蘇 斌,孔令高,張愛兵,3,4
(1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;4.中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)
在空間熱等離子體探測中,大視場是儀器設(shè)計(jì)的基本需求之一,通常需要全空間(4π)視場實(shí)現(xiàn)等離子體三維分布的探測。帶頂蓋半球形靜電分析器是一種廣泛采用的探測方案[1-2]。這類靜電分析器具有360°(方位角)×約8°(俯仰角)的固有環(huán)形視場,被廣泛應(yīng)用于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星上,利用衛(wèi)星自旋可以實(shí)現(xiàn)4π空間測量[3-7]。在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星上,由于其俯仰角固有視場小,需要采用對稱的靜電偏轉(zhuǎn)板設(shè)計(jì)增大俯仰角視場。STEREO衛(wèi)星的PLASTIC載荷將俯仰角擴(kuò)大到±20°,Juno探測器的JADE載荷擴(kuò)大到±35°,MAVEN衛(wèi)星的SWIA/SWEA/STATIC載荷采用大偏轉(zhuǎn)板將俯仰角擴(kuò)大到±45°[8-12],Parker太陽探測器的SWEAP載荷將俯仰角視場擴(kuò)大到±60°[13]。然而在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺上,擴(kuò)大了俯仰角的單臺探測器仍然無法實(shí)現(xiàn)4π空間探測,通常需要至少兩臺探測器配合實(shí)現(xiàn)。歐空局的Solar Orbiter衛(wèi)星的載荷SWA/EAS采用對稱偏轉(zhuǎn)板實(shí)現(xiàn)±45°俯仰角視場,兩臺儀器朝向不同方向達(dá)到了接近4π的探測視場[14]。
另外一種獲得4π探測視場的方法是在三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺上,通過偏轉(zhuǎn)板的不對稱設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)單臺儀器具有2π半球形視場,兩臺儀器安裝在相反方向上相互配合即可覆蓋4π全空間視場,比如日本SELENE衛(wèi)星的PACE載荷。PACE的偏轉(zhuǎn)板采用冪函數(shù)剖面設(shè)計(jì),以俯仰角中心軸線為x軸,上下偏轉(zhuǎn)板剖面曲線分別正比于x2.4和x2.9,將俯仰角由0°掃描至90°,實(shí)現(xiàn)了2π半球視場[15-16]。這種設(shè)計(jì)獲得的俯仰角與偏轉(zhuǎn)電壓關(guān)系曲線的線性度較好,但缺點(diǎn)是俯仰角接近90°時,方位角分辨率明顯變差。在0°和90°俯仰角附近儀器的幾何因子也有明顯的下降,俯仰角范圍內(nèi)的幾何因子響應(yīng)一致性不好。
此外,空間粒子類儀器通常對特定區(qū)域的特定對象進(jìn)行探測,具有固定的幾何因子,即具有固定的通量動態(tài)響應(yīng)范圍。而在某些跨磁層和太陽風(fēng)探測任務(wù)中,衛(wèi)星軌道貫穿內(nèi)磁層、磁鞘和太陽風(fēng),等離子體通量變化可達(dá)3個量級,尤其當(dāng)日冕物質(zhì)拋射(CMEs)發(fā)生時,太陽向地球空間拋射大量等離子體,會大大增加地球附近等離子體通量[17-18]。入射等離子體通量超過某一臨界值時,儀器計(jì)數(shù)就會達(dá)到飽和。固定幾何因子的儀器無法覆蓋如此大的通量動態(tài)范圍[19]。
為解決目前2π視場的等離子體探測器設(shè)計(jì)的不足,在已有空間等離子體儀器基礎(chǔ)上,本文介紹的熱等離子體分析儀(Hot plasma analyzer,HPA)采用球形剖面靜電偏轉(zhuǎn)板,實(shí)現(xiàn)俯仰角0°~90°之間的連續(xù)掃描,獲得2π半球形視場,同時使用兩臺儀器可實(shí)現(xiàn)4π全空間覆蓋。且通過視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了角度分辨率。此外,利用頂蓋電壓控制方式實(shí)現(xiàn)幾何因子連續(xù)可變,滿足大通量動態(tài)范圍熱等離子體的探測需求。
以三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺上開展熱等離子體探測為任務(wù)需求,根據(jù)空間熱等離子體能量與通量特點(diǎn),HPA需要對50 eV~20 keV能量范圍的熱等離子體進(jìn)行高分辨率探測,利用兩臺儀器的聯(lián)合探測視場將達(dá)到4π。單臺儀器指標(biāo)要求見表1。
表1 熱等離子體分析儀主要指標(biāo)要求Table 1 Main required specifications of HPA
HPA主要包括探頭和電子學(xué)箱兩個部分。探頭主要用于對入射等離子體進(jìn)行能量和方向分析,將信號輸出給電子學(xué)箱;電子學(xué)箱對輸出信號進(jìn)行處理分析。探頭具有旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。圖1給出了探頭組成部分的剖面結(jié)構(gòu),從上到下依次包括:視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(FOV deflector system,FDS)、可變幾何因子系統(tǒng)(Variable geometric factor system,VGFS)、準(zhǔn)直通道、靜電分析器(Electrostatic analyzer,ESA)、微通道板(Micro-channel plate,MCP)和陽極。帶箭頭虛線表示的是沿特定俯仰角入射并成功飛出靜電分析器到達(dá)微通道板的等離子體軌跡。
圖1 熱等離子體分析儀探頭基本結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Layout of HPA sensor head
等離子體首先進(jìn)入視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩塊圓形剖面的靜電偏轉(zhuǎn)板組成,兩塊偏轉(zhuǎn)板對稱軸線俯仰角為45°,偏轉(zhuǎn)板加不同大小的掃描電壓實(shí)現(xiàn)對不同入射俯仰角等離子體的軌跡偏轉(zhuǎn),入射俯仰角由偏轉(zhuǎn)電壓和等離子體能量決定??勺儙缀我蜃酉到y(tǒng)包含一塊頂蓋電極,頂蓋加電壓時,頂蓋電場改變?nèi)肷涞入x子體的軌跡,影響飛出靜電分析器的等離子體通量。
靜電分析器由兩塊同心球形極板組成,等離子體進(jìn)入靜電分析器后在極板間徑向電場引導(dǎo)下穿過狹縫。球形極板的平均半徑R0和狹縫寬度d決定了靜電分析器因子k:
(1)
式中:k是靜電分析器的固有特性參數(shù),球形極板加電壓時,只有特定的能量電荷比值(E/q)的等離子體能通過狹縫。內(nèi)極板加電壓VI,外極板接地時,能通過狹縫的等離子體E/q與電壓VI的關(guān)系如下[20]:
E/q=k·VI
(2)
式中:E為等離子體能量,q為電荷數(shù)。電子學(xué)提供給靜電分析器的電壓VI通常是一個確定的范圍,因此靜電分析器因子直接影響儀器的可探測能量范圍。Young等[21]對能量分辨率與靜電分析器因子k的關(guān)系進(jìn)行了研究,并給出了近似關(guān)系式:ΔE/E~1/k,即能量分辨率與k成反比,k的大小直接影響能量分辨率。
球形靜電分析器會對以固定方位角入射的等離子體產(chǎn)生聚焦作用,在靜電分析器出口附近形成聚焦點(diǎn),如圖2所示。聚焦產(chǎn)生的焦點(diǎn)落在微通道板上,記錄等離子體位置信息。微通道板將接收到的電荷信號放大,并將電荷脈沖輸出給電子學(xué)。后端陽極被劃分為48等份,每塊為7.5°,實(shí)現(xiàn)方位角分辨。
圖2 球形靜電分析器的聚焦作用示意圖Fig.2 Ion beam focusing of spherical ESA
對靜電分析類的等離子體探測器,SIMION是最常用的仿真軟件[22]。仿真模型的建立主要有兩部分內(nèi)容:①建立探頭靜電場模型;②建立等離子體入射源模型。
根據(jù)HPA探頭尺寸建立傳感器結(jié)構(gòu)模型,SIMION根據(jù)電極電壓計(jì)算探頭內(nèi)部電場。圖3給出了VI=-178 V,上偏轉(zhuǎn)板電壓Vupper=-200 V,其他電極接地時的電場等勢線圖。模型采用笛卡爾坐標(biāo)系:以旋轉(zhuǎn)中心為Z軸,水平軸為X軸,Y軸符合右手定則。
圖3 HPA探頭內(nèi)部電場等勢線圖Fig.3 Equipotential lines in HPA head sensor
仿真所用等離子體入射源模型的建立采用蒙特卡羅方法。以均勻隨機(jī)抽樣方式產(chǎn)生N個等離子體作為入射源。SIMION根據(jù)HPA內(nèi)部電場和等離子體信息計(jì)算粒子的運(yùn)動軌跡,并根據(jù)需要記錄指定位置的粒子屬性參數(shù)(能量、位置、速度等)。
入射源中所有能通過靜電分析器狹縫并到達(dá)微通道板的等離子體被定義為有效等離子體。圖4給出了VI=-178 V時的有效等離子體能譜分布圖,能譜符合高斯分布。峰值能量E=1070 eV,由式(2)計(jì)算得靜電分析器因子k=6.03,能量分辨率η定義為能譜半高全寬ΔE與E之比,η=ΔE/E=9.75%。k和η均為儀器的固有特征參數(shù),和儀器結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),與等離子體能量和電壓無關(guān)。
由電壓范圍和式(2)計(jì)算,可探測等離子體能量范圍為30.2 eV ~24.1 keV,滿足指標(biāo)需求。
圖4 VI=-178 V時能譜圖Fig.4 Energy spectrum when VI=-178 V
由于準(zhǔn)直通道限制,HPA固有俯仰角視場很小,僅約幾度。圖5是偏轉(zhuǎn)板接地時的入射俯仰角分布,入射俯仰角符合高斯分布,峰值為45°,最大跨越4.5°。高斯分布半高寬即為俯仰角分辨率Δα,仿真結(jié)果為1.95°。
為了擴(kuò)大俯仰角視場范圍,引入了視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用了球形剖面偏轉(zhuǎn)板設(shè)計(jì),通過對上下偏轉(zhuǎn)板加掃描高壓,對入射等離子體俯仰角進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。不同于PACE偏轉(zhuǎn)板的設(shè)計(jì),HPA采用的球形剖面偏轉(zhuǎn)板,既改善了PACE所用冪函數(shù)構(gòu)型存在的幾何因子在俯仰角接近0°和90°時下降幅度過大的問題,也提高了方位角分辨率。經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場作用后的俯仰角與偏轉(zhuǎn)電壓和等離子體能量相關(guān)。
圖5 入射俯仰角分布Fig.5 Incident elevation distribution
定義偏轉(zhuǎn)板因子:
(3)
式中:Vupper、Vlower分別為上、下偏轉(zhuǎn)電壓。
圖6 偏轉(zhuǎn)板因子與俯仰角擬合曲線Fig.6 Fitting line between deflector factor S and elevation angle
圖6為α隨S的變化曲線,誤差棒長度為俯仰角分辨率。多項(xiàng)式擬合方程為:
α=-113.6×S3+8.769×S2-90.17×S+44.78
(4)
方程的擬合確定系數(shù)為1,擬合結(jié)果可用于對各能量等離子體俯仰角的計(jì)算。
隨著俯仰角由45°向0°或90°偏轉(zhuǎn),俯仰角分辨率逐步變差,圖7給出了相近尺寸下的冪函數(shù)剖面偏轉(zhuǎn)板和HPA采用的球形剖面偏轉(zhuǎn)板的俯仰角分辨率的對比,結(jié)果顯示HPA的視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使俯仰角分辨率在0°和90°得到了明顯改善,分別優(yōu)化至為6°和5°。
圖7 俯仰角分辨率隨俯仰角的變化Fig.7 Elevation resolution at different elevations
隨著俯仰角的變化,由于偏轉(zhuǎn)板的遮擋,等離子體有效計(jì)數(shù)率會受到影響,圖8給出了兩種剖面偏轉(zhuǎn)板的等離子體有效計(jì)數(shù)率響應(yīng)對比,由圖中曲線可得,HPA在0°和90°俯仰角附近的計(jì)數(shù)率仍維持在90%以上。
圖8 歸一化計(jì)數(shù)隨俯仰角的變化Fig.8 Normalized counts at different elevations
綜合以上比較分析,HPA的視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效改善了冪函數(shù)剖面偏轉(zhuǎn)板帶來的俯仰角分辨率變差和有效計(jì)數(shù)率下降的問題。
HPA呈旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu),方位角具有360°變化范圍。球形靜電分析器對入射等離子體束有聚焦作用,方位角分辨率定義為落在微通道板上的光斑與中心形成的圓心角。視場偏轉(zhuǎn)電壓為0 V時,方位角分辨率約為0.7°,優(yōu)于單個扇形陽極7.5°的分辨需求。
俯仰角向0°和90°偏轉(zhuǎn)時會影響方位角分辨率。圖9給出了前述兩種剖面偏轉(zhuǎn)板設(shè)計(jì)的方位角分辨率隨俯仰角的變化情況,比較兩條曲線可知,HPA采用的球形剖面偏轉(zhuǎn)板在0°俯仰角附近方位角分辨率仍維持5°左右,而相近尺寸下冪函數(shù)剖面設(shè)計(jì)的方位角分辨率接近7.5°;俯仰角靠近90°時,HPA方位角分辨率變化較平滑,在90°俯仰角附近將方位角分辨率由50°左右優(yōu)化到35°,而且處于7.5° 方位角分辨率以內(nèi)的俯仰角范圍達(dá)到約74%,而冪函數(shù)剖面設(shè)計(jì)僅能使60%的俯仰角范圍的方位角分辨率達(dá)到7.5°。
圖9 方位角分辨率隨俯仰角的變化Fig.9 Azimuth resolution at different elevations
幾何因子表征探測器接收粒子的能力,是衡量HPA測量靈敏度的重要參數(shù)。根據(jù)Vasyliunas等[23]和Chase等[24]的定義,幾何因子G與計(jì)數(shù)率C和微分通量j有如下關(guān)系:
C=G·j
(5)
呈旋轉(zhuǎn)對稱的靜電分析器G的表達(dá)式為[25]:
(6)
式中:T為面元dxdy內(nèi)等離子體透過效率;Tdxdy為有效面積;β0為單個計(jì)算像素方位角,即7.5°。式(6)由積分式寫成求和式:
(7)
式中:Δαi和ΔEj分別為俯仰角步長和能量步長,(Aact)ij為有效面積。
式(7)計(jì)算的G=2.2×10-4(cm2·sr·eV·eV-1),可以滿足指標(biāo)中對磁層熱等離子體的探測需求。圖10給出了1 keV入射源的等離子體計(jì)數(shù)率的分布,閉合曲線越靠近中心,等離子體計(jì)數(shù)率越大,最中間閉合曲線的等離子體計(jì)數(shù)率為100%,等離子體計(jì)數(shù)率最大值出現(xiàn)在能量1070 eV和俯仰角45°附近,與有效等離子體能譜和俯仰角分布一致。
圖10 1 keV有效等離子體歸一化計(jì)數(shù)率分布Fig.10 Normalized counts distribution of 1 keV plasma
HPA設(shè)計(jì)具有可變幾何因子功能,由頂蓋電極電壓控制實(shí)現(xiàn)。頂蓋加電壓時,頂蓋電場對入射等離子體產(chǎn)生抑制作用,通過靜電分析器狹縫的等離子體通量降低,從而降低儀器幾何因子。
圖11 可變幾何因子響應(yīng)曲線Fig.11 Variable geometric factor response
由式(5)可得,入射源相同時,j為常數(shù),則G與C成正比。圖11給出了有效等離子體歸一化計(jì)數(shù)率隨VTC/VI的變化曲線,VTC為頂蓋電壓值。從曲線得知,頂蓋電極不需要很高的電壓就可使幾何因子降低兩個數(shù)量級。VTC增加到VI的13%,幾何因子可降低一個量級,當(dāng)VTC增加到VI的15%時,幾何因子就可降低兩個數(shù)量級。
本文以三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺上的2π視場高分辨熱等離子體探測需求為出發(fā)點(diǎn),提出了一種新構(gòu)型的儀器設(shè)計(jì)方案,提高了角度分辨率以及響應(yīng)一致性。
HPA采用球形剖面視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和高聚焦特性粒子光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了單臺儀器2π高分辨半球形探測視場,采用頂蓋電壓控制方式實(shí)現(xiàn)幾何因子在兩個量級內(nèi)的連續(xù)可變,滿足大通量動態(tài)范圍熱等離子體的全空間探測。表2給出了兩種剖面構(gòu)型的視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的視場范圍與分辨率的比對情況。由表2中數(shù)據(jù)可得出,經(jīng)過球形剖面偏轉(zhuǎn)板優(yōu)化的視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)在保持全空間視場的同時,具有更高的俯仰角分辨率,實(shí)現(xiàn)了較大的高分辨率覆蓋范圍和較好的幾何因子響應(yīng)一致性,將高方位角分辨率覆蓋范圍提高到74%。HPA的視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)為以后更高分辨率的儀器設(shè)計(jì)提供了支撐。
表2 兩種視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)剖面構(gòu)型探測視場的比對Table 2 FOV comparison between two different FDS
通過仿真分析,本文提出的熱等離子體分析儀的設(shè)計(jì)方案滿足預(yù)期指標(biāo)需求。表3是仿真結(jié)果與HPA預(yù)期技術(shù)指標(biāo)需求的比對,HPA各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了探測指標(biāo)要求。
表3 仿真結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)需求的比對Table 3 Comparison between simulation results and requirements