应用法拉第杯传感器实现太阳风快速监测的方法研究
5页1、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
2、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
3、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
4、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
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