天问一号火星离子与中性粒子分析仪发布首个科学成果

天问一号环绕器有效载荷火星离子和中性原子分析仪(Mars Ion and Neutral Particle Analyzer, MINPA)用于探测行星际及火星空间环境中的离子和能量中性原子.在地火转移阶段,MINPA于2020年10月31日正式开机工作,获得了至2021年1月26日期间的太阳风监测数据.进入环火轨道后...     

火星等离子体环境探测

萤火一号(YH-1)探测器将对火星空间环境进行独立而深入的探测研究,探测各空间区域的等离子体特性及其对太阳风扰动的响应,以及火星离子逃逸过程,研究太阳风对火星水体损失的影响。为了实现这一目标,萤火一号搭载了等离子体探测包,包括2个离子分析器和1个电子分析器,具有较高的时间分辨率、能量分辨率,可以探测0.02～10 keV的离子、电子,同时能够对粒子的入射方向及1～44 au(1 au=9.1095×10~(-31)kg)质量范围内的离子成分进行分辨。本文阐述了萤火一号等离子体探测的科学意义,并对等离子体包的工作原理,仪器设计进行了介绍。     

日球层内外能量中性原子的探测

能量中性原子(Energetic Neutral Atoms, ENA, 简称能原子)是指在日球层内外空间, 拥有>0.1keV动能的原子.在此空间领域并没有温度>106K的中性气体, 但却充满动能>0.1keV的正离子.因此能原子A应该是A+离子与原地稀薄气体B原子或分子交换电荷所产生的, 即A++B→A+B+. 电荷交换涉及极小的动能变化, 新生的能原子A和离子B+基本上各自保持原有动能. 离子B+随即被当地磁场俘获, 能原子A则脱离磁场约束并携带其原属离子群的成分和能量信息而直线运动, 成为遥测空间等离子体的有效媒介. 美国人造卫星 IBEX (Interstellar Boundary Explorer) 直接探测得到来自日球层以外星际空间的能原子, 大幅延伸了利用能原子遥测空间等离子体的领域. 本文据此论述了空间能原子的发现, 综述了探测空间能原子的基本概念与实例、取得的主要成果、仪器设计和研制进展以及未来空间利用能原子遥测的发展趋势.      

一种基于TOF×E方法的空间中能离子探测器设计与仿真

对空间中几十keV到几MeV的中能离子进行成分、能谱和角分布进行测量，具有重要的科学价值和应用意义。中国在载人登月等深空探测计划中明确提出了对中能离子的探测需求，但当前尚未掌握中能离子测量技术。本文提出了一种基于SEE TOF×E方法的中能离子探测器方案，方案包括复合材料二次电子薄膜、电极、位置灵敏MCP探测器和SSD等核心部件的设计，可同时实现对5个方向的中能离子和4个方向的中能电子的测量。结合目前空间粒子探测载荷可实现的硬件时间分辨率、能量分辨率和仿真计算结果，可以发现，该设计可以在40 keV～5 MeV能量范围实现中能离子能谱测量；并能够对40 keV～5 MeV的H离子，45 keV～5MeV的He离子，130 keV～5 MeV的O离子和240 keV～5 MeV的Fe离子进行离子成分分辨；同时可实现对20～500 keV的电子进行能谱测量。     

自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计

火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式，不同探测模式下数据率不同，多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率，利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点，火星离子与中性粒子分析仪压缩算法采用合并处理、对数压缩和无损压缩三种压缩算法组合。对于每种探测模式，FPGA程序可根据压缩标志选择相应压缩算法，实现三种压缩算法串行使用，或选择其中一种或两种算法。并且压缩标志可通过注入指令改写，实现在轨时根据需求灵活配置。合并处理压缩比为2或4，对数压缩的压缩比为2，无损压缩效率与样本数据间的相关性有关。在此基础上，利用等离子体定标测试系统完成了地面测试。测试结果表明，各探测模式下科学数据经过压缩后数据率满足任务指标要求。     

日冕能量中性原子编码调制成像方法应用

针对空间天气活动机理、机制及规律等方面研究需要，Kuafu卫星计划提出对日冕中性原子进行成像观测.通过分析日冕中性原子观测的科学意义和观测方法，采用编码调制方法进行日冕中性原子成像，并依据科学指标完成了整个仪器初步方案设计和仿真计算.仪器测量的中性原子能量范围为0.5~6MeV，视场范围为360°×10°.利用高压静电偏转电极板去除测量范围内的带电粒子，仪器由m序列编码调制栅网与硅半导体构成的成像结构及电子学箱共同组成.编码成像方案和仿真计算奠定了日冕中性原子成像观测的技术基础，可为空间天气中长期规律及预报等研究提供技术手段.      

中性原子成像仪的定标测试

中性原子成像仪（NAIS-H）获取的高时空分辨率图像可为地球空间磁暴和亚暴过程的各类机制研究提供全景式的空间粒子分布数据,为磁层与电离层耦合、磁层能量耗散等MIT（磁层elax-elax电离层elax-elax热层耦合小卫星星座探测计划）科学研究任务提供重要的数据支撑.探测器的标定是研制过程的一个重要技术环节,是日后空间探测数据分析和反演基本依据.本文利用模拟信号源对中性原子成像仪原理样机的前端电子学系统进行了能谱定标,并利用电子加速器对标定的能谱进行了辐射测试验证.      

深空探测中的激光诱导击穿光谱探测仪

物质成分探测是深空探测领域非常重要的技术领域,激光诱导击穿光谱技术是一种可以非接触式快速获得物质元素成分信息的手段,论文针对2020年我国首次火星探测任务提出的火星表面成分探测仪,阐述了激光诱导击穿光谱技术基本原理,国内外的技术发展现状和趋势,重点围绕火星环境、有效载荷生存性进行了分析,最后论文详细探讨了激光诱导击穿光谱技术中的数据反演和定量化技术。     

火星空间环境磁场探测研究——高精度磁强计

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测。火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响,萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的。此磁强计在工作原理及具体设计上,考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求。通过装星前的地面标定测试,验证了萤火一号磁强计可以在-130～75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率可达到0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求。     

中性原子成像探测的物理设计与仿真

研究了磁层-电离层-热层耦合星座(MIT)卫星计划中高能中性原子成像仪(NAIS-H)探测方案的原理设计和模拟仿真. 以双星中性原子成像仪设计思想为基础,依据MIT卫星计划的总体科学目标和磁层卫星的轨道环境及相应自旋姿态,给出中性原子成像仪的技术架构,并针对地磁偶极场的环电流模型进行了模拟仿真. 仿真结果表明,所研制的NAIS-H以其高时空分辨能力适用于监测和反演磁暴期间磁层等离子体的全球动力学过程.      

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors,HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors,SWIDs）,进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于10¹¹ cm^-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。     

Towards multi-dimensional space weather modeling for energetic oxygen ions in the earth''s inner magnetosphere: Equilibrium configuration

We report the first 3+1 dimensional model development for energetic atomic oxygen ions in the Earth's radiation belts. Energetic Oxygen ions cans be supplied to the Earth's Inner magnetosphere from the sun (as a component of solar wind and solar energetic particles), from anomalous cosmic rays, and from acceleration processes acting on ionospheric atomic oxygen ions. We have built a multi-dimensional oxygen ion model in the following free parameters: geomagnetic L-shell, the magnetic moment, the second adiabatic invariant, and the discrete charge state number. Quiet time, steady state oxygen ion distributions have been obtained numerically from an assumed outer radiation zone boundary condition at L=7, average values of the radial diffusion coefficients, and standard values for the exospheric neutral densities due to the MSIS-86 upper atmosphere and exosphere neutral thermal particle density model. Average distributions of free electrons in the plasmasphere were also assumed with a mean plasmapause location just beyond L=4. We included the six lowest ionic charge states of atomic oxygen (¹⁶O) based on an existing charge exchange cross section compilation by Spjeldvik and Fritz (1978). Computed oxygen ion distributions include the resulting equilibrium structure of energy oxygen ions between 10 KeV and 100 MeV.     

火星尘埃与探测

火星表面尘埃与太阳辐射、热辐射的相互作用直接影响火星大气的结构、热平衡和动力学过程,并会产生改变火星表面反照率和火星地貌的长期效应.火星尘埃环境还对登陆于火星表面的着陆器能源系统和光学载荷等系统构成影响.为此需开展火星大气尘埃的直接就位探测.在介绍了火星的尘埃特性与主要探测方法基础上,提出了采用微质量计技术开展火星表面尘埃就位探测的综合探测器方案.探测器包含3种传感器.尘埃累积传感器通过设置其敏感晶体表面朝上,可以探测火星表面尘埃的沉积质量与速率;荷电尘埃传感器通过加置不同极性的偏置电压,可以探测荷正电尘埃和荷负电尘埃的累积特性;磁尘传感器通过在敏感晶体后加设小型永久磁铁,可以探测磁性尘埃的累积特性.传感器感测质量范围为10^-11~10^-4g.火星尘埃综合探测器可应用于未来的火星着陆探测计划.     

利用CRISM数据探测火星表面含水矿物及其演化

火星表层矿物识别是了解火星大气环境变化、表层地质环境的关键因素。通过确定火星表层矿物,分析矿物特性,了解火星的环境状态、地质演化以及火星的未来适居性。火星勘测轨道器(Mars reconnaissance orbiter,MRO)上搭载的紧凑型侦察成像仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars,CRISM)是针对火星矿物探测的最新的高光谱成像仪,以很高的光谱分辨率覆盖可见光至近红外波段,为火星表面的矿物分布及区域填图提供了可能。通过光谱匹配及计算CRISM光谱参数综合产品,分析了火星Jezero以及Holden撞击坑内的矿物成分及其演化。Jezero与Holden因其复杂而关键的地质特征,被列为火星2020登陆任务的备选登陆点。对这两个地点的矿物探测与填图分析不仅可进一步分析火星典型地质特征以及演化,而且还可以为未来的火星登陆点分析提供现实意义。在研究区域已检测到与水成蚀变相关的含水硅酸盐类以及碳酸盐类与含水硫酸盐类。水合矿物增加了这些区域曾经含水的可能性,且矿物的多样性表明研究区地质环境经历了不同的变化,其中Jezero地区不同于火星的绝大多数地区从中性环境到酸性环境的演化,有可能经历了从中性环境到碱性环境的演化。     

Energetic ion acceleration and transport in the upstream region of Jupiter: Voyager 1 and 2

Long-lived upstream energetic ion events at Jupiter appear to be very similar in nearly all respects to upstream ion events at earth. A notable difference between the two planetary systems is the enhanced heavy ion compositional signature reported for the Jovian events. This compositional feature has suggested that ions escaping from the Jovian magnetosphere play an important role in forming upstream ion populations at Jupiter. In contrast, models of energetic upstream ions at earth emphasize $\text{in situ}$ acceleration of reflected solar wind ions within the upstream region itself. Using Voyager 1 and 2 energetic (? 30 keV) ion measurements near the magnetopause, in the magnetosheath, and immediately upstream of the bow shock, we examine the compositional patterns together with typical energy spectra in each of these regions. We find characteristic spectral changes late in ion events observed upstream of the bow shock at the same time that heavy ion fluxes are enhanced and energetic electrons are present. A model involving upstream Fermi acceleration early in events and emphasizing energetic particle escape in the prenoon part of the Jovian magnetosphere late in events is presented to explain many of the features in the upstream region of Jupiter.     

Phobos-Grunt: Russian sample return mission

As an important milestone in the exploration of Mars and small bodies, a new generation space vehicle “Phobos-Grunt” is planned to be launched by the Russian Aviation and Space Agency. The project is optimized around a Phobos sample return mission and follow up missions targeted to study some main asteroid belt bodies, NEOs and short period comets. The principal constraint is use of the “Soyuz-Fregat” rather than the “Proton” launcher to accomplish these challenging goals. The vehicle design incorporates innovative SEP technology involving electrojet engines that allowed us to increase significantly the mission's energetic capabilities, as well as highly autonomous on-board systems. Basic criteria underlining the “Phobos-Grunt” mission scenario, scientific objectives and rationale including Mars observations during the vehicle's insertion into Mars orbit and Phobos approach maneuvers, are discussed and an opportunity for international cooperation is suggested.     

Characteristics of solar particle events at Mars relative to Earth

While not specifically designed to detect solar energetic particle radiation, the Electron Reflectometer onboard Mars Global Surveyor (MGS/ER) collected such data from January 1999 through October 2006. Energetic protons (?25 MeV) and other ions penetrated the MGS/ER shielding and registered counts within the instrument’s electronics. During solar particle events (SPE’s), prolonged enhancements in the particle background were observed at Mars with time intensity profiles similar to Earth based SPE observations. Throughout the lifespan of MGS/ER, 85 distinct SPE’s were observed. Basic characteristics of Mars based SPE observations and the frequency of SPE occurrences at Mars are compared to corresponding Earth based observations. Approximately 22% of SPE’s that occurred during MGS/ER operation were observed at Earth but not Mars. Similarly, 19% of SPE’s were observed at Mars but not Earth. Time intensity profiles at Earth and Mars match predictions provided in the literature, based on the physical location of the detector with respect to the motion of the interplanetary shock wave. Note: The work described herein was largely conducted as part of a doctoral dissertation produced by the author.     

准平行无碰撞激波上游能量粒子的观测研究

通过Cluster卫星在2005年3月16日观测到的一个准平行激波观测事例,研究了准平行激波上游低频等离子体波动与能量离子之间的关系.卫星观测结果表明,在准平行激波上游,离子微分能通量受到了非线性波动的调制.在磁场强度较小区域,离子微分能通量较高.产生这种现象的可能原因是准平行激波上游的非线性波动可以捕获离子,被捕获的离子在波动中来回弹跳并被电场加速,从而导致磁场强度较小区域离子微分能通量较高.这一观测结果与已有的混合模拟结果相吻合.      

环电流区能量离子分布特性研究

为了考察环电流区离子的分布情况,采用环电流粒子理论模式,对环电流中10-100 keV的离子进行了模拟研究.这个模式能够根据近地注入区外边界处离子的分布函数得出磁暴主相期间环电流中的主要成分H+,O+,He+3种离子的通量分布.计算结果分析表明,在其他条件相同的情况下,不同种类离子的通量分布的形态结构十分相似.电场强度对环电流离子通量的空间分布具有决定性的作用;晨昏电场强度越强,离子的通量越高;晨昏电场越强,环电流离子的内边界越接近地球.10keV的离子在电场相当弱的时候还是存在着连续的通量分布,但他们的形态和结构随着电场的变化有明显的变化.电场很弱时,离子分布主要集中于内外两个环带,离子通量在晨侧的更多一些,离子通量的最大值基本上是在比较靠近地球的环带上;随着电场的增强,离子分布的内外两个环带逐步合并,离子的分布逐渐靠近地球,通量分布的最大值也移动到了昏侧.环电流离子投掷角分布具有各向异性,投掷角在90°左右的时候,离子通量能达到最大值.