应用法拉第杯传感器实现太阳风快速监测的方法研究

韦飞王世金孔令高t 中国科学院空阊科学与虚鼹研究中心)G e o r g yN Z a s t e n k e r ，L e v( S p a c eR e s e a r c hI n s t i t u t e ,C h e s a l i n ，N i k o l a yS h e v y r e vR u s s i a nA c a d e m yo fS c i e n c e s )摘要；来自太阳物质抛射的等离子体及其携带的太阳磁场与行星磁场相互作用，对地磁边界的形成与磁暴等地磁活动具有控制作用，并可能诱发电离层暴，它是驱动各种地磁活动过程的主要能源应用法牡第杯作为传感器可以快速测定太阳风若干个重要特征参数，比如传播速度的大小和方向、带电粒子数密度和温度等参数利用法拉第杯测量太阳风可以实现高达0 0 3 秒的时间分辨率，用少量独立调制电压即可测定太阳风五个重要传播参数，对于实现太阳风的快速测量以及研究快速变化的太阳风扰动机制具有重要意义。本文将介绍法拉第杯传感器设计以及该 传感器组成的探测嚣测量太阳风参数的方法。关键字：太阳风快速测量法拉第杯监测器l 前言太阳风由太阳等离子体流以及随等离子体流动并蔓延于行星际空间的太阳磁场组成。太阳风向外的传播是一个连续的过程，它向外传播的平均速度通常为3 0 0 4 0 0 K m S ，但太阳风绝非是由太阳均匀地向外膨胀，它具有许多本身的结构，形成许多流速不同的渠道。太阳风来源于冕洞或日冕物质抛射，它在日地空间普遍存在，具有成分、粒子数密度、速度、温度等基本参数，太阳风参数的扰动与太阳活动密切相关，在不同的时间尺度和空间位置都有显著的变化，并对行星际空间天气具有重要的影响。地球永久地处于太阳风的包围之中，太阳风的存在对地磁层和电离层结构的复杂性和多变性具有重要影响。太阳风与地球磁场相互作用的最常见现象是极光，这是由太阳风的高速粒子如质子、电子、A l f a 粒子等穿过高层大气，与大气粒子相互作用产生的；太阳风携带的巨大等离子体和磁场可以看作是导电率无穷大的流体，它把地球等行星的固有磁场紧紧包围在一个有限的空间区域里，形成磁层，而磁层顶对于使超声速的太阳风继续传播是一个障碍，太阳风挤压磁层顶部并绕过磁层形成强大的绕流在磁层上游形成了弓激波。弓激波和磁层顶是太阳风与地磁场相互作用的重要区域，此后，在极尖医、磁尾和等离子片边界层等空间区域也存在强烈的相互作用。快速太阳风粒子与磁层顶相互作用，进入地球磁场并被俘获，沿着地磁场磁力线在两极闻来回运动造成极区粒子密度增大，产生极冠吸收；慢速太阳风等离子体云以超A l f v a n 速度传播，与行星际介质相互作用形成行星际激波( 往往可观测到型射电爆发) ，行星际激波到达磁层与磁层相互作用后可引起磁暴和电离层暴。太阳风的产生及其加速过程是国际空间科学研究的重要问题，同时，对其探铡与研究也是开展空间天气预报业务的必要内容。应用法拉第杯传感器组成的监测器能够实现高时5 1 0问分辨率的太阳风参数测量，这对于实现快速太阳风的监测以及研究太阳风与行星际物质的相互作用具有重要意义2 太阳风快速监测器的工作原理太阳风快速监测器采用多个法拉第杯同步工作测量太阳风与行星际磁场参数。其工作原理基于如下假设。即行星际的太阳风等离子体传播速度V 与其温度T 的关系近似麦克斯韦分布：厅，= 南卜唧c 一锝n 因此法拉第杯传感器接收到的太阳风信号包含了太阳风速度大小，三维方向矢量、数密度和温度特征参数的信息，通过多个具有不同参数设计的法拉第杯传感器同步工作铡量的一组科学数据通过特定的求解模式获得太阳风特征参数。2 1 传感器设计法拉第杯作为传感器的结构设计如图l 所示，它具有D 1 、D 2 双重入射窗口，并且具有G 1 、G 2 、G 3 、“四个栅网电极。G l 、G 3 与卫星地连接，G 2 加正电压，G 4 如负电压，内部的调制电压对入射离子的能量具有选择作用，只有轴向速度分量大于由调制电压决定的某个值的入射正电粒子能够到达法拉第杯的收集极。G 4 电极可以拦截来自太阳风的低能电子，同时可以束缚由收集极上由二次电子激发或光电效应产生的电子逃逸。只有入射角满 足B O 时，太阳风依次经过D l 窗口与D 2 窗口在收集极产生一个园与圆弧相交的投影，如图2 所示。该园中心与圆弧中心的差距L 可以用太阳风入射的速度矢量v 与Z 轴的交角a 及窗口D 1 和D 2 中心距a r 表达。 L = a l X t a n ( a )5 1 0 1当图1 中的法拉第杯的各个电极加上工作电压：G l 、G 3 连接卫星地，G 2 加上正电压u 。由于G l 、G 3 等电动势，入射能量小于( E = M 。X ( V ×C O S ( d ) ) 2 2 ) 的太阳风正离子将被反射，而大于此能量的太阳风等离子体穿过D l 、D 2 窗口做功为零，入射方向角不改变，但其在收集极的投影的L 值将会发生变化，G 2 加载正电压后的L 值计算关系如下：L = V Xs i n ( a ) ×M 。Q , U ×a l ×( V ×c o n ( d ) - s q r t “2 ×C O S 2 ( a ) 一2 XQ p ×U M ) )( 2 )、在法拉第杯结构设计的计算机仿真过程中假定太阳风速度和方向是各向同性的。但实际上行星际的太阳风等离子体传播速度V 与其温度T 的关系近似麦克斯韦分布，即公式( 1 ) 因此在监测器设计中需要考虑太阳风速度分布因子。法拉第杯对太阳风的响应V - 可以用如下积分方程近似： ”m 南re 坤 - 型兰筹业坐卜咖肌¨哪，( 3 )其中F ( U ，y ，p ，口) 确定到达法拉第杯收集极的太阳风粒子数量。v 的物理意义在于，当等离子体温度为T 、特征速度v o 的太阳风以a 角入射法拉第杯，在收集极产生的测量信号的大小，在数值上等效于该温度下速度为V - 的太阳风垂直入射无内部电场的法拉第杯所产生的信号大小，即I = Q p X n ×V 1 X S O( 4 )2 2 法拉第杯组布局与确定太阳风参数的方法通过法拉第杯组测量的太阳风主要特性参数有三个速度分量( 速度绝对值大小和两个方向角分量) 、数密度和温度。为了获得多组独立的测量数据，太阳风快速监测器( F s w M )采用五个法拉第杯组成一个探测系统，通过空间位置的变化以及若干法拉第杯内部调制电压的变化对任意时刻的太阳风同时获得多组独立的测量数据。其中三个法拉第杯位于同一平面内，而另外两个法拉第杯分别位于与前三个法拉第杯所处平面不同的另外三个互成角度的平面内。2 2 1 太阳风入射角的确定太阳风入射角可以通过三个分别位于互不相同的平面上的法拉第杯的独立测量数据获得。如果A 、B 、C 三个法拉第杯所在平面的法线方向分别为z 0 、z 1 、Z 2 ，以z O 方向为z 轴方向建立三维直角坐标，z 1 与z O 的夹角为B1 ，Z 2 与z O 的夹角为B2 ，太阳风入射方向V 0 与Z 0 的夹角为n1 ，如图3 ( a ) 所示；设0 为A 、B 、C 三个法拉第杯所在平面的相交点，则0 点与三个法拉第杯中心的连线在A 杯所在平面的投影如图3 ( b ) 所示，0 A与0 B 的夹角为o1 ，O A 与0 c 的夹角为o2 ，那么根据坐标变换关系可以得到太阳风入射方向v 0 与z l 轴的夹角a2 ，即V 0 对B 杯的入射角，a 2 = h l ( a l ，卢l ，0 1 )v O 与z 2 轴的夹角a3 ，即V 0 对C 杯的入射角a 3 = 氟( a l ，卢2 ，0 2 )5 】0 ，2B7神三个不同平面的法缱方向( b ) 兰个_ 盍拉第杯中心与三平面交 点琏线在同_ 二年茄上的投影图3 不同平面法拉第杯的空间几何关系根据法拉第杯的特性曲线，如图4 所示，当法拉第杯结构尺寸确定以及固定的U 值电压下，特定速率的太阳风入射法拉第杯时，测量信号I 仃。值( 斜入射与正入射测量信号之比) 与入射角a 的大小具有确定的关系，可用函数近似描述为： I Io = ft 岱1图4 在固定结构参数及U 值下I ，I o 与太阳风入射角的关系利用三个法拉第杯获得的独立测量数据，可以得到a1 、a2 、q3 的数值，进而可以确定太阳风的方向a 。2 2 2 太阳风速度绝对值的确定太阳风等离子体具有特征速度V o 和热速度V m ，根据太阳风的麦克斯韦分布方程入射角相同的情况下，对于具有相同V o ，V m 的太阳风，它们的I ，I o U o 曲线交于一点一咐D 陌 莩萍苯、| j M 4 炉·m lI ：I !、消撩篷+、II 忡，3 ¨十士lj 眦| li ：l ；|l l V il ； l NN f! U 、N o 亡k 口n 2 ¨¨rD e ¨1 1 1 ' 2 11 - I6 1 J ¨1 ，图5 法拉第杯对相同入射角的太阳风的迟滞电压与测量信号关系其中：u 一法拉第杯迟滞电压卜一在U 值下的法拉第杯测量信号幅值1 0 一U = o 时I 的大小U o 州p ×V o ×V o 2 Q p ( M p 为质子质量，Q p 为质子电量)5 1 0 ，3上图o 。O 曲线交子( I ，0 5 5 ) ，当实测的I 下降到开始的I o 的0 5 5 倍的时候，此时的U U o = l ，即U = U o ，结台U o - M p X V 0 2 2 Q p 的关系。可以求解太阳风速率V o 。2 2 3 太阳风数密度和温度的确定在图5 中，结合法拉第杯迟滞电压u 变化过程中的其它一些U 和对应的I 值，可以得到对应的U I 曲线，通过该实测曲线与样图数据库对比就可以确定该曲线对应的V 0 ，V 血值由V m = s q n ( 2 x T ×Q p M p ) 可获得太阳风等离子体温度T ，并且计算得到太阳风数密度l l 的值。I = Q p X n ×V 1 ×S o其中：S 0 - 一入射窗的面积v l 一公式( 3 ) 获得。3 结论基于法拉第杯传感器组的太阳风快速监测器具有较高的时间分辨率，通过简单的结构设计和少数的调制电压应用即可确定多个太阳风参数，具有较高的探测精度和可靠性，技术复杂程度比同类仪器更有优势，对于研究行星际太阳风参数的瞬时变化及其与行星际物质的相互作用具有十分重要的意义，可为我国将来深入开展空间天气腰务提供常规的太阳风监测手段。参考文献1 A NO V E R V I E WO FN E WC O N C E P T SD E D U C E DF R O MI N T E R B A L LS O L A RW I N DI N V E S ”G A T l O N S GN Z a s t e n k e r , M a g n e t o s p h e r i cR e s p o n s et oS o l a rA c t i v i t y ,S e p t e m b e r9 - 1 2 ，2 0 0 3 ，C h a r l e sU n i v e r s i t y , P r a g u e ，2 T H ES O L A RW I N DI N T E R A C T l O NW I T HP L A N E T A R YM A G N E T o S P H E R E S C T R u s s e l l l ，X B l a n c o - C a r l o ，M a g n e t o s p h e r l cR e s p o n s et oS o l a rA c t i v i t y , S e ：p t e m b e r9 - 1 2 ，2 0 0 3 ，C h a r l e sU n i v e