基于范阿伦卫星观测数据的等离子体层嘶声全球分布的统计分析

等离子体层嘶声是引起辐射带电子投掷角散射进而沉降到地球大气层的重要物理机理,也被认为是导致地球内、外辐射带之间槽区形成的主因,因此研究空间等离子体层嘶声的全球分布特性具有重要科学意义.本文利用范阿伦探测双星中的A星从2012年9月到2015年5月长达33个月的高质量波动观测数据,详细计算了等离子体层嘶声的平均波幅和发生率,建立了等离子体层嘶声的全球分布数据库,并细致分析了其场强幅度随地磁活动水平、磁壳值L、地磁纬度、磁地方时的统计变化规律.结果表明,等离子体层嘶声的平均波幅与地磁活动剧烈程度具有很强的相关性,并表现出明显的昼夜不对称性.随着地磁活动的增强,日侧等离子体层嘶声的平均波幅相应增大,增强的区域集中在2.5L4,但是夜侧等离子体层嘶声的平均波幅反而下降.另外,不同幅度的等离子体层嘶声随地磁活动的变化表现出不同的响应特性.随着地磁活动水平的增强,较小幅度(5—30 pT)的等离子体层嘶声的日侧发生率减小,夜侧发生率增大;更强幅度(30 pT)的等离子体层嘶声的变化特性正好相反,日侧发生率增大,夜侧发生率减小.在各种地磁活动条件下,磁赤道面附近及中纬地区等离子体层嘶声都广泛存在,波动幅度位于5—30 pT范围的嘶声发生概率最大.以上统计观测结果为现有的等离子体层嘶声全球分布模型提供了合理、可靠的补充,充分说明不同场强幅度的等离子体层嘶声在2L6的内磁层空间经常性地存在,为定量分析、模拟不同能量、不同投掷角的地球辐射带电子在不同太阳风与磁层背景条件下的动态时空变化过程提供了重要参数支持.     

磁暴主相期间环电流分布特性模拟研究

磁暴主相期间对流电场驱动等离子体片中的能量粒子经历E×B漂移，被地磁场俘获形成环电流，在此理论基础上充分考虑电荷交换造成的环电流损失与离子沉降的影响，改善并验证了磁暴主相期间环电流离子分布模式.模拟了不同强度磁暴主相期间磁层环电流离子的分布特征，研究了部分环电流离子对对流电场的响应.结果表明：不对称的环电流是磁暴主相期间环电流的重要组成部分，其分布特性表现为晨昏不对称和日夜不对称以及离子投掷角分布的各向异性等.对流电场与能量离子通量强度和分布范围之间正相关.模拟结果与观测有很好的一致性，证明了模型的可行性 关键词： 部分(不对称)环电流 磁暴主相 离子通量分布 对流电场     

场向传播的内磁层哨声波对辐射带高能电子的共振扩散

基于高斯分布的哨声波谱密度分布、偶极子背景磁场模型以及建立在卫星观测数据基础上的半经验电子密度纬度分布模型,对于等离子体层顶以外区域(4≤L≤7),计算了准线性当地及弹跳平均电子共振扩散系数,并估算了与磁层哨声波回旋共振导致的辐射带电子损失及加速时间尺度.结果表明,波粒共振相互作用区域取决于电子能量、波谱分布、电子赤道抛射角以及当地电子密度及背景磁场.哨声波共振频率除了与以上5个参量有关外,还与地磁纬度有关.赤道哨声波主要影响较低能量辐射带电子的加速,中高纬度哨声波主要作用于较高能量辐射带电 关键词： 共振波粒相互作用 地球辐射带 哨声波 回旋共振加速及散射沉降     

脉冲偏压上升沿特性对等离子体浸没离子注入鞘层扩展动力学的影响

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种廉价高效、非视线的技术.采用等离子体粒子模型，通过假设电子密度服从Boltzmann分布，求解Poisson方程和Newton方程，跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析，研究了不同上升速率和形状的6种波形上升沿对鞘层时空演化、离子注入能量和剂量的影响.结果表明，在PIII过程中，脉冲上升沿影响了等离子体鞘层的扩展，且不同波形诱导的鞘层厚度间存在最大差值.电场强度在鞘层的外边缘区域存在陡降区，离子的运动为非匀加速过程.可以通过调整脉冲 关键词： 等离子体浸没离子注入 鞘层 粒子模型 上升沿     

空间站问天舱等离子体原位成像探测技术

等离子体原位成像探测器是中国空间站的第一批舱外空间环境科学载荷,安装在问天舱的舱外暴露平台,将首次在空间站平台上开展电离层等离子体原位、成像、充电电位等多要素综合探测任务.其中,原位探测要素包括空间站轨道等离子体的密度、温度以及问天舱表面电位强度等.成像探测要素包括离子能量、运动方向和成像时间分辨率等.等离子体原位成像探测器采用多传感器的一体化设计,集成了朗缪尔探针、阻滞势分析仪、参考电位计和离子成像仪等技术.其中,离子成像技术是首次应用于我国的空间环境探测领域.等离子体原位成像探测技术在中国科学院国家空间科学中心定标实验室完成了测试验证,探测器已随问天舱成功发射,即将开展中低纬电离层的精细化探测,为完善空间站轨道电离层模型提供等离子体探测数据.通过探测累积长周期的充电电位数据,为研究等离子体对空间站的充电效应,促进空间站充电评估体系的建立提供支持.     

电解池电化学反应过程的运动衬度X射线成像

电化学反应过程中离子迁移、氧化还原反应的原位动态观测对研究电解池和电池充放电性能、离子迁移特性、缺陷产生和预防等具有重要意义.采用电解池模型研究电化学反应过程以方便实验参数调控,基于运动衬度X射线成像实验研究了其离子迁移和氧化还原反应过程.结果表明,同等条件下运动衬度X射线成像比传统的时间减影成像的衬噪比高一个量级以上.基于运动衬度X射线成像成功观测到起始阶段电化学反应特性,发现电化学反应在电解池内所有位置同时发生,而不是通常理解的电场力作用下离子迁移到阴极、得到电子被还原.电极投影位置运动衬度信号强于电解液其他位置,说明电极位置氧化还原反应更密集.在通电电压低到一个临界值、传统时间减影成像很难观测到离子迁移或原子团聚的时候,运动衬度成像仍可明确揭示离子迁移(原子团簇运动)轨迹.因此,运动衬度X射线成像可大幅提升电解质中离子(原子)迁移的观测灵敏度,在电池、电解池电化学反应特性的原位动态研究中具有重要应用前景.     

电子非广延分布的多离子磁化等离子体鞘层特性

等离子体磁化鞘层在半导体加工、材料表面改性、薄膜沉积等方面都发挥着重要作用.在等离子体实验和放电应用中,常存在由两种以上离子组成的多离子等离子体;对于长程相互作用的等离子体系统,非麦克斯韦分布的电子可通过Tsallis的非广延分布来描述.本文针对多离子等离子体鞘层建立一维空间坐标三维速度坐标的流体模型,假设鞘层中电子速度服从非广延分布,本底氦离子和不同种类的杂质离子在有一定倾斜角度的磁场中被磁化,通过数值模拟探究了非广延参量、杂质离子及斜磁场对多离子磁鞘中离子的数密度、速度、壁面电势和离子动能等物理量的影响.结果表明,在氦氢或氦氩混合等离子体鞘层中,随着非广延参量增大,离子沿垂直壁方向的速度减小,鞘层中离子、电子数密度均减小,鞘层厚度减小,壁面处离子动能减小;当杂质离子浓度增大时,壁面处离子动能与离子种类无关.随着磁场强度的增大,氦离子数密度和沿垂直壁方向的速度在鞘边出现起伏,且波动幅度随着非广延参量的减小而增大,而重离子则无明显的波动.此外,还分析了杂质离子种类和浓度对鞘层相关特性的影响.     

大气气溶胶光学厚度对天基光学遥感系统成像品质的影响

由于大气环境的变化,大气气溶胶污染对光学遥感器成像品质的影响越来越受到载荷研制部门的重视。天基光学遥感系统成像过程中,受到大气气溶胶退化的影响使得光学遥感器成像品质的恶化。大气导致图像质量降低主要原因之一是气溶胶混浊介质引起的前向光散射。根据气溶胶辐射特性,利用混浊介质辐射传输方程,推导了包含气溶胶光学特性的大气点扩散函数模型。根据此模型,定量化分析与评价其对光学遥感器成像的大气模糊效应。研究发现气溶胶介质除了对遥感器成像过程中大气透过率能量衰减影响外,更重要的是由于散射对成像质量产生退化作用,大气气溶胶光学厚度的增加使得气溶胶散射强度的增强,气溶胶光学厚度的变化同样强烈的影响着点扩散函数的空间分布范围,正是因为气溶胶在空间域内对图像产生的退化作用,使得遥感图像质量降低,尤其是图像清晰度的下降。同时,该模型也为遥感图像仿真中,大气链路环节的优化与改进提供了参考依据与模型方法。     

等离子体鞘层附近尘埃颗粒特性的数值模拟

为了研究尘埃等离子体中尘埃颗粒以及鞘层中粒子密度分布等特性,对尘埃颗粒存在条件下等离子体鞘层结构的采取数值模拟.采用稳态无碰撞的尘埃等离子体鞘层模型,对玻姆判据、尘埃颗粒的荷电性质、平板鞘层区域的电势分布及鞘层内粒子分布特性进行了系统的数值模拟研究.计算结果显示,鞘层边缘尘埃颗粒数密度的增加、尘埃温度的升高,将引起孤立尘埃颗粒对电子吸附能力的减弱,集体效应也受到一定程度的影响;二者同时对离子玻姆速度以及鞘层厚度的增加都有着极大的促进作用.鞘层电势在靠近下极区处降落迅速,主要聚集在接近阴极极板的鞘层区域,各种微粒数密度的空间分布满足准中性条件.     

风云四号A星和GOES-13相对论电子观测数据在轨交叉定标及数据融合研究

地球磁层空间的相对论电子通过内部充放电效应,能够导致在轨航天器彻底失效.由于对这种空间粒子的特性和物理机制仍不清楚,磁层空间相对论电子一直是空间环境探测和空间科学研究的重要对象.开展相关磁层空间环境特性的研究和粒子辐射环境建模等,需要同时使用来自不同卫星、不同探测器的观测数据.消除不同探测器之间的系统偏差,实现不同来源数据的融合,是开展相关研究的必要前提.本文对我国最新的地球同步轨道卫星—风云四号A星(FY-4A)和同类轨道的美国GOES-13卫星相对论电子( 2 MeV)观测数据,开展在轨交叉定标及数据融合研究.本文严格筛选出地磁宁静期(Kp 2)的观测数据,以保证研究对象是被地磁场稳定捕获的辐射带粒子.根据辐射带粒子的物理特性,即3个绝热不变量的基础之上,以Liouville定理为依据,在漂移壳Lm坐标下比较两颗卫星观测到的电子通量,得到两颗卫星相对论电子观测之间的系统偏差.依据该结果,进行数据融合处理,结果表明系统偏差得以很好地消除.通过本项研究工作,得到了国际上重要的两个地球同步轨道相对论电子观测系统之间的偏差,并根据该研究成果,成功实现两个探测系统观测数据之间的融合,为后续的理论和应用研究工作打下了坚实的基础,也为地球同步轨道其他能道高能电子观测数据的在轨交叉定标和数据融合提供了参考方法.     

碰撞效应对入射到射频偏压电极上离子能量分布和角度分布的影响

考虑了离子与中性粒子的弹性碰撞和电荷交换碰撞效应,建立了一套描述射频等离子体鞘层动力学特性的自洽模型,并利用MonteCarlo模拟方法研究了入射到电极上的离子的能量分布和角度分布.数值结果表明:随着放电气压增加,入射到电极上离子的能量分布逐渐地由双峰分布变成单峰分布,而且低能离子的数目也逐渐地增加.入射到电极上的离子呈小角分布,而且放电气压等参数对角度分布的影响不是太明显. 关键词： 射频放电 等离子体 离子 鞘层     

多层微图案成像特性的研究

研究了多层微图案的成像特性,将基于光刻技术制作的微米级和高透光微图案附着在透明玻璃基板上,这种带有图案的玻璃基板堆叠约50层后能由光学显微镜进行多层成像,最终的成像质量呈上层清楚下层模糊的特点.通过光场分析排除邻近层的串扰和照明对成像结果的影响,通过研究玻璃基片的厚度、层数,分析了像差对成像结果的影响,并定量分析了层间反射作为主要噪声在成像物场上的分布.最后,提出了一种优化方案,采用降低界面反射,增进噪声吸收及图像处理的方式提高信噪比,恢复底层不清晰图案.该研究可对日益增长的文档等信息进行备份存放和成像观察,有效提高了空间利用率.     

基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

离子推力器推力密度特性

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用中后孤立子的观测

开展了超短超强激光与稀薄等离子体相互作用实验,在实验中采用等离子体单色成像法观测等离子体发光图像,捕捉到了近乎对称的环形等离子体发光结构. 在对实验结果进行分析并与理论预言进行比较后确认这是由激光-等离子体相互作用形成的后孤立子云外围的高密度等离子体壳层发光所致. 同时通过对等离子体通道的观测还发现,孤立子的形成对超短超强激光在稀薄等离子体中的传输产生了非常大的影响. 关键词： 超短超强激光 稀薄等离子体 单色成像 后孤立子     

射频放电阻抗测量用于等离子体诊断研究

利用自行研制的传感器和测量装置,通过对射频放电电压、电流以及其相位角的精确测定,算出放电管的总阻抗,结合放电管的等效电路模型与Godyak等建立的射频放电模型,对射频激励铜离子激光管在氦气中的放电特性进行了研究,得出射频激励铜离子激光器不同气压及电流密度下的等离子体电阻、容抗、鞘层厚度及电子密度 关键词： 射频放电 阻抗测量 等离子体诊断     

基于范阿伦卫星观测的槽区嘶声波冷等离子体色散关系的适用性评估

等离子体层嘶声波对电子的散射损失是地球内外辐射带之间的槽区(1.8≤L≤3)形成的主要机制.冷等离子体色散关系被广泛地运用于量化嘶声波对高能电子的散射效应研究中,而在真实的磁层环境中,热等离子体的存在会修正嘶声波的色散特性.基于范阿伦双星的观测数据,对比了利用磁场观测数据得到的槽区嘶声波观测幅值和反演幅值,并研究了空间位置与地磁活动水平对嘶声波冷等离子体色散关系适用性的影响.结果表明,冷等离子体近似整体上高估了嘶声波的幅值,观测幅值与反演幅值的差异有着很强的日夜不对称性,而没有明显的地磁活动强度依赖性.此外发现,波动磁场的反演强度在低频(高频)处显著低于(高于)观测强度,意味着冷等离子体近似整体上高估(低估)了嘶声波对槽区较低(较高)能量电子的散射强度.研究证明,槽区嘶声波冷等离子体色散关系的适用范围有很强的空间区域与频率局限性,这对深入理解槽区电子的动态演化过程有非常重要的意义.     

不同成分等离子体鞘层的玻姆判据

在一维平板鞘层中采用流体模型分别研究了不同成分无碰撞等离子体鞘层的玻姆判据.通过拟牛顿法数值模拟了含有电子、离子、负离子以及二次电子的等离子体鞘层玻姆判据.结果表明二次电子发射增加了鞘层离子马赫数的临界值,且器壁发射二次电子温度越高,离子马赫数临界值越小.负离子使离子马赫数临界值减小.而在含有二次电子和负离子的等离子体鞘层中,当负离子较少时,二次电子发射对离子马赫数临界值影响较大;当负离子增加时,离子马赫数的临界值则主要受负离子的影响. 关键词： 鞘层 等离子体 玻姆判据     

天基电离层气辉成像仿真分析研究

通过气辉成像仪对电离层气辉进行探测,能够反映电离层中电子总含量、等离子体泡分布等特性,是有效的电离层探测方式之一.电离层的原子分子在白天吸收太阳辐射激发到较高能态,在夜间以气辉的形式将能量辐射出去,辐射强度与所参与反应的电离层成分密度等密切相关,因此气辉是用来观测电离层很好的示踪物.天基气辉成像方法具有全球范围观测的巨...     

地球静止轨道光综合孔径相机的能耗与(u,v)覆盖研究

围绕高分辨率对地观测实时成像需求,研究了地球静止轨道分布式卫星光综合孔径相机的能耗情况和空间频谱(u,v)覆盖情况.从静止轨道卫星动力学特性出发,分析了在天底对地观测和斜向对地观测两种情况下,维持分布式卫星编队飞行组成的光综合孔径阵列的收集器卫星的能耗情况,并给出仿真计算结果;从高质量成像需求出发,研究了实时成像情况下,对地面天底观测和对地面纬度为20°情况下的斜向观测两种情况下,不同时刻的(u,v)覆盖变化情况.研究方法和研究成果也可以扩展应用到其他天基轨道(如低轨道、深空探测轨道)的不同波段(如毫米波、微波)的综合孔径成像情况,对于发展中国空间对地观测高分辨率成像遥感等,具有重要的参考价值.