月球氦-3资源的原位开采热释放行为研究

月球氦-3资源的原位利用不仅可以解决深空探测的能源供给问题，而且能够极大地减少深空探测的成本.选取钛铁矿作为月壤的代表矿物，建立了氦-3原子以空位和间隙两种缺陷赋存于钛铁矿中的分子动力学模型，阐述了不同温度下氦-3原子在钛铁矿中的扩散和释放行为.模拟计算结果表明:当氦-3在钛铁矿中扩散时，这些原子倾向于聚集成气泡.根据氦-3释放量随温度的增长率，整个加热释放的过程可以划分为两个阶段.月球氦-3资源原位开采的最优加热温度应在1000K以上，该温度下以不同形式赋存的氦-3均可以大量释放.      

紧凑型ECR等离子体原子氧束流源的研制

原子氧对低地球轨道航天器部件材料的侵蚀及其地面环境模拟日益受到国际航天界的重视.高速飞行的航天器与迎面的空间环境原子氧之间相互作用能量约为5eV,在此能量范围内,原子氧束流与材料表面相互作用的许多物理和化学问题尚待从实验上认真研究,因此必需建立地面环境模拟装置.本文根据电子回旋共振(ECR)原理,利用微波的同轴传输与耦合,采用永磁体构成轴向不对称磁镜场产生会切磁场,降低了常规设计的磁场强度,缩小了装置的尺寸,同时采用无电极放电,避免了重金属杂质导入等离子体,研制出紧凑型纯净原子氧中性束流源.该装置易与真空容器联接.联机运行结果表明该装置能够在10-1-10-3Pa的气压范围内稳定运行,通量密度达到3×1015atom/cm2@s,满足了原子氧环境地面模拟试验对装置小型化的要求.     

W掺杂对TiO2中氧空位形成能的影响

为研究Ti合金中常用的基体强化元素W对合金抗氧化性的作用,利用第一性原理方法计算了W掺杂对Ti合金氧化产物金红石TiO₂中氧空位形成能的影响。计算发现,W可以显著增大其近邻位置的氧空位的形成能,使其增大将近0.7 eV,这将有效抑制氧空位的产生以及环境中氧的渗透,对Ti合金的抗氧化性是有益的。同时研究了2个氧空位组成的不同构型的空位对,发现W同样可以增大氧空位对的形成能,但增加的数值平均到每个氧空位只有0.2 eV,即随着氧化的加剧和氧空位浓度的增加,W对抗氧化性能提高的效果减弱。电子态密度分析表明,对于不同构型的氧空位对,体系内的未配对电子分布在不同的能级水平,这导致了不同的空位形成能。     

“仿星器”模拟太阳内部环境

正2015年,德国马克斯-普朗克研究所的科学家开始启动一种新型大型核聚变反应堆——"仿星器"。根据设计思路,研究人员只需向其中注入少量的氢,并将其加热成为等离子体,就可以有效模拟太阳内部的环境。初步实验证明,这台"仿星器"能够实现预期目标。接下来,"仿星器"将继续接受极端环境的考验。研究人员介绍     

杂化聚酰亚胺的制备及其耐原子氧剥蚀性能

低地球轨道环境中的原子氧会剥蚀航天器表面材料,影响其性能和寿命,因此在使用时需要选用合适的手段来进行原子氧防护。采用溶胶-凝胶法,利用正硅酸乙酯在树脂体系中的水解-缩合反应,在基体中原位生成无机相而获得杂化聚酰亚胺。在原子氧效应地面模拟设备中,对杂化聚酰亚胺试样开展了性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了材料耐剥蚀性能与正硅酸乙酯添加量的关系、杂化材料的耐剥蚀机理。结果表明,杂化聚酰亚胺的耐原子氧性能优于原树脂,其原子氧试验质量损失仅为原树脂的31。6% ~14。8%。分析认为,溶胶-凝胶过程中在树脂基体中生成的有机含硅结构和无机SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料耐原子氧剥蚀性能提高的原因。     

气体在矿物油中扩散现象的可视化研究

介绍了利用马赫-泽德干涉仪法实现气体-矿物油扩散过程的可视化测量的原理、作用与意义。由于运用马赫-泽德干涉仪法获得的图像干涉条纹数及其图像的形状变化与折射率n直接与液体介质折射率相关,用马赫-泽德干涉仪法可获得十分清晰的影像。在N2,O2-矿物油扩散过程中,干涉条纹式样并未发生显著的紊乱变化,表明N2与O2气体在矿物油中发生扩散后,所引起的矿物油折射率变化过程较为缓慢。在CO2-矿物油扩散过程中,由于溶解的作用,矿物油近表面层中的气体溶解度增加,导致自然对流的出现。通过可视化测量,成功地观测到这一重要实验现象。同时,利用可视化技术,还可很好地判明对流出现的时间,从而确保扩散研究的有效性。     

溶胶-凝胶法提高树脂抗原子氧性能的试验

为提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能,将正硅酸乙酯(TEOS,Tetraethyl Orthosilicate)加入环氧树脂溶液中,采用溶胶-凝胶法,制备出SiO₂／环氧杂化材料.在空间环境原子氧效应地面模拟设备中,对材料试样开展了抗原子氧剥蚀性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了溶胶-凝胶所得杂化材料抗剥蚀性能提高的机理.分析认为:溶胶-凝胶反应过程中在树脂基体内生成的聚硅氧烷和SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料抗剥蚀性能得以提高的主要原因.     

LEO原子氧对空间材料侵蚀的数值模拟

提出了吸附作用(包括物理吸附和化学吸附)是引起空间材料原子氧腐蚀的主要机理.以此为依据,建立了相应的腐蚀量的反应-扩散方程.应用分子动力学经典碰撞理论的估算表明了方程中的物理作用项对于扩散效应为一小量,从而进一步简化了方程.在所建立的模型方程中,选用了基于Eyring绝对速率理论的扩散系数.对空间表面材料Kapton在近地轨道LEO(Low Earth Orbit)环境受原子氧侵蚀的过程进行了数值模拟,计算结果与飞行试验数据在误差允许的范围内符合得较好.     

Nb/α-Ti3Al体系的互扩散行为

采用反应扩散偶的方法,研究了Nb元素在α-Ti₃Al中的扩散行为.反应扩散偶经过120 h扩散退火,在高温(1 573 K)下生成了均匀的β-(Ti,Nb)扩散层;低温(1 273,1 423 K)下生成不均匀的扩散区,相组成为Ti₃Al(Nb),β-(Ti,Nb)及Nb₂Al.采用Dayananda方法计算了体系的扩散系数,即根据一个扩散偶的浓度分布曲线计算体系的扩散系数.采用平均扩散系数来表征体系的扩散系数,得出扩散模型和相关扩散机理.结果表明:Ti和Al的主扩散系数比Nb的主扩散系数大5个数量级;Ti的主扩散系数约是Al的2倍.Nb通过占据Ti的空位进行扩散,Nb的掺入阻碍了Ti元素扩散,从而提高了α-Ti₃Al体系的高温抗氧化性能.     

K-ionization and biological effect.

Experimental inactivation cross sections are compared to vacancy production in inner shell (K-shell) of so-called strategic C, N, O atoms of the DNA: in a trial calculation, atoms on the DNA backbone or just contiguous to it are considered as strategic. Various processes are considered: ionization and electron capture by the primary particle, ionization by secondary electrons. The last phenomenon is shown to be important for highly charged and medium velocity ions. A strong similarity is observed between variations versus LET of inactivation and K-vacancy cross sections, especially with regards to LET values for which they maximize: for K-ionization these maxima occur when the ion impact velocity roughly matches the K electron velocity. It is shown that the "K-hypothesis" allows a quantitative fit of experimental inactivation cross sections if a 4% mean lethal efficiency is attributed to ion-induced K-vacancies in strategic C, N, O atoms.     

Cr对ZrO2/Ni热障涂层界面结合的影响

热障涂层广泛用于航空、航天领域,涂层与基体的界面结合强弱是决定涂层寿命的一个关键因素.为了提高其使用寿命,必须要求涂层与基体的界面有较好的结合.利用密度泛函理论框架下的第一性原理离散变分(DV)方法研究了ZrO₂Ni热障涂层界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的Cr在ZrO₂Ni热障涂层界面中的作用.结果表明:Cr容易偏聚于界面处(偏聚能达6.03eV),Cr使得体系结合能增加,体系更稳定,有利于界面的结合;界面处原子电荷占据数和电荷密度计算表明:加入Cr后跨界面方向的电荷密度增加,同时也使得界面内电荷密度增加,这有利于跨界面方向的以及沿界面方向的成键,从而加强了涂层与基体材料的结合.     

非晶态Fe_1—xBx-Fe_(1-x)B_x合金的电子结构

以四面体Fe_4B为原子团,利用多重散射X_a自洽场的方法,对非晶态Fe_(1-x)B_x合金的电子结构进行了计算。分析、对比了原子团Fe_4和Fe_4B的能级分布、轨道等高线图和状态密度分布,讨论了B原子的加入对非晶态Fe_(1-x)B_x合金的电子结构的影响。     

顺电相PbTiO3晶体的电子结构和光学性质

应用全电势线形平面波缀加方法对铁电晶体钛酸铅的顺电立方相的电子能带结构、态密度、电子密度分布进行了计算.能带结构的计算结果表明立方顺电相晶体PbTiO₃为直接带隙的半导体,带隙大小为1.7eV.通过态密度和电子密度的计算结果分析,得到价带和导带的电子组成情况,并且指出Ti原子和O原子存在较强的共价键合.在电子结构的计算基础上,计算得到了与实验符合较好的PbTiO₃晶体的介电函数的实部和虚部,分析了虚部所对应的能带跃迁,并得到了其它的光学性质的参数(光学吸收系数、折射率、消光系数、能量损失曲线、反射率).     

冷原子干涉技术原理及其在深空探测中的应用展望

简要介绍了基于冷原子干涉技术的陀螺仪与重力仪的特点以及国内外研究现状,重点介绍冷原子制备、冷原子分束、反射以及原子内态探测等冷原子干涉关键技术的基本原理及其实现方法。结合深空探测特点,冷原子干涉技术在深空探测领域潜在的应用有两个方面:一方面可应用于深空探测器在飞行、交互、对接以及着陆过程中的自主导航;另一方面可应用于深空探测器引力助推过程中的重力以及加速度的精密测量。     

Hot atoms in cosmic chemistry

High energy chemical reactions and atom molecule interactions might be important for cosmic chemistry with respect to the accelerated species in solar wind, cosmic rays, colliding gas and dust clouds and secondary knock-on particles in solids. “Hot” atoms with energies ranging from a few eV to some MeV can be generated via nuclear reactions and consequent recoil processes. The chemical fate of the radioactive atoms can be followed by radiochemical methods (radio GC or HPLC). Hot atom chemistry may serve for laboratory simulation of the reactions of energetic species with gaseous or solid interstellar matter. Due to the effective measurement of 10⁸–10¹⁰ atoms only it covers a low to medium dose regime and may add to the studies of ion implantation which due to the optical methods applied are necessarily in the high dose regime.

Experimental results are given for the systems: C/H₂O (gas), C/H₂O (solid, 77 K), N/CH₄ (solid, 77K) and C/NH₃ (solid, 77 K). Nuclear reactions used for the generation of 2 to 3 MeV atoms are: ¹⁴N(p, ) ¹¹C, ¹⁶O(p, pn) ¹¹C and ¹²C(d,n) ¹³N with 8 to 45 MeV protons or deuterons from a cyclotron. Typical reactions products are: CO, CO₂, CH₄, CH₂O, CH₃OH, HCOOH, NH₃, CH₃NH₂, cyanamide, formamidine, guanidine etc. Products of hot reactions in solids are more complex than in corresponding gaseous systems, which underlines the importance of solid state reactions for the build-up of precursors for biomolecules in space. As one of the major mechanisms for product formation, the simultaneous or fast consecutive reactions of a hot carbon with two target molecules (reaction complex) is discussed.     

锑化物磁性半导体体材料研究

利用布里奇曼法进行GaMnSb磁性半导体生长,并对其结构、磁学及电学特性进行研究.在高Mn区域发现了室温铁磁性,而在低Mn区域只探测到抗磁信号.电学测量表明,两个区域的空穴浓度基本相当,说明观察到的磁学性能差异与载流子浓度无关.X射线能谱测试显示,高Mn区域的Mn组分分布不均匀,低Mn区域的Mn组分分布则相对更为均匀.此外,高Mn区域的饱和磁化强度仅为每Mn原子0.013μ_B,与理论值相差约两个数量级.X射线衍射谱的结果说明,高Mn区域有出现MnSb第二相的迹象.以上结果证实所观察到的室温铁磁性并不是GaMnSb的内禀特性.