IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22-24日行星际磁场(IMF)持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片(CDPS),模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。

耦合试验粒子反复多次通过位垒方法研究重核裂变

近年来,Langevin方程在合理解释复合核裂变几率方面得到了广泛的应用,定义在鞍点处的试验粒子反复多次通过位垒的数值模拟方法可以较好地描述热位垒通过问题,对鞍点的裂变速率给出的结果更合理。可以更好的描述原子核的裂变现象。在以往的工作中,人们都是利用一个试验粒子反复多次通过鞍点的过程来模拟热核裂变,而实际的裂变是极其复杂的过程,会有很多的影响因素,为了考虑复合核形变等问题的影响,利用耦合的试验粒子反复多次通过鞍点模拟热核裂变,以期考虑较多因素对核裂变的影响,并且和之前的计算结果进行比较,给出更为合理可信的复合核裂变速率。

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论,通过偶极磁场模型,验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r<8R_e)带电粒子运动特征的可靠性.在此基础上,以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景,利用三维试验粒子轨道方法,对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟,并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟.模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程,揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布,并得出统计规律.模拟结果与理论预测和观测结论相一致,且通过数值模拟发现,行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.

基于试验粒子模拟的电离层人工调制激发的极低频和甚低频波对磁层高能电子的散射效应

电离层调制加热能够有效激发极低频和甚低频(ELF/VLF)波,其中向上传播进入磁层的ELF/VLF波能够与高能电子发生共振相互作用,具有人工沉降高能电子、消除辐射带等潜在实际用途.本文综合运用射线追踪和试验粒子方法模拟电离层人工激发的单频ELF/VLF波在电离层和磁层的传播,以及在外辐射带层与高能电子的共振相互作用过程,通过投掷角和能量散射系数评估人工ELF/VLF波对磁层高能电子的共振散射效应.研究表明,电离层人工ELF/VLF波传播到磁层后呈现高倾斜性,传播所能跨域的空间范围主要取决于加热的纬度位置和调制频率.在内辐射带,与～100 keV到几个MeV高能电子发生一阶共振相互作用的为>10 kHz的VLF波段;在外辐射带,为几百Hz到1 kHz的ELF波段.对于L=4.5的外辐射带,试验粒子模拟结果显示,单个粒子在人工ELF波作用下投掷角和能量(α,E)的改变具有随机性,而所有试验粒子平均化的?α2和?E2随时间呈现出近似线性的增大,说明波粒共振散射过程体现出整体性.基于试验粒子模拟得到的共振散射系数表明,幅度为10 pT的人工ELF波可在外辐射带的磁赤道局地对1 MeV电子产生较强的投掷角散射效应,进而影响高能电子的损失、沉降等动力学过程.当人工ELF/VLF波在传播过程中变得高度倾斜,不仅最基本的一阶共振十分重要,高阶共振散射也具有较大效应.这些定量分析结果表明,通过电离层加热激发人工ELF/VLF哨声波来沉降、消除辐射带高能电子具有可行性.

CM天体引力场中试验粒子测地线方程的后牛顿算法

从后牛顿展开形式的度规张量出发,采用后牛顿近似方法讨论了具有磁荷和磁矩(CM)天体引力场中试验粒子的测地线方程,当略去磁矩和磁荷部分的影响时,方程回到Schwarzschild场的测地线方程。这套方程对于研究试验粒子轨道的长期演变对星系演化的影响有重要意义。

超低轨航天器气动特性快速预测的试验粒子Monte Carlo方法

超低轨(LEO)卫星气动特性的快速准确计算是对其进行轨道预测和控制的关键输入条件。基于真空技术领域中计算管道分子流率的试验粒子Monte Carlo(TPMC)方法,结合自由分子流理论,发展了一套快速准确预测低轨卫星气动特性的TPMC方法,给出了其模拟步骤及主要关键技术点,并采用该方法模拟了带电池翼超低轨卫星的气动特性和航天器典型构件之间的多次反射效应。结果表明:TPMC方法在计算超低轨航天器气动力、力矩时具有较高的可靠性和对工程复杂外形的适用性;该方法能够准确模拟自由分子流理论无法求解的多次反射问题,给出正确的气动力系数;该方法的计算速度比直接模拟Monte Carlo(DSMC)快3~4个量级,存储量要求也比后者低1~2个量级,是超低轨航天器气动特性快速准确预测的一个理想方法。

几种COTS元器件单粒子试验研究

针对COTS元器件没有考虑空间辐射环境的影响导致的高风险,特别是单粒子效应,使用重离子对空间科学用的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和模数转换器(ADC)开展了单粒子效应试验研究,分析了这几种COTS元器件单粒子效应发生时的现象。结果表明:TMS570LS20216型DSP的单粒子闩锁阈值低于12.6 MeV·cm^2/mg,A3PE3000L型FPGA的单粒子翻转阈值在个位数量级,ADS7883S型ADC的单粒子效应阈值大于36.8 MeV·cm^2/mg。试验结果可用于COTS元器件空间应用的系统级单粒子效应防护设计和风险评估。

粒子碰撞噪声检测(PIND)试验设备灵敏度的定量分析

介绍了一种检测粒子碰撞噪声检测试验设备的灵敏度的定量分析方法。使用该方法可直观观测到设备的灵敏度。

SRAM型大规模FPGA的抗单粒子翻转设计与试验验证

对SRAM型大规模FPGA进行了抗单粒子翻转(SEU)设计研究,提出了具体的有效减弱单粒子翻转效应影响的设计方法,并利用兰州重离子加速器(HIRFL)束流终端开展了单粒子效应模拟实验,对设计方法的有效性进行了试验验证。为星载信号处理机的抗单粒子翻转设计提供了参考依据。

一种基于相干采样原理的高速A/D转换器单粒子试验技术

针对高速 A/D 转换器单粒子试验监控要求,提出了一种基于相干采样扩展理论的模拟信号激励技术。该技术具备输入信号频率 高,A/D 转换器输出数据跳变缓慢等特点。采用该技术进行单粒子试验测试,即可以较全面评估 A/D 转换器采样保持电路和数字量化电路 的全工作频率和输入电压条件下的性能特性,也可以降低后端数据采集系统进行瞬态、翻转现象判断的处理压力,且具有较强的可操作性。

一种用于数字电路单粒子效应试验的系统设计

单粒子效应试验是地面评估元器件抗辐射性能的有效方法。随着航天事业的高速发展,宇航元器件需求逐年增大,对其辐射性能评价的单粒子试验越来越频繁。提出一种通用型单粒子效应试验系统,可满足大部分数字电路的单粒子试验评价需求。从系统架构、硬件设计及软件设计几个方面对单粒子效应试验系统的设计方法进行介绍。基于该系统可以方便地进行不同型号数字电路的单粒子效应试验系统开发,缩短系统开发周期,提升效率。

等离子体湍动对准垂直激波中粒子加速的影响

本文利用试验粒子方法研究了在考虑等离子体湍动的情况下带电粒子在准垂直激波中的加速,在计算中,我们采用组合模型来拟合等离子体湍动.计算结果表明,在存在等离子体湍动的情况下,粒子可横越背景磁场运动,从而被激波反射的上游粒子在到达下游后可被等离子体湍动散射回到上游,并再次被激波反射并加速,这样的过程可重复很多次,因而粒子可被加速到很高的能量.我们还研究了激波角,粒子的初始能量和等离子体湍动的强度,以及相干长度和两种湍动组分强度比与加速粒子的能谱之间的关系.

北京正负电子对撞机试验束描迹仪的应用

试验束能提供不同种类、一定动量的单粒子束流。用三个多丝正比室做探测器,采用阴极感应电荷重心读出的方法,由单个多丝室对粒子击中点的二维坐标进行定位,粒子在三个室平面上的二维坐标经拟合后精确地描绘出北京正负电子对撞机试验束单粒子束流的径迹及入射方向。对阴极感应电荷重心读出的理论、实现方法及数据处理做了详细论述,并给出了实验结果。

基于CFD仿真模拟及PIV粒子示踪相结合法超滤膜组件优化

采用在线监测与水力流体模拟相结合方式,利用数值模拟仿真技术、示踪技术及高速图像采集分析等手段,考察现有超滤膜组件内部的流场分布,并设计出新型超滤膜组件。结果表明,由于超滤膜组件内部流场主要受到布水管布水的影响,布水管上开孔均匀与否将直接影响整个超滤膜组件内部布水的均匀性。与组件UFA-860C相比,设计出的条形孔超滤膜组件因其布水管上有规则地均匀开孔且采用多根布水管组合,在运行时组件内部布水更加均匀,且能够充分利用膜丝的有效面积,从而有效减缓膜污染。

空间单粒子锁定效应研究

空间辐射效应是影响器件空间性能的重要因素,特别是单粒子锁定现象一直是困扰CMOS器件在空间应用的一个难题。为此,文中分析了空间单粒子锁定效应机理、特点、模拟试验及检测方法,并选取典型空间用器件开展了单粒子锁定试验研究,在此基础上,结合试验数据分析给出了单粒子锁定防护方法、监测方法及建议,供相关技术人员参考。

奇妙的粒子束武器

1967年某月,美国通过侦察卫星,发现苏联中亚地区的塞米巴拉金斯克上空突然出现了一团可疑的核爆炸分裂物.然而,当天苏联并没有进行大气层和地下核爆炸试验.那么,这个神秘的核团来自何方?后经美国通过高清晰度的照相侦察卫星和其它侦察手段进行反复详查,终于查明,原来是在塞米巴拉金斯克城南50公里处,苏联正在研究、试验粒子束武器.

TPMC和DSMC方法在真空技术领域的应用

随着计算机技术的发展 ,蒙特卡罗方法 (MC)成为研究稀薄气体流动问题的重要方法。本文着重介绍了试验粒子蒙特卡罗方法 (TPMC)和直接模拟蒙特卡罗方法 (DSMC)。通过一些实际的算例 (异形管路传输几率计算、涡轮分子泵模拟优化设计 )

质量四极矩引力场中的加速度

采用Lorentz局部惯性和随动坐标系 ,研究了试验粒子在质量四级矩场中的加速度 .得到如下结论 :( 1)质量四极矩引力场中的加速度不仅具有径向分量 ,而且具有横向分量 ;( 2 )加速度的大小与试验粒子的位置 (即r和θ)有关 .当θ=0 ,π时 ,加速度最小 ;当θ =π/ 2时 ,加速度最大 ;当θ=arccos( 13 )时 ,质量的非球对称性对加速度没有贡献 ,此时 。

内外流一体化航天器气动特性分析与减阻设计

针对超低地球轨道内外流一体化卫星和带孔空间碎片的气动特性分析与减阻设计问题,采用试验粒子Monte Carlo(TPMC)方法对200 km高度带头帽通孔圆柱体航天器外部绕流和内部流动并存问题进行模拟。结果表明:TPMC模拟结果与直接模拟Monte Carlo(DSMC)结果相一致,验证了TPMC方法的可靠性,以及对内外流并存问题的适用性;对于本文所考虑的内外流一体化问题,TPMC方法的计算速度是DSMC的2000余倍,消耗内存也比后者少1~2个量级;小攻角范围内,通孔的存在使得压阻分量减小,摩阻分量增大,综合效果是使阻力减小;外部表面对内孔表面的遮挡作用以及内孔表面之间的多次反射效应使内孔表面受到比较明显的压力,多次反射作用在轴向中部区域最强。

航天器表面环境散射返回流TPMC模拟

介绍试验粒子Monte Carlo(test particle Monte Carlo,TPMC)方法,并采用该方法对4种航天器表面出气分子形成的环境散射返回流进行数值模拟.其中,圆球出气表面的计算结果与已有的DSMC(direct simulation Monte Carlo)结果一致,验证了方法的正确性.此外,对不同出气和来流条件下圆形平板、凸半球和凹半球3种航天器简化表面出气分子形成的环境散射返回流进行计算,结果表明:出气表面外形是影响返回通量比的一个重要因素;圆形平板和凹半球出气表面的返回通量比远大于凸半球表面的;凹半球表面的出气分子会直接和出气表面碰撞形成直接流污染,且其量级远大于返回流污染.因此,在航天器设计中尽可能使用凸形表面作为敏感的出气表面可以有效降低出气分子污染.