多维磁场实时扫描再现教学系统的设计与实现

利用LabVIEW语言将磁场采集装置和运动控制平台结合到一起，开发了一套可以对各类磁场进行自动扫描和实时再现的系统。该系统包括三维运动平台、多通道高斯计和上位机软件等。采集到的数据被实时存储到文件中，并以曲线图、二维强度图、三维矢量箭头图等多种形式在控制界面予以实时呈现，帮助使用者及时了解磁场信息。最后，利用该系统对用于磁悬浮实验的圆柱型磁铁阵列的外磁场分布进行了实际测量，清晰地展现了磁铁阵列的外磁场分布特征，证明了本系统的可行性和可靠性。     

近玻尔速度能区高电荷态离子与激光等离子体相互作用实验研究装置

近玻尔速度能区高电荷态离子在稠密等离子体中的能量损失是强流重离子束驱动的高能量密度物理等前沿研究中的核心物理问题之一.基于中国科学院近代物理研究所的320 kV实验平台,新建立了一套近玻尔速度能区离子束与激光等离子体相互作用的实验研究装置,用于开展高精度的离子能量损失和电荷态研究.本文将详细介绍该装置的特点,包括脉冲离子束(≥200 ns)的产生与调控、高密度(10¹⁷—10²¹ cm^–3)激光等离子体靶的制备、等离子体参数诊断与离子的高精度测量(<1%)等.基于该装置已开展了百keV的质子束和4 MeV的Xe¹⁵⁺离子束与激光Al等离子体靶相互作用的实验,并取得了相应的结果.本实验装置能够为中国在近玻尔速度能区高电荷离子与稠密激光等离子体相互作用研究提供高精度的实验数据,以促进理论工作的发展.     

钛合金微弧氧化过程中电学参量的特性研究

利用自制的数据采集系统研究了恒定电压下TC4钛合金微弧氧化(MAO)过程中有关电学参量随处理时间的变化规律. 结果表明，通电回路中的阴极和阳极峰值电流随处理时间的变化明显分为4个阶段；膜厚度随处理时间的变化明显分为3个阶段；氧化膜的动态正、反向电阻和动态正、反向电阻率也随处理时间分阶段变化. MAO过程中，各时刻的动态正、反向电阻值不同，一般情况下，动态正向电阻大于反向电阻. 对不同处理时间样品的扫描电子显微镜分析表明，MAO膜呈多孔结构并随处理时间变化.     

氧化锌基材料、异质结构及光电器件

Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能(26 meV),是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家"973"项目(2011CB302000)研究团队为主体,在上述方面所取得的研究进展,同时概述国际相关研究,主要包括衬底级ZnO单晶的生长,ZnO薄膜的同质、异质外延,表面/界面工程,异质结电子输运性质、合金能带工程,p型掺杂薄膜的杂质调控,以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止,该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径,期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。     

甲烷在空气燃烧的等离子体射流助燃效应的光谱研究

大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体,能够产生大量的电子、离子、激发态粒子和活性基团,在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能,而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程,使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果。本实验通过发射光谱测量,分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种（OH,CH和C₂）,测量了这些自由基的发射光谱强度随着外部控制变量（放电电压、混合当量比）变化的规律。对于非预混情况,实验发现随着产生等离子体射流放电电压的增大,火焰总体长度变短,火焰面出现褶皱,火焰根部蓝色区域面积不断扩大,在22 kV时,大约占总火焰面积的1/2。对火焰根部的发射光谱测量结果表明,当电压达到16 kV时,发射光谱明显增强,而当电压进一步增大到22 kV时,这些自由基粒子的光谱强度却出现下降,这归因于在等离子体产生的电离风作用下管内气体流速增大,导致燃烧区发生移动远离喷口,使采集到的火焰根部区域变小造成的。另外,研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程,实验发现燃料当量比为2时,OH(A-X)的光谱发射强度随电压的增大而增强而CH(A-X)和C₂(d)的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减小,反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。实验发现等离子体射流产生大量的自由基以及等离子体电离风对混合过程的影响能够对燃烧过程产生明显影响。     

H+MgH+→Mg++H2反应中由非绝热耦合引起的复合物形成反应机理

一个化学反应的过程可能涉及多个绝热电子态,其中的非绝热耦合对反应机理起着重要的作用. 本文采用含时量子波包方法和轨线面跳跃方法研究了非绝热耦合对H+MgH⁺→Mg⁺+H₂反应的影响. 通过理论计算得到了绝热和非绝热近似下的反应态-态分辨的积分截面. 计算结果表明,当计算中忽略非绝热耦合时,反应遵循直接剥离的反应机理. 然而,当计算中包含非绝热耦合时,在反应过程中可以形成一个长寿命的激发态复合物(MgH₂⁺)^*,进而使反应遵循复合物形成反应机理. 通过轨线面跳跃计算,进一步揭示了直接剥离和复合物形成反应机理. 由非绝热耦合引起的复合物形成反应机理不仅提高了反应的活性,并且对产物的振动态分布具有显著影响.     

放电参数对爆燃模式下同轴枪强流脉冲放电等离子体的影响

同轴枪强流脉冲放电常见有爆燃模式和预填充模式两种放电模式,爆燃模式放电可以得到杂质少、准直性高、输运速度更快的等离子体射流.本实验主要对不同电压及进气量下同轴枪强流脉冲爆燃模式放电的等离子体特性进行了研究.结果表明,在相同放电电压下,进气量少时会有多团等离子体从枪口喷出.随着进气量的增加,同轴枪放电产生的等离子体密度增加,输运速度减小,最终等离子体只有一团从枪口喷出;而在相同进气量下,随着电压的增加,等离子体密度增加,输运速度增大,开始出现有多团等离子体从枪口喷出的现象.产生该现象的原因主要是在放电过程中,当气体持续进入枪底部时,同轴枪底部会产生新的电流通道向前运动,使得在同轴枪出口处观察到了多团等离子体喷出的现象;随着放电电压的增加,在放电过程中回路电流也增加.当电流增加到一定程度时,同轴枪底部就会产生新的电流通道,从而有多个等离子体团从枪口喷出.通过改变充电电容以及对磁探针信号的分析,进一步分析并验证了同轴枪底端多次放电的现象.     

月表尘埃颗粒带电的机理及应用研究

研究月尘颗粒在电子束环境下以及紫外源辐照下的带电机理,利用数值方法模拟月尘颗粒在不同背景环境下的充电过程,以探索月表尘埃颗粒的带电机理,进而便于地面月尘环境模拟装置选择合适的月尘带电方式进行空间模拟实验.给出了尘埃在电子束环境下的充电方程,并将紫外辐射带电与具体应用相结合.通过模拟结果可知,在电子束环境下,月尘表面的电荷数随粒径尺寸增大,随电子枪辐照束斑半径减少,随电子枪流强的增加而增多;在紫外源的辐照下,月尘表面电荷数随颗粒尺寸的增大以及紫外线辐照度的增加而增多.由月尘颗粒受太阳紫外辐照带电的数值模拟结果可知,月尘需要在太阳长时间的辐照下才可以带上可观的电荷数,地面模拟该过程需增加辐照源来加速实验.通过模拟结果的分析比较并结合"空间环境模拟装置"中对月尘舱的设计要求,最终优选紫外源辐照带电方式作为月尘颗粒的带电方案.     

学科思维导图与物理知识网络的构建

大学物理作为理工科学生的一门基础课程,在高校教学中的重要性毋庸置疑。学习大学物理,不仅要掌握自然界的客观规律、分析和研究方法,重要的是从整体上认识和掌握物理学并应用于实际。物理学中很多物理量有着内在的必然的联系,通过绘制学科思维导图或概念图,来探究这些相关联的物理量的关系和本质、物理规律的适用范围,可以更透彻地理解和掌握物理知识。本文将思维导图工具引入大学物理的教学中,利用思维导图帮助学生通过物理量间的关联,构建知识网络,激发学生的学习热情,提高学习效率和教学效果。     

HeH+体系光缔合反应的动力学研究

采用含时量子波包方法研究基电子态HeH⁺体系优化的光缔合几率,即He+H⁺→HeH⁺随碰撞粒子对初始动量的变化,并研究伴随该过程的多光子跃迁和解离.选取v=6振动能级为目标态,通过优化激光场参数得到碰撞粒子对的最优光缔合几率.结果表明：随着碰撞粒子对初始动量的增加,光缔合所用的最优激光场的持续时间逐渐减少,但光场的强度和失谐逐渐增加.在某些初始碰撞动量附近,由于共振多光子跃迁过程的存在,最优的光场不能严格地将碰撞粒子对缔合到目标态.此外,研究表明随着初始动量的增加,系统的超阈值解离几率近似线性地增加到一个最大值,直至饱和强度.并且,在碰撞粒子对的初始动量较大时,超阈值解离主导解离过程.