一种外日球层拾起离子探测器的设计与仿真_高天丰.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0243一种外日球层拾起离子探测器的设计与仿真高天丰1，2，孔令高1，2，*，苏斌1，张爱兵1，2(1.中国科学院国家空间科学中心，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049)摘要：针对外日球层低速、低密度、低温的拾起离子（PUIs）的高分辨探测需求，以带顶盖超环面静电分析器、阻滞势分析器和线性场飞行时间系统为基础设计了一种新型高分辨拾起离子探测器。经过有限元仿真分析，探测器可实现离子（氢）的速度范围 15.71072.2km/s，密度范围 0.0001100cm3，温度高于 474.9K 的探测，同时可实现典型拾起离子（氢、氦、碳、氮、氧、氖）的成分分辨，质谱分辨率（M/M）大于 40。关键词：外日球层；拾起离子；静电分析器；线性场飞行时间系统；数值仿真中图分类号：V447+.1；P354文献标志码：A文章编号：1005-5965（2023）02-0367-11日球层是太阳风在星际空间“吹”出来的巨大磁化等离子体泡，是主要受太阳风控制的区域。日球层中拾起离子（pickupions，PUIs）广泛存在。当来源于星际介质、行星及其他小天体的中性成分与太阳紫外光和太阳风相互作用（光电离、电子碰撞电离或电荷交换）时1-2，产生的离子可以被背景磁场拾起，这部分离子称之为拾起离子。PUIs 的探测已有近半个世纪的历史，多数的深空探测计划都有探测 PUIs 的能力，早期的如Pioneer10/113、Voyager1/24、AMPTE5、Ulysses6、Galileo7、SOHO8、ACE9；近20 年内的如Cassini10、NewHori-zons11、STEREO12、ChangE-113、MAVEN14、Rose-tta15和 Juno16等。这些探测计划搭载的相关载荷都开展了不同程度的星际或行星空间 PUIs 探测。外日球层是指 1 个天文单位（astronomicalunits，AU）以外的日球层区域。外日球层拾起离子主要是通过星际介质中的中性原子与太阳光及太阳风粒子之间发生光电离、电子碰撞电离或电荷交换作用而产生的，与常规深空离子环境相比，外日球层拾起离子具有低速（25km/s，2eV）、低密度（1103cm3）、低温（6103K）的特征17-18。外日球层拾起离子的典型成分有：H+、He+、He2+、C+、N+、O+、Ne+等19-21。随着日心距的不断增加，来自星际介质中的中性原子（氢）的密度也不断增加，因此，外日球层中拾起离子也越来越重要。受此影响，内、外日球层的太阳风的结构也有着本质的区别。在 10100AU 之间，太阳风速下降约 100km/s,这是由于在外日球层中，较快的太阳风中加载了较慢的拾起离子，太阳风逐渐减速。在外日球层的总能量以动能和热能为主，动能减少时，热能必然增大，40AU之外，拾起离子的热压要高于太阳风原质子的热压和磁压之和，因此拾起离子对外日球层太阳风动力学结构会有显著影响22-25。对外日球层拾起离子的探测，有助于理解外日球层太阳风减速和拾起离子加热机制，对外日球层大尺度结构和动力学过程的研究也具有重要意义。目前深空探测计划中的 PUIs 探测载荷大多以行星等离子体或太阳风为主要探测目标，并不是专门的 PUIs 探测仪器，难以同时满足高能量分辨率、低能量响应、大几何因子和高质谱分辨率的探测需求，也就难以实现对低温、低速、低密度的外日球层拾起离子的科学探测目标。收稿日期：2021-05-08；录用日期：2021-10-09；网络出版时间：2021-11-0117：36网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（2）：367-377.GAO T F，KONG L G，SU B，et al.Design and simulation of detector for outer heliosphere pickup ionsJ.Journal of Beijing Universityof Aeronautics and Astronautics，2023，49（2）：367-377（in Chinese）.2023年2月北京航空航天大学学报February2023第49卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.2PUIs 的能量与通常的太阳风或星际等离子体接近，其探测技术手段与常用等离子体探测手段类似：对于能量的测量主要采用静电分析器（electro-staticanalyzer，ESA）实现；对于成分的分辨需要在静电分析器基础上结合飞行时间系统（timeofflig-ht,TOF）实现。NewHorizons 的冥王星周围的太阳风（thesolarwindaroundPluto，SWAP）载荷首次以外日球层 PUIs 为主要探测目标，采用的是球形静电分析器设计方案，具有大几何因子、高能量分辨率的优点，可实现能量范围 357500eV 的 PUIs的探测。SWAP 探测目标为最远约 30AU 处的太阳风离子和 PUIs，最低探测能量为 35eV，无离子成分分辨能力。采用飞行时间系统进行离子成分分辨是等离子体及 PUIs 载荷最常用的技术手段。飞行时间系统主要有均匀场飞行时间系统和线性场飞行时间系统（linear-electric-fieldtime-of-flightanalyzer，LEF-TOF）2 种。均匀场飞行时间系统结构简单，质量分辨率不高14，探测型号项目主要有 STEREO/PLAS-TIC 和 MAVEN/STATIC；线性场飞行时间系统结构复杂，质量分辨率较高10，探测型号项目主要有 Cas-sini/IMS 和 BepiColombo/MSA26。Cassini 卫 星 的 离 子 质 谱 仪（ionmassspectro-meter，IMS）载荷是采用线性场飞行时间系统实现高质谱分辨离子探测的典型载荷。Cassini/IMS 探测目标是较为稠密的行星等离子体，几何因子较小（105cm2sreV/eV），不能满足低密度外日球层拾起离子的探测需求。外日球层已经逐渐成为未来深空探测的热点。随着探测距离的不断向外扩展，拾起离子的密度、速度、温度将越来越低，现有的传统拾起离子探测方案已经不能满足对外日球层 PUIs 的高分辨探测需求，迫切需要对新型高分辨拾起离子探测技术进行研究。本文介绍了一种全新的高分辨外日球层拾起离子探测器，以超环面静电分析器和线性场飞行时间系统为基本设计方案，配合阻滞势分析器和静电偏转板扫描，具有低能量响应、大几何因子、高能量分辨、大视场范围和高质谱分辨的优点，能够实现对外日球层低速、低密度、低温的拾起离子的高分辨探测。1仪器设计外日球层高分辨拾起离子探测器，主要包括传感器和电子学两部分。传感器用于入射拾起离子的调制和信号感应，输出信号给电子学；电子学负责对传感器输出信号进行处理并为传感器各电极提供高压电源。传感器设计原理和离子飞行轨迹示意如图 1 所示，传感器部分主要由阻滞势分析器（retardingpotentialanalyzer，RPA）、偏转板、超环面静电分析器、线性场飞行时间系统、固体半导体探测器（solid-statesemiconductordetector，SSD）、微通道板（microchannelplate，MCP）和阳极等组成。阻滞势分析器阻滞势分析器偏转板静电分析器15 kV+15 kV线性场飞行时间系统MCP阳极SSD阳极超薄碳膜终止信号离子电子起始信号.图1拾起离子传感器设计原理Fig.1Designschemeofpickupionsensor处于仪器视场范围内的离子先进入 RPA，RPA通过扫描高压对离子能量进行首次选择，能量高于阻滞阈值的离子才能穿过 RPA，低于阻滞阈值的离子将被阻挡。偏转板用于对穿过 RPA 的离子方向进行调制，选择特定方向的离子进入后端的静电分析器。静电分析器用于离子能量的 2 次选择，能穿过静电分析器的离子能量与静电分析器所加电压成正比。从静电分析器出射的离子被15kV 的加速高压加速，离子穿过超薄碳膜产生次级电子，次级电子打在底部起始微通道板上产生起始信号，离子继续飞行并被线性场减速再反向加速打在顶部SSD 上产生终止信号。终止信号和起始信号之间的时间差即为离子的飞行时间。分析飞行时间谱和 SSD 测量的剩余能量可给出离子的成分和电荷态信息。1.1静电分析器针对低速、低密度外日球层 PUIs 的探测需求，要求仪器可探测的低端能量低至约 2eV，同时还要具有较大的几何因子实现低密度的探测。本文方案采用平顶盖的超环面静电分析器，如图 2 所示，具有大几何因子的优点，同时与其他类型的静电分析器相比，离子出射后汇聚的焦点位置更低、聚焦368北 京 航 空 航 天 大 学 学 报2023年特性更好，便于和后端 LEF-TOF 配合实现高质谱分辨率探测。平顶盖超环面静电分析器由内、外超环形极板组成27，内极板加电压，外极板接地，形成径向电场，引导离子穿过静电分析器狭缝。穿过静电分析器的离子能量电荷比与静电分析器电压成正比关系：E/q=KV（1）式中：E 为离子能量；q 为离子电荷量；K 为静电分析器常数；V 为静电分析器内外极板电压差。静电分析器常数由狭缝平均半径 Rp和其宽度R 确定：K=Rp2R（2）式中：Rp=(R1+R2)/2，R=R2R1，R1、R2分别为分析器的内外极板半径，R1=58.0mm，R2=67.0mm。其他尺寸如图 2 所示：R3=36.1mm，D=28.0mm，0=92.5。静电分析器常数是静电分析器的固有特性参数，直接决定探测器的能量分辨率和可探测离子能量范围。1.2阻滞势分析器针对外日球层低温 PUIs 的探测需求，要求仪器具有高的能量分辨率。静电分析器具有离子能量分辨能力。对于静电分析器来说，更高的能量分辨率需要更小的狭缝宽度，对应着更小的几何因子。因此，静电分析器通常无法同时实现高能量分辨率和大几何因子。本文提出的拾起离子探测器采用静电分析器配合 RPA 的方案，在静电分析器入口前设置一圆柱型结构的 RPA，用于控制可进入静电分析器的离子最低端能量的大小，配合静电分析器的能量分辨，提高仪器的能量分辨率。RPA 主要由 4 层栅网组成，其中内、外 2 层栅网接地，中间2 层栅网加扫描高压用于选择离子能量，RPA 简化模型如图 3 所示。扫描高压选择穿过RPA 离子的能量满足式(3)11：E qVRPAcos2（3）式中：VRPA为 RPA 栅网阻滞正电压；q 为离子电荷量；为入射离子的俯仰角；E 为可通过栅网的离子能量。当 ESA 电压固定、RPA 不加电压时，ESA 选择的有效离子能谱近似符合高斯分布，如图 4（a）所示。当固定 ESA 电压，进行 RPA 电压扫描时，通带以可变的“鲨鱼鳍”形状切断，如图 4（b）所示。对相邻的 RPA/ESA 电压组合进行微分，就可以实现入射离子的高能量分辨率测量，如图 4（c）所示。1.3线性场飞行时间系统高质谱分辨和电荷态的区分是外日球层 PUIs的基本探测需求。本文方案采用线性场飞行时间系统，相比传统的均匀场飞行时间系统，飞行距离和飞行时间更长，可得到更高质谱分辨率的飞行时间谱。本文设计方案中在线性场飞行时间系统中结合固体半导体探测器，可以给出离子的电荷量。线性场飞行时间系统通过设置电极电压，在内部产生沿垂直方向线性变化的电场，进入飞行时间系统的离子被电场减速、反射然后反向加速打到顶部固体半导体探测器进行剩余能量探测，根据飞行时间谱和剩余能量并结合静电分析器的探测结果即可得到离子质量 M、电荷 q 和能量 E 等参数，从而达到鉴别离子种类的目的。离子在 LEF-TOF 系统中的飞行时间为28=Mqk=MZek（4）式中：Z 为核电荷数；e 为单位电荷带电量；q=Ze；M 为离子质量；k 为线性场常数，仅与飞行时间系统结构有关。离子飞出静电分析器时的能量为 E，然后经过加速电压 UACC（已知）加速，穿过超薄碳膜损R2R10R3离子出口xOz速度矢量yDR图2ESA 基本结构示意图Fig.2BasicstructurediagramofESA(a)RPA三维模型cos2 qVRPAEcos2 qVRPAE40forM=120（54.5H+）4结论本文通过对外日球层拾起离子探测器的设计与仿真，展示了空间等离子体仪器的设计思路及实现过程，根据仿真结果可得到如下结论：1)通过 ESA 和 RPA 的组合，可实现低速、低温、低密度拾起离子的探测，速度低至 15.7km/s，温度低至 474.9K，密度低至 1104cm3。2)通过 LEF-TOF 与固体半导体探测器的组合，可实现高质谱分辨率（40）探测并给出离子电荷态信息。3)探测器可探测的离子不局限于本文的主要探测对象 PUIs，当 RPA 的扫描电压设置为 0 时，探测器可探测速度、温度、密度更高的太阳风离子。仪器的仿真结果为后续仪器的工程实现、地面定标试验及在轨数据处理奠定了基础。后续的工作将开展原理样机的研制，对原理样机进行地面测试定标，并与仿真模拟结果进行比对，验证设计和仿真的合理性和准确性。致谢感谢天基空间环境探测北京市重点实验室和中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室相关课题的支持。参考文献（References）HOLLICKSJ,SMITHCW,PINEZB,etal.Magneticwavesex-citedbynewborninterstellarpickupionsmeasuredbytheVoyagerspacecraftfrom1to45au.I.wavepropertiesJ.TheAstrophysic-alJournal,2018,863(1):75-93.1SWACZYNAP,MCCOMASDJ,ZIRNSTEINEJ.He+ionsco-movingwiththesolarwindintheouterheliosphereJ.TheAstro-physicalJournal,2019,875(1):36-48.2STILWELLDE,JOYCERM,TEEGARDENBJ,etal.ThePion-3Depth vs.Y-AxisTarget depth0 A35 A+35 A70 A35 A35 A0Transverse view图19离子在碳膜中的轨迹仿真Fig.19Trajectorysimulationofionsincarbonfoil2004006008001 0001 200飞行时间/ns05001 0001 5002 000计数H+He2+He+N+C+Ne+O+图20离子成分 H+Ne+飞行时间谱Fig.20Spectrumoftime-of-flightforH+Ne+200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300飞行时间/ns03006009001 2001 5001 800计数H+图211.28eVH+飞行时间图谱Fig.21Spectrumoftime-of-flightfor1.28eVH+第2期高天丰，等：一种外日球层拾起离子探测器的设计与仿真375eer10/11andHeliosA/BcosmicrayinstrumentsJ.IEEETrans-actionsonNuclearScience,2007,22(1):570-574.BRIDGEHS,BELCHERJW,BUTLERRJ,etal.Theplasmaex-perimentonthe1977VoyagerMissionJ.SpaceScienceReview,1977,21(3):259-287.4MBIUSE,HOVESTADTD,KLECKERB,etal.Directobserva-tionofHe+pick-upionsofinterstellarorigininthesolarwindJ.Nature,1985,318(6045):426-429.5GLOECKLERG,GEISSJ,BALSIGERH,etal.TheUlyssessol-arwindplasmaexperimentJ.AstronomyandAstrophysicsSup-plementSeries,1992,92(2):237-265.6FRANKLA,ACKERSONKL,LEEJA,etal.Theplasmainstru-mentation for the Galileo MissionJ.Space Science 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analyzer；linear-electric-field time-of-flight analyzer；numericalsimulationReceived：2021-05-08；Accepted：2021-10-09；PublishedOnline：2021-11-0117：36URL：