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面向应用的新一代稀磁半导体研究进展

物理学报 2024年第1期73卷 9-22页

作者：彭毅赵国强邓正靳常青中国科学院物理研究所北京100190 中国科学院大学物理学院北京100049

稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性,是破解摩尔定律难题的候选材料之一.我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制,探索并研制了新一代稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案.以... 详细信息

稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性,是破解摩尔定律难题的候选材料之一.我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制,探索并研制了新一代稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案.以(Ba,K)(Zn,Mn)_(2)As_(2)等为代表的新一代稀磁半导体,通过等价态的Mn掺杂引入自旋、异价态的非磁性离子掺杂引入电荷,成功实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文将重点介绍几种代表性的新一代稀磁半导体的设计与研制、新一代稀磁半导体的综合物性表征、大尺寸单晶生长以及基于单晶的安德烈夫异质结研制.我们团队通过新一代稀磁半导体的新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,充分展现了自旋和电荷掺杂分离的新一代稀磁半导体材料潜在应用前景.

关键词：新一代稀磁半导体自旋电荷掺杂分离高居里温度多组合异质结

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基于卷积神经网络的古陶瓷窑口甄别

光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 354-358页

作者：孙合杨周越黎思佳李丽闫灵通冯向前中国科学院高能物理研究所北京100049 中国科学院大学北京100049

古陶瓷作为中华文化的瑰宝,自古以来不仅在国内受到追捧,在国外同样被视若珍宝。伴随着古代商贸的进行,中国古陶瓷遍布全球各地,辗转流传被私人或博物馆收藏,还有部分古陶瓷经墓葬发掘以及沉船打捞后被收藏于博物馆,这类古陶瓷的产地溯... 详细信息

古陶瓷作为中华文化的瑰宝,自古以来不仅在国内受到追捧,在国外同样被视若珍宝。伴随着古代商贸的进行,中国古陶瓷遍布全球各地,辗转流传被私人或博物馆收藏,还有部分古陶瓷经墓葬发掘以及沉船打捞后被收藏于博物馆,这类古陶瓷的产地溯源一直以来都是陶瓷考古的重点,对于研究古代商贸和文化交流有重要的意义。通过便携式数码显微镜、分光光度计、X射线荧光等方法对从越窑后司岙、越窑寺龙口、龙泉枫洞岩窑、耀州窑发掘出土的青釉瓷样品进行分析测量,获得了来自四个窑青釉瓷样品的微观气泡尺寸分布特征、紫外可见近红外光谱特征、釉的成分数据。将来自四个窑青釉瓷样品的这三种特征作为变量建立卷积神经网络分类模型进行训练和验证,结果表明青釉瓷的微观气泡尺寸分布特征、紫外可见近红外光谱特征以及瓷釉成分数据均有效,但是不同特征的分类准确率差异非常明显。三十次随机划分训练集与测试集的模型训练平均准确率:微观气泡尺寸分布特征模型为75%,紫外可见近红外光谱特征模型为89.2%,成分数据模型为92.1%,成分数据模型准确率最高且训练集与测试集准确率相差最小。将基于不同特征训练好的模型参数保存进行融合后再训练发现基于紫外可见近红外光谱特征的模型与基于微观气泡尺寸分布特征模型融合后准确率提升至93.7%,而将三种特征的模型融合后准确率提升至最高的97.4%。五折交叉验证的结果表明多种特征融合后的模型可以有效避免出现单一特征模型对越窑后司岙以及越窑寺龙口样品交叉错判数较多的情况。综合来看基于卷积神经网络探索更多的古陶瓷有效分类特征对于实现古陶瓷的精准溯源是可行的。

关键词：卷积神经网络气泡紫外-可见-近红外光谱 X射线荧光青釉瓷

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用于扫描隧道显微镜的低噪声前置电流放大器

物理学报 2024年第13期73卷 20-27页

作者：唐海涛米壮王文宇唐向前叶霞单欣岩陆兴华中国科学院物理研究所应用物理中心北京10019 中国科学院大学物理学院北京100190

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜... 详细信息

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜系统的前置电流放大器.该放大器最灵敏档位(1 GΩ)的噪声低至4 fA/(Hz)1/2,带宽为2.3 kHz,具有10 MΩ,100 MΩ和1 GΩ三个测量量程并且可以通过控制信号实现自动切换,测量范围覆盖pA—μA量级的隧穿电流.利用该前置电流放大器展示了扫描隧道显微镜系统的主要功能,包括表面形貌表征、扫描隧道谱测量以及原子搬运,并探索了隧穿电流中散粒噪声的测量.通过散粒噪声随隧穿电流的变化关系,得到隧穿结中散粒噪声的法诺因子约等于1,验证了简单金属隧穿结中电子隧穿满足泊松过程,为表面电子关联体系的高精度表征提供了基础.

关键词：扫描隧道显微镜前置电流放大器散粒噪声

基于热阻调控方法的低温光学系统二级温区传热特性分析

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红外与激光工程 2024年第9期53卷 274-286页

作者：齐超刘恩光杨宝玉刘国庆中国科学院上海技术物理研究所中国科学院大学

为了实现低温光学系统二级温区的精准控温，同时不引入额外的热负载，提出了一种热阻调控方法，建立了应用于该方法的一维数学模型，运用该数学模型研究了不同真空腔温度条件下不同热阻参数(不同材料参数和几何参数)对二级温区达到热平... 详细信息

为了实现低温光学系统二级温区的精准控温，同时不引入额外的热负载，提出了一种热阻调控方法，建立了应用于该方法的一维数学模型，运用该数学模型研究了不同真空腔温度条件下不同热阻参数(不同材料参数和几何参数)对二级温区达到热平衡后温度水平和漏热量的影响，同时将该方法和传统的电加热调控方法进行了比较。研究结果表明：当真空腔温度为定值时，随着热阻的增大，二级温区温度升高，漏热量减小；当热阻为定值时，随着真空腔温度的升高，二级温区温度升高，漏热量增大。在文中的研究工况下，当真空腔温度为253.15 K时，二级温区温度水平调节范围为111.1～185.2 K，相应的漏热量从1.75W减小至1.10W；当真空腔温度为293.15K时，温度水平调节范围为120.9～219.4 K，相应的漏热量从2.58 W减小至1.57 W。电加热调控方法使二级温区热负载达到了16.8 W，是热阻调控方法的11倍左右(真空腔温度为293.15 K，二级温区目标温度为220 K左右)，随着二级温区温度的升高，电加热调控方法使得系统热负载增大，热阻调控方法与之相反。热阻调控方法使低温光学系统热负载一直处于较低的水平，同时可减少系统对电功率和散热资源的需求。研究结果可为空间应用中的类似低温光学设计提供参考。

关键词：低温光学系统二级温区热阻调控方法电加热调控方法一维数学模型

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双面冷却熔盐堆组件热工分析程序开发与验证

核技术 2024年第9期47卷 121-134页

作者：胡思勤周翀朱贵凤邹杨余笑寒薛帅钰中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049

新型液态燃料熔盐堆双面冷却组件相比传统熔盐堆组件具有更大的换热面积和更短的石墨导热距离,因而具有更低的石墨温度热点,然而由于其不同的几何结构特征和熔盐自发热特性,组件内存在独特的热量分配和冷却剂流量分配的问题。为准确高... 详细信息

新型液态燃料熔盐堆双面冷却组件相比传统熔盐堆组件具有更大的换热面积和更短的石墨导热距离,因而具有更低的石墨温度热点,然而由于其不同的几何结构特征和熔盐自发热特性,组件内存在独特的热量分配和冷却剂流量分配的问题。为准确高效评估新型组件的热安全边界,有必要开发新的计算分析工具。本研究基于MATLAB开发了适用于熔盐堆双面冷却组件的一维稳态热工分析程序THDA-MSR(Thermal-Hydraulic Analysis Code for Dual Cooled Assembly-Molten Salt Reactor),考虑熔盐自发热的特点,建立了组件内外流道内熔盐的一维温度分布模型和熔盐石墨对流换热模型以及石墨导热模型,根据并联通道压损相等原则建立流量分配模型,通过CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟对程序计算结果进行了验证,并初步分析了各结构参数对组件最大熔盐出口温度和石墨温度热点的影响。THDA-MSR的计算结果与CFD结果吻合较好,压损偏差小于4.84%,石墨温度热点偏差小于0.15%,分析结果发现:外通道截面积占总流道截面积比是影响最大熔盐出口温度和石墨温度热点的关键参数。以上研究结果表明,自编程序能很好地预测组件流量分布、组件压损、熔盐温度分布和石墨温度热点。THDA-MSR能够应用于熔盐堆双面冷却组件热工水力性能分析评估,对于组件选型设计有较大工程参考价值。

关键词：液态燃料熔盐堆双面冷却组件热工性能流量分配

FLiBe熔盐中铀与镧系(Eu、Sm、Yb、La、Ce和Ho)氟化物的电化学性质及分离

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核技术 2024年第6期47卷 26-34页

作者：蒋锋黄卫佘长锋付海英龚昱中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049

利用电化学方法在熔盐介质中进行乏燃料的后处理分离是干法后处理中研究最广泛的技术之一,其核心内容就是采用电解法实现锕系元素和镧系元素分离。本文采用循环伏安法、方波伏安法和恒电位电解法研究了FLi Be(Li F-Be F_(2))熔盐中UF_(4... 详细信息

利用电化学方法在熔盐介质中进行乏燃料的后处理分离是干法后处理中研究最广泛的技术之一,其核心内容就是采用电解法实现锕系元素和镧系元素分离。本文采用循环伏安法、方波伏安法和恒电位电解法研究了FLi Be(Li F-Be F_(2))熔盐中UF_(4)和Ln F_(3)(Ln=Eu、Sm、Yb、La、Ce和Ho)的电化学行为和分离可行性,在FLi BeUF_(4)-Ln F_(3)混合熔盐体系中使用W电极开展了UF_(4)与Ln F_(3)电解分离研究。结果表明:在惰性钨(W)电极上U4+的氧化还原反应分为两步,分别是U^(4+)+e^(-)→U^(3+)和U^(3+)+3e^(-)→U^(0),而Yb^(3+)、Sm^(3+)、Eu^(3+)只能发生一电子转移还原为+2价态的Yb^(2+)、Sm^(2+)、Eu^(2+)的离子,La^(3+)、Ce^(3+)和Ho^(3+)离子在FLi Be熔盐电化学窗口内则没有明显的电化学信号;X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)和能量色谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)结果证明了W电极上的电解产物为金属U、UF_(3)和夹带的熔盐,而不含有Ln F_(3)的电解产物。这些研究结果为熔盐堆燃料中锕系元素和镧系元素的分离提供了基础数据。

关键词： FLiBe熔盐铀镧系元素电化学行为电解分离

C/CO_(2)摩尔比对CO_(2)气氛流态化预热活化半焦特性的影响

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煤炭学报 2024年第4期49卷 2067-2075页

作者：张海霞虎慧朱治平郑思奇齐晓宾中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

我国工业领域涉及的行业多,碳减排压力大。富氧燃烧是燃烧中碳捕集的核心工艺,将流态化富氧预热活化与工业窑炉富氧燃烧过程耦合是拓宽燃料适应性、实现工业领域燃烧中碳捕集的新途径。利用小型流化床连续给料实验系统,在1050℃、CO_(2... 详细信息

我国工业领域涉及的行业多,碳减排压力大。富氧燃烧是燃烧中碳捕集的核心工艺,将流态化富氧预热活化与工业窑炉富氧燃烧过程耦合是拓宽燃料适应性、实现工业领域燃烧中碳捕集的新途径。利用小型流化床连续给料实验系统,在1050℃、CO_(2)流化速度为0.17 m/s条件下,通过调整给料速度,考察C/CO_(2)摩尔比(CC比)对半焦原料(RC)流态化预热活化的影响,分析煤气组分及低位热值,计算CO_(2)还原率,表征粗颗粒活化半焦(LC)和细颗粒活化半焦(FC)的比表面积、孔隙结构和碳架结构,并利用高温管式炉热天平实验系统评价了RC和FC在1300℃条件下的反应活性。结果表明:采用流态化预热活化技术实现了CO_(2)的资源化利用,制备出富CO煤气,CC比由1增至4时,煤气中CO+H_(2)体积分数由69.24%增至79.08%,CO体积分数最高为68.96%,CO_(2)体积分数由29.48%降至20.13%,CO_(2)还原率由50.37%提升至57.56%,煤气低位热值由8.69 MJ/m^(3)增至9.83 MJ/m^(3),是参考文献所述工程产出煤气低位热值的1.55~1.88倍,有利于窑炉系统的着火及稳定燃烧。随CC比增加,FC和LC的比表面积先增加后减小,FC和LC的最高比表面积分别为291.21 m^(2)/g和477.15 m^(2)/g,分别为半焦原料的48倍和78倍;FC和LC具有丰富的微孔结构,且石墨化程度比RC降低、活性点位增加;FC和LC的微孔面积占比表面积的54.93%~68.42%;相比较而言,LC具有更高的比表面积和增量孔容积,主要是由于LC在反应器内的停留时间较长,促进了孔隙的发展,形成了大量微孔。不同CC比条件下所得FC的反应活性指数R0.5、质量平均反应速率均高于RC,表明FC具有较高的反应活性,可预测在高温气固活化态热燃料燃烧过程中,FC将实现高效转化。提出了碳基燃料流态化富氧预热活化-高温气固活化态热燃料富氧燃烧的新思路,获得了CC比对CO_(2)气氛流态化预热活化半焦特性的影响规律,揭示了CO_(2)作为碳和氧载体的积极作用,研究结果为流态化预热活化技术在工业窑炉富氧燃烧行业的应用提供了数据支持。

关键词：半焦流态化预热活化二氧化碳反应活性

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活塞调相脉管制冷技术及应用

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1650-1655页

作者：刘少帅吴亦农蒋珍华惠贺军丁磊黄政中国科学院上海技术物理研究所上海200083 中国科学院大学北京100049

脉管制冷机的微振动、高可靠、轻量化等特点,已经在航天红外探测器冷却方面取得广泛应用。作为新发展的调相方式,活塞调相技术在实现更高能效、更低温度、更低振动输出等方面具有独特优势。基于活塞调相的基本特性,针对主动活塞调相、... 详细信息

脉管制冷机的微振动、高可靠、轻量化等特点,已经在航天红外探测器冷却方面取得广泛应用。作为新发展的调相方式,活塞调相技术在实现更高能效、更低温度、更低振动输出等方面具有独特优势。基于活塞调相的基本特性,针对主动活塞调相、气动功回收活塞调相和主动功回收活塞调相三种主要的活塞调相方式进行气动力分析。分别将不同活塞调相方式应用于10~80 K脉管制冷机研制,验证活塞调相对多种形式下脉管制冷机能效提升应用效果。从应用视角出发,探讨活塞调相后续研究及改进方向。

关键词：脉管制冷机活塞调相声功回收低温制冷空间应用

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熔盐堆流体动力学模型降阶方法适用性分析

核技术 2024年第9期47卷 141-150页

作者：林铭程懋松蔡翔舟戴志敏中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049

对于熔盐堆全堆高保真流体动力学计算,即使借助超级计算机的并行计算能力在面对快速甚至实时求解的问题仍然面临效率的巨大挑战,引入和采用模型降阶(Reduced Order Modeling,ROM)方法,将能够有效解决这类问题。基于本征正交分解(Proper ... 详细信息

对于熔盐堆全堆高保真流体动力学计算,即使借助超级计算机的并行计算能力在面对快速甚至实时求解的问题仍然面临效率的巨大挑战,引入和采用模型降阶(Reduced Order Modeling,ROM)方法,将能够有效解决这类问题。基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)方法与Galerkin投影法,引入基于有限体积的模型降阶(ROM based on Finite Volume approximation,FV-ROM)方法和上确界稳定模型降阶(ROM with supremizer stabilization,SUP-ROM)方法,针对液态燃料熔盐堆(Liquid Fuel Molten Salt Reactor,LFMSR)层流和湍流瞬态工况开展适用性分析。结果表明:FV-ROM方法在速度误差和计算效率方面占有明显优势,层流和湍流瞬态速度平均L^(2)相对误差低于0.5%和0.6%,且单步长的加速比分别为1500和1000倍左右;相比之下,SUP-ROM方法在压力预测方面表现出显著的优势,层流和湍流瞬态压力平均L^(2)相对误差低至0.20%和0.38%。因此,通过FV-ROM和SUP-ROM两种方法相结合的方式进行熔盐堆流体动力学速度场和压力场预测,能够更加有效地提高流体动力学仿真的效率,并确保瞬态模拟过程计算可靠性和精确度。

关键词：模型降阶熔盐堆 FV-ROM SUP-ROM 流体动力学