可变几何因子静电分析器的研究

论文摘要

等离子体被称为物质的第四态,是宇宙空间分布最为广泛的物质,外层空间中超过99%的物质都是以等离子体的状态存在。自人造地球卫星上天以来,人类就开始了对空间等离子体的探测,就位探测是最常用的星载等离子体探测手段。随着空间探测任务的深入推进,太阳风和磁层的相互作用成了新一轮研究热点,对空间热等离子体的探测提出了更高的技术要求。传统的等离子体探测器由于可探测通量动态范围、视场范围和分辨率的限制已难以满足探测需求,迫切需要设计具有可变几何因子功能的高分辨率宽视场热等离子体探测器。太阳风磁层相互作用全景成像卫星(Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer,SMILE)是中国科学院和欧洲空间局合作的空间科学探测卫星,SMILE卫星搭载的低能离子分析仪(Light Ion Analyzer,LIA)将在三轴稳定卫星平台上对不同太阳风条件下的等离子体离子数密度、群速度矢量、温度张量以及热通量矢量等矩参数进行就位测量,在大视场范围内确定太阳风离子的三维速度分布函数,为卫星的软X射线成像和极紫外成像提供背景数据。本论文从SMILE卫星的科学需求出发,以低能离子分析仪(LIA)的设计与研制过程为背景,设计了应用于不同探测目标,具有不同性能参数的三种仪器方案。着重介绍了仪器的设计与仿真技术,并分析了LIA对等离子体矩参数的测量误差。为满足对太阳风的探测需求,采用带顶盖的半球形静电分析器为方案设计了“对称式”视场的可变几何因子静电分析器,探测视场为±45°×360°(~2.8π)。利用顶盖电压控制方式实现可变几何因子,实现了单台仪器上的大通量动态范围探测。为实现对磁鞘低能离子的4π空间视场覆盖,基于国际上已有45°“非对称式”视场的传感器结构,通过对离子光学系统的重新设计和仿真优化,实现了2π半球视场范围内的高角度分辨率和较好的有效离子计数率响应一致性。在此基础上,国际上首次提出30°“非对称式”视场的传感器结构,并作为SMILE卫星低能离子分析仪(LIA)的最终设计方案。30°“非对称式”视场设计方案采用球形静电分析器配合球形剖面静电偏转板,实现离子入射俯仰角在0°~90°之间的连续扫描,单台仪器具有2π半球形视场。30°“非对称式”的结构大幅度提高了俯仰角视场范围内的方位角分辨率,比45°“非对称式”结构的方位角分辨率提高了近一倍,同时保证了视场范围内的仪器几何因子响应一致性。SMILE卫星将采用两台30°“非对称式”视场的LIA配合实现对磁鞘和太阳风离子的4π空间视场覆盖。为满足从磁鞘到太阳风的大通量动态范围的探测需求,国际上首次将可变几何因子功能应用于“非对称式”视场的静电分析器设计中,相比传统的“对称式”视场的静电分析器,大幅改善了可变几何因子功能,使用更低的电压实现了几何因子在两个数量级内的连续变化,以满足对大通量动态范围磁鞘离子和太阳风的高分辨率探测。基于“非对称式”视场的静电分析器设计,国际上首次针对2π半球形视场的等离子体探测仪器开展矩参数计算和测量误差分析的研究工作。以服从麦克斯韦分布的空间热等离子体为输入,对分布函数进行不同阶数的积分得到不同的矩参数,比较输入与输出值得到LIA对空间等离子体的测量误差。以CLUSTER/CIS实测数据为输入,同时以当前LIA设计方案为模型进行仿真分析,结果表明,在SMILE主要运行区域中的LIA测量仿真值与实测值具有很好的一致性,在太阳风和磁鞘探测中的测量误差均控制在合理范围内,LIA能够在4π空间视场内对大通量动态范围等离子体进行高精度和高分辨率探测。

论文目录

摘要

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第1章引言

1.1 空间等离子体环境

1.1.1 等离子体的基本概念

1.1.2 太阳风与行星际磁场

1.1.3 地球磁层结构

1.1.4 太阳风与地球磁层的相互作用

1.2 空间等离子体探测技术

1.2.1 空间等离子体探测器

1.2.2 朗缪尔探针

1.2.3 法拉第杯与阻滞势分析器

1.2.4 静电分析器

1.2.5 几何因子

1.2.6 国外等离子体探测技术发展现状

1.2.7 国内等离子体探测技术发展现状

1.2.8 课题主要研究内容

第2章 “对称式”视场的可变几何因子静电分析器

2.1 设计背景

2.2 传感器结构设计

2.2.1 传感器基本结构

2.2.2 仪器主要参数

2.3 建立模型

2.3.1 机械结构模型

2.3.2 传感器电场模型

2.3.3 仿真离子源模型

2.4 仪器性能仿真

2.4.1 离子聚焦特性和方位角分辨率

2.4.2 静电分析器因子和能量分辨率

2.4.3 视场偏转系统和俯仰角

2.4.4 可变几何因子系统

2.5 小结

第3章 “非对称式”视场的可变几何因子静电分析器

3.1 设计背景

3.1.1 三轴稳定卫星的视场要求

3.1.2 两种视场方案的比较

3.2 45°“非对称式”可变几何因子静电分析器传感器结构设计

3.2.1 传感器基本结构

3.2.2 传感器结构参数

3.3 45°“非对称式”可变几何因子静电分析器传感器模型

3.3.1 机械结构模型

3.3.2 传感器电场模型

3.3.3 仿真离子源模型

3.4 45°“非对称式”可变几何因子静电分析器探测性能仿真

3.4.1 视场偏转系统和俯仰角

3.4.2 视场偏转系统的优化结果

3.5 30°“非对称式”可变几何因子低能离子分析仪传感器结构设计

3.5.1 LIA传感器基本结构

3.5.2 LIA传感器结构参数

3.6 30°“非对称式”可变几何因子低能离子分析仪传感器模型

3.6.1 LIA机械结构模型

3.6.2 LIA传感器电场模型

3.6.3 LIA仿真离子源模型

3.7 30°“非对称式”可变几何因子低能离子分析仪探测性能仿真

3.7.1 离子聚焦特性和方位角分辨率

3.7.2 静电分析器因子和能量分辨率

3.7.3 视场偏转系统和俯仰角

3.7.4 可变几何因子系统

3.8 小结

第4章低能离子分析仪的矩参数与测量误差

4.1 等离子体矩参数

4.1.1 矩的定义

4.1.2 主要矩参数的计算方法

4.1.3 低能离子分析仪矩参数的计算

4.2 测量误差

4.2.1 系统误差

4.2.2 随机误差

4.2.3 均方根误差

4.3 低能离子分析仪对磁层低能离子和太阳风的测量误差

4.3.1 沿0°俯仰角（X方向）入射

4.3.2 沿45°俯仰角入射

4.3.3 沿90°俯仰角（Z方向）入射

4.4 主要误差源

4.4.1 能量范围与能量分辨率

4.4.2 方位角分辨率

4.4.3 俯仰角分辨率

4.5 实测验证

4.6 小结

第5章总结与展望

5.1 研究内容总结

5.2 研究的创新性

5.3 空间等离子体探测技术展望

参考文献

附录缩略词对照表

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 苏斌

导师: 张爱兵,孔令高

关键词: 空间热等离子体,静电分析器,几何因子,矩参数计算,误差分析

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: P111

总页数: 138

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