子午工程二期宽频地磁波监测仪研制

地球的磁层中存在各种波现象,其频率从mHz延伸到数千Hz.这些波的研究一直是空间物理学研究的核心问题.针对目前世界上地磁台站的波监测设备均为各自测量相对变化、缺乏统一标定、无法进行从高纬到低纬联合观测、无法进行多台设备观测数据的统一对比研究的现状,本文综合使用磁阻传感器(探测ULF频段:1 mHz~2 Hz)、巨磁感抗传感器(探测ELF频段:0.2 Hz~2 kHz)和线圈传感器(探测VLF频段:0.2 kHz~10 kHz)研制新一代的宽频地磁波监测仪,将这些监测仪放置在120°E子午链附近的黑龙江漠河站(高纬)、北京十三陵站(中纬)、海南乐东站(低纬)等典型区域的地磁台站上,并对各个台站的设备进行统一的时间、振幅和频率标定,结合FY-3E、SMILE等近地空间卫星数据,全面提升对地球磁层的各种波现象的探测能力.研制的宽频地磁波监测仪的性能测试实验表明,其具有对一定频率(1 mHz~10 kHz)的波的探测能力;其幅度探测范围为:±65000 nT(ULF频段)、±1000 nT(ELF频段)、±100 pT(VLF频段);在量程范围内又具有较低的非线性误差:ULF频段≤0.0446%、ELF频段≤0.51%、VLF频段≤1.18%;噪声水平也较低:RMS(方均根)噪声≤0.5554 nT(ULF频段)、NPS(功率谱)噪声≤0.028 nT/√Hz(ELF频段)、NPS(功率谱)噪声≤0.24 pT/√Hz(VLF频段).所有这些特点使得所提出的宽频地磁波监测仪能够满足子午工程二期的波探测需求.

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.

风云三号E星空间环境载荷综合探测技术

针对中国风云三号卫星运行的低地球太阳同步轨道,开展空间环境及粒子辐射效应监测,提出基于空间环境监测器Ⅱ型载荷的综合探测技术。在各载荷技术指标的地面研制过程中,通过标准放射源、等效信号源、粒子加速器和标准磁场等不同方式进行标定和实验验证。结果表明,多方向全能谱粒子探测的能量范围为30 keV~300 MeV,精度优于10%;磁场强度测量范围为-65023~+65023 nT,精度优于0.73 nT;电位探测范围为-32.4~+23.7 kV,灵敏度优于10 V;辐射剂量探测范围为0~3×10^(4) rad(Si),灵敏度优于8.3 rad(Si)。通过空间环境监测器Ⅱ型载荷对卫星运行轨道上的粒子辐射环境、原位磁场矢量变化、辐射剂量累积以及卫星表面电位变化等进行观测,可以为航天活动、卫星设计、空间科学研究及空间天气预警预报业务提供必要的数据支撑。

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。

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。

用于空间科学研究的基于磁阻传感器的矢量磁强计

提出一种用于空间科学研究的基于低资源消耗各项异性磁阻传感器的矢量磁强计。该矢量磁强计的探测范围为±65000 nT,–3 dB带宽为DC~10 Hz的磁场波,噪声功率谱密度≤0.2 nT/Hz^(1/2)@1 Hz,非线性误差≤3.6‱,非正交性误差≤1.2‱。该磁强计搭载运行于太阳同步轨道的风云三号气象卫星(FY-3E),在轨初步探测结果表明,该磁强计具备探测空间磁场扰动(例如极光椭圆区的场向电流(20~60 nT))的能力。

星内粒子探测器观测结果与辐射带模型的比较

我们将资源一号卫星星内粒子探测器的观测数据与辐射带模式AE8/AP8的预测结果进行了对比,发现在南大西洋异常区的高能电子和质子的通量与辐射带模型的预测结果基本相同,而在两极极光带的电子通量比AE8模型预测的低得多.根据NOAA卫星的观测结果,可以认为这一差异主要是因为在南大西洋异常区(内辐射带)和两极极光带(外辐射带)的粒子投掷角分布的差异造成的.在南大西洋异常区粒子倾向于各向同性分布,而在极光带粒子各向异性明显,投掷角接近90°的粒子通量比0°投掷角附近的粒子通量大得多.

“资源一号”卫星星内粒子探测器对扰动事件的观测

本文比较了在太阳平静和扰动时期“资源一号”卫星星内粒子探测器对卫星舱内高能粒子的观测结果,发现在平静时期观测结果很好地反映了辐射带高能粒子在该高度上的分布情况.在扰动时期,粒子探测器观测到高能粒子分布出现重大变化,本文进一步讨论了影响高能粒子在近地空间分布的可能因素.

极轨卫星在780km高度上测得的高能粒子辐射事件

对搭载于我国第一颗地球资源卫星上的“星内高能粒子探测器”首批资料进行初步分析表明 ,在卫星 780km轨道高度上所纪录到的所有高能粒子通量事件都只出现在 3个地理区域 ,即两半球的高纬极光带和南大西洋地磁异常区。低能档电子在这 3个区域都有出现 ,而高能档电子和质子在太阳宁静条件下 ,一般只出现在南大西洋异常区。从统计结果还可看出 ,南极光带附近的粒子通量大于北半球极光带 ,而在北极光带 ,与南大西洋异常区大体相同的经度附近 ,高能粒子的通量事件有一个明显的空隙区域。另一个观测事实是 ,0 5～ 2 0MeV能档的电子通量在极光区远大于 2 0MeV以上能档的电子通量 ,而在南大西洋地磁异常区 ,两个通道的电子通量差别不大。与现有理论模型和国外大致相同轨道上的空间高能辐射环境直接观测资料对比还表明 ,卫星舱内的辐射与舱外的空间辐射环境是完全相关的 ,积累的有关资料不但是航天设计和环境应用研究所需的重要参量之一 。

资源一号卫星星内粒子探测器与神舟二号X射线探测器对高能电子探测的比较分析

利用资源一号卫星和神舟二号留轨舱上搭载的高能粒子探测设备对 2 0 0 1年 2～ 6月同一时段内的资料进行了对比分析 .神舟二号飞船X射线探测器的观测结果反映的空间高能电子的分布 ,表明在 4 0 0km的较低高度上 ,地理纬度 4 0°附近以及SAA地区也可以观测到数百keV的高能电子 .资源一号卫星的探测结果显示了在 80 0km高度附近 ,同一时段内若干兆电子伏特的高能电子的全球分布 .后者出现的最低地理纬度和相应的经度位置则和前者是一致的 ,说明两个高度上高能粒子的分布仍然都受地磁场控制 ,粒子主要来源于地球辐射带 .资源一号卫星高能粒子探测器的能挡与神舟二号飞船X射线探测器的能挡不同 ,彼此可以较好地补充 .但由于神舟二号轨道倾角较低 ,全面的对比也受到一定的局限 ,在进一步深入分析现有资料的同时 。

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一,登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标,因此电离层是必须了解的火星电磁环境.火星电离层探测包括直接探测和间接探测.直接探测精度高,有较高的空间分辨率,但是观测时间短,无法提供长期稳定的探测结果.对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测.无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测,但其空间水平分辨率较低,且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制.顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率,且同样可进行长期稳定探测,为火星电离层研究提供了最新的支持.通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析,提出通过几种探测方法适当结合的方式,同时对火星电离层进行观测,能够大大推进对火星电离层的研究.

Si-PIN硅条带探测器的电子学测试

采用电子学等效方法对所研制的Si-PIN条带探测器的基本性能进行测试。Si-PIN条带探测器是在一个硅基片上刻蚀多个条带探测器,常用于空间探测中的粒子方向测量。介绍了对Si-PIN条带探测器电子学等效测试方法和结果,重点探讨了条带之间的串扰问题。

一种用于空间粒子成像谱仪的计数器阵列

为满足目前磁层物理研究的需要,先进的粒子探测器需获得粒子能谱的三维分布。设计一种可用于多方向空间带电粒子的能谱测量的计数器阵列。该计数器阵列用1个4K×8位的双口RAM实现了拥有2048个通道的16位计数器阵列。目前,已完成原型设计,并利用精密脉冲信号源和放射源进行了性能测试。测试结果表明,该计数器阵列性能良好,具有尺寸小、功耗低、灵活性高等特点。

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。

微量碱催化亚临界甲醇-菜籽油酯交换反应制备生物柴油

在亚临界甲醇条件下,采用微量碱催化甲醇-菜籽油酯交换反应制备生物柴油的新工艺,消除催化剂污染和分离的成本。通过单因素试验及响应面分析,确定最佳工艺参数为:反应温度190℃,搅拌速率600 r/min,催化剂用量513 mg/kg,反应时间38 min,醇油摩尔比11.9∶1,反应压力1.5 MPa。在最佳条件下,菜籽油一次转化率可达85.5%,产品生物柴油经甘油洗涤后碱含量为6.9 mg/kg。

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

20 0 1年 4月 2日 ,太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件 ,利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料 ,对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究 .“资源一号”卫星运行于太阳同步轨道 ,高度约 80 0km ,和宁静时期的统计结果对比 ,这次耀斑后 ,星内粒子探测器在地球极盖区 (地球开磁场区 )观测到耀斑粒子的出现 ,这是宁静时期没有的 ;神舟二号飞船轨道高度 4 0 0km ,倾角为 4 2° ,X射线探测器在 4 2°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加 ,这表明 ,太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约 4 0°以上的区域 ,甚至在 4 0°N附近 4 0 0km左右的高度上仍然有响应 .但是 ,中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源 ,加速机制和响应方式却不一定相同 ,需要分别讨论 .资料分析和对比还表明 ,质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比 ,因此 。

极弱电流信号检测电路中前置放大器模拟研究

极弱准直流电流信号测量技术在精密仪器仪表研制过程中有着广泛地应用,其中前置放大器是核心,决定了系统的噪声水平和响应时间常数。在前置放大器的模拟研究中,通过建立电阻直接反馈法和"T"型电阻网络反馈法构成前置放大器的电噪声模型,获取了前置放大器在各种情况下的性能参数。模拟结果表明:系统的信噪比与传感器等效电容值成反比,与反馈电容值成正比,且不能笼统地认为电阻直接反馈法和"T"型电阻网络反馈法哪种方法更优,应根据具体的情况选用合适的反馈形式。该模拟结果可为极弱电流信号检测器中前置放大器设计提供参考。

“资源一号”卫星星内高能粒子探测器

对空间辐射环境的效应以及“星内高能粒子探测器”原理和设计做了简要而全面地介绍 。

极微弱准直流电流信号测量电路的设计

针对极微弱准直流电流信号检测中的噪声和零点漂移问题,采用理论分析和数值计算的方法设计了一款检测电路,包括前置放大器、主放大器和滤波电路。试验表明,该电路具有较低的噪声、较高的灵敏度、较宽的量程和较低的零点漂移量,能够满足实际测量要求。实验结果与理论分析和数值模拟相吻合,可以为极微弱直流电流信号测量技术领域的研究工作提供参考。

基于椭球拟合的三轴磁强计两步校准法

在传统的基于椭球拟合校准法的基础上,提出了两步校准法。第一步引入中间变量,采用最小二乘法通过求解准线性方程来获得最优解,完成对总磁场和零位偏差的校准。第二步通过求解非线性方程组,完成灵敏度误差和三轴不正交性误差的校准。数值模拟和实际校准实验均表明,该方法能有效校准三轴磁强计由于制造工艺带来的误差,且引入中间变量可以有效避免计算误差的积累,从而有效降低总磁场的校准误差。