电子环束流对航天器表面电位和等离子体鞘层的影响

采用二维三分量静电粒子模拟程序研究了电子环束流对低轨道磁化等离子体中运行的航天器表面电位和等离子体鞘层结构的影响.当有电子束流平行磁场入射时,航天器表面所带负电位的绝对值将增大.电子束流的速度和密度的增加将使航天器表面负电位绝对值增加很快.与此同时等离子体鞘层的尺度也将增大,形状将由向尾部延伸的“泪滴”状变成向两侧展开的“机翼”状.当电子环束流以相对于磁场成一定角度斜入射时,由于磁场的约束作用,航天器表面负电位的绝对值将随入射角增大而减小.      

从空间飞行器入射进电离层的调制电子束产生的高频波辐射

在主动束-等离子体试验中,调制电子束从空间飞行器入射进电离层等离子体将会产生电磁波辐射,在不同试验条件下电磁波辐射机理也不一样,由电子束纵向约束性产生电磁波辐射是其中之一.对半无界稀薄调制电子束从空间飞行器入射进电离层等离子体时所产生的波现象进行了理论分析和数值计算.结果表明,当调制电子束沿磁力线入射时,会在电离层等离子体中产生高频电磁波辐射,该辐射主要集中在垂直于入射电子束运动方向的平面内.      

近地微电离大气中阿尔芬波的截止

利用全电流双流体模型分析了地面磁扰动信号在近地层大气中的传播.结果表明磁扰动信号的传播模式受中性粒子elax-elax离子碰撞频率、磁扰动频率、磁粘滞系数以及大气离化系数等参数的影响.中性粒子碰撞效应导致近地层大气中不存在阿尔芬波传播通道.当磁扰动频率远小于0.001Hz时,磁扰动传播存在趋肤效应,且在近地大气中从高往下逐渐增强;当磁扰动频率远大于0.001Hz时,磁扰动以类似于真空电磁波的模式在近地大气中传播.      

太阳高能电子束通过空间振荡轴向场产生的电磁不稳定性

本文基于太阳高能电子和日冕区开放场及行星际磁场特征，建立了相对论电子束与伴有空间变化（空间周期变化）的轴向场相互作用模型，用数值方法研究了该体系产生的电磁不稳定性，结果指出只有当太阳高能电子束速度和空间振荡场波数大到一定程度时，该体系才可激发在旋电磁模不稳定性，当太阳高能电子束逐一通过日冕和行星际空间时，激发具有波频向低频漂移特征的电磁波．     

空间电子辐射环境探测载荷测试定标试验平台研制

介绍了中国科学院国家空间科学中心新建成的空间电子辐射环境探测载荷测试定标试验平台.该平台由中、高能极弱流电子加速器以及内置多维真空转台的真空靶室试验终端组成，用于对星载空间电子辐射探测器进行地面加速器测试定标.重点描述了为得到中能极弱流均匀平行束，采用电子轨迹程序Egun对中能极弱流电子加速器进行的物理设计和模拟计算，给出球形结构电子枪在栅网孔不加栅网、加理想栅网和直径1mm孔栅网以及在不同加速管出口能量情况下，初聚系统和加速管以及经过二次扩束时输运段中电子轨迹的模拟结果.最终得出能够实现电子枪初始束流减弱8个数量级，获得满足测试定标试验需求的极弱流均匀平行电子束（在试验终端直径50mm靶上束流面密度为105~109cm-2·s-1）的结论.      

磁云边界层内朗缪尔波活动现象的初步研究

对35例磁云边界层内朗缪尔波活动现象进行了初步分析, 发现两类磁云边界层内特有的朗缪尔波活动现象. 一类是相对于邻近鞘区和磁云本体, 整个边界层内朗缪尔波活动增强; 另一类是短时间的朗缪尔波爆发现象, 同时伴随着宽频带的多普勒频移离子声波活动. 考察了其中一例朗缪尔波爆发事件对应的高分辨率电子分布函数数据, 发现速度约为7×103 km/s的电子束流形成尾峰分布不稳定性导致了朗缪尔波的爆发.      

基于传输矩阵法的等离子体鞘套传输特性分析

引入分层模型传输矩阵法,分析高速临近空间飞行器等离子体鞘套传输特性.通过对典型飞行器模型进行纳维-斯托克斯方程组数值求解,仿真了等离子体鞘套的流场电子密度分布,分析了电磁波在等离子体鞘套内传输时的衰减常数,给出信号传输的反射系数和透射系数.基于传输矩阵法的仿真结果与理论分析结果和时域有限差分法仿真分析结果有良好的一致性,同时,该方法有效降低了计算复杂度,适用于任意电子密度分布和厚度的等离子体鞘套传输特性的数值求解.      

电子束撞击介质表面引发的带电现象分析

现有关于介质微波部件微放电的相关研究多从谐振条件及出射电子产额方面出发分析微放电发生原因及其抑制方法,而很少分析航天器表面电位对于微放电发生的影响。文章对碰撞电子与介质表面相互作用后二次电子发射特性进行综合分析;重点研究了不同介质表面初始电位情况下,恒定能量的电子束流持续轰击介质表面时介质表面电位及电子束流碰撞能量的变化趋势;并对稳定后的电子束流碰撞能量和介质表面电位进行了理论计算,计算结果表明系统平衡状态时的表面电位受初始电子能量及第二临界能量影响有明显改变。此外,文章探究了单一能量及连续能量入射介质表面时表面带电对于二次电子发射的影响,研究表明：带有电位φ的表面会使临界能量发生偏移量-eφ的相对偏移;对于连续能量的入射电子束,介质表面带电会很大程度上改变入射电子束的能量范围,从而影响微放电发生的风险。     

中等相对论性电子环-束引起的束迴旋不稳定性

本文研究了在电子等离子体频率ω_e远大于电子迴旋频率Ω_e的等离子体内,由中等相对论性电子环-束激发的高频(ω≥ω_e)束迴旋不稳定性。结果表明,高能电子束迴旋模在N2cos2θ<1和N2cos2θ>1范围内都是不稳定的,在N2cos2θ=1时是稳定的,这里N为折射指数,θ为传播角。当束迴旋模频率近乎等于冷背景等离子体本征模频率之一(ω≈ω_e)时增长率最大。文中介绍和讨论了色散方程的数值计算结果。      

月球受光面上月尘静电浮扬特性分析

基于单粒子轨道理论及空间尘埃等离子体充电方程,建立了月球受光面上尘埃微粒的静态荷电模型.基于光电子能量Maxiwellian分布假设,确定了月面垂直空间电场强度和光电子鞘层内带电粒子密度的函数表达式.利用牛顿运动定律和静电场力表达式,构建了月球受光面上尘埃微粒的静电浮扬动力学模型,并进行月尘静态浮扬特性的数值计算.研究结果显示:太阳高度角与颗粒粒径是控制月尘静电浮扬发生及动力学特性的两个基本参量;月尘静电浮扬发生在月球的黎明和黄昏;随着粒径的减少,月尘颗粒的最大浮扬高度不断增加.     

日冕背景下的等离子体尾场效应

计算了高能脉冲电子束在冷背景和热背景等离子体条件下产生的等离子体尾场(PWF)大小,讨论了高能电子束的速度、密度、长度对等离子体尾场分布的影响。在这基础上,研究了太阳耀斑脉冲相产生的向外逃逸高能脉冲电子束在日冕背景等离子体条件下激发的等离子体尾场分布以及对其捕获电子的加速。      

Response of the electron energy distribution to an artificially emitted electron beam: Apex experiment

The paper is based on the electron and ion energy spectra measurement on board the main spacecraft of the APEX mission. During the active phase of the experiment an intense electron beam was emitted from the main satellite. The basic cycle of the electron injection is formed by current pulses of different frequencies, duration and intensity. The spacecraft potential changes due to the gun operation were compensated by a low energy Xe plasma generator. The data show that the response of the environment to the beam emission depends not only on injection parameters but on the spacecraft position and orientation with respect to the magnetic field as well. The typical response is an increase of the intensity of the low energy (less than 1 keV) electrons in all directions. In addition, strong field aligned fluxes of electrons and/or ions are observed with energies below the gun energy. An attempt to classify different types of response and to find possible mechanisms which can explain the observed phenomena is made in the present paper.     

有磁场时电子在航天器光电子鞘层中的漂移运动

采用二级漂移近似理论，研究了在航天器光电子鞘层中与电流收集有关的电子在磁场中的运动轨道和收集电子有关的磁瓶结构，结果表明当磁场越强，航天器表面电势越弱，磁瓶在无穷远处横截面积就越小。在光电子鞘层中，势垒对电流收集影响较大，磁瓶的横截面积在略远于垫垒处有极大值，磁瓶在无穷远处的横截面积并非随着势垒距航天器距离的远近而单调变化。     

赤道反向电射流中不均匀性的对流放大特性及对某些观测特性的解释

本文分析了反向赤道电射流条件下的不均匀性的对流放大特性。根据电射流不稳定性的线性理论,对一个分层均匀的电射流的模式的数值计算表明:在反向电射流条件下,电射流不均匀性有如下的特性:在波的传播过程中,在上电射流区内,波矢向下旋转,在下电射流区内,波矢向上旋转;在驱动电场E_D数值相同的情况下,反向电射流条件下的射线路径积分增长率r比正常电射流情况的要小得多。这是由于波的群速度方向是向下的,而电子密度梯度起稳定化作用。对于电子密度的特征长度L_N=6km和│E_D│=0.8mV/m,波长λ=10m,高度h≥105km,有r<20。在这一高度范围,波可能是不饱和的,增大L_N,使波在h=105km饱和的临界电场│E_D│值减小。上述计算结果可解释某些在反向电射流条件下,在Addis-Ababa观测到的10m波长雷达回波的特性。      

相对论电子束的哨声不稳定性

本文根据相对论粒子与电磁波的共振特性, 讨论了相对论电子束的反常迴旋共振产生的哨声不稳定性.满足共振条件的粒子在动量空间位于一组双曲线上.对于具有损失锥分布的相对论电子束, 相对论效应的共振特性提高了哨声不稳定性的阈值, 对ω～0.5Ω_e频段的哨声影响最大.这种作用在背景参数ω_e～Ω_e时最为显著, 并随ω_e/Ω_e增大而减小.      

等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS（Spacecraft Plasma Interaction Software）模拟了卫星平台和探针与等离子体的相互作用,从而得到了不同环境下卫星周围等离子体鞘层的厚度,以及探针电位与电流的对应关系.模拟结果表明:由于光电子和二次电子的影响,卫星鞘层的厚度小于等离子体的德拜半径,且温度越高其偏差越大;模拟得到的探针表面电流与电位的关系表明,施加偏置电流的探针可明显提高对电流扰动的抗干扰能力.此外,估计了不同轨道高度上探针处于最佳工作点时应施加偏置电流的大小.      

Numerical simulations of a continuously injected relativistic electron beam relaxation into a plasma with large-scale density gradients

In this paper the influence of large-scale decreasing and increasing gradients of the density of magnetized plasma on the relaxation process of a continuously injected relativistic electron beam with an energy of 660 keV ($v_b=0.9c$) and a pitch-angle distribution is studied using particle-in-cell numerical simulations. It is found that for the selected parameters in the case of a smoothly decreasing gradient and in a homogeneous plasma the formation of spatially limited plasma oscillations of large amplitude occurs. In such cases, modulation instability develops and a long-wave longitudinal modulation of the ion density is formed. In addition, the large amplitude of plasma waves accelerates plasma electrons to energies on the order of the beam energy. In the case of increasing and sharply decreasing gradients, a significant decrease in the amplitude of plasma oscillations and the formation of a turbulent ion density spectrum are observed. The possibility of acceleration of beam electrons to energies more than 2 times higher than the initial energy of the beam particles is also demonstrated. This process takes place not only during beam propagation in growing plasma density, but also in homogeneous plasma due to interaction of beam particles with plasma oscillations of large amplitude.