電磁監測試驗衛星阻滯勢分析器探測技術?

鄭香脂 張愛兵 關燚炳 劉超 王文靜 田崢 孔令高 孫越強

1)(中國科學院國家空間科學中心,北京 100190)

2)(天基空間環境探測北京市重點實驗室,北京 100190)

3)(中國科學院大學,北京 100190)

1 引 言

大量觀測資料表明,地質學、地球物理學和地球化學等的許多現象中,電磁異常是對短臨地震反映最敏感的前兆現象.地球-大氣層-電離層之間的耦合作用,會使地面出現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.利用空間技術進行地震相關的空間電磁現象的觀測,具有覆蓋全面、時間連續的特點,可較好地反映地震孕育、發生的相關現象[1].

近年來,電磁衛星的相關技術及其應用發展迅速.DEMETER衛星作為全球第一顆專門用于與地震有關電離層擾動研究的衛星,獲得了大量的科研成果[2?6].此外,俄羅斯COMPASS-II衛星、歐空局Cluster衛星以及Swarm衛星星座的發射,均為電離層地震前兆觀測研究積累了更多的觀測數據和經驗[7].

雖然能夠解釋地震相關異常現象的地球-大氣層-電離層的耦合機制還沒能形成完整和統一的觀點,但是地震前電離層異常現象的存在已經取得了較為廣泛的認同,并將會作為地震短臨期預測的一種判斷參量進行更為深入的研究[8].發射地震電磁衛星形成天地一體化監測系統,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研究和地震預測領域的發展[9?11].

電磁監測試驗衛星(CSES)是我國計劃發射的第一顆用于電離層特性及電離層地震電磁效應研究的空間探測衛星,軌道高度為500 km左右,其主要科學目標是獲取全球電磁場、等離子體、高能粒子觀測數據,提取地震電磁信息,研究大震短臨預測新方法,探索地震發生機制,為地震預報實現突破提供基礎[12,13].等離子體分析儀作為磁監測試驗衛星的載荷之一,用于測量電離層低能等離子體參數,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.實現以下科學目標:

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

2)為電離層物理的研究提供科學探測數據.

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

電磁監測試驗衛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果.電磁監測試驗衛星等離子體分析儀整體結構如圖1所示,圖中X為衛星飛行方向,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進行研究.

圖1 等離子體分析儀整體結構圖Fig.1.Composition of the payload plasma analyzing package.

表1 電磁監測試驗衛星等離子體分析儀指標和國際同類儀器指標比對Table 1.Performance compared with similar international instruments.

2 方案設計

2.1 工作原理

在ZH-1衛星阻滯勢分析器的剖面結構如圖2所示[16?18].

衛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.在傳感器內部,柵網G1和G2構成了傳感器的窗口,處于儀器地電位,其作用是防止傳感器內部的掃描偏壓影響環境等離子體的狀態.柵網G5也處于地電位,用于屏蔽掃描偏壓對儀器后端電子學的干擾.柵網G6為“抑制柵網”,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G4兩層柵網稱為“阻滯柵網”,這兩層柵網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構Fig.2.Structural diagram of retarding potential analyzer(RPA).

圖3 (網刊彩色)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.

對于電磁監測試驗衛星500 km軌道高度的電離層,離子的電離態主要為一價,成分以O+為主,此外還有少量的H+,He+.假設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星符合一維漂移Maxwell分布,如(1)式所示:

式中,K對多層柵網的總透過率;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;?為衛星結構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)、電流數據(I),并根據(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.

2.2 傳感器設計

2.2.1 柵網設計和透過率仿真分析

柵網是阻滯勢分析器的關鍵部件,材料選擇主要考慮以下幾個方面:電導率高、柵網透過率高、機械性能好、磁性低、高彈性、耐腐蝕、耐高溫,且要求功函數高,二次電子及光電子發射率低以防止原子氧腐蝕和離子濺射引起的質量損失.電磁監測試驗衛星阻滯勢分析儀柵網材料選用鈹銅,并采用鍍金的方法增加表面功函數和抗原子氧腐蝕能力.

柵網網孔尺寸設計原則為:網絲間距l≤2λD,其中λD為等離子體的德拜半徑[19].根據國際參考電離層(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設計方案如圖4所示,網孔設計為蜂窩狀正六邊形小孔,網絲間距設計為(1±0.01)mm,網絲寬度和厚度均設計為(0.1±0.01)mm,柵網單層正面透過率設計為82.64%±1.4%.

圖4 柵網設計示意圖Fig.4.The diagram of grid.

電磁監測試驗衛星阻滯勢分析儀采用6層柵網壓緊結構,各層柵網之間采用聚酰亞胺絕緣.為驗證由安裝引起的柵網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,根據電磁監測試驗衛星阻滯勢分析器實際情況,柵網網絲間距為1 mm,網絲寬度為0.1 mm,兩片柵網相距10 mm.為了模擬柵網相互之間錯位帶來的影響,基于3種工況建立兩層柵網總透過率的仿真模型,分別是:1)兩片柵網嚴格對齊的情況;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,并在相對柵網的方向疊加7.6 km/s的離子速度分量,該速度就是模擬衛星速度.模擬時用程序均勻取樣產生5000個離子,并記錄模擬后通過柵網的離子數量.共進行5次模擬,計算獲得平均值,仿真結果如表2所列.結果表明,900 K和1750 K的離子透過率的模擬結果接近,并且與理論值(離子通過單層柵網的概率為82.64%,那么離子通過兩層柵網的概率理論值是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.

為驗證上述結論,建立3層柵網的模型,柵網間距10 mm,且3層柵網橫向相互錯位.在中間柵網上加1 V電壓,兩端柵網為地電位.設置離子溫度為900 K,5次模擬結果如圖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.仿真結果表明,3層柵網在加一定電壓后,透過率的仿真結果與理論計算結果相符.

以上仿真結果表明,多層柵網由安裝引起的位置偏移對透過率無影響,多層柵網的總透過率與理論計算一致.

表2 兩層柵網透過率五次仿真結果Table 2.The simulation results of two layer grid’s total transmission rate.

圖5 3層柵網仿真結果Fig.5.The simulation results of three layer grid’s total transmission rate.

表3 3層柵網透過率5次仿真結果Table 3.The simulation results of three layer grid’s total transmission rate.

2.2.2 傳感器尺寸設計

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

由于阻滯勢分析器傳感器一共6層柵網,每層透過率82.64%,代入(4)式計算得r≥13 mm.(4)式中各個參數含義與(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.

設計收集極半徑R和傳感器有效高度h時,考慮空間環境較為極端的情況,離子溫度為3000 K時對應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°,即要求滿足如下關系:

因此,電磁監測試驗衛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 掃描電壓設計

在500 km軌道的電離層環境中,衛星速度為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分,因此,若要區分這3種成分,則掃描偏壓的范圍首先應充分覆蓋這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大于15 V.而500 K對應的最小能量展寬為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,可根據在軌測試結果注入指令調整最小電壓至?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,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 電子學設計

阻滯勢分析器傳感器和電子學電路為一體式設計.阻滯勢分析器的電子學原理框圖如圖7所示,掃描電壓控制電路加載一個連續的掃描電壓信號到阻滯柵網,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.電流經過前放電路,輸出電壓信號,由現場可編輯門陣列(FPGA)采集該信號.其中,掃描電壓信號是由FPGA控制D/A轉換輸出后,再經電壓偏置調整電路和放大電路后加載到阻滯柵網.

根據等離子體分析儀技術指標,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輸出達到飽和或低于噪聲水平,從而降低數據精度.電磁監測試驗衛星阻滯勢分析器解決該難題的途徑是在前放電路部分設置了三個可選量程,FPGA采集傳感器輸出電壓的同時,需要對采樣到的數據進行閾值比對,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.電子學電路噪聲測量結果如表4所列.

表4 噪聲測量結果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前掃描電壓,并保存當前量程,形成阻滯勢分析器的原始數據,經打包后通過RS422總線發送到衛星數傳分系統.且儀器在工作過程中隨時接收來自衛星星務分系統的間接指令,并解析執行.

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

在電子學設計過程中,從元器件選擇和控制、降額設計、耐環境設計和關鍵電路冗余設計等方面采取措施提高可靠性,并進行可靠性預計,5年壽命末期的可靠度為0.981.

3 地面測試結果分析

3.1 地面測試環境

2015年4月,根據以上方案自主研發的電磁監測試驗衛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)進行了等離子體環境下的定標測試試驗.

意大利INAF-IAPS的等離子體實驗設備模擬的空間等離子體環境和空間等離子體典型參數的比對如表5所列,表中等離子體罐內參數由意大利INAF-IAPS于2010年測量得到.該設備以氬氣(Ar)為工作介質,等離子體源安裝在真空罐的一端,其產生的等離子體環境在真空罐內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 測試方法和結果

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

表5 電離層等離子體典型參數與等離子體罐內參數比對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果如表6和圖9所示(細實線為設計的阻滯勢分析器測量結果,虛線為INAF-IAPS參考阻滯勢分析器測量結果).測試結果表明: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,符合等離子體罐內等離子體分布的變化規律;2)與意大利INAF-IAPS參考阻滯勢分析器結果相比,兩者具有相同的梯度變化規律;3)阻滯勢分析器密度測量精度優于精度設計指標.

在電磁監測試驗衛星的軌道,衛星飛行速度為7.6 km/s,則整體處于靜態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備內,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)特征點測試結果如表7和圖10所示.通過沿軌道方向漂移速度測量結果可知:1)3個特征點測量結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于精度指標.

圖9 阻滯勢分析儀測試離子密度測量結果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)測量結果Table 7.The results of ion energy measurements.

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

此外,由于意大利INAF-IAP真空罐內離子的存在時間很短,離子溫度達不到平衡態,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 論

依據電磁監測試驗衛星的任務要求,詳細設計了阻滯勢分析器的探測技術方案,并自主完成了阻滯勢分析器的研制工作.在此基礎上,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境,進行了阻滯勢分析器的地面環境測試,結果表明該阻滯勢分析器的性能指標滿足設計要求.

等離子體分析儀作為電磁監測試驗衛星的載荷之一,將首次實現電離層等離子體原位探測.利用衛星技術進行地震相關的電離層等離子體參數的監測,具有覆蓋全面和時間連續的特點,對探索地震孕育、發生的相關現象有重要意義.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,對于監測震前電離層參數異常起到重要的指導作用,同時可為電離層-地震耦合關系及電離層物理的研究提供科學探測數據.

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