲁得-洛伦兹色散模型对椭偏数据进行拟合，结果表明在测量范围内随溅射功率增加薄膜的折射率减小；消光系数随入射光子能量增加先增加后减小，在3.0 eV附近处出现极大值，并且极大值所处的位置随溅射功率增加而向低能方向移动，这主要与溅射沉积的锰薄膜的质量有关，且随溅射功率的增加薄膜的消光系数逐渐趋近于金属锰的数值. 研究结果还表明溅射功率的增加减少了薄膜中的空隙，有利于薄膜的生长.
2013, 62 (24): 247804.
doi:10.7498/aps.62.247804
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分别在空气和还原气氛下，采用高温熔融法制备了Eu 掺杂(1 wt%) 的15SiO2-25B2O3-30Al2O3-30Gd2O3 氧化物玻璃，对二者的光致发光和闪烁发光性能进行测试. 结果显示：还原气氛下制得的玻璃在395 nm 紫光和X 射线激发下，均可以得到450–550 nm 的Eu2+ 蓝绿发光和615 nm 的Eu3+ 红光；然而在不同的激发光源下，Eu2+ 和Eu3+发光强度比存在明显不同，395 nm 紫光激发下，Eu3+ 发光强度仅为Eu2+ 的0.02 倍，X 射线激发下，Eu3+ 发光强度变为Eu2+ 强度的1.37 倍. 通过声子边带谱分析，还原后玻璃中Si 形成体附近的Eu3+ 全部被还原为Eu2+，B 和Al形成体周围的Eu3+ 部分被还原为Eu2+. 进一步分析闪烁发光的机理表明：Gd 的敏化剂作用以及B 和Al 形成体周围Eu2+→Eu3+ 的能量传递都增强了还原玻璃中Eu3+ 的闪烁发光性能.
2013, 62 (24): 247901.
doi:10.7498/aps.62.247901
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热场致发射阴极所产生的强流电子束具有很强的空间电荷效应，为研究该效应对热场致发射过程中诺廷汉（Nottingham）效应的影响机理，在理论分析的基础上，用数值方法研究了不同逸出功和多个外加电场条件下考虑空间电荷效应对诺廷汉效应结果的影响，并与不考虑空间电荷效应时的情形进行了对比. 结果表明：空间电荷效应的强弱会显著影响到阴极表面的稳态电场，进而对诺廷汉效应产生不可忽略的影响；当逸出功在3.0–4.52 eV、外加电场在3×109–9×109 V/m范围内时，考虑空间电荷效应的影响后，热场致发射电子所带走的平均能量较不考虑空间电荷效应时增加0–2.5 eV，且温度越高或外加电场越大时，该增加值越大；考虑空间电荷效应对诺廷汉效应的影响后，热场致发射电子从阴极带走的平均能量随外加电场的增加呈非线性下降规律；当阴极表面温度较高时，诺廷汉效应中的冷却效应随二极管间隙距离的变大而增强.
物理学交叉学科及有关科学技术领域
2013, 62 (24): 248401.
doi:10.7498/aps.62.248401
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结合DC-DC变换器非线性特性随反馈增益k变化的关系，以及熵能够反映序列总体统计特征的特点，提出一种基于熵估计DC-DC变换器非线性行为的新方法. 以一阶电压反馈不连续导电模式 DCM Buck和Boost变换器为例，详细分析了不同反馈增益k和初值x0形成的数值序列及熵的分布情况. 研究结果表明：DC-DC变换器的熵由反馈增益k决定，与初值x0无关，最终小于理论极大值log2N （N为统计区间个数）；熵能够准确区分DC-DC变换器的倍周期分岔和混沌行为，从而得到一种新的可量化的DC-DC变换器非线性动力学行为指标；完善了该类变换器非线性动力学分析的理论和方法.
2013, 62 (24): 248501.
doi:10.7498/aps.62.248501
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采用基于密度泛函理论的第一性原理对比研究了Cu（111）/HfO2（001），Cu（111）/HfO2（010），Cu（111）/HfO2（100）三种复合材料界面模型的失配率、界面束缚能、电荷密度、电子局域函数以及差分电荷密度. 计算结果表明：Cu（111）/HfO2（010）失配率最小，界面束缚能最大，界面体系相对最稳定；对比电荷密度及电子局域函数图显示，只有HfO2（010）方向形成的复合材料体系出现了垂直Cu电极方向完整连通的电子通道，表明电子在此方向上具有局域性、连通性，与阻变存储器（RRAM）器件导通方向一致；差分电荷密度图显示，Cu（111）/HfO2（010）复合材料体系界面处存在电荷密度分布重叠的现象，界面处有电子的相互转移、成键的存在；进一步计算了Cu（111）/HfO2（010）体系距离界面不同位置的间隙Cu原子形成能，表明越靠近界面Cu原子越容易进入HfO2 体内，在外加电压下易发生电化学反应，从而导致Cu导电细丝的形成与断裂. 研究结果可为RRAM存储器的制备及性能的提高提供理论指导和设计工具.
2013, 62 (24): 248502.
doi:10.7498/aps.62.248502
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建立一种平行栅碳纳米管阵列阴极，利用悬浮球模型和镜像电荷法进行计算，给出碳纳米管顶端表面电场与电场增强因子的解析式. 在此基础上，进一步分析器件各类参数以及接触电阻对阴极电子发射性能的影响. 分析表明，碳纳米管间距大约为2倍碳纳米管高度时阵列阴极的分布密度最佳，靠边缘部位的碳纳米管发射电子能力比其中心部位的大；除碳纳米管的长径比之外，栅极宽度和栅极间距也对电场增强因子有一定作用；接触电阻的存在大幅度降低碳纳米管顶端表面电场与发射电流，而接触电阻高于800 kΩ时，器件对阳极驱动电压的要求更高.
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2013, 62 (24): 248701.
doi:10.7498/aps.62.248701
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将基于离散变分原理的耗散动力学模拟方法应用到三维囊泡体系，通过优化囊泡的弯曲能求解其平衡态形状. 该方法的优点之一是不需要预先假定对称性. 针对特定约化自发曲率的囊泡体系，该方法模拟获得了一系列轴对称形状，模拟结果与文献中预先假定轴对称条件的计算方法所报道的结果一致，这验证了该模拟方法的可靠性及精确性. 此外，使用该方法研究了两个差别巨大的平衡态形状之间的转变动力学，在转变过程中观察到了多个非轴对称的中间形状. 研究结果表明该方法不仅可以模拟囊泡的非轴对称结构，而且具备模拟囊泡在剧烈形变下演化过程的能力. 为研究更复杂的囊泡体系，特别是生物膜的形变提供了一个重要的理论模拟方法.
2013, 62 (24): 248801.
doi:10.7498/aps.62.248801
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针对非晶硅锗电池本征层高锗含量时界面带隙失配以及高界面缺陷密度造成电池开路电压和填充因子下降的问题，通过在PI界面插入具有合适带隙的非晶硅缓冲层，不仅有效缓和了带隙失配，降低界面复合，同时也通过降低界面缺陷密度改善内建电场分布，从而提高了电池的收集效率. 进一步引入IN界面缓冲层以及对非晶硅锗本征层进行能带梯度设计，在仅采用Al背电极时，单结非晶硅锗电池转换效率达8.72%.
2013, 62 (24): 248901.
doi:10.7498/aps.62.248901
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基于网络可控性模型提出了最大可控子图的概念，在此基础上提出了一种基于最大可控子图的导航搜索模型. 模型中基于最大可控子图的加边策略用最小的代价解决了有向网络搜索中存在的粒子因“无路可走”而终止搜索的问题；基于最大可控子图部署导航节点，仅用节点总数2%左右的导航点，就使全网搜索时间接近导航网络的平均最短路径. 通过在ER和SF 网络上的实验表明，全网搜索时间与网络的可控性有关，可控性越好，添加的边数量越少，同时会使网络中导航节点分布越多，越能提高网络的搜索效率.
地球物理学、天文学和天体物理学
2013, 62 (24): 249301.
doi:10.7498/aps.62.249301
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星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标，以天底推扫方式对地观测，拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度，此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性，以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪，采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明，在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内，铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布，具有较好的朗伯特性；并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标，定标结果表明最大偏差值为0.022 nm，满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知，研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板.
2013, 62 (24): 249501.
doi:10.7498/aps.62.249501
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热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程，在该方程的积分-微分形式基础上，推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程；基于积分方程设计数值模拟流程，编写三维蒙特卡罗数值模拟程序；针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验，计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性.