静电测量及其程序设计

近年来随着科技的发展和自动化程度的日益提高,静电的应用、静电的危害及防止等已引起人们的关注,对于静电的研究迅速开展起来.我们设计了一种新型静电传感器,在此基础上研制了一种智能化便携式静电测量仪,着重讨论了其程序设计并就被测量正负判别提出了一种通用的简便有效的方法.实测结果表明该设计是有效的.     

一种航天接口芯片静电防护电路的软击穿现象

接口阻抗测试是航天产品中对产品状态是否正常来进行判断的常用方法。在航天产品应用中，通常认为接口芯片阻抗测试异常即代表该接口芯片已经失效。本文针对一种LVDS接口发送芯片由静电导致阻抗测试异常，但功能正常的现象进行分析。在元器件失效分析的基础上，定位静电损伤的位置为芯片内部静电防护电路，从而建立了对应的电路模型，对芯片静电损伤的现象进行理论分析。分析说明：该芯片在被静电打击时，其静电防护电路中一个NMOS管受损，但该电路保护了芯片的功能电路，被击穿的NMOS管等效为一个电阻，因此导致阻抗测试异常，但芯片功能电路未受损的现象，为静电软击穿现象。且可认为该芯片在受静电影响后并未失效，相关电路仍具有正常工作的能力。即阻抗异常现象并不是芯片失效的充分条件。     

静电电荷量传感器标定技术研究

静电电荷量传感器在精密机械、航空发动机的状态监测、故障预测以及健康管理方面有着广泛应用。介绍了静电电荷量传感器的标定技术，基于油滴荷电的原理，结合直流高压源、支撑固定装置、电荷量测量装置研制了静电电荷量传感器标定系统。通过油滴实验，获得了油滴荷电量与施加电压、油滴大小、温湿度之间的关系，分析了影响标定装置的因素。     

防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究

人体静电是静电防护工程中主要危害源之一。本文采用接触式静电电位测量方法,提出了基于RS485总线的防静电工作区(简称EPA)内人体静电电位在线监测系统,开发了EPA内人员操作时防静电腕带的静电电位在线监测装置及其配套夹具,专门设计了监测装置和整个系统的测试方法。测试结果表明,该方案实现了静电电位连续监测、限值报警和记录可追溯,能够有效提高航天型号科研生产场所的静电防护在线计量保障能力。     

防静电工作区内人体静电电位在线监测技术研究

人体静电是静电防护工程中主要危害源之一。本文采用接触式静电电位测量方法,提出了基于RS485总线的防静电工作区（简称EPA）内人体静电电位在线监测系统,开发了EPA内人员操作时防静电腕带的静电电位在线监测装置及其配套夹具,专门设计了监测装置和整个系统的测试方法。测试结果表明,该方案实现了静电电位连续监测、限值报警和记录可追溯,能够有效提高航天型号科研生产场所的静电防护在线计量保障能力。     

测量船静电防护改造相关问题的研究

通过对静电产生途径的分析,针对测量船存在的静电隐患,根据抑制静电积累、构建静电释放通道、规范人员操作行为的静电防护原则,对测量船静电防护改造方法进行研究,提出了在人员、设备、接地系统以及环境等方面有效的防静电措施。     

基于静电互相关灵敏度加权的气路碎片监测

由于静电传感器阵列（ESA）安装位置及电极数目受到工作环境限制，导致航空发动机故障预测与健康管理（PHM）系统的线性独立测量信息数较少。针对此问题，提出了一种基于静电互相关（CC）灵敏度加权的气路碎片监测方法，在同一电极数目的条件下利用互相关聚焦原理有效增加了能够表征不同敏感区域的测量信息。在此基础上设计了8电极ESA，建立了不同电极对的互相关灵敏度分布，并以获取的16个相关速度值对其进行加权计算，计算结果反映了带电碎片的速度和位置信息。带式静电实验装置和颗粒落体实验装置的实验结果验证了所提方法的有效性，对单颗粒与多颗粒的监测结果和实际分布的平均相关系数分别达到了0.668与0.652，提高了PHM系统的监测信息量和稳定性。      

电离层中SEE现象的静电粒子模拟

利用网格粒子云（PIC）模型。在一定条件下，对电离层加热实验中静电波的激发和参量不稳定性的产生，作一维静电粒子模拟，模拟结果表明，SEE的特征与加热泵波频率ω0和电子回旋频率nωce之间的比值有关。入射泵波的电场与地磁场之间的夹角也是影响SEE的一个因素。     

静电悬浮加速度计地面高压悬浮原理与应用

静电悬浮加速度计是进行空间飞行器准稳态非重力精密测量的设备。静电悬浮加速度计研制中,需要借助高压悬浮来完成其功能和部分性能评价的相关工作。文章就地面静电悬浮加速度计检验质量高压悬浮中涉及的相关问题进行了理论分析,给出了地面悬浮原理、高压电路实现形式、工作点选取、稳定性控制、高压静电力作用分析等,给出了实际试验结果,表明地面上系统在0.1Hz附近具有10^-8g_n/Hz^1/2左右的分辨率,并可在悬浮状态下,完成功能及相关性能测试,获得静电悬浮加速度计地面直接性能评价受限的主要因素,同时就存在的问题进行了讨论。     

二维静电孤立波的粒子模拟研究

利用二维粒子模拟程序研究了双流不稳定性激发静电波并演化为静电孤立波的物理过程.计算结果表明,在线性增长阶段,主要激发的是沿磁场传播的静电波;在非线性演化阶段,相邻的静电波会互相合并,直至形成静电孤立波,并可激发静电哨声波.还研究了磁场强度和离子温度对此过程的影响.当磁场强度比较小时,无法形成静电孤立波,只有磁场强度达到一定程度后静电孤立波才能形成;同时,离子温度会影响静电孤立波的稳定性,当离子温度比较小时,静电孤立波的稳定性减弱,在演化一段时间后会逐渐瓦解.      

空中电场仪

叙述了空中电场仪的基本测量原理，采用双电场仪结构可以解决仪器自身带电对测量的影响，仪器结构设计成上下开感应窗的光滑圆柱体。介绍了该仪器的电性原理，最后叙述了初步观测试验情况。     

低电离层elves现象的模拟研究

建立了雷暴放电产生的电磁场在对流层-低电离层之间耦合的时变模式,并用模式研究elves现象的时空特征.模拟结果表明,雷暴放电产生的电场包括准静电场和辐射场,其中由放电电流脉冲产生的辐射场是产生elves现象的直接原因.辐射场的电场强度分布与偶极辐射产生的电场强度的分布相似,在雷暴放电的正上方电场较弱,在地面附近辐射电场较强.模拟结果还表明,elves现象在向外扩张时具有双峰或单峰结构,在摄像仪的底片上相应出现双环或单环结构.elves现象在83 km高度水平向外扩张的过程中,最大光辐射强度开始增大,然后逐渐减小.此外,利用球形电磁波假设,探讨了elves现象超光速水平扩张的原因.      

雷暴充电对大气电位的影响

本文在指数导电率大气中,在给定电离层电位情况下,考虑雷暴充电电流源以后,解析地求解了稳态电流守恒方程,获得了大气电位分布的解析表达式.考察这一表达式可以看到,雷暴充电对大气电位的影响和电离层电位对大气电位的影响主要都是垂直地起作用的.从观测到的雷暴充电电流密度的数值以及其他性质出发,利用本文得到的解析表达式进行计算可看到,雷暴充电作用能够使电层高度上的电位上升到由观测所推出的电层电位应具有的数值.数例结果还表明,电离层电位能通过对雷暴上空电层电位值的显著影响而对晴天区低层大气电状态发生作用.      

雷暴期间次级宇宙线粒子强度瞬时变化研究

雷暴期间大气电场强度变化及其伴随的宇宙线粒子增长的研究, 对于理解大气电场对宇宙线次级粒子的加速机制具有极其重要的意义. 2006年4月至 8月期间, 西藏羊八井宇宙线观测站记录到了20多次雷暴事件. 分析了雷暴期间, ARGO实验scaler模式下次级宇宙线计数与大气电场之间的相关性. 结果显示, 雷暴期间大气电场剧烈变化时, 多重数n=1, 2的次级宇宙线计数率有明显增长, 增幅在1%～9%之间, 然而n=3, n≥ 4的次级宇宙线计数率增长不明显, 甚至没有增长. 该结果为进一步研究雷暴期间大气电场对次级宇宙线的加速机制打下了基础.      

电场的标定方法

介绍了球载双球式电场仪、微火箭电场仪和地面旋转式电场仪等3种仪器的标定方法.电场涉及空间物理、空间环境和雷电及地震等多种自然现象的特征参数,对电场的探测或监测应用日益广泛.在我国目前尚未建立电场的国家标准和军用标准的情况下,通过研制的较简易的电场标定系统,对不同结构的电场仪进行标定,均获得了与理论计算相符的结果,为电场测量数据的可信度提供了依据.      

北京和东北地区雷暴与太阳活动的关系

太阳活动对于大气电性能可能会产生影响,而大气电性能在雷暴形成过程中可能会起着重要作用.因此,太阳活动对于大气电性能的影响,最终将有可能影响到雷暴的形成.本文用1957年到1978年北京地区和东北地区的10个气象站的13000多个雷暴资料,用时序迭加法分析了雷暴数与太阳磁扇形界面通过、太阳耀斑及太阳黑子11年周期变化等的关系.结果表明,有些年分的雷暴数当行星际磁场方向由指向太阳变为离开太阳的磁扇形界面扫过地球时有相关影响,在界面通过前后3天内或7天后雷暴数明显增大.从季节来看,上半年的界面通过比下半年的界面通过对雷暴的影响大.在各种太阳耀斑分类统计分析中,看到出现在日面上西区特别是西一区(0°-30°)的耀斑对雷暴的影响显著.雷暴数与太阳黑子11年周期变化则没有很显著的相关关系.      

带电云对大气电场随高度变化特征的影响

大气电场与雷暴活动、气候变化、大气污染、太阳活动密切相关,在特殊地形上探测大气电场的高度分布对于大气电学的相关研究具有重要意义。2020年9月12日,中国科学院鸿鹄专项团队将大气电场仪搭载在探空气球上,在青海省海西蒙古族藏族自治州大柴旦地区进行了大气电场高度分布的探测实验。本文分析讨论了此次实验中用到的电场仪、实验过程及实验结果。大气电场曲线中间凸起的部分对应电场仪穿过带电云层,因此将其分为三段并分别进行拟合。探测实验及分析结果表明:在不同高度处大气电场的主要影响因素不同,其分布规律会存在差异。此外,带电云会使大气电场强度整体增大,但云层中大气电场的高度分布仍能较好地符合指数变化规律。      

雷暴云准静电场和夜间低电离层的电离

用点电荷模型计算雷暴云突然放电后形成的准静电后形成的准静电场随高度的分布，以E/N（E的电场大小，N为大气密度）为输入参量，在一定条件下，对Boltzmann方程数值求解，计算电离层电子数密度的扰动。计算结果表明，在约70-90km之间，在约放电后的10ms内，准静电场大于中性大气的击穿电场，将引起大气的雪崩电离，从而引起夜间低电离层电子密度的显著增加，但这种电子密度的增加是暂的，在很短的时期内就恢复到平静时的水平，恢复时间随高度的变化而不同。     

对流层雷暴源所产生的柱形重力波

已有充分的证据表明, 大气对流层的雷暴迹象是大气中间层重力波活动的显著代表源.在雷暴迹象的上方, 通过火箭已观测到大气中间层出现的热效应, 也已通过雷 达探测到大气平流层出现的上行重力波, 从地面和卫星平台上观察到夜间气辉有序而 成环状的重力波波形. 所有这些实验结果都与位于观测点下方的雷暴活动有紧密联系. 此类雷暴通常主要集中在中国东部沿海以及地球其他沿海海湾地域. 关于此类雷暴对大 气中间层的影响尚未被充分研究和了解. 为能有效地探究其成因, 利用所开发的一个二维计算机数值模型模拟和研究大气对流层的雷暴源所引发的上行重力波, 进而揭示 此类重力波产生的基本物理机理, 及其在大气中间层的能量耗散. 通过模拟研究发现, 雷暴源可以大面积高强度地聚集和释放积雨云的能量, 当这种周期性的对流变化引发大气对流层的不稳定性后, 就会有圆柱体重力波的产生和传播.      

Electric currents from thunderstorms to the ionosphere during a solar cycle: Quasi-static modeling of the coupling mechanism

Conduction and displacement currents, and their sum the Maxwell current, generated over a thunderstorm (TS) with recurrent lightning discharges are investigated theoretically. The aim is to study better the influence of different factors on these currents, which form the link between thunderstorms and the ionosphere in the global atmospheric electrical circuit. The factors studied concern the thunderstorm characteristics (the charge separation current, and the lightning discharge parameters), as well as the atmospheric and cloud conductivity. Some of these factors may show long-term changes with the 11-year solar cycle, possibly realized through an inverse dependence of the cosmic ray flux on solar activity. Earlier investigations have suggested that the lightning-related charge redistribution and subsequent relaxation, rather than the high intensity current, is mainly the source of the energy coupled to the ionosphere. With respect to this, a quasi-electrostatic analytical model is proposed, based on Maxwell’s equations. The currents are generated by a TS modeled as a positive vertical dipole with charges which are first accumulated and then destroyed by lightning. Our computations show that the mean and peak values of the conduction and total Maxwell currents to the ionosphere depend significantly on the charge moment change. The mean currents are also sensitive to the reduction of the conductivity in thunderclouds. Small variations of the stratospheric conductivity (20% at geomagnetic latitude 40° and 40–50% at 55°) with the solar activity do not influence the currents to the ionosphere very much.