分区式线型阱设计及其离子囚禁性能分析

基于分区式线型阱的汞离子微波钟已在国际上首次实现了空间在轨飞行验证，为今后深空探测技术领域实现单向导航奠定了基础。设计了一种基于“四极阱+十二极阱”的分区式线型离子阱，主要采用离子数密度分布模型，数值分析了轴向和径向的势阱结构特征，研究了该离子阱的离子囚禁性能，给出了囚禁离子的设计参数，估算了该离子阱应用于汞离子微波钟的二阶多普勒频移大小。论证了四极阱中实现光抽运与荧光探测，十二极阱中实现离子与微波相互作用及自由演化稳定存储功能的可行性。该项工作对于高性能离子囚禁钟和质谱仪的设计具有一定借鉴意义。     

汞离子微波钟技术研究进展

汞离子微波钟利用四极线型阱实现离子囚禁，通过汞光谱灯完成汞离子态的制备，易于集成和小型化；通过离子阱和汞光谱灯及其光路等关键组件优化设计，使汞光谱灯发出的抽运光与离子阱囚禁的离子充分作用，完成态的制备；40.5 GHz微波通过喇叭发射至离子阱中心，完成离子数反转；利用弱荧光信号探测系统完成汞离子超精细能级跃迁谱线的探测，实测跃迁谱线线宽约1 Hz;通过伺服控制环路完成汞离子微波钟的闭环锁定，经实验测试，频率稳定度可达■。     

汞离子微波钟技术研究进展

汞离子微波钟利用四极线型阱实现离子囚禁，通过汞光谱灯完成汞离子态的制备，易于集成和小型化；通过离子阱和汞光谱灯及其光路等关键组件优化设计，使汞光谱灯发出的抽运光与离子阱囚禁的离子充分作用，完成态的制备；40.5 GHz微波通过喇叭发射至离子阱中心，完成离子数反转；利用弱荧光信号探测系统完成汞离子超精细能级跃迁谱线的探测，实测跃迁谱线线宽约1 Hz;通过伺服控制环路完成汞离子微波钟的闭环锁定，经实验测试，频率稳定度可达■。     

磁场重联的二维粒子模拟研究

利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程，得到了不同区域的离子和电子速度分布．计算结果表明，电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量By呈现四极形分布．离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布，呈现非局域的多重分布．同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热，因而在电子的能谱分布中形成-高能尾。     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。     

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.      

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.      

磁重联区Alfven波及新生离子的加速

利用二维混合数值模拟研究了有速度驱动、低等离子体β值情况下的磁场重联过程，结果表明磁重联过程可以产生Alfven波，该Alfven波动对重新区中的新生离子作用，使得新生离子经历投掷角散射方程，具有球壳分布特征，部分新生离子得到加速，其获得的最大能量约为4（miVA0^2/2)，此加速过程所需的加速时间在100／Ωi量级，是一个极快的加速机制，加速粒子能谱为双幂律谱。     

捕获加速新生离子对Alfvén波的激发

根据准线性方程,求出了在离子持续产生并被太阳风捕获加速的情况下离子的渐近态分布函数.采用此分布函数分析了斜向传播的Alfven波的稳定性.     

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.      

离子发动机羽流二维轴对称数值模型与验证

为了解离子发动机羽流特别是交换电荷离子(CEX,Charge-Exchange)的分布和流动特性,建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格(PCI,Particle in Cell)方法对2种型号的离子发动机羽流场进行数值模拟计算,与其地面实验数据进行对比分析.结果表明:在CEX离子密度大小及分布、电势的大小及最大电势梯度的位置、CEX离子流动角方面,模拟结果同实验结果符合得相当好.在电势结构方面,由于舱壁电势的影响,模拟结果同实验结果相比有一些差别.羽流模型和计算结果为相关羽流实验和数值模拟研究提供参考.      

Field emission characteristics of gold dust grains

The space plasma environment usually contains charged dust grains. The grain charge is an important parameter determining its migration through the space, coagulation, formation of dust clouds and so on. The knowledge of its charge is thus one of the basic information we want to know. There are several emission processes leading to both positive and negative charges, among others photoemission, all kinds of secondary emissions, field emissions, etc. The present study is focused on a laboratory simulation of emissions caused by impacts by energetic ions. Our experiment is based on the Paul trap which gives us an opportunity to catch a single dust grain for several days inside the vacuum vessel and exposed it by electron/ion beams. This experimental approach allows us to separate an individual charging process. We have chosen spherically shaped gold grains and discussed the processes leading to the limitation of the grain charge. We suggested that the implantation of charging ions leads to deformations of the grain surface. The deformations enhance the local electric field strength that becomes sufficient for the field ionization.     

The mass spectrum analyzer (MSA) onboard BEPI COLOMBO MMO: Scientific objectives and prototype results

BEPI COLOMBO is a joint mission between ESA and JAXA that is scheduled for launch in 2014 and arrival at Mercury in 2020. A comprehensive set of ion sensors will be flown onboard the two probes that form BEPI COLOMBO. These ion sensors combined with electron analyzers will allow a detailed investigation of the structure and dynamics of the charged particle environment at Mercury. Among the ion sensors, the Mass Spectrum Analyzer (MSA) is the experiment dedicated to composition analysis onboard the Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). It consists of a top-hat for energy analysis followed by a Time-Of-Flight (TOF) section to derive the ion mass. A notable feature of MSA is that the TOF section is polarized with a linear electric field that provides an enhanced mass resolution, a capability that is of importance at Mercury since a variety of species originating from the planet surface and exosphere is expected. MSA exhibits two detection planes: (i) one with moderate mass resolution but a high count rate making MSA appropriate for plasma analysis, (ii) another with a high (above 40) mass resolution though a low count rate making it appropriate for planetology science. Taking advantage of the spacecraft rotation, MSA will provide three-dimensional distribution functions of magnetospheric ions, from energies characteristic of exospheric populations (a few eVs or a few tens of eVs) up to the plasma sheet energy range (up to ∼40 keV/q) in one spin (4 s).     

碘工质射频离子推力器栅极系统束流特性仿真

为分析碘工质射频离子推力器束流特性,应用粒子云网格算法（PIC）,对碘工质射频离子推力器栅极系统进行三维数值仿真。碘工质电离产物中除了大量存在的I⁺,还包含少量I₂⁺、I²⁺、I³⁺几种多价离子。对添加多价离子前后束流特性的仿真结果进行对比,得出该栅极系统离子空间分布、电势分布、离子相空间分布以及束流、束流发散角,并对变密度工况下束流大小进行统计。计算结果表明,程序能较好地模拟离子在栅极系统中的运动情况：添加多价离子后,等离子体悬浮电势有所上升,鞍点电势有所下降,但整体电势分布的变化幅度较小;添加多价离子后束流大小略有增加,束流发散角略有减小,通过理论分析可知仿真所得理论推力及理论比冲均有小幅度增加;放电室等离子体数密度增加到约2.4×10¹⁷m^-3时,该栅极系统达到了束流引出的极限,后续增大等离子体密度引出束流不增反降。模拟结果可以为碘工质射频离子推力器栅极系统的设计提供参考。     

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

用数值模拟的方法研究磁暴主相期间影响环电流分布特征的要素

环电流是距离地心2～7 Re的带电粒子围绕地球西向漂移形成的.环电流的增强将引起全球磁场的降低,反映了地磁暴的强度.磁暴主相期间,对流电场驱动等离子体片中的能量粒子经历E×B漂移与俘获注入环电流,进入损失锥的粒子沉降到大气中.本文采用磁暴主相期间环电流离子分布的模型,结合上述因素研究不同离子能量下对流电场对环电流离子通量的直接影响,以及强弱对流电场下环电流能量离子投掷角的变化,并从物理上阐述造成此种通量分布特性的原因.      

Optical observations of ion tail structures and velocity flows in comet Halley during the period of the five spacecraft encounters

Observations of the distribution and evolution of a number of the major constituents of the neutral coma (CN, C₂, CH, O, H, Na) of Comet Halley were made during two observing periods, each of 3 weeks duration, from the Table Mountain Observatory, California. The first period was pre-perihelion, in late November/December 1985. The second period, from Feb 28 to March 22 1986, covered the five close spacecraft encounters with Halley, and when ICE flew some 20 M Km upstream of Halley. Sodium emission was recorded in early Dec 1985 from the near-nuclear region at a heliocentric distance of 1.4 AU, an observation confirmed with the UCL Doppler Imaging system. The CN coma could be detected to an outer diameter of more than 4M Km in Dec 1985, and 5 – 6M Km in early March 1986, allowing the production of heavy cometary pick-up ions to be estimated. Observations of the cometary ion coma (H₂O⁺ and CO⁺ ions) showed considerable variability from day to day, particularly during the period of the spacecraft encounters. These observations have been used, in conjuction with the neutral coma data, to map the flow field of cometary ions. In early Dec. 1985, Halley developed a traditional “type I” ion tail, which persisted until late April 1986. It has also been possible to evaluate the ion flow fields within the narrow core of the ion tail, and in the surrounding diffuse, low density, regions populated by pick-up and extracted cometary ions, and by slowed solar wind ions. Tail disconnection events were observed on several occasions, particularly between the VEGA 2 and GIOTTO encounters, and with a highly spectacular event on March 19 1986.