哨声模合声波对辐射带电子扩散系数的多维建模及损失时间尺度建模研究

哨声模合声波是地球内磁层中一种典型的等离子体电磁波动,对辐射带电子动态演化起着至关重要的作用.合声波可以与外辐射带电子发生相互作用,将电子散射至损失锥进而沉降至大气;此外合声波也能将几十keV的电子加速到几MeV,是辐射带相对论电子的重要来源.因此,快速准确地计算合声波对辐射带电子的扩散系数,对于优化地球辐射带动理学建模并深入理解电子通量的演化机制具有重要作用.本研究利用Full Diffusion Code(FDC)定量计算了典型合声波波模对辐射带电子的弹跳平均投掷角、能量和交叉扩散系数,并建立了地球内磁层空间中L为2~7、背景环境参数α^(*)为1~13,投掷角α_(eq)为0°~90°、能量Ek为10 eV~10 MeV的电子散射系数矩阵数据库.在此基础上通过线性插值方法可以快速得到不同L和α^(*)参数条件下的合声波对辐射带电子的扩散系数,并计算相对误差验证应用线性插值方法的合理性和准确性.基于扩散系数矩阵数据库,本研究还计算了合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,建立了以L、α^(*)和Ek为输入参数的电子损失时间尺度经验模型,从而可以快速获取合声波散射电子的损失时间尺度.结果表明,扩散系数矩阵数据库构建和线性插值方法的使用大幅度减少了获取不同L和α^(*)对应的扩散系数所需时间,同时建立的三维损失时间尺度经验模型可快速得到不同L、α^(*)和Ek所对应合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,这些结果提高了地球辐射带动理学建模效率,对于空间天气预报具有重要意义.

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层下频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧(21-03 MLT)主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧(03-09 MLT)可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层上频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,针对内磁层上频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究上频带合声波平均场强幅度随磁壳值(L)、磁地方时(MLT)、地磁纬度(MLAT)的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,上频带合声波的平均场强幅度与地磁活动条件密切相关,在强磁扰期,平均幅度可达到40 pT以上.在外辐射带中心区域(L=4~6),上频带合声波的幅度最强;在L<~3的区域,上频带磁层合声波没有分布.在夜侧至晨侧(22—09MLT),上频带合声波幅度最强;在下午侧至昏侧(15-19MLT),上频带合声波幅度最弱;日侧(10-14MLT)上频带合声波在不同地磁活动条件下都存在,幅度偏小.上频带合声波主要分布在|MLAT|<10°,其中21-09MLT范围内、磁纬位于|MLAT丨<5°的平均场强幅度最强,磁扰期间可达约100 pT.另外,统计而言,中等幅度(10~30 pT)的上频带合声波在夜侧至晨侧(23-09MLT)靠近磁赤道区域的发生率最高,可达15%左右.强幅度(>30 pT)的上频带合声波普遍分布在夜侧(01-05MLT),发生率最小.本文建立的上频带哨声模合声波的全球分布模型结合已经建立的下频带合声波的全球分布模型,将有助于进一步深入理解该重要磁层等离子体波动对地球等离子体片、辐射带、环电流动力学过程的定量贡献.

哨声模合声波驱动同步轨道高能电子通量上升的事例分析

采用LANL同步轨道卫星和Cluster C4卫星的数据,研究了2004年9月13日和2001年10月21日两个磁暴事件期间,辐射带同步轨道附近高能电子通量的变化和哨声模合声波的活动之间的关系.通过观测对比发现,在相同的空间位置,两个事件均观测到高能电子通量的上升和明显的合声波对磁场的扰动;而且高能电子通量上升的程度与合声波的功率谱密度的大小有一定的正相关性.这为合声波加速高能电子的观点添加了观测证据.

哨声模合声波与地球同步轨道高能电子通量增强事件事例研究

局部加速机制是磁暴期间地球外辐射带高能电子通量增强事件发生的重要原因.此加速机制需要两个基本条件,一是存在种子电子,二是存在能与种子电子产生共振的加速波动,包括哨声模合声波.通过对2004—2006年Pi1地磁脉动持续时间与种子电子通量的相关性分析,更明确提出Pi1地磁脉动的持续时间可以作为种子电子通量的指示剂.通过对三个磁暴事例地球同步轨道的种子电子通量、高能电子通量及哨声模合声波变化情况的分析,发现在高能电子通量较强的事例中,均观测到较高的种子电子通量和较强的哨声模合声波,这在一定程度上验证了哨声模合声波对种子电子的回旋加速机制,且合声波强度与高能电子通量有正的相关性.

地球磁层中三波段合声波的激发机制

地球磁层中存在着三波段合声波,它的频谱中有两个明显的能量间断.利用范艾伦探针的观测数据,提出了一种新的激发机制来解释三波段合声波的产生.在观测到三波段合声波时,通常伴随着两束与合声波传播方向相反的电子束流.根据线性理论计算出的合声波的增长率,发现两束电子束流的存在确实能使反方向传播的波动的增长率出现两个极小值.因此,两个特定频率处的合声波被阻尼,从而形成两个能量间断,并导致合声波呈现三个波段的特征.这一工作不仅提出了一种新的机制来解释三波段合声波的产生,还为磁层中经常观测到的合声波在0.5个电子回旋频率处的能量间断提供了新的见解.

地球磁层中合声波的扫频机制研究

哨声模合声波是地球磁层中常见且重要的电磁波动,其扫频结构的激发机制经过了近几十年的研究取得了重要进展.本文以合声波扫频结构激发模型的发展为脉络,结合卫星观测和数值模拟方法,讨论波动扫频结构的激发条件,扫频激发过程中的非线性波粒相互作用,以及历史上两类主流的合声波激发模型.其中一种模型的扫频率正比于背景磁场不均匀度,与地球磁层中的观测吻合较好,但无法解释均匀磁场下的扫频;另一种正比于波动振幅,可以被自洽的粒子模拟所验证,但两种扫频率的形式迥异.本文将重点回顾最新提出的命名为“TaRA”(Trap-Release-Amplify)的理论模型.该模型根据波动传播方向,将空间中赤道附近区域(即波动源区)分为上下游.这两个区域在波动激发过程中扮演着不同的角色.在下游区域,非线性波粒相互作用形成了相干的电子相空间结构;而在上游区域,当满足相位锁定条件时,为使得波动和粒子能量传输达到最大化,电子会选择性放大新的波动,造成波动扫频结构的形成.本文还将比较TaRA模型与过去两类主流模型的异同.合声波扫频机制的研究不仅可以解释与合声波精细结构有关的特征,加深理解波粒相互作用的非线性过程,还可以用于解释其他相关现象,如均匀磁场中合声波的扫频结构、地球磁层中电磁离子回旋波的扫频结构,以及存在于其它行星上的相关波动的扫频结构.

基于石墨烯阻挡层Cu-In微纳米层超声波键合技术

目的采用松木状形貌铜铟微纳米层和超声能量,低温下实现键合互连,保证互连的可靠性,从而解决传统回流焊工艺高温引发高热应力、信号延迟加剧的问题。方法将镀有松木状二级铜铟微纳米层的基板表面作为键合偶一端,另一端为无铅焊料。在键合偶之间加入单层共形石墨烯作为阻挡层,在低温下(温度120℃),对键合接触区域施加超声能量和一定压力便可实现铜铟基板与无铅焊料的瞬态固相键合。用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射(XRD)、焊接强度测试仪等分析键合界面处的显微组织、金属间化合物,以及剪切强度,对键合界面进行老化处理。结果铜微米层具有圆锥状凸起的表面结构,其上镀覆纳米铟层,形成的结构具有巨大的表面积。在超声作用、较小的压力,以及低温条件下,铜铟松木状阵列结构插入较软的锡基焊料中,形成稳定的物理阻挡结构,实现与周围填充挤入的无铅焊料,以进行焊接互连。键合压力过小或者超声时间过长,都会在键合界面处产生线性孔洞或者裂纹,这些孔洞或者裂纹无法通过热处理消失。结论石墨烯阻挡层避免锡焊料与粗糙表面铜基板之间直接接触,防止脆性金属间化合物的过度生长。铜铟松木状阵列结构的特殊形貌及超声波能量引入,键合在瞬间、低温条件下即可完成,键合质量良好,可以获得较小的键合尺寸。

多卫星联合观测磁暴时合声波驱动的外辐射带高能电子通量的增强

本文利用SAMPEX和GOES-10卫星的观测数据研究了2002年9月28日至10月8日强磁暴期间外辐射带高能电子通量的演化.两颗卫星的观测结果均显示,在磁暴恢复相期间,高能电子通量呈现出显著的增强,于10月6日达到最大值.SAMPEX卫星在L=3.5处观测到1.5～14MeV和2.5～14MeV两个能量通道的电子通量的最大值为6×102cm-2s-1sr-1keV-1和5×103cm-2s-1sr-1keV-1,分别比磁暴前上升了约10和8倍.而GOES-10卫星于同步轨道附近观测到的>0.6MeV和>2MeV的电子通量峰值为磁暴前的50倍和30倍.本文进一步利用ClusterC3卫星研究了磁暴期间背景等离子体参数和哨声模合声(chorus)波的活动现象.ClusterC3卫星于10月1日与10月4日两次穿过外辐射带区域,观测到高强度(10-5～10-4nT2Hz-1)的合声波.数值计算表明观测到的合声波能够与外辐射带高能电子产生回旋共振作用.本文多卫星联合观测和数值模拟的结果为合声波驱动的外辐射带高能电子的回旋共振加速机制提供了新的证据.

超声波键合压力自适应平衡装置设计与实验研究

针对即时检测芯片在超声波键合过程中对高键合均匀性和高键合精度的要求,利用空气具有摩擦阻力小和可弹性压缩的特点,设计了超声波键合压力自适应平衡装置,分析了键合压力自适应平衡原理。为验证该装置的键合效果,开展了压力分布均匀性实验、键合实验、超声振子谐振频率和阻抗的对比。结果表明:对于69 mm×15 mm的芯片,该装置能够将微通道高度峰峰值控制在1.3μm以下,将熔接线宽度峰峰值控制在为23.3μm以下;相比对照组,该装置能够降低压力分布均匀性系数约50%~72%,能够将微通道高度峰峰值减小96.2%,标准差减小96.8%,能够将熔接线宽度峰峰值减小96.8%,标准差减小96.3%;该装置对长度为19~69 mm的芯片具有较好的适应性,微通道高度峰峰值能够控制在1.9μm以下;该装置不会对原有键合设备的超声振子系统产生较大影响,在相同键合压力下对比不锈钢夹具,谐振频率的最大差值和反谐振频率的最大差值均为2 Hz,最小阻抗模值和最大阻抗模值的差值均不超过3.5%。超声波键合压力自适应平衡装置具有较好的压力自适应平衡能力,能够有效提高键合均匀性和键合精度,满足即时检测芯片对高键合均匀性和高键合精度的要求。

键合参数对电镀金键合性能的影响

采用超声波键合对由无氰电镀金和含氰电镀金制备的封装材料进行金丝键合测试,研究了键合工艺参数(超声功率、超声时间、键合压力)对键合性能的影响。结果表明,采用无氰电镀金液的底材材料硬度高,金丝焊球处发生失效的现象较多,而采用含氰电镀金液的底材材料硬度低,金丝焊球处发生失效的现象较少。对于低硬度的电镀金层,其焊球直径和键合高度都较低,有助于键合金丝和电镀金界面实现更好的融合。超声时间是影响键合性能的主要因素,当超声时间增加至300 ms,金丝焊球不再出现失效,有效解决了键合性能不良的问题。

不同地磁条件下同步轨道高能电子通量对合声波的响应

本文研究了2005年8月24日强磁暴(事件A,Dst<200 nT,AE指数平均值为436 nT)与2006年10月28日弱磁暴(事件B,Dst>50 nT,AE指数平均值为320 nT)期间同步轨道高能电子通量的演化过程.LANL和GOES-12卫星观测数据表明:恢复相期间,事件A和事件B中高能电子通量均上升约10倍;随着亚暴持续的发生,Cluster C4卫星均观测到同步轨道存在强烈的哨声波合声模(波强达到10 5nT2/Hz),波幅主要依赖于亚暴AE指数,与Dst指数关联较弱.采用高斯波谱拟合,求解了控制波粒相互作用的Fokker-Planck扩散方程.模拟结果表明:两例事件中的合声模能有效加速1 MeV左右的高能电子,且在高投掷角区域加速作用更加明显;加速时间尺度和幅度与观测数据基本吻合.本文研究为合声模加速辐射带高能电子过程提供了新的观测支持.

尼日尔研究区声波曲线的拟合方法

尼日尔研究区阿格巴达组（Agbada）压实程度相对较小，声波响应特征值小。测井资料广泛应用于地震反演，曲线重构是提高储集层与围岩速度差异不明显地区测井约束地震反演效果的有效技术。因该区声波测井资料匮乏，需要拟合声波曲线用于地震反演。文中简单介绍了测井资料的处理，对具有声波曲线井做测井交会图分析，阐述了同一沉积环境下的相同岩性的声波曲线以低频信息和高频信息相融合并参考地层岩性参数的拟合方法，对拟合的伪声波曲线做了对比分析并应用于储层反演。

种子电子注入对合声波加速辐射带电子的影响

运用混杂有限差分法,通过数值求解Fokker-Planck方程,模拟了200keV的种子电子注入对合声波加速辐射带电子的影响.结果发现,没有种子电子注入时,在大投掷角区域（αe〉60）,辐射带电子能被合声波共振加速,使能量在1.0~2.0MeV之间的电子的相空间密度在一到两天内发生2~3个数量级的增长;有种子电子注入时,注入的种子电子能被合声波共振加速,从而促进辐射带电子相空间密度的增长,且增长的效果随投掷角的升高逐渐增强,随电子能量的升高逐渐降低,随时间的推移逐渐向更高能量方向扩展,扩展的时间尺度在1.0~2.0MeV能量范围内约为一到二天;当200keV的种子电子注入到初始的十倍且保持大约两日后,1.0和2.0MeV电子的相空间密度的最大值分别增长到同一时刻没有种子电子注入时的6倍和3倍.该结果说明种子电子注入对合声波加速辐射带电子具有重要的影响.

基于局部溶解性激活的聚合物微流控芯片超声波键合

利用低于临界振幅下的超声波作用在聚合物上仅产生表面热的特点,结合PMMA在异丙醇(IPA)中的温变溶解特性,提出了一种基于局部溶解性激活的超声波聚合物微流控芯片键合方法.理论分析表明当超声振幅小于临界振幅时,只有器件接触表面产生局部表面热,而且在70℃附近IPA对PMMA的溶解性才具有良好的激活作用.在试验研究中,利用精密加工法和热压法制作了带面接触式导能筋结构和80μm×80μm微通道的PMMA微流控芯片基片.在超声振幅为13μm、键合时间8 s、键合压力300 N的条件下进行了键合试验.结果表明,芯片拉伸强度达2.25 MPa,微通道的承压能力超过800 kPa,键合后导能筋无熔融,微沟道变形率小于2%,键合时间仅为8s.该方法的键合强度和键合效率明显高于传统的键合方法,而微结构的变形率却较小,故可作为一种具有产业化前景的聚合物MEMS器件快速封接方法.

塑料超声波焊接及其用于聚合物MEMS器件键合的研究进展

为了解决当前聚合物MEMS器件键合技术中存在的问题,将塑料超声波焊接技术引入聚合物微器件键合领域,从而形成了一种新的MEMS键合工艺——超声波键合。目前广泛应用于聚合物加工的塑料超声波焊接技术具有不需要焊剂和外部热源、对焊件破坏轻、焊接时间短、焊接影响区域小等优点,超声波聚合物MEMS器件键合是塑料超声波焊接技术从宏观器件到微观器件的一次应用范围上的拓宽。简述了塑料超声波焊接和MEMS器件超声波键合技术的国内外研究发展现状。采用MEMS加工工艺制作了带有键合接头的PMMA微流控芯片,并利用超声波塑料焊接机实现了高强度密封键合试验。然而,与宏观器件的焊接相比超声波MEMS键合存在着因结构微型化而产生的特殊技术问题,文章对这些问题进行了讨论。

超声波键合熔接结构及压力自平衡夹具

聚合物微流控芯片对键合精度、键合强度及键合效率要求高。为了避免超声波键合中微通道被堵塞,解决键合过程中由调平精度和高频振动引起的键合强度低、键合压力分布不均的问题,设计了一种基于超声波键合的熔接结构和压力自平衡夹具。首先,利用感压胶片对压力自平衡夹具和不带自平衡功能的夹具的压力分布进行测量,并定义了压力分布系数进行量化。其次,利用两种夹具分别对设计芯片进行超声键合,并利用工具显微镜对焊线和微通道截面进行观测。最后,对两组芯片进行键合强度测试和密封性测试。实验结果表明:所设计的熔接接头结构对微通道的控制精度可达2.0μm。压力自平衡夹具结构简单可靠,可提高压力均匀性35.20%~43.18%,并使得焊线均匀一致,同时可提高键合强度15.3%~45.1%,并保证密封性。该熔接结构和压力自平衡夹具可满足聚合物微流控芯片的控制精度、键合强度、压力均匀性及其密封性的要求。

聚合物微流控芯片超声波微熔融键合方法

为了将超声波聚合物焊接技术更好地应用于聚合物微流控芯片的键合,提出基于界面微熔融的聚合物微流控芯片超声波键合方法.设计了适用于该方法的导能筋结构,在合理的键合工艺参数控制下使导能筋结构材料不发生熔融流延,通过键合界面软化润湿来实现对微流控芯片微通道的密封连接.实验结果表明,键合时间仅为0.09 s,键合后微通道的承压能力可达6个大气压,满足微流控芯片的使用要求.面接触导能筋可采用机械加工或注塑方法获得,具有良好的产业化应用前景.

面向即时检测芯片超声波精密键合的熔接结构及工艺参数

针对芯片即时检测(POCT)芯片对键合精度、键合强度、生产效率和生物兼容性的要求,基于超声波键合技术设计了结构化的导能筋布置形式和阻熔导能接头结构。研究了超声波键合时间和键合压力对微通道高度保持性能的影响,确定了精密超声波键合工艺参数。利用高精度显微镜、拉伸试验机和羊全血分别对键合后芯片的微通道高度、键合强度、微通道密闭性以及液体自驱动性能进行了测试。结果表明:所设计的导能筋布置形式合理可靠;利于芯片各功能的集成,阻熔导能接头结构能够较精确地控制键合后微通道的高度,键合精度达到2μm;全血驱动时间的极差在20s以内;所确定的键合工艺参数能够实现高强度的键合,键合强度不小于2.5 MPa。该熔接结构及工艺参数具有键合精度高、键合强度高、生物兼容性好和熔接均匀等优点,可应用于医用POCT芯片产品中。

聚合物多层微流控芯片超声波键合界面温度研究

针对聚合物多层微流控芯片键合,采用热辅助超声波键合方法实现了4层微流控芯片的键合,搭建了多界面温度测试装置,采用埋置热电偶的方法测试了三个被封接界面的温度场,研究了单独超声波作用和热辅助超声波键合法中各界面的温度并进行了比对.温度测试实验结果表明,在顶层热辅助温度70℃、6μm振幅、30kHz频率、100N超声波焊接压力和25s超声波作用时间下,基于热辅助的多层超声波键合方法可以使各键合界面的温度基本一致,从而实现多层微流控器件的多个界面键合质量一致.本文的研究为聚合物微流控器件的超声波多层键合机理研究提供了有益借鉴.