鄭香脂 張愛(ài)兵關(guān)燚炳劉超孫越強(qiáng)王文靜田崢孔令高丁建京

1)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190)

2)(天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)探測(cè)技術(shù)?

鄭香脂1)2)3)?張愛(ài)兵1)2)關(guān)燚炳1)2)劉超1)2)孫越強(qiáng)1)2)王文靜1)2)田崢1)2)孔令高1)2)丁建京1)2)

1)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190)

2)(天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

等離子體分析儀,離子漂移計(jì),電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星,離子漂移速度

依據(jù)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的任務(wù)要求,自主研發(fā)了等離子體分析儀,用于探測(cè)電離層等離子體的離子密度、溫度、成分、漂移速度和密度的漲落.等離子體分析儀由阻滯勢(shì)分析器、離子漂移計(jì)和離子捕獲計(jì)組成,其中離子漂移計(jì)用于探測(cè)離子垂直軌道方向的漂移速度.通過(guò)分析電離層等離子體的離子漂移速度特性,確定儀器的性能指標(biāo).離子漂移計(jì)傳感器采用多層?xùn)啪W(wǎng)壓緊結(jié)構(gòu),柵網(wǎng)材料選用鈹銅,各層?xùn)啪W(wǎng)之間采用聚酰亞胺絕緣.依據(jù)技術(shù)指標(biāo),詳細(xì)設(shè)計(jì)了離子漂移計(jì)傳感器的窗口尺寸、傳感器幾何高度和收集極半徑.在電子學(xué)電路設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)前放電路三個(gè)可調(diào)量程的設(shè)計(jì),保證了電路測(cè)量范圍和精度,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上,借助意大利國(guó)家天體物理研究院行星際物理研究所的地面等離子體環(huán)境,完成了離子漂移計(jì)的等離子體環(huán)境測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明,離子漂移計(jì)垂直軌道方向漂移速度測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定值變化趨勢(shì)一致,且測(cè)試精度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,能夠滿足電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的任務(wù)需求.

1 引 言

目前,國(guó)內(nèi)外已利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了大量地震與電離層等離子體參數(shù)相互耦合的事例.特別是法國(guó)Demeter衛(wèi)星發(fā)射以來(lái),電離層等離子體參數(shù)擾動(dòng)已被大量探測(cè)結(jié)果所證實(shí),通常表現(xiàn)為震前幾日等離子體密度、溫度和成分的異常擾動(dòng)[1?9].地震引起電離層參數(shù)擾動(dòng)的幅度一般為15%—30%,但一些大震前可能超過(guò)100%[10].

地震孕育和發(fā)生過(guò)程中,電磁場(chǎng)和地殼構(gòu)造等都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化,這些變化會(huì)對(duì)震源區(qū)周?chē)膸r石圈造成不同程度的影響,這種影響通過(guò)大氣圈最終引起電離層擾動(dòng)[11].除應(yīng)力變化引起壓磁、壓電效應(yīng)外,還可能通過(guò)感應(yīng)磁效應(yīng)、動(dòng)電磁效應(yīng)以及熱磁效應(yīng)等產(chǎn)生地震電磁前兆異常[10].雖然目前對(duì)巖石圈—大氣層—電離層耦合機(jī)理還沒(méi)有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn),但是已經(jīng)出現(xiàn)了一些耦合模型.地震可能通過(guò)化學(xué)途徑、聲學(xué)途徑和電磁途徑等傳播途徑引起電離層擾動(dòng)[11].

利用衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行地震相關(guān)的空間電磁現(xiàn)象的觀測(cè),具有覆蓋全面、時(shí)間連續(xù)和效率高等特點(diǎn),對(duì)地震的反應(yīng)更加靈敏[12].電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星(CSES)是我國(guó)地震立體觀測(cè)體系的第一個(gè)專(zhuān)用天基平臺(tái),主要用于監(jiān)測(cè)與地震相關(guān)的空間電離層電磁異常.等離子體作為電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星軌道的核心要素,其觀測(cè)數(shù)據(jù)是地震-電離層耦合關(guān)系研究及地震預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)[13].

等離子體分析儀是電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的主要載荷之一,由阻滯勢(shì)分析器(RPA)、離子漂移計(jì)(IDM)和離子捕獲計(jì)(ICM)組成,用于測(cè)量電離層等離子體中的離子成分、離子密度、離子溫度、離子漂移速度以及離子密度漲落等[14].其中,離子漂移計(jì)主要用于探測(cè)等離子體的整體垂直軌道方向漂移速度,其數(shù)據(jù)可用于研究電離層的能量輸運(yùn)過(guò)程、大尺度電場(chǎng)等,對(duì)地震-電離層耦合的研究具有重要意義.

2 指標(biāo)分析

低端離子漂移速度約為幾十米每秒,高端速度約有1.5 km/s.電離層極區(qū)擾動(dòng)時(shí)漂移速度可能變化范圍為10—100 m/s.此外,赤道超聲速等離子體泡的漂移速度可能會(huì)更高,超過(guò)2 km/s[15].因此,中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)指標(biāo)確定如下:離子垂直于軌道方向的漂移速度測(cè)量范圍為?3—3 km/s;通常等離子體條件下漂移速度相對(duì)測(cè)量精度為±20 m/s.中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)性能指標(biāo)與法國(guó)Demeter衛(wèi)星[15]以及美國(guó)DMSP衛(wèi)星[16]同類(lèi)儀器的性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示.

表1 電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)指標(biāo)和國(guó)際同類(lèi)儀器對(duì)比Table 1.Performance comparison among CSES and similar international instruments.

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星通過(guò)對(duì)電離層特性的分析提出以F107作為等離子體條件的劃分依據(jù),并規(guī)定F107在65—200之間為通常等離子體條件.在通常等離子體條件下,500 km軌道高度上電子密度變化范圍約為3×103—3×106cm?3,離子溫度變化范圍約為900—1750 K.根據(jù)等離子體的電中性特點(diǎn)(電子密度等于離子密度),通常等離子體條件下離子密度變化范圍為3×103—3×106cm?3.這些參數(shù)范圍涵蓋了500 km電離層可能出現(xiàn)的絕大多數(shù)情況.電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星等離子體分析儀指標(biāo)要求離子漂移計(jì)在通常等離子體條件下的相對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于±20 m/s,且要求等離子體分析儀密度探測(cè)范圍為5×102—1×107cm?3[14],所以離子漂移計(jì)的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠的余量.

3 離子漂移計(jì)工作原理

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[17],傳感器入口柵網(wǎng)G1處為地電位,安裝時(shí)與同一電位的導(dǎo)體擴(kuò)展板齊平,保持傳感器開(kāi)口處的電場(chǎng)均勻,且屏蔽傳感器內(nèi)部電壓對(duì)等離子體的干擾.由于H+離子質(zhì)量小,熱速度大,進(jìn)入傳感器后會(huì)影響探測(cè)精度,所以柵網(wǎng)G2保持+2 V電位,阻止H+進(jìn)入傳感器.雙層?xùn)啪W(wǎng)G3和柵網(wǎng)G4處都為地電位,保證離子有足夠的漂移距離.抑制柵網(wǎng)G5保持?12 V偏壓,阻止等離子體中的電子到達(dá)收集極,同時(shí)防止收集極上的二次電子和光電子逃逸.傳感器內(nèi)還包含4個(gè)面積相等的收集極A,B,C和D.4個(gè)收集極電流分別為IA,IB,IC和ID,收集極A,C收集的電流疊加為IAC,收集極B,D收集的電流疊加為IBD.

電流IAC和IBD滿足如下關(guān)系:

式中w為傳感器窗口的邊長(zhǎng),h?為傳感器的有效高度;α為等離子體沿+Y方向的入射角.+Y方向的離子漂移速度VdY計(jì)算公式為[18?20]

式中Vr是離子整體的縱向移動(dòng)速度,由阻滯勢(shì)分析器探測(cè)得到;e為電子電荷;?為衛(wèi)星電位;mi為氧離子的質(zhì)量.

設(shè)收集極A,B收集的電流之和為IAB,收集極C,D收集的電流之和為ICD,則

式中θ為等離子體沿+Z方向的入射角.同理,+Z方向的離子漂移速度VdZ計(jì)算公式為

圖1 離子漂移計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖[] (a)柵網(wǎng)及收集極示意圖;(b)離子入射示意圖Fig.1.Structural diagram of ion drift meter[]:(a)Diagram of gratings and collectors;(b)diagram of ion incidence.

此外,傳感器有效高度h?與傳感器幾何高度h之間的關(guān)系為[19]

式中a=?UG5e/(dmi),UG5為柵網(wǎng)G5的偏壓;d為G4,G5以及收集極之間的距離.

4 傳感器設(shè)計(jì)

4.1 傳感器柵網(wǎng)設(shè)計(jì)

離子漂移計(jì)的傳感器采用多層?xùn)啪W(wǎng)壓緊結(jié)構(gòu),柵網(wǎng)材料選用鈹銅,并采用鍍金的方法增加表面功函數(shù)和抗原子氧腐蝕能力.各層?xùn)啪W(wǎng)之間采用聚酰亞胺絕緣.阻柵網(wǎng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示,網(wǎng)孔設(shè)計(jì)為蜂窩狀正六邊形小孔,網(wǎng)絲間距設(shè)計(jì)為(1±0.01)mm,網(wǎng)絲寬度和厚度均設(shè)計(jì)為(0.1±0.01)mm,柵網(wǎng)單層正面透過(guò)率設(shè)計(jì)為82.64%±1.4%.6層?xùn)啪W(wǎng)總透過(guò)率為單層?xùn)啪W(wǎng)透過(guò)率的6次方[14].

圖2 柵網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2.The diagram of grid.

4.2 傳感器幾何尺寸設(shè)計(jì)

離子漂移計(jì)傳感器幾何尺寸設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是儀器的性能指標(biāo).根據(jù)離子漂移速度?3—3 km/s的探測(cè)范圍,要求離子漂移計(jì)的視場(chǎng)角滿足

此外,由離子漂移計(jì)探測(cè)原理可知,離子入射角的測(cè)量精度由電流檢測(cè)精度決定.根據(jù)離子漂移速度的探測(cè)精度指標(biāo)(20 m/s),并依照(2)式和(4)式進(jìn)行誤差傳遞,計(jì)算得到電流檢測(cè)相對(duì)精度優(yōu)于0.4%.因此,離子漂移計(jì)傳感器設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要依據(jù)就是要滿足量程低端的精度要求.ΔI為電子學(xué)電路的實(shí)際電流檢測(cè)精度,為保證信噪比,ΔI取值為2 pA.同時(shí)考慮在通常等離子體密度低端(3×103cm?3),離子以較大的漂移速度進(jìn)入傳感器時(shí),離子漂移計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)需要滿足

式中K為6層?xùn)啪W(wǎng)的總透過(guò)率,e為單位電荷,Vs為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度(對(duì)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星,Vs=7600 m/s),h?為傳感器有效高度.結(jié)合(6)式和(7)式的限定條件,考慮到衛(wèi)星平臺(tái)資源,離子漂移計(jì)傳感器窗口邊長(zhǎng)w和傳感器幾何高度h的設(shè)計(jì)值分別為40和20 mm,相應(yīng)的傳感器有效高度h?為17.6 mm,傳感器內(nèi)壁半徑R的設(shè)計(jì)值為50 mm.

5 電子學(xué)電路設(shè)計(jì)

等離子體分析儀三個(gè)傳感器獨(dú)立工作,每個(gè)傳感器的前放板安裝在在圓筒形傳感器外殼內(nèi),并通過(guò)外殼底板進(jìn)一步屏蔽,最后作為整體安裝在機(jī)箱中.如圖3所示,阻滯勢(shì)分析儀和離子捕獲計(jì)傳感器分別對(duì)應(yīng)一個(gè)前放板,離子漂移計(jì)包括兩塊前放板.阻滯勢(shì)分析器傳感器和電子學(xué)箱為一體化設(shè)計(jì),電子學(xué)箱分別通過(guò)電纜與離子漂移計(jì)和離子捕獲計(jì)連接.

離子漂移計(jì)前放電路直接測(cè)量的參數(shù)是電流信號(hào).根據(jù)等離子體分析儀離子密度測(cè)量指標(biāo)(5×102—1×107cm?3)、傳感器幾何尺寸和柵網(wǎng)透過(guò)率,計(jì)算得到離子漂移計(jì)的電流測(cè)量范圍至少覆蓋4×10?5—2.4μA.離子漂移計(jì)的精度指標(biāo)則要求通常等離子體條件下電流檢測(cè)相對(duì)精度優(yōu)于0.4%.為滿足電流相對(duì)測(cè)量精度指標(biāo),要求電路測(cè)量噪聲小于1 mV.電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)電流測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍很寬,低端電流非常微弱,且電流測(cè)量精度要求很高.鑒于此,電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星離子漂移計(jì)采用分量程(量程00、量程01和量程02)的設(shè)計(jì)思路,每個(gè)量程對(duì)應(yīng)不同增益,并通過(guò)軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)電流的高精度測(cè)量.在低端信號(hào)弱時(shí),采用高增益放大;在高端信號(hào)強(qiáng)時(shí),降低增益,避免飽和.此外,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)軟件算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)整.表2為離子漂移計(jì)量程劃分和測(cè)量精度要求.為防止電流在兩個(gè)量程臨界處變化從而引起量程頻繁切換,相鄰量程存在交疊設(shè)計(jì).

圖3 等離子體分析儀組成框圖Fig.3.The diagram of plasma analyzer.

表2 離子漂移計(jì)量程劃分Table 2.The three ranges of ion drift meter.

電子學(xué)箱中FPGA控制采集電路按照時(shí)序采集離子漂移計(jì)前放板輸出的電壓信號(hào),而后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值比較,根據(jù)閾值比較的結(jié)果選擇合適的量程,再將采集的電壓信號(hào)及其量程信息通過(guò)科學(xué)數(shù)據(jù)包下傳.離子漂移計(jì)采樣頻率為200 Hz,儀器工作模式分為詳查模式和巡查模式.詳查模式下每0.5 s產(chǎn)生一個(gè)科學(xué)數(shù)據(jù)包,巡查模式下每1 s產(chǎn)生一個(gè)科學(xué)數(shù)據(jù)包.

離子漂移計(jì)裝配完成后,通過(guò)測(cè)試針引入電流,測(cè)得離子漂移計(jì)電子學(xué)電流測(cè)量范圍如表3所示,電子學(xué)電路噪聲測(cè)試結(jié)果如表4所示.測(cè)試結(jié)果表明,儀器電流測(cè)量范圍滿足要求,儀器噪聲水平小于0.25 mV,電流檢測(cè)精度優(yōu)于0.2%,滿足設(shè)計(jì)要求.

表3 離子漂移計(jì)電流測(cè)量范圍測(cè)量結(jié)果Table 3.The results of current test range of ion drift meter.

表4 電子學(xué)噪聲測(cè)量結(jié)果Table 4.The results of electronic noise.

6 等離子體環(huán)境下的測(cè)試分析

2016年6月,使用根據(jù)以上方案自主研發(fā)的電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星等離子體分析儀正樣產(chǎn)品,在意大利國(guó)家天體物理研究院行星際物理研究所(INAF-IAPS)進(jìn)行了等離子體環(huán)境下的定標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn).

INAF-IAPS的等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備中,氬氣(Ar)為工作介質(zhì),等離子體源安裝在真空罐的一端,產(chǎn)生的等離子體環(huán)境在真空罐內(nèi)的分布存在一定梯度[21,22],即離子密度大小隨著與等離子體源距離的增加而減小,如圖4所示.

根據(jù)儀器的工作原理,離子漂移計(jì)通過(guò)探測(cè)離子入射角進(jìn)而推算得到離子垂直軌道方向的漂移速度.由于離子垂直軌道方向的漂移速度等價(jià)于離子的入射角度,在INAF-IAPS進(jìn)行等離子體環(huán)境定標(biāo)測(cè)試時(shí),利用轉(zhuǎn)臺(tái)改變離子漂移計(jì)相對(duì)于等離子體束流的入射方向,可獲得不同角度特征點(diǎn)下的測(cè)試.離子漂移計(jì)要測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向(Y方向和Z方向)的離子漂移速度,而INAF-IAPS轉(zhuǎn)臺(tái)只有一維轉(zhuǎn)動(dòng),因此,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變儀器安裝狀態(tài)實(shí)現(xiàn)離子漂移計(jì)水平和豎直兩個(gè)方向的測(cè)試.離子漂移計(jì)在真空罐內(nèi)的水平安裝如圖5所示.

圖4 IAPS等離子體真空罐內(nèi)的密度分布梯度Fig.4.Ion density distribution in IAPS plasma vacuum tank.

圖5 離子漂移計(jì)安裝示意圖Fig.5.The diagram of ion drift meter in the vacuum tank.

在模擬的等離子體環(huán)境下,等離子體狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)可認(rèn)為離子漂移速度為定值,根據(jù)多次測(cè)量后的均方差可以獲得離子速度相對(duì)精度.實(shí)驗(yàn)中分別在每個(gè)測(cè)量角度處多次測(cè)量等離子體的漂移速度并計(jì)算均方差,從而得到測(cè)量精度.均方差計(jì)算公式為

式中Vxj為第j次測(cè)量得到的漂移速度;ˉVx為測(cè)量得到的漂移速度的平均值;n為測(cè)量次數(shù).

此外IAPS轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差約為±2°,儀器的量程為±23°,測(cè)試時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)角度應(yīng)大于儀器的量程.

6.1 離子漂移計(jì)Y方向漂移速度測(cè)試

如圖6所示,測(cè)量Y方向漂移速度時(shí),離子漂移計(jì)水平安裝,測(cè)試結(jié)果如表5和圖7所示.由測(cè)量數(shù)據(jù)可知,漂移速度測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定值變化趨勢(shì)一致,但與轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定值之間的差值超過(guò)了2°.這是由于等離子體源本身是一個(gè)點(diǎn)源,理論上離子從等離子體源發(fā)射時(shí)有一定的發(fā)射角,而離子漂移計(jì)與等離子體源的中心軸有0.16 m的偏離.離子漂移計(jì)與等離子體源間的距離約為3 m,根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得,離子漂移計(jì)偏離中心軸所帶來(lái)的角度幾何偏差為3.05°(角度修正后結(jié)果如表5所示);此外,離子從等離子體源發(fā)射時(shí)的錐角本身可能存在一定的偏差,這兩者共同構(gòu)成了離子漂移計(jì)和轉(zhuǎn)臺(tái)間的系統(tǒng)偏差.將偏離中心軸角度偏差修正后,漂移速度測(cè)量結(jié)果與轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定值變化趨勢(shì)一致,誤差基本小于2°.此外,從表5數(shù)據(jù)可知,漂移速度測(cè)量精度遠(yuǎn)好于20 m/s的指標(biāo)要求.

圖6 離子漂移計(jì)水平安裝狀態(tài)Fig.6.Mounting ion drift meter on the rotating platform horizontally.

圖7 離子漂移計(jì)水平安裝時(shí)的測(cè)量結(jié)果Fig.7.Experiment results for horizontally mounted ion drift meter.

表5 離子漂移計(jì)水平安裝狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果Table 5.Experiment results for horizontally mounted ion drift meter.

6.2 離子漂移計(jì)Z方向漂移速度測(cè)試

如圖8所示,測(cè)量Z方向漂移速度時(shí),離子漂移計(jì)豎直安裝,測(cè)試結(jié)果如表6和圖9所示,可見(jiàn)Z向速度測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定值變化趨勢(shì)一致.同樣,離子從等離子體源發(fā)射時(shí)的錐角本身存在一定偏差,造成離子漂移計(jì)和轉(zhuǎn)臺(tái)之間的系統(tǒng)偏差.在每個(gè)角度測(cè)量點(diǎn)處均測(cè)量漂移速度的精度,結(jié)果如表6所示,精度優(yōu)于20 m/s,滿足指標(biāo)要求.

圖8 離子漂移計(jì)豎直安裝狀態(tài)Fig.8.Mounting ion drift meter on the rotating platform vertically.

表6 離子漂移計(jì)豎直安裝狀態(tài)下特征點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果Table 6.Experiment results for vertically mounted ion drift meter.

圖9 離子漂移計(jì)豎直安裝時(shí)的測(cè)量結(jié)果Fig.9.Experiment results for vertically mounted ion drift meter.

7 結(jié) 論

依據(jù)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的任務(wù)要求,本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了離子漂移計(jì)的探測(cè)技術(shù)方案,并自主完成了離子漂移計(jì)的研制工作.在此基礎(chǔ)上,我們借助意大利國(guó)家天體物理研究院行星際物理研究所的等離子體環(huán)境,進(jìn)行了離子漂移計(jì)的地面環(huán)境測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明該離子漂移計(jì)的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求.

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星等離子體分析儀的研制將使我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)電離層等離子體原位探測(cè).作為等離子體分析儀的重要組成部分,離子漂移計(jì)獲得的電離層等離子體的垂直軌道方向漂移速度,對(duì)研究電離層擾動(dòng)特征和大震短臨預(yù)測(cè)新方法都有重要的意義,同時(shí)可為深入探究電離層-地震耦合關(guān)系及實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)的突破提供科學(xué)數(shù)據(jù).

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Ion drift meter aboard China seismo-electromagnetic satellite?

Zheng Xiang-Zhi1)2)3)?Zhang Ai-Bing1)2)Guan Yi-Bing1)2)Liu Chao1)2)Sun Yue-Qiang1)2)Wang Wen-Jing1)2)Tian Zheng1)2)Kong Ling-Gao1)2)Ding Jian-Jing1)2)
1)(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)
2)(Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration,Beijing 100190,China)
3)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

2 May 2017;revised manuscript

7 June 2017)

A lot of electromagnetic anomalies observed by satellites before earthquakes indicate that there is interrelation between earthquake and ionosphere.China seismo-electromagnetic satellite(CSES)is the fi rst Chinese space-based platform of three-dimensional earthquake monitoring system.The scienti fi c payload of plasma analyzing package(PAP)aboard CSES is designed to study the possible in fl uence of the seismic activity on the ionospheric plasma and thereby to monitor the earthquakes from space.The PAP is made up of three sensors,retarding potential analyzer(RPA),ion drift meter(IDM),and ion capture meter(ICM).The main objective of IDM is to detect the ion bulk velocity from?3 to 3 km/s with a precision better than±20 m/s,perpendicular to the sensor-look direction.

The IDM sensor consists of six-layer grids and a collector.The grid is made of beryllium copper,plated with gold.Polyimide is used to achieve electrical insulation between grids.The grid transmission rate of signal layer is designed to be 82.64%,and total transmission rate of six layers is 31.85%.To ensure the performance of IDM,the side length of the square aperture and the depth of the sensor are designed to be 40 and 20 mm,respectively.The radius of segmented planar collector is 50 mm.The arrival angle of the ions is determined by measuring the ratio between the currents from the different electrically isolated collector segments.Accordingly,velocity perpendicular to the sensor-look direction is calculated,based on arrival angle and ion velocity parallel to the sensor-look direction which is measured by the RPA.

In addition,a wide-range and high-precision current measurement circuit is designed to measure the current of IDM.The preampli fi er circuit has three measurement ranges,providing different ampli fi cation factors.The right measurement range is chosen automatically by the fi eld programmable gate array(FPGA).The test results show that the circuit provides a total measuring dynamic range from 20 pA to 6μA with an accuracy better than 0.4%.

Finally,the method of testing in the plasma environment and the measurement results are discussed.The plasma environment test of the IDM fl ight model is carried out in the Institute for Space Astrophysics and Planetology,National Institute of Astrophysics(INAF-IAPS).Since the plasma source is fi xed to a large volume vacuum tank,the arrival angle of the plasma with respect to the sensor-look direction is changed by horizontally or vertically mounted IDM on the rotating platform in the vacuum tank.As the platform rotates,the performance of IDM is proved by testing different ion arrival angles in vacuum tank.The ion velocities along theYandZaxes of the spacecraft are validated by testing the horizontal arrival angle and the vertical arrival angle respectively.The IDM test data are consistent with those obtained under the setting angle of the rotating platform.The experimental results show that the detector has good performance and will ful fi ll the mission goal of monitoring the bulk velocity of ion,perpendicular to the sensor-look direction.

plasma analyzing package,ion drift meter,seismo-electromagnetic satellite,ion drift velocity

(2017年5月2日收到;2017年6月7日收到修改稿)

10.7498/aps.66.209401

?國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):Y26604AG90)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zxz@nssc.ac.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:94.80.+g,94.20.Fg,07.87.+vDOI:10.7498/aps.66.209401

*Project supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China(Grant No.Y26604AG90).

?Corresponding author.E-mail:zxz@nssc.ac.cn