行星际超低噪声三维能量粒子谱仪设计

太阳系能量粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一.在行星际空间中观测到的太阳系能量粒子主要分为两类:一类是持续存在的“太阳风能量粒子”,另一类是间歇性的“太阳能量粒子事件”.受限于以往行星际粒子探测器的灵敏度还不足够高,人类迄今仍未洞悉这些能量粒子起源和加速的物理过程与本质.本文设计了技术指标均为国际领先水平的行星际超低噪声三维能量粒子谱仪,采用双端望远镜结构(一端利用薄膜阻挡质子技术实现高灵敏电子探测,另一端利用磁场偏转电子技术实现高灵敏质子探测),结合多层、多像素半导体探测器阵列和覆盖近4π立体角的大视场设计,实现对行星际空间中20~1000 keV电子和25~12000 keV质子的三维分布进行高时间分辨率、高角度分辨率和高能量分辨率探测,用以揭示太阳系能量粒子起源和加速的机理,满足我国行星际探测和即将开展的深空探测的迫切需求.

低纹波空间可调高压电源设计

为了满足空间探测载荷(如质谱仪和能量粒子探测器等)对高压电源输出纹波的要求,设计一款小功率、低纹波、最大输出电压为10 kV的可调高压直流电源。设计中使用罗耶架构的逆变器和倍压整流电路,利用反馈回路,使纹波电压峰峰值小于2 V;使用51系列单片机控制电源输出电压,监测电源的工作状态。除在原理设计方面降低输出电压纹波外,还提出其他降低输出电压纹波的措施。测试结果表明,所设计的高压电源具有输出电压稳定可调、纹波低的特点,可以满足空间探测载荷对高压电源的基本性能要求。

基于小孔成像技术的中能电子成像谱仪及其空间观测结果

中能电子测量对空间辐射环境的理论研究和空间航天器的防护设计具有重要意义。北京大学研制的中能电子成像谱仪(BD-IES)利用小孔成像技术实现多方向中能电子的能谱测量。地面标定试验结果表明,BD-IES具有良好的能量线性度和较小的系统噪声,能够有效实现对中能电子的能谱测量。该仪器已成功应用在我国导航卫星上。最新测量结果表明BD-IES对中能电子的测量是成功的,其结果对于研究如亚暴注入、波-粒子相互作用等空间物理热点问题具有重要意义。BD-IES未来将被应用到"风云"等空间环境探测平台上。

基于无线电掩星观测的火星高层大气研究

近年来,火星高层大气受到越来越多的关注和研究。由于缺乏磁场的阻挡,火星高层大气与星际空间环境关联密切;同时,低层大气中的活动(例如尘暴)也会对其造成影响。而耦合在火星高层大气中的电离层则使这些过程变得更加复杂。火星高层大气和电离层结构的变化会对火星探测和通信活动造成很大的影响。然而,目前人们对火星高层大气100~130 km高度长期、稳定的观测数据仍然相对较少。文章将首先介绍火星高层大气研究的历史和现状,然后分别介绍本研究组利用无线电掩星实验获取火星130 km中性大气密度的方法、主要成果及未来的工作。

日球层边际能量中性原子遥感探测技术与发展趋势

来自太阳系边际及以外的星际空间的能量中性原子,是认识邻近星际介质及其与太阳风相互作用的重要载体。受限于太阳系边际就位探测的任务时长与探测难度,在近地空间对日球层边际能量中性原子实施遥感探测更为切实可行。研究日球层边际能量中性原子可以增进对局地/邻近星际介质的组成及性质了解,深入验证太阳系演化与系内行星演变过程等空间科学问题,对推动我国空间任务和前沿科学发展有着重大意义。本文对近年来国际上开展或计划开展的日球层边际能量中性原子遥感探测的案例进行了总结,分析其探测任务的关键技术与科学目标,梳理了未来该领域的发展趋势及方向,针对我国今后的太阳系边际探测任务规划与技术发展提出了建议。

日地空间高能带电粒子的加速,传输及效应研究

北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授及其领导的项目组,创新研究了群体项目"日地空间高能带电粒子的加速,传输及效应研究"(批准号:41421003)的支持下,在地球磁层亚暴注入、超低频波与能量粒子间相互作用、超低频波激发机制、无碰撞磁重联电子扩散区就位探测、太阳风磁重联出流区的两步能量转换机制、太阳风湍动功率谱拐点(MHD尺度转向动力学尺度)的各向同性特征、电子尺度上磁洞空间位型的诊断、磁鞘湍动中离子尺度以上磁洞的本质、太阳大气激波定量综合诊断新方法等领域、方向和问题上取得了一系列成果.