鄭香脂 張愛兵 關(guān)燚炳 劉超 王文靜 田崢 孔令高 孫越強

1)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,北京 100190)

2)(天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190)

3)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

1 引 言

大量觀測資料表明,地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和地球化學(xué)等的許多現(xiàn)象中,電磁異常是對短臨地震反映最敏感的前兆現(xiàn)象.地球-大氣層-電離層之間的耦合作用,會使地面出現(xiàn)的一些地震前兆異常信號在向空間傳播過程中被放大,因此在空間較容易觀測.利用空間技術(shù)進行地震相關(guān)的空間電磁現(xiàn)象的觀測,具有覆蓋全面、時間連續(xù)的特點,可較好地反映地震孕育、發(fā)生的相關(guān)現(xiàn)象[1].

近年來,電磁衛(wèi)星的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展迅速.DEMETER衛(wèi)星作為全球第一顆專門用于與地震有關(guān)電離層擾動研究的衛(wèi)星,獲得了大量的科研成果[2?6].此外,俄羅斯COMPASS-II衛(wèi)星、歐空局Cluster衛(wèi)星以及Swarm衛(wèi)星星座的發(fā)射,均為電離層地震前兆觀測研究積累了更多的觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗[7].

雖然能夠解釋地震相關(guān)異?，F(xiàn)象的地球-大氣層-電離層的耦合機制還沒能形成完整和統(tǒng)一的觀點,但是地震前電離層異?，F(xiàn)象的存在已經(jīng)取得了較為廣泛的認同,并將會作為地震短臨期預(yù)測的一種判斷參量進行更為深入的研究[8].發(fā)射地震電磁衛(wèi)星形成天地一體化監(jiān)測系統(tǒng),有利于進一步加深對地震電磁前兆及其機理的認識,并將促進地震電磁科學(xué)研究和地震預(yù)測領(lǐng)域的發(fā)展[9?11].

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(CSES)是我國計劃發(fā)射的第一顆用于電離層特性及電離層地震電磁效應(yīng)研究的空間探測衛(wèi)星,軌道高度為500 km左右,其主要科學(xué)目標(biāo)是獲取全球電磁場、等離子體、高能粒子觀測數(shù)據(jù),提取地震電磁信息,研究大震短臨預(yù)測新方法,探索地震發(fā)生機制,為地震預(yù)報實現(xiàn)突破提供基礎(chǔ)[12,13].等離子體分析儀作為磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的載荷之一,用于測量電離層低能等離子體參數(shù),其探測物理量包括離子密度、離子溫度、離子漂移速度、離子成分以及離子密度漲落.實現(xiàn)以下科學(xué)目標(biāo):

1)監(jiān)測震前電離層參數(shù)異常(等離子體密度、溫度、成分等),從而為電離層-地震耦合關(guān)系的研究提供支持;

2)為電離層物理的研究提供科學(xué)探測數(shù)據(jù).

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀將首次實現(xiàn)電離層等離子體原位探測,填補我國此項載荷技術(shù)的空白.電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀的指標(biāo)與代表了國際先進水平的法國Demeter衛(wèi)星[14]以及美國DMSP衛(wèi)星[15]的同類儀器的指標(biāo)比對情況列于表1.

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀從功能上可以分為四個部分:阻滯勢分析器(RPA)、離子漂移計(IDM)、離子捕獲計(ICM)和導(dǎo)體擴展板(MP).阻滯勢分析器是等離子體分析儀的重要組成部分,用于探測電離層等離子體密度、沿軌道方向漂移速度(縱向)、溫度、成分;離子漂移計探測等離子體的垂直軌道方向(橫向)漂移速度;離子捕獲計用于獲取高精度、高時空分辨率的離子密度信息以及離子密度漲落信息;導(dǎo)體擴展板用于保持傳感器開口處的電場均勻,避免周圍差異電場干擾探測結(jié)果.電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中X為衛(wèi)星飛行方向,Z為指向地球方向.本文對等離子體分析儀中的阻滯勢分析器探測技術(shù)進行研究.

圖1 等離子體分析儀整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Composition of the payload plasma analyzing package.

表1 電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀指標(biāo)和國際同類儀器指標(biāo)比對Table 1.Performance compared with similar international instruments.

2 方案設(shè)計

2.1 工作原理

在ZH-1衛(wèi)星阻滯勢分析器的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示[16?18].

衛(wèi)星相對空間等離子體飛行時,等離子體由阻滯勢分析器傳感器開口進入儀器.在傳感器內(nèi)部,柵網(wǎng)G1和G2構(gòu)成了傳感器的窗口,處于儀器地電位,其作用是防止傳感器內(nèi)部的掃描偏壓影響環(huán)境等離子體的狀態(tài).柵網(wǎng)G5也處于地電位,用于屏蔽掃描偏壓對儀器后端電子學(xué)的干擾.柵網(wǎng)G6為“抑制柵網(wǎng)”,相對儀器地保持?12 V偏壓,其作用是阻止等離子體中的電子到達收集極,同時防止收集極上的二次電子和光電子逃出,以保證收集極探測到的電流完全由等離子體中的離子所形成.G3與G4兩層?xùn)啪W(wǎng)稱為“阻滯柵網(wǎng)”,這兩層?xùn)啪W(wǎng)相對儀器地的電壓隨時間變化,只有高于阻滯偏壓(掃描電壓)能量的離子才可以進入.隨著阻滯柵網(wǎng)的掃描偏壓隨時間逐漸變化,收集極可以得到離子電流隨掃描偏壓變化的伏安特性曲線,如圖3所示.

圖2 阻滯勢分析器的剖面結(jié)構(gòu)Fig.2.Structural diagram of retarding potential analyzer(RPA).

圖3 (網(wǎng)刊彩色)阻滯勢分析器的伏安特性 (a)積分曲線;(b)微分曲線Fig.3.(color online)I-V characteristic curve of RPA:(a)Integral curve;(b)differential curve.

對于電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星500 km軌道高度的電離層,離子的電離態(tài)主要為一價,成分以O(shè)+為主,此外還有少量的H+,He+.假設(shè)空間中的等離子體符合Maxwell分布,則對于第i種離子成分(一價),其在阻滯勢分析器傳感器軸向方向相對衛(wèi)星符合一維漂移Maxwell分布,如(1)式所示:

式中,K對多層?xùn)啪W(wǎng)的總透過率;A為傳感器窗口面積;e為單位電荷;Ni為第i種離子的密度;βi=;fi=Vr?vg,其中vg;?為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地相對空間等離子體的絕對電位;U為掃描電壓.則所有離子種類的總電流貢獻為

利用圖2所示伏安特性曲線中的電壓(U)、電流數(shù)據(jù)(I),并根據(jù)(3)式進行非線性最小二乘擬合,便可得到離子密度、離子溫度、離子沿軌道向漂移速度以及各離子成分所占的比例等參數(shù).

2.2 傳感器設(shè)計

2.2.1 柵網(wǎng)設(shè)計和透過率仿真分析

柵網(wǎng)是阻滯勢分析器的關(guān)鍵部件,材料選擇主要考慮以下幾個方面:電導(dǎo)率高、柵網(wǎng)透過率高、機械性能好、磁性低、高彈性、耐腐蝕、耐高溫,且要求功函數(shù)高,二次電子及光電子發(fā)射率低以防止原子氧腐蝕和離子濺射引起的質(zhì)量損失.電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星阻滯勢分析儀柵網(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.

柵網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸設(shè)計原則為:網(wǎng)絲間距l(xiāng)≤2λD,其中λD為等離子體的德拜半徑[19].根據(jù)國際參考電離層(IRI)模型計算得到500 km軌道德拜半徑的上限和下限,并綜合考慮到空間環(huán)境擾動時等離子體密度上升會減小德拜半徑的值,阻滯勢分析器的柵網(wǎng)設(shè)計方案如圖4所示,網(wǎng)孔設(shè)計為蜂窩狀正六邊形小孔,網(wǎng)絲間距設(shè)計為(1±0.01)mm,網(wǎng)絲寬度和厚度均設(shè)計為(0.1±0.01)mm,柵網(wǎng)單層正面透過率設(shè)計為82.64%±1.4%.

圖4 柵網(wǎng)設(shè)計示意圖Fig.4.The diagram of grid.

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星阻滯勢分析儀采用6層?xùn)啪W(wǎng)壓緊結(jié)構(gòu),各層?xùn)啪W(wǎng)之間采用聚酰亞胺絕緣.為驗證由安裝引起的柵網(wǎng)之間相對位置偏移對透過率的影響采用軟件SIMON8.1[20]進行仿真模擬分析.

模型中建立兩個平行的柵網(wǎng),根據(jù)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星阻滯勢分析器實際情況,柵網(wǎng)網(wǎng)絲間距為1 mm,網(wǎng)絲寬度為0.1 mm,兩片柵網(wǎng)相距10 mm.為了模擬柵網(wǎng)相互之間錯位帶來的影響,基于3種工況建立兩層?xùn)啪W(wǎng)總透過率的仿真模型,分別是:1)兩片柵網(wǎng)嚴格對齊的情況;2)在Y(縱向)方向錯位半個周期的情況;3)在X方向(橫向)和Y方向(縱向)均錯位半個周期的情況.模擬時設(shè)定離子熱運動速度符合不同溫度(900 K和1750 K)下的麥克斯韋分布,并在相對柵網(wǎng)的方向疊加7.6 km/s的離子速度分量,該速度就是模擬衛(wèi)星速度.模擬時用程序均勻取樣產(chǎn)生5000個離子,并記錄模擬后通過柵網(wǎng)的離子數(shù)量.共進行5次模擬,計算獲得平均值,仿真結(jié)果如表2所列.結(jié)果表明,900 K和1750 K的離子透過率的模擬結(jié)果接近,并且與理論值(離子通過單層?xùn)啪W(wǎng)的概率為82.64%,那么離子通過兩層?xùn)啪W(wǎng)的概率理論值是82.64%×82.64%)相符.其中,透過率誤差是由于模擬時離子隨機取樣造成的.

為驗證上述結(jié)論,建立3層?xùn)啪W(wǎng)的模型,柵網(wǎng)間距10 mm,且3層?xùn)啪W(wǎng)橫向相互錯位.在中間柵網(wǎng)上加1 V電壓,兩端柵網(wǎng)為地電位.設(shè)置離子溫度為900 K,5次模擬結(jié)果如圖5及表3所列.圖5中左圖是順著離子運動方向看到的離子軌跡圖,右圖是離子從左往右的運動軌跡圖.圖中,由于模擬使用離子數(shù)量較多,離子的軌跡相互疊加后在圖上無法分清每個離子的軌跡.仿真結(jié)果表明,3層?xùn)啪W(wǎng)在加一定電壓后,透過率的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果相符.

以上仿真結(jié)果表明,多層?xùn)啪W(wǎng)由安裝引起的位置偏移對透過率無影響,多層?xùn)啪W(wǎng)的總透過率與理論計算一致.

表2 兩層?xùn)啪W(wǎng)透過率五次仿真結(jié)果Table 2.The simulation results of two layer grid’s total transmission rate.

圖5 3層?xùn)啪W(wǎng)仿真結(jié)果Fig.5.The simulation results of three layer grid’s total transmission rate.

表3 3層?xùn)啪W(wǎng)透過率5次仿真結(jié)果Table 3.The simulation results of three layer grid’s total transmission rate.

2.2.2 傳感器尺寸設(shè)計

阻滯勢分析儀傳感器尺寸設(shè)計的重要依據(jù)之一是滿足量程低端的精度要求.在離子密度探測指標(biāo)的最低端,為了保證足夠的信噪比,收集到的電流應(yīng)該不小于100 pA,即要求滿足如下關(guān)系[21]:

由于阻滯勢分析器傳感器一共6層?xùn)啪W(wǎng),每層透過率82.64%,代入(4)式計算得r≥13 mm.(4)式中各個參數(shù)含義與(2)式相同,其中A為傳感器窗口面積(πr2).為留有一定余量,阻滯勢分析器傳感器窗口的半徑r取值為20 mm.

設(shè)計收集極半徑R和傳感器有效高度h時,考慮空間環(huán)境較為極端的情況,離子溫度為3000 K時對應(yīng)H+的熱速度為7 km/s,He+的熱速度為3.5 km/s,O+離子的熱速度為1.8 km/s.同時考慮較極端的離子漂移速度VdY=2 km/s,則需要阻滯勢分析器傳感器的視場角大于arctan((7+2)/7.6)=49.8°,即要求滿足如下關(guān)系:

因此,電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星阻滯勢分析器傳感器窗口半徑r=20 mm,傳感器收集極半徑R=50 mm,傳感器有效高度h=20 mm,視場角為56.3°,滿足上述要求.

2.2.3 掃描電壓設(shè)計

在500 km軌道的電離層環(huán)境中,衛(wèi)星速度為7.6 km/s,電離層中各主要離子成分相對等離子體分析儀的入射能量峰值分別為:H+離子為0.3 eV,He+離子為1.21 eV,O+離子為4.83 eV,其中最小能量間隔為1.21 eV?0.3 eV=0.91 eV.離子成分通過能譜的峰值識別來區(qū)分,因此,若要區(qū)分這3種成分,則掃描偏壓的范圍首先應(yīng)充分覆蓋這3個峰值所在的能譜位置,且掃描步長(能譜劃分)應(yīng)小于最小能量間隔0.91 eV的一半.

此外,離子溫度引起能譜的展寬,溫度10000 K對應(yīng)的最大能量展寬為O+離子?3.2 eV—4.9 eV,He+離子?1.2 eV— 2.9 eV,H+離子?0.46 eV—1.88 eV.峰值能量最高的為O+離子(4.83 eV),其能量分布最高擴散到約10 eV處,且離子沿軌道方向漂移3 km/s會引起能譜4.6 eV的平移,因此掃描電壓上限應(yīng)大于15 V.而500 K對應(yīng)的最小能量展寬為O+離子?0.87 eV—0.96 eV,He+離子?0.4 eV—0.5 eV,H+離子?0.18 eV—0.27 eV,因此掃描電壓的步長應(yīng)小于0.18 V.

圖6 阻滯勢分析器掃描電壓Fig.6.Sweeping voltage of RPA.

綜上分析,阻滯勢分析器設(shè)計的掃描電壓范圍從?2 V±0.1 V到+20 V±0.5 V(缺省掃描范圍為0 V±0.1 V到+20 V±0.5 V,可根據(jù)在軌測試結(jié)果注入指令調(diào)整最小電壓至?2 V±0.1 V),可以充分覆蓋3種離子的入射能量.此外,掃描電壓的步長缺省0.160 V,且在0.056—0.179 V之間可調(diào),滿足最小能量劃分的要求.掃描電壓如圖6所示,每個工作周期從最小電壓開始,經(jīng)過125個臺階掃描到最大電壓,而后再從最小值開始掃描.

2.3 電子學(xué)設(shè)計

阻滯勢分析器傳感器和電子學(xué)電路為一體式設(shè)計.阻滯勢分析器的電子學(xué)原理框圖如圖7所示,掃描電壓控制電路加載一個連續(xù)的掃描電壓信號到阻滯柵網(wǎng),傳感器收集極收集空間等離子體中的離子,得到一個變化的電流信號.電流經(jīng)過前放電路,輸出電壓信號,由現(xiàn)場可編輯門陣列(FPGA)采集該信號.其中,掃描電壓信號是由FPGA控制D/A轉(zhuǎn)換輸出后,再經(jīng)電壓偏置調(diào)整電路和放大電路后加載到阻滯柵網(wǎng).

根據(jù)等離子體分析儀技術(shù)指標(biāo),阻滯勢分析器傳感器探測到的電流信號范圍為140 pA—7μA,電流范圍很寬,且低端電流極其微小,而儀器對電流檢測精度要求很高.由于空間等離子體的變化,如果始終保持在某一量程會在探測過程出現(xiàn)輸出達到飽和或低于噪聲水平,從而降低數(shù)據(jù)精度.電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星阻滯勢分析器解決該難題的途徑是在前放電路部分設(shè)置了三個可選量程,FPGA采集傳感器輸出電壓的同時,需要對采樣到的數(shù)據(jù)進行閾值比對,通過量程控制,選擇前放電路中合適的量程,降低噪聲,提高測量精度.電子學(xué)電路噪聲測量結(jié)果如表4所列.

表4 噪聲測量結(jié)果Table 4.The results of electronic noise.

此外,FPGA在采集前放輸出電壓的同時還采集當(dāng)前掃描電壓,并保存當(dāng)前量程,形成阻滯勢分析器的原始數(shù)據(jù),經(jīng)打包后通過RS422總線發(fā)送到衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng).且儀器在工作過程中隨時接收來自衛(wèi)星星務(wù)分系統(tǒng)的間接指令,并解析執(zhí)行.

圖7 阻滯勢分析器電子學(xué)原理框圖Fig.7.Electronic design diagram of RPA.

在電子學(xué)設(shè)計過程中,從元器件選擇和控制、降額設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計和關(guān)鍵電路冗余設(shè)計等方面采取措施提高可靠性,并進行可靠性預(yù)計,5年壽命末期的可靠度為0.981.

3 地面測試結(jié)果分析

3.1 地面測試環(huán)境

2015年4月,根據(jù)以上方案自主研發(fā)的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀在意大利國家天體物理研究院行星際物理研究所(INAF-IAPS)進行了等離子體環(huán)境下的定標(biāo)測試試驗.

意大利INAF-IAPS的等離子體實驗設(shè)備模擬的空間等離子體環(huán)境和空間等離子體典型參數(shù)的比對如表5所列,表中等離子體罐內(nèi)參數(shù)由意大利INAF-IAPS于2010年測量得到.該設(shè)備以氬氣(Ar)為工作介質(zhì),等離子體源安裝在真空罐的一端,其產(chǎn)生的等離子體環(huán)境在真空罐內(nèi)分布存在著一定的梯度,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8所示.

3.2 測試方法和結(jié)果

把阻滯勢分析器放入真空罐內(nèi)的等離子體環(huán)境中,利用離子密度在等離子體罐內(nèi)的梯度分布,通過改變阻滯勢分析儀在等離子體罐內(nèi)的相對位置,獲取三個密度特征點.將3個特征點測量結(jié)果與已知的等離子體環(huán)境的梯度分布規(guī)律以及意大利INAF-IAP參考阻滯勢分析器的測量結(jié)果進行比對.

表5 電離層等離子體典型參數(shù)與等離子體罐內(nèi)參數(shù)比對Table 5.Comparison between typical ionospheric plasma parameters and the values obtained within the plasma chamber.

圖8 IAPS等離子體真空罐內(nèi)的密度分布梯度Fig.8.Ion density distribution in IAPS plasma vacuum tank.

試驗過程中,阻滯勢分析器安裝在等離子體罐內(nèi)的水平滑軌車上,通過滑軌車的移動,可獲得阻滯勢分析器相對于等離子體源3,2.5,2 m三個位置處的離子密度.阻滯勢分析器離子密度測量結(jié)果如表6和圖9所示(細實線為設(shè)計的阻滯勢分析器測量結(jié)果,虛線為INAF-IAPS參考阻滯勢分析器測量結(jié)果).測試結(jié)果表明:1)阻滯勢分析器測量的3個不同位置處的離子密度,隨著相對等離子體源距離的增加而逐漸變小,符合等離子體罐內(nèi)等離子體分布的變化規(guī)律;2)與意大利INAF-IAPS參考阻滯勢分析器結(jié)果相比,兩者具有相同的梯度變化規(guī)律;3)阻滯勢分析器密度測量精度優(yōu)于精度設(shè)計指標(biāo).

在電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的軌道,衛(wèi)星飛行速度為7.6 km/s,則整體處于靜態(tài)的空間等離子體將以7.6 km/s的速度進入傳感器.在意大利INAF-IAP等離子體模擬試驗設(shè)備內(nèi),離子沿軌道方向漂移速度等效于離子束流的能量,為了保持等離子體的穩(wěn)定,可提供3個特征點10 eV(6.9 km/s),12 eV(7.6 km/s),15 eV(8.5 km/s)進行離子沿軌道方向漂移速度的測量.離子能量(沿軌道方向漂移速度)特征點測試結(jié)果如表7和圖10所示.通過沿軌道方向漂移速度測量結(jié)果可知:1)3個特征點測量結(jié)果與等離子體源輸出變化趨勢均一致;2)3個特征點測量結(jié)果和與意大利INAF-IAPS參考阻滯勢分析器基本一致;3)阻滯勢分析器縱向測量精度遠優(yōu)于精度指標(biāo).

圖9 阻滯勢分析儀測試離子密度測量結(jié)果Fig.9.The results of ion density measurements at three positions.

表6 阻滯勢分析儀測試在3個特征點處的離子密度測量結(jié)果Table 6.The results of ion density measurements at three positions.

表7 阻滯勢分析器離子能量(沿軌道方向漂移速度)測量結(jié)果Table 7.The results of ion energy measurements.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)阻滯勢分析器測試離子能量(縱向漂移速度)測量結(jié)果Fig.10.(color online)The results of ion energy measurements.

此外,由于意大利INAF-IAP真空罐內(nèi)離子的存在時間很短,離子溫度達不到平衡態(tài),約為300 K左右,超出了等離子體分析儀RPA的測量下限,因此離子溫度不具可測性.

4 結(jié) 論

依據(jù)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的任務(wù)要求,詳細設(shè)計了阻滯勢分析器的探測技術(shù)方案,并自主完成了阻滯勢分析器的研制工作.在此基礎(chǔ)上,借助意大利國家天體物理研究院行星際物理研究所的等離子體環(huán)境,進行了阻滯勢分析器的地面環(huán)境測試,結(jié)果表明該阻滯勢分析器的性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求.

等離子體分析儀作為電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的載荷之一,將首次實現(xiàn)電離層等離子體原位探測.利用衛(wèi)星技術(shù)進行地震相關(guān)的電離層等離子體參數(shù)的監(jiān)測,具有覆蓋全面和時間連續(xù)的特點,對探索地震孕育、發(fā)生的相關(guān)現(xiàn)象有重要意義.作為等離子體分析儀的重要組成部分,阻滯勢分析器所獲得的電離層等離子體的密度、溫度以及成分等參數(shù),對于監(jiān)測震前電離層參數(shù)異常起到重要的指導(dǎo)作用,同時可為電離層-地震耦合關(guān)系及電離層物理的研究提供科學(xué)探測數(shù)據(jù).

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