磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.      

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.      

Volland对流电场模型的实验参数

本文将几个地面和卫星观测结果结合起来给出Volland对流电场模型的实验参数.结果能很好地与GEOS-2卫星所测得的等离子体层顶运动特征、STARE雷达测得的Harang不连续性的运动及近年来探测的磁层电离层电场相吻合.文章指出只要Volland电场模型的参数由实验确定后, 将更有助于磁层和电离层物理的研究.      

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

太阳风——磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.      

技术水平有提高空间天气早知道"探测"系列科学卫星展新貌

2003年12月30日发射的中国探测-1卫星是"地球空间双星探测计划"(简称"双星计划")中的第1颗卫星,运行在赤道轨道.2004年7月25日,"双星计划"的第2颗卫星--探测-2由长征-2C改进型火箭送入地球极轨道.这2颗探测地球磁层空间的卫星分别运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的重要活动区,主要用于研究太阳活动、行星际磁层空间暴和灾害性地球空间天气的物理过程.     

空间天气早知道——"探测"系列科学卫星

2003年12月30日发射的中国探测一号卫星和2004年7月25日发射的中国探测二号卫星是“地球空间双星探测计划”（简称“双星计划”）的两颗卫星。所谓“双星计划”就是发射2颗探测地球磁层空间的卫星进入赤道轨道和极地轨道组成“双子星座”，运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的重要活动区，主要用于研究太阳活动、行星际磁层空间暴和之灾害性地球空间天气的物理过程。[第一段]     

防止卫星带电的导电温控涂层

迄今为止,对于同步轨道上运行的卫星,已观察、记载到数百次与卫星表面带电和放电有关的异常行为。这些异常行为主要表现为:逻辑干扰、开关转换、无指令线路转换、遥测异常、配线控制不稳定等。卫星表面的带电是由于磁层亚暴时,热等离子体(能量为几到几十千电子伏特)从磁尾注入同步高度及3—7地球半径的区域,与卫星表面材。料相互作用所致。据ATS-5卫星测得的数据:在同步轨道上运行的卫星每年约有1300小时处于亚暴环境中,其中对卫星影响较大的中、强亚暴(使表面—卫星地电位达-3～-12千伏),约占总时间的60％。     

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。     

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。     

Laboratory experiments on spacecraft charging and its neutralization

Simulation experiments on spacecraft charging in space plasma and its neutralization are performed in relation to the electron beam experiment (SEPAC) on Space Shuttle Spacelab 1. A spacecraft simulator or a spherical probe is immersed in a magnetized plasma and a positive high voltage with respect to the plasma is externally applied to it. The current-voltage characteristics follow quite well with the theoretical model of Parker and Murphy [1] in the low voltage, low pressure region. When the voltage rises to more than the ionization potential of the surrounding neutral gas, it departs from the model and the effect of plasma production by the electron current becomes very important. The same kind of ionization effect as this has also been observed in our rocket experiments with an electron beam. The enhancement of the ionization effect by an additional neutral gas injection causes a considerable suppression of the potential rise of a spacecraft emitting an electron beam. This is demonstrated with the SEPAC accelerators in a large space chamber experiment.     

用发射探针确定等离子体空间电位的实验研究

实验研究了空间电荷对发射探针确定等离子体空间电位的影响,探讨确定等离子体空间电位的可靠方法。结果表明,发射探针之统发射电流趋于零之点更接近于等离子体的空间电位。      

Particle-in-cell simulation of the plasma environment of a spacecraft in the solar wind

The main interactions between the plasma and the spacecraft are the wake effects, the emission of a dense photoelectron cloud and the electric charging of the surface of the spacecraft. An electrostatic particle-in-cell computer simulation model is presented, that allows the simultaneous calculation of these related effects. For different plasma properties, two-dimensional simulations yielded the steady state self-consistent potential distributions around the probe. These potentials, especially the potential barriers produced by the photoelectron cloud, have great influence on the measurements of the low energy solar wind electrons. The essential features can be verified by a comparison with selected electron distributions measured onboard the HELIOS spacecraft.     

太阳风中航天器带电与尾迹效应的模拟

航天器充电和尾迹效应会对周围等离子体造成扰动,影响测量装置结果的准确性.利用SPIS （Spacecraft Plasma Interaction Software）分别模拟了航天器与太阳风的相互作用,考察了光电效应以及航天器尺度对表面充电情况和尾迹效应的影响.结果表明:太阳风环境下,等离子体密度稀薄,电子电流比光电子电流小得多,航天器表面为正电势,航天器后部有清晰的尾迹结构,尾迹带负电;光电效应可改变尾迹结构,与无光电效应相比,光电效应使得航天器尾迹尺度变大;由于太阳风定向运动动能大于航天器表面势能,航天器的尾迹结构与其几何尺寸有关,航天器尺寸越大,尾迹尺度越大.      

Electric antenna as a dust detector

Electric antenna responds to three effects caused by a dust impact-induced plasma cloud: -change separation electric fields, -charging of the antenna, -pulse of the spacecraft potential. Each effect, being a function of the induced charge (particle mass), depends on the ambient plasma conditions, including photo- and secondary emissions. The first two effects are also strongly dependent on the impact geometry. In the paper an attempt is made to consider systematically the dependence on the charge and ambient conditions for two main types of antenna (probe, wire/cylinder) and for both configurations (monopole, dipole). A conclusion is drawn that for a plasma wave/radio experiment to be utilized as a dust detector, the most advantageous option is a monopole, whose probe (wire/cylinder) is not exposed to dust-induced plasma.     

Kinetic theory of the current sheath. I. On polarization of an equilibrium current sheath

The basic theme of this paper is the investigation of the polarizing electric fields caused by anisotropy of thermal plasma of a current sheath. The paper provides a generalization of the equilibrium distribution function of the current sheath (Harris function) to the case of temperature anisotropy of plasma along and across the sheath. It appears that solution of the electroneutral equilibrium represents a narrow class of solutions and is true only for certain relations between the parameters of the problem. In the general case, the plasma of a stationary current sheath is polarized. The structure of the current sheath of a magnetosphere tail is investigated with regard to the effect of polarization, and profiles of the polarization electric fields are obtained. This field should be taken into account in the study of current sheath stability.     

高速撞击梯度电势靶板产生等离子体诱发的放电

针对在轨运行航天器在空间等离子体环境和空间带电粒子活动下诱发航天器表面梯度电势存在的客观现实,航天器在空间碎片的撞击下会诱发表面带电或深层电介质带电的航天器放电。为了在实验室模拟航天器表面存在电势差的真实情况,采用对航天器外表面分割的方法,在分割的表面间预留不同间距且在2靶板间加装电阻的方法创造具有梯度电势的高电势2A12铝板作为靶板。利用自行构建的梯度电势靶板的充放电测试系统、超高速相机采集系统和二级轻气炮加载系统,开展高速撞击梯度电势2A12铝靶的实验室实验。实验中,弹丸以入射角度为60°（弹道与靶板平面的夹角）、撞击速度约为3 km/s的条件撞击间距分别为2、3、4和5 mm的2A12铝高电势靶板,利用电流探针和电压探针采集放电电流和放电电压。实验结果表明:放电产生的等离子体形成了高电势与低电势靶板间的放电通道,且在梯度电势靶板间距分别为2、3 mm时诱发了一次放电,放电电流随高低电势靶板间间距的增加而减小;在梯度电势靶板间距分别为4、5 mm时诱发了二次放电,放电电流随高低电势靶板间间距的增加变化不明显。