劉超 張愛兵 孫越強(qiáng) 孔令高 王文靜 關(guān)燚炳 王永松 鄭香脂 田崢 高俊

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) (中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心,天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

等離子體原位成像探測器是中國空間站的第一批艙外空間環(huán)境科學(xué)載荷,安裝在問天艙的艙外暴露平臺(tái),將首次在空間站平臺(tái)上開展電離層等離子體原位、成像、充電電位等多要素綜合探測任務(wù).其中,原位探測要素包括空間站軌道等離子體的密度、溫度以及問天艙表面電位強(qiáng)度等.成像探測要素包括離子能量、運(yùn)動(dòng)方向和成像時(shí)間分辨率等.等離子體原位成像探測器采用多傳感器的一體化設(shè)計(jì),集成了朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、參考電位計(jì)和離子成像儀等技術(shù).其中,離子成像技術(shù)是首次應(yīng)用于我國的空間環(huán)境探測領(lǐng)域.等離子體原位成像探測技術(shù)在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室完成了測試驗(yàn)證,探測器已隨問天艙成功發(fā)射,即將開展中低緯電離層的精細(xì)化探測,為完善空間站軌道電離層模型提供等離子體探測數(shù)據(jù).通過探測累積長周期的充電電位數(shù)據(jù),為研究等離子體對(duì)空間站的充電效應(yīng),促進(jìn)空間站充電評(píng)估體系的建立提供支持.

1 引言

中國空間站是我國長期在軌運(yùn)行的空間基礎(chǔ)設(shè)施,運(yùn)行在軌道傾角42°—43°、高度340—450 km的近地軌道,是我國進(jìn)行各種空間科學(xué)試驗(yàn)的重要平臺(tái).空間站的運(yùn)行軌道位于電離層F2 層峰值高度區(qū)域,該區(qū)域等離子體密度最大,是各種電離層物理現(xiàn)象及其效應(yīng)發(fā)生最集中的區(qū)域,是進(jìn)行地球電離層等離子體探測和研究的理想平臺(tái).

電離層是地球空間環(huán)境的重要組成部分,是導(dǎo)航、定位的重要誤差源之一.其電子密度及小尺度不規(guī)則體會(huì)使得穿過的電波信號(hào)傳播速度變慢、路徑發(fā)生彎曲,從而導(dǎo)致雷達(dá)測控產(chǎn)生偏差、影響導(dǎo)航定位的精度.3.0 GHz 以下頻段電波信號(hào)受到的影響最為顯著,且頻率越低影響越大[1-3].利用空間站的平臺(tái)進(jìn)行電離層等離子體長期探測,可支持中低緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的起源和演化機(jī)理的研究,改善和提高電離層模型的精度,對(duì)提高和修正的衛(wèi)星導(dǎo)航/定位的精度具有重要意義.

根據(jù)國際空間站的運(yùn)行情況,國際空間站在軌會(huì)發(fā)生“正常充電”(normal charging event,NCE)和 “快速帶電”(rapid charging event,RCE)等現(xiàn)象.研究表明空間站充電和電子溫度、密度、極區(qū)沉降粒子以及其高壓太陽電池陣等相關(guān),尤其是電子溫度、電子密度[4-6].空間站充電是科學(xué)儀器在軌工作以及航天員執(zhí)行艙外活動(dòng)時(shí)需要考慮的重要因素.

面對(duì)當(dāng)前中低緯電離層研究的需求以及空間站充電電位監(jiān)測保障要求,本文對(duì)等離子體原位成像探測載荷技術(shù)進(jìn)行了研究.根據(jù)任務(wù)要求,需探測的空間站軌道等離子體原位參數(shù)包括等離子體的離子成份、等離子體密度、溫度、充電電位以及離子成像等.其中,離子成像參數(shù)又包括離子能量、運(yùn)動(dòng)方向和時(shí)間分辨率等.任務(wù)要求的性能參數(shù)見表1.

表1 任務(wù)要求的性能參數(shù)Table 1.Performances of mission requirements.

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

等離子體原位成像探測器采用了多傳感器集成化設(shè)計(jì),由朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、離子漂移計(jì)、參考電位計(jì)、離子成像儀和載荷管理器等組成,如圖1 所示.針對(duì)任務(wù)要求,朗繆爾探針負(fù)責(zé)測量性能參數(shù)中的電子密度和電子溫度,阻滯勢分析儀負(fù)責(zé)測量離子成份、離子密度、離子溫度以及離子漂移速度等參數(shù),參考電位計(jì)則負(fù)責(zé)測量空間站問天艙的表面充電電位強(qiáng)度,即電位范圍參數(shù).離子成像儀負(fù)責(zé)等離子體離子成像功能,實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的能量范圍、能量分辨率、視場、角度分辨率和時(shí)間分辨率等.

圖1 等離子體原位成像探測器組成Fig.1.The composition of the plasma in-situ and imaging detector.

2.1 朗繆爾探針設(shè)計(jì)

朗繆爾探針是將球形傳感器浸入到空間等離子體中,然后給傳感器加載掃描電壓,傳感器的收集電流I會(huì)隨著加載掃描電壓V的變化而變化.傳感器電流和掃描之間形成伏安(I-V)特性曲線，如圖2 所示.通過分析該伏安特性曲線,可得到等離子體密度、溫度和等離子體電位等參數(shù)[7].朗繆爾探針傳感器設(shè)計(jì)為直徑50 mm 的球體,分為上下半球,上半球?yàn)槭占瘶O,下半球?yàn)楸Ｗo(hù)極,上下半球相互隔離,并同步加載相同的掃描電壓[8,9].

圖2 朗繆爾探針伏安特性曲線Fig.2.The I-V characteristic curve of Langmuir probe.

空間站運(yùn)行在電離層等離子體中,其等離子體鞘層是朗繆爾探針探測需要考慮的重要因素.通過對(duì)空間站在—100 V 充電電位情況下的等離子體鞘的仿真,結(jié)果顯示鞘層厚度約300 mm,如圖3所示.

圖3 空間站在—100 V 充電電位下的等離子體鞘仿真Fig.3.The simulation of space station plasma sheath (with—100 V).

為減小空間站本體鞘層的影響,探針傳感器伸桿設(shè)計(jì)為折疊式,可將傳感器伸出到空間站鞘層以外.在發(fā)射階段,伸桿折疊收攏在儀器表面,以保證滿足包絡(luò)要求和力學(xué)要求.發(fā)射入軌后,等離子體原位成像探測器從艙內(nèi)轉(zhuǎn)移至艙外,并通過機(jī)械臂安裝在問天艙暴露平臺(tái)上.儀器開機(jī)后,探針傳感器伸桿按照注入指令解鎖,展開并鎖定在垂直位置.圖4 給出了探針伸桿的展開過程,分三個(gè)階段:釋放、展開、鎖定.在展開狀態(tài)下,探針伸桿與空間站飛行方向(+X)夾角為90°.探針傳感器的伸桿長度設(shè)計(jì)大于500 mm (傳感器中心至伸桿安裝面),可保證在軌工作期間探針傳感器處于不受空間站鞘層影響的背景等離子體區(qū)域.

圖4 朗繆爾探針伸桿展開過程Fig.4.The figure of Langmiur probe extension process.

2.2 阻滯勢分析儀設(shè)計(jì)

阻滯勢分析儀傳感器為圓筒形,前端開口呈圓形,內(nèi)部設(shè)有多層?xùn)啪W(wǎng),最后端為電流收集極.圖5給出了阻滯勢分析儀的剖面結(jié)構(gòu).傳感器內(nèi)部柵網(wǎng)G1,G2 和G5 均與地電位連接以屏蔽外部干擾.柵網(wǎng)G6 加載一個(gè)負(fù)電位以抑制等離子體電子和二次電子的干擾.柵網(wǎng)G3 和G4 為阻滯柵網(wǎng),加載掃描電壓.傳感器收集極電流,則隨著阻滯柵網(wǎng)掃描電壓的變化而變化[10].阻滯勢分析儀的傳感器電流和掃描電壓同樣形成其伏安(I-V)特性曲線，如圖6 所示.通過對(duì)伏安特性曲線分析,可獲得離子密度、離子溫度、離子成份、離子縱向速度等參數(shù)[11,12].

圖5 阻滯勢分析儀傳感器結(jié)構(gòu)Fig.5.Structural diagram of retarding potential analyzer sensor.

圖6 阻滯勢分析儀伏安特性曲線Fig.6.The I-V characteristic curve of retarding potential analyzer.

2.3 離子漂移計(jì)

離子漂移計(jì)傳感器窗口為方形,后端收集極分為均等的四塊,如圖7 所示.圖8 給出了離子漂移計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)，柵網(wǎng)G1,G3 和G4 均與地電位連接,柵網(wǎng)G2 連接一個(gè)正電位,以阻止H+進(jìn)入傳感器,造成對(duì)速度測量的干擾.柵網(wǎng)G5 則連接一個(gè)負(fù)電位抑制等離子體電子和二次電子的干擾.傳感器4 個(gè)面積相等的收集極收集電流分別為IA,IB,IC和ID,將收集極A,C 收集的電流疊加為IAC,收集極B,D 收集的電流疊加為IBD,二者的比值,與離子的+Y方向上的入射角度相關(guān):

圖7 離子漂移計(jì)傳感器收集極示意圖Fig.7.The figure of ion drift meter sensor collector.

圖8 離子漂移計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)Fig.8.Structural diagram of ion drift meter sensor.

式中,k為傳感器窗口尺寸和結(jié)構(gòu)決定的幾何因子;α為+Y方向上的離子入射角度.該角度由+X方向的離子縱向漂移速度與+Y方向的離子橫向漂移速度決定,由阻滯勢分析儀獲取X方向的離子縱向漂移速度,即可計(jì)算獲得+Y方向的離子橫向漂移速度[13].

同理,可將收集極A,B 收集的電流疊加為IAB,收集極C,D 收集的電流疊加為ICD,二者的比值與離子的+Z方向上的入射角度β相關(guān).β角度由+X方向的離子縱向漂移速度與+Z方向的離子橫向漂移速度決定,由阻滯勢分析儀獲取X方向的離子縱向漂移速度,即可計(jì)算獲得+Z方向的離子橫向漂移速度.

2.4 參考電位計(jì)設(shè)計(jì)

參考電位計(jì)的功能是獲得一個(gè)接近于背景等離子體電位的基準(zhǔn)“零”電位,通過測量參考電位計(jì)與問天艙結(jié)構(gòu)之間的電位差,即可獲得空間站問天艙艙體的充電電位,即相對(duì)于空間等離子體的電位.

參考電位計(jì)的傳感器是一塊與周圍絕緣的孤立導(dǎo)體金屬板,安裝在儀器迎風(fēng)面板上,與阻滯勢分析儀傳感器和漂移計(jì)傳感器共平面,法線方向平行于+X方向,如圖1 所示.

在軌工作期間,參考電位計(jì)傳感器與背景的電離層等離子體環(huán)境相互作用,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[14].依據(jù)(2)式及空間站軌道參數(shù),平衡狀態(tài)下的參考電位計(jì)相對(duì)于背景等離子體的絕對(duì)電位通常小于1 V.

式中,Φs是參考電位計(jì)的電位;KB是玻爾茲曼常數(shù);Te是電子溫度;me是電子質(zhì)量;e是電子電荷;Vs空間站速度.

設(shè)置一個(gè)立方體模擬空間站的等離子體原位成像探測器,圓形平板電極模擬參考電位計(jì)傳感器.設(shè)定輸入?yún)?shù)為電子密度1×1010m—3,電子溫度0.2 eV(2320 K),空間站本體充電電位—100 V.利用航天器等離子體相互作用仿真軟件(spacecraft plasma interaction software,SPIS),對(duì)參考電位計(jì)的充電情況進(jìn)行仿真計(jì)算.結(jié)果如圖9 所示,參考電位計(jì)傳感器的電位為—0.353 V,十分接近背景等離子體的電位.

圖9 參考電位計(jì)動(dòng)態(tài)電位的仿真結(jié)果Fig.9.Dynamic potential simulation result of reference potentiometer.

2.5 離子成像儀設(shè)計(jì)

離子成像儀由靜電偏轉(zhuǎn)模塊、Whalen 分析器和成像模塊三部分組成,如圖10 所示.靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括上下兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板,通過在上下兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板上加載掃描電壓,可選擇不同俯仰角方向的離子進(jìn)入Whalen 分析器.Whalen 分析器設(shè)計(jì)為內(nèi)外兩個(gè)同心半球,電壓加載到內(nèi)外半球上,在內(nèi)外半球之間形成一個(gè)徑向的均勻電場.該電場將不同能量的離子偏轉(zhuǎn)到不同徑向位置,并輸出到成像模塊.

圖10 離子成像儀傳感器結(jié)構(gòu)Fig.10.Structural diagram of ion imager sensor.

成像模塊由微通道板(micro-channel plates,MCPs)、熒光屏、透鏡組件和CMOS 圖像傳感器組成.當(dāng)離子打在MCP 上,會(huì)對(duì)離子電荷進(jìn)行倍增,形成電子云輸出.電子云打在熒光屏上產(chǎn)生特定波長的光子,光子經(jīng)過光錐引到CMOS 圖像傳感器,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出.通過分析CMOS 圖像傳感器的輸出信號(hào)即可得到入射離子的位置信息[15,16].

根據(jù)離子成像儀的工作原理,離子進(jìn)入Whalen分析器,輸出的徑向位置與離子能量相關(guān),(3)式表示了兩者之間的理論關(guān)系[17].不同能量的離子被偏轉(zhuǎn)的角度不同,打在MCP 上的位置也不同(圖7 中不同顏色的曲線表示).能量高的離子打在靠近MCP 邊緣的位置,能量低的離子打在靠近MCP 中心的位置.

其中E為離子能量;q為離子電荷量;ΔV為Whalen分析器內(nèi)外半球的電壓差;ρ為離子打在MCP 上位置與圓心的徑向距離;R為Whalen 分析器內(nèi)半球的半徑.

離子成像儀的探測視場主要取決于Whalen分析器的結(jié)構(gòu)尺寸.由于Whalen 分析器設(shè)計(jì)為具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的結(jié)構(gòu),因此離子成像儀探測視場在方位角上可達(dá)360°,根據(jù)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的上下偏轉(zhuǎn)板張角以及掃描電壓,視場在俯仰角上可實(shí)現(xiàn)≥90°.

2.6 載荷管理器

載荷管理器負(fù)責(zé)對(duì)外與空間應(yīng)用系統(tǒng)的供電接口、通訊接口,同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)部各載荷的控制與通信.載荷管理器依據(jù)地面上注控制指令,可在軌進(jìn)行開機(jī)、關(guān)機(jī)操作.同時(shí),載荷管理器也可依據(jù)地面上注控制指令,分別控制離子成像儀加電斷電、朗繆爾探針加電斷電、阻滯勢分析儀加電斷電以及對(duì)伸桿展開機(jī)構(gòu)加電斷電.

朗繆爾探針、阻滯勢分析儀和離子成像儀各自采集其探測數(shù)據(jù),并通過通信總線發(fā)送給電控箱.電控箱將各傳感器采集的科學(xué)數(shù)據(jù)打包,通過FCAE-1553 總線發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng).同時(shí)將采集的儀器遙測參數(shù)通過MIL-STD-1553 B 總線發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng),以監(jiān)測儀器健康狀態(tài).

電控箱通過控制內(nèi)部繼電器,可選擇內(nèi)部二次地與空間站結(jié)構(gòu)地或參考電位計(jì)傳感器連接.初始狀態(tài),內(nèi)部二次電源地與空間站結(jié)構(gòu)地連接.當(dāng)空間站充電電位過高,且影響探測結(jié)果時(shí),可通過注入指令選擇內(nèi)部二次地與參考電位計(jì)傳感器連接.

教師要不斷地加強(qiáng)自身的情感修養(yǎng)，把握住自己的情感，用自己的真情實(shí)感去感染學(xué)生。教師的情感越濃烈，其感人的力量就愈深。以教師自己的快樂情緒來影響和引發(fā)學(xué)生的快樂情緒，無疑是一種不可忽視的教學(xué)輔助手段。當(dāng)教師面帶微笑，懷著喜悅的心情，精神十足地走進(jìn)教室，學(xué)生會(huì)倍感親切，溫暖、快樂之情油然而生。很難想象一個(gè)情感冷漠的教師能帶出情感熱烈的學(xué)生。因而教師自身具備的情感素養(yǎng)是開展語文閱讀教學(xué)的重要條件

3 測試驗(yàn)證

3.1 等離子體原位探測的測試驗(yàn)證

朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、離子漂移計(jì)和參考電位計(jì)完成等離子體原位探測的各項(xiàng)性能.其中,朗繆爾探針、阻滯勢分析儀和離子漂移計(jì)繼承了張衡一號(hào)衛(wèi)星的載荷技術(shù),其測試驗(yàn)證方法與已在軌驗(yàn)證的張衡一號(hào)衛(wèi)星一致.

離子成份是通過能譜的峰值識(shí)別來區(qū)分,取決于阻滯勢分析儀的能譜設(shè)置,即掃描偏壓設(shè)置.電離層中H+,He+,O+離子成份相對(duì)阻滯勢分析儀傳感器的入射能量峰值分別為0.30 eV,1.21 eV,4.83 eV,最小能量間隔為0.91 eV.因此,區(qū)分這3 種成份,需將掃描偏壓的范圍覆蓋這3 個(gè)峰值所在的能譜位置,同時(shí)掃描步長(即能譜劃分)應(yīng)小于最小能量間隔0.91 eV 的一半,實(shí)測結(jié)果掃描偏壓的步長為0.15 V.

密度范圍指標(biāo)包括電子密度和離子密度.電子密度的測量范圍取決于朗繆爾探針的電流測量能力,對(duì)于1×103—107cm—3范圍內(nèi)的電子密度,朗繆爾探針傳感器(球體Φ50 mm)相應(yīng)收集電流范圍應(yīng)不小于1.2 nA—0.5 mA,測試結(jié)果為20 pA—0.6 mA.離子密度的測量范圍取決于阻滯勢分析儀的電流測量能力,對(duì)于1×103—107cm—3范圍內(nèi)的離子密度,阻滯勢分析儀傳感器(窗口Φ40 mm)相應(yīng)收集電流范圍應(yīng)不小于480 pA—5 μA,測試結(jié)果為80 pA—11 μA.

溫度范圍指標(biāo)包括電子溫度范圍和離子溫度范圍.500—10000 K 的電子溫度范圍對(duì)應(yīng)于朗繆爾探針伏安特性曲線電子阻滯區(qū)的展寬約0.13—3 V,掃描電壓的最小步長應(yīng)小于60 mV.為保證伏安特性曲線的完整性,掃描電壓范圍應(yīng)不小于—3— +3 V,測試結(jié)果掃描電壓范圍為—4.86—+4.95 V,掃描電壓的最小步長40 mV.500—10000 K的離子溫度范圍對(duì)應(yīng)于阻滯勢分析儀伏安特性曲線能譜的展寬,考慮到衛(wèi)星在軌運(yùn)行速度,阻滯勢分析儀掃描偏壓應(yīng)不小于0—15 V,掃描偏壓的步長應(yīng)小于0.18 V,測試結(jié)果掃描偏壓為0—19.49 V,掃描偏壓的步長0.15 V.

離子漂移速度包括縱向漂移速度和橫向漂移速度,其中縱向漂移速度由阻滯勢分析儀測量,橫向漂移速度由漂移計(jì)測量獲得.根據(jù)離子漂移速度要求的指標(biāo)范圍,考慮到衛(wèi)星在軌速度,漂移計(jì)電流測量范圍應(yīng)不小于44 pA—4.9 μA,測試結(jié)果為20 pA—6 μA.

密度測量精度、溫度測量精度以及離子漂移速度測量精度,本質(zhì)上均取決于電流測量的噪聲水平.依據(jù)性能指標(biāo)要求,朗繆爾探針、阻滯勢分析儀和離子漂移計(jì)的電流測量噪聲水平均應(yīng)小于1 mV,測試結(jié)果分別為0.353 mV,0.328 mV 和0.333 mV.電位范圍指標(biāo)是指參考電位計(jì)測量空間站結(jié)構(gòu)地與參考電位計(jì)傳感器之間電位差的動(dòng)態(tài)范圍.測試結(jié)果為—310.86 — +310.90 V,滿足指標(biāo)要求的—300 — +300 V 的測量范圍.

3.2 等離子體離子成像探測的測試驗(yàn)證

離子成像儀技術(shù)是我國首次在軌應(yīng)用,在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的熱等離子體定標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)測試試驗(yàn).

3.2.1 定標(biāo)測試系統(tǒng)

圖11 定標(biāo)測試系統(tǒng)組成框圖.Fig.11.A simplified sketch of the calibration facility.

表2 定標(biāo)測試系統(tǒng)性能參數(shù)Table 2.Performances of the calibration system.

定標(biāo)過程中將離子成像儀置于真空罐中的轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過離子束源發(fā)射不同能量的離子,進(jìn)行能量范圍和能量分辨率的測試.通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),改變離子成像儀相對(duì)離子束源的角度,進(jìn)行視場和角度分辨率的測試.時(shí)間分辨率則通過一定時(shí)間存儲(chǔ)的圖像數(shù)量,計(jì)算得到時(shí)間分辨率.

3.2.2 測試結(jié)果

1) 離子能量測量范圍

定標(biāo)測試系統(tǒng)產(chǎn)生不同能量的離子束,離子成像儀對(duì)不同入射能量的離子束進(jìn)行測量,這些離子束在傳感器中產(chǎn)生不同的徑向位置信息.在定標(biāo)過程中,離子源分別產(chǎn)生了51.84,70.17,85.09,113.46,142.25,165.07 和185.20 eV 等7 種能量離子束,離子成像儀對(duì)應(yīng)7 種能量離子分別產(chǎn)生相應(yīng)的圖像,如圖12 所示.

圖12 離子成像儀對(duì)7 種能量離子的測試圖像(圖中綠色星號(hào)為視場中心)Fig.12.Images of 7 kinds of energy ions (the green asterisk is the center of the field view).

通過擬合入射離子能量與徑向位置,得到二者的歸一化曲線(圖13 所示)以及離子成像儀的實(shí)際測量關(guān)系式:

圖13 成像徑向位置與離子能量的擬合關(guān)系曲線Fig.13.Normalized curve of imaging radial position and ion energy.

離子成像儀在軌工作時(shí)ΔV有300 和850 V 兩個(gè)檔,測量低端能量時(shí)用ΔV=300 V 的檔,測量能量高端時(shí)用ΔV=850 V 的檔.已知,內(nèi)球半徑為23.5 mm,當(dāng)成像徑向位置為0.7 mm 時(shí),對(duì)應(yīng)的離子能量為(E/q)為0.076 eV.當(dāng)成像徑向位置為0.9R時(shí),可測量的離子最大能量(E/q)為264.10 eV.

2) 視場范圍

如圖10 所示,離子成像儀傳感器是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu),視場繞對(duì)稱軸一圈,因此視場在方位角上為360°.離子成像儀俯仰角則由靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)決定,當(dāng)靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的上下偏轉(zhuǎn)板加不同電壓時(shí),將選擇特定俯仰角方向的離子進(jìn)入Whalen 分析器.定標(biāo)過程中,設(shè)定離子束流方向固定,通過轉(zhuǎn)臺(tái)改變儀器的仰角方向,等效于改變了入射離子的仰角方向.其中一組測試: 離子能量設(shè)定為51.84 eV,偏轉(zhuǎn)電壓為0 V,通過改變儀器的仰角—3.5°,—3.0°,—2.5°,—2.0°,—1.5°,—1.0°,—0.5°,0.05°和0.55°,獲得的圖像如圖14 所示.圖像對(duì)比表明,偏轉(zhuǎn)電壓為0 V 時(shí)對(duì)應(yīng)的仰角為—1.5°.

圖14 離子成像儀在離子束能量為E=51.84 eV 時(shí)俯仰角掃描測試圖像(俯仰角掃描范圍—3.5°— 0.5°,間隔0.5°)Fig.14.Images of one test case (ion energy is 51.84 eV and deflection voltage is 0 V).

視場范圍測試共選擇了5 個(gè)測試點(diǎn),進(jìn)行仰角與偏轉(zhuǎn)電壓的測試.根據(jù)測試結(jié)果,擬合獲得了偏轉(zhuǎn)板因子S與俯仰角之間的關(guān)系曲線,如圖15 所示.圖中的偏轉(zhuǎn)板因子S定義如下:

圖15 離子成像儀俯仰角與偏轉(zhuǎn)板因子擬合曲線Fig.15.Fitting curve of elevation angle and deflection plate factor.

式中,Vup和Vlow分別為上、下偏轉(zhuǎn)板電壓;E為入射離子能量;q為離子電荷.

依據(jù)擬合曲線,可獲得了成像儀的俯仰角公式為

根據(jù)偏轉(zhuǎn)板因子S與俯仰角擬合公式,當(dāng)離子能量是204 eV 時(shí),需要的偏轉(zhuǎn)電壓最大,通過調(diào)整偏轉(zhuǎn)板因子S,獲得對(duì)應(yīng)的仰角分別為—50.47°,50.91°.綜合分析,離子成像儀的視場定標(biāo)結(jié)果為360°×101.38°

由于定標(biāo)測試系統(tǒng)的能力限制,此次定標(biāo)測試未覆蓋全部能量范圍,尤其是50 eV 以下的能量段.對(duì)50 eV 以下的能量的性能定標(biāo)采用結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行外推,這種方法也是國際上衛(wèi)星載荷定標(biāo)的常用方法.為實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率,離子成像儀內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個(gè)圖像快速采集電路,該電路由FPGA 和高速采集AD 組成.圖像快速采集電路的工作周期為1 s,每1 秒采集23 張圖片.由此計(jì)算得到,離子成像儀的時(shí)間分辨率為43.478 ms.通過對(duì)離子成像儀定標(biāo)測試的結(jié)果分析,離子能量分辨率、視場分辨率和時(shí)間分辨率也均達(dá)到了科學(xué)任務(wù)的指標(biāo)要求.

4 結(jié)論

根據(jù)空間站的任務(wù)要求,通過對(duì)等離子體原位成像探測技術(shù)的研究,完成了等離子體原位成像探測器的自主設(shè)計(jì)與研制.探測器所有傳感器均已進(jìn)行了定標(biāo)測試,包括離子成像儀、朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、離子漂移計(jì)以及參考電位計(jì)等.定標(biāo)測試結(jié)果表明滿足任務(wù)要求的性能指標(biāo),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電離層等離子體的密度、溫度、離子能量、方向以及空間站充電電位等多要素綜合探測.

等離子體原位成像探測器作為中國空間站的第一批艙外空間環(huán)境科學(xué)載荷,已隨問天艙在海南文昌成功發(fā)射.后續(xù),將由航天員在軌操作將探測器與載荷適配器、機(jī)械臂適配器組裝成組合體.然后,由機(jī)械臂抓取出艙,安裝在問天艙艙外暴露平臺(tái)上,開展長期科學(xué)探測.