Coupling of earth’s magnetosphere,solar wind and lunar plasma environment

The Moon does not have significant atmosphere and magnetic field. So it was considered like a passive absorber of incoming plasma. The latest observation revealed that the significant deflected proton fluxes exist over magnetic anomalies at lunar surface. Such deflection implies that the magnetic anomalies may act as magnetosphere-like obstacles (mini-magnetospheres), modifying the upstream plasma.     

太阳风中磁场重联离子扩散区的大尺度特征

利用ACE和WIND卫星2007年1月6日的联合探测, 在1AU附近发现了一个等离子体密度极低的Petschek-like重联喷流区. 该喷流区内部出现了非常明显的Hall双极磁场、等离子体密度下降区以及与Hall电流相符的低能段电子投掷角分布. 这些特征与重联离子扩散区的Hall效应非常吻合, 说明很可能在太阳风中观测到了一个离子扩散区. 分析表明, 与之相关的磁场重联为准稳态快速完全反向重联, 其扩散区以一对慢模波为边界, 空间尺度达到80个离子惯性长度, 表现出了大尺度重联的特征.     

电子重联中电磁场结构的粒子模拟

采用2.5D全粒子模拟程序研究了强引导场情况下的电子重联, 分析了重联率最大时刻霍尔磁场、霍尔电场及电子流速的空间分布特征. 重联率最大时刻, 观察到分离线两侧的电子入流及出流, 并且有四极霍尔磁场生成. 与早期标准重联的研究结果不同, 霍尔磁场并未在引导场的作用下发生明显扭曲. 同时分离线区域发生电荷分离, 并生成近似对称分布的霍尔电场. 此外, 研究了电子流速空间分布的时间演化. 在重联前期, 电子主要沿磁力线流动, 即 $ boldsymbol{v}_{{mathrm{e}}}approx v_{mathrm{e}y}boldsymbol{B}/B_y $; 在重联后期, 电子运动由电场漂移所主导, 即 $ boldsymbol{v}_{{mathrm{e}}}approxboldsymbol{E}timesleft(B_yboldsymbol{e}_{{{y}}}right)/B_y^2 $. 模拟结果表明, 电子重联中可以发生极强的电荷分离, 生成近似对称分布的霍尔电场. 在引导场下, 这种霍尔电场将导致电子的电场漂移, 并主导电子流速的面内空间分布, 进而生成近似对称分布的霍尔电流和四极霍尔磁场.     

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。

     

Theoretical model of steady-state magnetic reconnection in collisionless incompressible plasma based on the Grad–Shafranov equation solution

The problem of steady-state magnetic reconnection in an infinite current layer in collisionless, incompressible, nonresistive plasma, except of the electron diffusion region, is examined analytically using the electron Hall magnetohydrodynamics approach. It is found that this approach allows reducing the problem to the magnetic field potential finding, while last one has to satisfy the Grad–Shafranov equation. The obtained solution demonstrates all essential Hall reconnection features, namely proton acceleration up to Alfvén velocities, the forming of Hall current systems and the magnetic field structure expected. It turns out that the necessary condition of steady-state reconnection to exist is an electric field potential jump across the electron diffusion region and the separatrices. Besides, the powerful mechanism of electron acceleration in X-line direction is required. It must accelerate electrons up to the electron Alfvén velocity inside the diffusion region and on the separatrixes. This is a necessary condition for steady-state reconnection as well.     

基于石墨烯的量子化霍尔电阻研究综述

电阻作为重要的元器件在电气电子及其他非电领域得到了广泛应用,对其阻值进行准确溯源和量值传递至关重要。相较于实物电阻计量标准,量子化霍尔电阻标准稳定性和准确性更高。目前我国国家/国防量子化霍尔电阻计量基准是基于砷化镓-铝砷化镓异质材料制成的,其对环境温度和外磁场要求高,普通计量实验室难以复现。石墨烯材料的出现为新型量子化霍尔电阻基准/标准的研制提供了可能。本文简述了石墨烯材料的制备方法及其量子化霍尔效应,介绍了石墨烯量子化霍尔效应的国外研究现状,分析了基于石墨烯材料的量子化霍尔电阻标准在研制过程中存在的问题,旨在为我国新型量子化霍尔电阻标准的研制提供参考。     

极光区电离层Hall电导率的观测及其在E层电子加热情况下的特征

本文利用欧洲的ＥＩＳＣＡＴ雷达观测资料及与这配合的地磁观测数据,用电离层参数直接计算和地面磁场反演两种方法导出了极区电离层Ｈａｌｌ电导率,特别显示出在强对流电场激发的Ｅ层等离子体不稳定波对电子加热情况下,电导率明显增高。     

磁场重联中的哨声波与Hall效应

数值研究Hall电流效应对于重联动力学特征及波动特性的影响.结果表明,具有强Hall效应的算例,重联出流区张角大,重联率高.对于不同Hall效应的算例,应用快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和(x,z)平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱,并对电场E采用最小方差分析法,确定波的传播方向与偏振特性.研究发现,在强Hall效应的算例中,磁分界线附近存在具有典型特征的哨声波,Hall效应减弱,则波动信号减弱.上述结果表明,Hall电流效应对重联动力学特征具有重要影响,是产生哨声波和快速重联率的关键因素;此外,对于强Hall效应的算例,磁分界线附近哨声波幅度与平面内场向电流Jp间存在正相关关系,它从另一个侧面展示了哨声波与Hall效应间的重要联系.     

具有不同等离子体β值的Hall MHD重联中的低频波研究

数值研究具有不同等离子体β值(等离子体热压与磁压之比)的Hall MHD重联过程.对于β值在0.5≤β≤6.5的算例,稳态重联率(6)A/(6)t|st为0.15≥(6)A/(6)t|st≥0.095.本文研究β值在上述范围内的Hall MHD重联中的波动.通过快速傅里叶变换(FFT),将平面外磁场By分量和xz平面内的速度分量vx,vz位于给定点的时间序列转换为功率谱.结果表明,By,vx,vz功率谱的频率范围为Ωci＜ω＜8Ωci,其中Ωci为离子回旋频率.随着β值增大,功率谱峰值能量降低,并且朝着低频端移动.对于电场E采用最小方差分析法(MVA)可以确定波的传播方向k,波矢k与局地磁场B之间的夹角α随β值增大而增大.对于β值最大的算例3(β=6.5),α＜28°.上述结果表明,k准平行于B.为了研究波的偏振特征,在垂直于k的平面内画出E的矢端图.三个算例的矢端图均表明,波动具有右旋偏振特征,在算例1(β=0.5)中矢端图为右旋椭圆偏振,而在算例2(β=2.5)和算例3(β=6.5)中矢端图变成复杂的右旋偏振图形,这些均为哨声波的典型特征.本文的研究为快速磁重联与哨声波之间提供了一种可能的联系.     

Hall MHD reconnection with an initial guide field By0

An uniform out-of-plane magnetic field component B_y0 is added to the equilibrium Harris sheet with plasma β = 0.5 and L_c = 0.5d_i (where L_c is the half-width of the equilibrium current layer and d_i is the ion inertial length). Driven by the continuous boundary inflows, the magnetic reconnections with the guide field B_y0/B₀ ranging from 0 to 4.0 are investigated using a 2.5D Hall magnetohydro-dynamic (MHD) code developed from a multi-step implicit scheme. The features of the reconnection field are substantially altered in the presence of the guide field. The openness of the magnetic separatrix angle is slightly reduced and the anti-symmetric quadrupolar structure of B_y field and the symmetric distribution of plasma pressure P are replaced by an asymmetric B_y four-wing structure and an asymmetric P plot as a non-zero B_y0 is added. The decoupling of electrons and ions also occurs near the X line in the case with a finite B_y0, but the effect of initial B_y0 on the electron flow is greater than that on the ion flow. The reconnection rates at the X-line drops from 0.151 to 0.06, namely, ∂A/∂t is reduced by a factor of 2.5 as B_y0/B₀ increases from 0 to 4.0. The reduction of reconnection rate might be related to the reducing openness of reconnection layer with the increasing B_y0.     

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。     

低磁场量子化霍尔电阻样品发展综述

基于量子化霍尔效应建立电阻标准是当今前沿计量技术,是国际上定义电阻单位的最高标准,其核心部件是量子化霍尔电阻样品,传统砷化镓样品通常需要工作在10 T以上的强磁场环境中,磁体研制难度大,成本高,不易推广应用。随着量子电阻标准小型化、低成本化和国产化的发展,研制低磁场量子化霍尔电阻样品是发展趋势。介绍了砷化镓、石墨烯和铁磁拓扑材料三种低磁场量子电阻样品的原理,总结了研究现状和存在的问题,从磁场、温度、测量不确定度和技术成熟度等方面分析了三种方法的优势及不足,旨在为我国发展低磁场量子电阻标准提供理论基础。     

磁屏蔽霍尔推力器技术的发展与展望

磁屏蔽霍尔推力器技术是近年来霍尔推进领域最具影响的创新突破,对于拓展霍尔推力器的应用范围,提高推力器的寿命具有重要意义。介绍了磁屏蔽霍尔推力器的原理及优缺点,从磁屏蔽的提出与验证、不同功率量级霍尔推力器的磁屏蔽技术以及磁屏蔽霍尔推力器热设计、背景压力敏感性、振荡模式转换等方面介绍了磁屏蔽的研究现状,并对未来磁屏蔽霍尔推力器技术的发展进行了展望。     

相对论性离子束（环束）流引起的电磁不稳定性

在相对论性框架下,研究了冷离子流产生的右旋共振模,非共振模电磁不稳定性的特征结果表明,非共振模不稳定性增长率受离子流初始参数影响较大,而右旋共振模的增长率则受离子流初始参数影响较小。此结果可应用于太阳高能离子流通过低日冕区和地球磁层辐射带俘获的高能质子情形。     

同心嵌套式霍尔推力器参数设计方法研究

结合未来国内外对大功率场霍尔推力器的需求,论述同心嵌套通道式霍尔推力器研究现状,技术优势。针对嵌套通道式霍尔推力器参数设计方法的空白,介绍了一种可行的嵌套通道式霍尔推力器的结构和磁路;提出了一种以阳极功率和比冲为输入,确定嵌套通道式霍尔推力器通道数目、各通道结构参数和工作参数的方法;结合磁路设计和热设计,给出了优化嵌套通道式霍尔推力器的参数的路径;填补嵌套通道式霍尔推力器参数设计和优化的空白,为其工程应用提供参考。     

一类平流层飞艇质量和惯量特性的计算方法与分析

针对一类具有双拼椭球体外形的平流层飞艇,根据适当假设,给出该类飞艇质量和惯量特性的解析计算方法.以飞艇上升过程为例,通过仿真计算给出该过程飞艇质量、质心位置和转动惯量的变化曲线,结合理论分析,验证该计算方法的合理性.最后,简要分析了质量和惯量特性变化对飞艇运动稳定性和能控性的影响.     

非晶态铁硼薄膜的平面霍耳效应

对于用射频溅射法制得的Fe_(83)B_(17)薄膜进行了平面霍耳效应的研究。实验表明:厚度大于800(?)的薄膜测量结果与导出的公式符合良好,且平面霍耳电压V_H的磁滞回线有轴对称性,但对较薄的膜则出现对公式的偏离并失去对称性。V_H的幅值可达500μV,开关临界磁场为22×10~(-4)T,晶化以后薄膜的V_H减小约一个数量级。利用平面霍耳效应测量了薄膜的静态磁特性。     

提高铷原子频标短期稳定度的研究

对影响铷原子频标短期稳定度的三个因素进行了分析,在此基础上提出了改善短期稳定度的方法和措施,并通过试验进行了验证,获得改进后的铷原子频标的短期稳定度指标,短期稳定度从7×10^-12／1s提高到1．20×10^-12／1s。     

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。