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.     

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.      

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.     

嫦娥四号能量中性原子观测揭示太阳风与月面相互作用新特征

与地球不同,月球暴露在太阳风中。太阳风注入到月面,与月壤相互作用,部分太阳风质子以能量中性原子（Energetic Neutral Atom, ENA）的形式被月表散射。另外,月球局部地区的磁异常能阻挡太阳风到达月面,并形成微磁层,成为月面天然的保护屏障。然而以往相关的观测数据都来自轨道器,月面的真实情况无从知晓。嫦娥四号任务搭载的中性原子探测仪首次在月面就位测量ENA,为研究月面和太阳风相互作用提供了新的视角。本文综述了嫦娥四号的ENA探测,重点介绍了一些不同于以往遥感观测的新现象,包括月面ENA反射率较高,ENA通量向低能段聚集,以及除了氢ENA还有其他重成分ENA等。分析上游太阳风观测数据发现,月面对太阳风的作用主要体现在105~523 eV能量段,且在磁异常下游时ENA通量整体偏低。利用全球Hall MHD数值模拟,证明了微磁层是造成ENA通量降低的原因。同时,还发现月球微磁层的形成与太阳风动压以及离子惯性长度有关,微磁层内的静电场使得太阳风减速和偏转,对应的电势差为50~260 V。

     

自主火星探测高集成离子与中性粒子分析仪

小型化、高集成化是深空探测载荷发展的主要趋势。在我国自主火星探测计划中,设计了一种高集成化的火星离子与中性粒子分析仪。采用从传感器到电子学进行最大限度共用的设计思路,在一台仪器中实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和成分的探测,大大降低了仪器对卫星平台的资源需求。仪器采取静电分析进行离子的方向和能量测量、采取飞行时间方法进行离子成分的测量。中性原子采用电离板电离成带电离子,后端的能量测量和成分测量与离子相同。鉴定件样机已经完成了初步的测试定标,结果表明其满足设计要求。     

磁暴期间环电流离子中性原子成像的模拟与观测比较研究

采用已经建立的环电流离子解析模型,结合Chamberlain地冕中性层模型,研究了2004年11月一次大磁暴期间的环电流区域中性原子(ENA)图像.结果表明,模拟的ENA图像与TC-2卫星搭载的中性原子成像仪(NUAUD)的观测图像在方位角或地方时分布、高度或纬度分布和能谱分布方面存在一定的差异.如果依据磁暴发展的不同阶段来选择环电流离子模型的方位角不对称因子和通量最大方向的方位角,增大地冕中性层在低高度区域的密度或者考虑氢(H)以外的其他中性成分,改进注入边界处的离子能谱分布函数,且考虑不同种类环电流离子的比例随磁暴发展可能发生的变化,该模型有望产生更符合观测的模拟ENA图像.     

国防原子时测试系统的设计与实现

随着现代武器系统的日趋高速化、自动化和智能化,时间频率在高技术战争中的地位越来越突出,国防原子时系统的运行研究,将对我国独立自主的时间标准系统的建立提供有利的技术支持。本文较详尽地阐述了国防原子时测试系统的组成,并介绍了系统中比对测试软件、环境监测系统的设计以及相关数据库的搭建。     

卫星数传分系统通用地检测试中频接收机设计

为满足卫星数传分系统测试任务需求,提出一种通用性、灵活性强的地检测试中频接收机设计方案.采用软件无线电设计思想,设计基于PXIe总线的模块化平台,通过FPGA进行硬件实现,符合CCSDS标准.经过工程实践,所提出的地检测试中频接收机方案已应用于工程型号,并成功执行各阶段测试工作.     

利用图像相关法精确测量3D-CT成像系统焦距

对于实际的3D-CT成像系统,射线源焦点和物体旋转轴中心的位置不能直接测量,如何采取简单易行的方法精确测量二者之间的距离(即系统焦距)成为一项工程技术难点.通过双圆目标体二次成像获得射线数字成像(DR,Digital Radiography)图像,对各DR图像进行自相关处理,获得双圆投影中心距,再通过解析方法求解出系统焦距值.实验结果表明,测量精度达到了实际扫描系统的重建要求.该方法实现简单, 具有较强的抗噪能力,可实现自动测量.      

Thermally evolved gas analysis (TEGA) of hyperarid soils doped with microorganisms from the Atacama Desert in southern Peru: Implications for the Phoenix mission

TEGA, one of several instruments on board of the Phoenix Lander, performed differential scanning calorimetry and evolved gas analysis of soil samples and ice, collected from the surface and subsurface at a northern landing site on Mars. TEGA is a combination of a high temperature furnace and a mass spectrometer (MS) that was used to analyze samples delivered to the instrument via a robotic arm. The samples were heated at a programmed ramp rate up to 1000 °C. The power required for heating can be carefully and continuously monitored (scanning calorimetry). The evolved gases generated during the process can be analyzed with the evolved gas analyzer (a magnetic sector mass spectrometer) in order to determine the composition of gases released as a function of temperature. Our laboratory has developed a sample characterization method using a pyrolyzer integrated to a quadrupole mass spectrometer to support the interpretations of TEGA data. Here we examine the evolved gas properties of six types of hyperarid soils from the Pampas de La Joya in southern Peru (a possible analog to Mars), to which we have added with microorganisms (Salmonella typhimurium, Micrococcus luteus, and Candida albicans) in order to investigate the effect of the soil matrix on the TEGA response. Between 20 and 40 mg of soil, with or without ∼5 mg of lyophilized microorganism biomass (dry weight), were placed in the pyrolyzer and heated from room temperature to 1200 °C in 1 h at a heating rate of 20 °C/min. The volatiles released were transferred to a MS using helium as a carrier gas. The quadrupole MS was ran in scan mode from 10 to 200 m/z. In addition, ∼20 mg of each microorganism without a soil matrix were analyzed. As expected, there were significant differences in the gases released from microorganism samples with or without a soil matrix, under similar heating conditions. Furthermore, samples from the most arid environments had significant differences compared with less arid soils. Organic carbon released in the form of CO₂ (ion 44 m/z) from microorganisms evolved at temperatures of ∼326.0 ± 19.5 °C, showing characteristic patterns for each one. Others ions such as 41, 78 and 91 m/z were also found. Interestingly, during the thermal process, the release of CO₂ increased and ions previously found disappeared, demonstrating a high-oxidant activity in the soil matrix when it was subjected to high temperature. Finally, samples of soil show CO₂ evolved up to 650 °C consistent with thermal decomposition of carbonates. These results indicate that organics mixed with these hyperarid soils are oxidized to CO₂. Our results suggest the existence of at least two types of oxidants in these soils, a thermolabile oxidant which is highly oxidative and other thermostable oxidant which has a minor oxidative activity and that survives the heat-treatment. Furthermore, we find that the interaction of biomass added to soil samples gives a different set of breakdown gases than organics resident in the soil. The nature of oxidant(s) present in the soils from Pampas de La Joya is still unknown.