（空间物理学专业论文）中高能粒子探测器的设计与研制.pdf

摘要 随着人类空间科学的发展和科技的进步，空问粒子探测技术得到了高速的发 展。空间粒子探测所涉及的领域也越来越多，空间物理现象和机制的研究需要粒 子探测提供可分析的数据；空间粒子的通量和能谱变化为空间中的灾害性事件提 供了警报；空间物理模型的建立需要大量的探测数据支持；载人航天事业的发展 也需要空间粒子探测作为保障。因此对空间粒子的探测是人们进行航天活动的基 本技术保障；是人们进行空间探测，研究太空物理学现象的基本方法；也是人们 认识和研究太空，向太空进军的首要条件。 因为中高能量段的粒子与很多物理机制和现象紧密相连，因此对该能段粒子 的测量是人类粒子探测相对集中的区域。本文首先讨论的是在对中高能粒子探测 器进行物理设计时所使用到的各种技术手段。它是粒子探测器设计好坏与否的关 键，也是仪器创新设计的重要环节。 为了连接低能粒子和高能粒子的中问能量段，本文详细论述了如何利用磁偏 转的方法对中能电子进行测量。文章详实地描述了中能电子探测器的设计方案； 介绍了中能电子探测器的方案特点和工作原理；给出了传感器的选择原则和尺 寸，并通过蒙特卡罗模拟确定谱仪的能道划分；估算谱仪的测量精度；确定仪器 的几何因子和计数率，最后给出了电子学部分的设计方案，并通过电路和放射源 实验得到了一定的结论。这也是我国首次以中能粒子为目的进行的探测器设计。 在高能粒子探测器设计方面，我国有成熟的技术。本文详细介绍了在现有技 术的基础上具有创新性设计的一台高能粒子探测器。该探测器集方向测量，能谱 测量，总剂量测量功能于一体，实现了多功能和小型化的成功组合。该仪器中还 用到了加偏转磁铁这项新技术。 文章还简要介绍了目前现在正在研制的两种新探测器设计，主要针对粒子的 l e t 谱测量和空间中子的测量，这两个仪器是以前我国以前没有做过的。 文章的最后详细介绍了在空间粒子探测器设计中的一项新技术，即加偏转 磁铁屏蔽电子干扰的技术。通过物理的仿真模拟和最后的实验表明了该项技术的 可靠性和实用性，该技术同样是我国首次完成该项技术的攻关，已运用到工程实 践中。 关键字：粒子探测探测器空间环境 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs p a c es c i e n c e ，s p a c ep a t t i c l ed e t e c tt e c h n o l o g y h a sb ed e v e l o p e dr a p i d l y a r e ar e l a t et op a r t i c l ed e t e c ti sl a r g e r i ti s g u a r a n t e eo fh u m a nb e i n gd o i n gs p a c ea c t i v i t y i ti sa l s ob a s i ca n dc h i e f w a yt h a tu s e di nr e s e a r c hs p a c ep h y s i c a lp h e n o m e n a t h i st h e m sf i r s t l yd i s c u s s e st e c h n i q u e st h a ta r eu s e di np h y s i c d e s i g no fm e d i u m h i g he n e r g yp a r t i c l ed e t e c tv a r i e d l y t h e s et e c h n i q u e s a r ek e y so fe n s u r i n gd e t e c t o rq u a l i t y t h e nt h i st h e s i sd i s c u s s e sh o wt o u s es w e e p i n gm a g n e ti nm e a s u r i n gm e d i u me l e c t r o ni nd e t a i l s i td e s c r i b e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l e so fd e s i g nm e t h o d i tp r o v i d e st h es i z e a n dc h o i c ep r i n c i p l e so fs e n s o ra n dh o wt ou s em o n t ec a r l os i m u l a t i o nt o d i v i d ec h a n n e l ，a n dc a l c u l a t i n gm e a s u r ep r e c i s i o no fs p e c t r o m e t e r a t l a s t ，i ta l s op r o v i d e sd e s i g np l a no fe l e c t r o n i c sp a r ta n ds o m ec o n c l u s i o n t h i si sf i r s tt i m et od e s i g n i n gd e t e c t o rf o rm e d i u me n e r g yp a r t i c l ei n c h i n a i nh i g he n e r g yp a r t i c l ea s p e c t ，t h i st h e s i sp r e s e n t sah i g he n e r g y p a r t i c l ed e t e c t o rw i t hi n n o v a t ed e s i g n t h ed e t e c t o rh a sm e a s u r ef u n c t i o n s o fd i r e c t i o n ，e n e r g yr a n g ea n dt o t a ld o s e i ta l s ou s es w e e p i n gm a g n e t t w on e wd e t e c t o rt h a ti sd e v e l o p i n ga tf i r s tt i m ei nc h i n al a t e l ya n d a i ma tm e a s u r i n gl e ts p e c t r u mo fp a r t i c l ea n dm e d i u me n e r g yp a r t i c l ea l s o a r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i sb r i e f l y i nt h ee n d ，t h et h e s i si n t r o d u c ean e wt e c h n o l o g y ，u s i n gt h es w e e p i n g m a g n e tt oe l i m i n a t et h ee f f e c to fe l e c t r o n s t h er e l i a b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h i st e c h n o l o g yh a v eb e e np r o v e db ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o n k e yw o r d s ：p a r t i c l e sd e t e c t e d d e t e c t o r s p a c ee n v i r o n m e n t 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 第一章绪论 1 1 空间粒子辐射 空间粒子辐射主要是指空问带电粒子( 电子，质子和重粒子) ，空间x 射线， 空间y 射线和空问中性粒子( 中子，中微子和宇宙线尘埃) 。其中空间带电粒子 的主要来源是辐射带，太阳能量粒子事件，银河宇宙线和异常宇宙线等。 空间粒子辐射的环境主要是指日地空间，由近地空间，太阳表面和行星际空 间组成。按其物理特性可以分为以下几个区域： 太阳大气：太阳表面发出强烈的电磁辐射，频谱极宽，有波长极长的无线电 波，微波，红外辐射，可见光，紫外辐射，x 射线和能量极高的y 射线。 行星际空间：太阳表面不断向外喷发由电子和离子( 主要是质子) 组成的等 离子体，既太阳风。在向外运动的过程中还携带了太阳表面的磁场，构成行星际 磁场。 地球磁层：太阳时高导电的流体，到达地球附近受到地磁场的排斥，形成包 围地球的空腔，既磁层。里面充满了各种温度的等离子体和各种能量的带电粒子， 捕获在磁层中的高能带电粒子构成辐射带。 地球电离层：电离层是指高层大气中被太阳x 射线和紫外辐射电离的部分， 分布在8 0 公里到数百公里之间。由于电离层对无线电波传播的影响而成为通讯 的重要环境因素。 地球中高层大气：地球大气按其热力学和动力学性质由下向上分为对流层， 平流层，中间层，热层和逃逸层。 1 2 空间粒子辐射的危害 空间粒子的辐射危害主要是由空间中的高能带电粒子和等离子体造成，高能 带电粒子主要来自银河系的银河宇宙线，太阳爆发是的太阳宇宙线，被地球磁场 捕获的辐射带粒子，以及磁扰动引起的磁层沉降粒子。等离子体存在于近地空间 中，除了磁层外的太阳风等离子体外，在磁层中还有电离层，等离子体层和等离 子体片等集中分布的等离子体区域。空间粒子辐射对卫星，航天器和人类的空间 活动和地面活动都有一定的危害。 1 2 1 粒子辐射对航天器的危害 1 ) 辐射损伤效应 由高能带电粒子引起，辐射损伤通过两种方式：一是电离作用，既入射粒子 的能量通过被照物质的原子的电离而被吸收，高能电子大都产生这种作用；二是 原子位移作用，即被高能粒子击中的原子的位置移动而脱离原来所处晶格中的位 置，造成晶格缺陷。高能质子和中粒子既能产生电离作用，又能产生位移作用。 2 ) 单粒子事件效应 中国科学院空问科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 由高能带电粒子引起。单粒子事件是指高能质子或重粒子使微电子器件状态 改变，致使航天器发生异常或故障的事件。它包括单粒子翻转事件和单粒子锁定 事件。 3 ) 航天器充电 由等离子体引起，高温等粒子体与航天器相互作用能引起卫星充电，当航天 器被充电到一定程度时，所产生的电磁辐射会干扰航天器上各种电器设备的正常 工作，甚至使航天器失效。空间等离子体导致的航天器充电可以分为两种形式： 一种是能量不能穿透航天器表面的等离子体( 数十千电子伏以下) 与航天器相互 作用而产生充电现象，称为表面充电：另一种是内部充电，它是能量高于几十千 电子伏的电子入射到航天器上，可以穿透航天表面，其穿透深度随入射电子能量 的增加而增加，在航天器表面下数十微米处聚集入射电子与表面同能量的粒子形 成的充电现象。 1 2 2 粒子辐射对空间活动的危害 1 ) 对地球通讯和导航系统的影响。 地球的通讯和导航系统主要是利用电离层，当太阳活动爆发时，常常伴有x 射线、紫外线辐射增强，高能粒子流暴涨和日冕物质抛射等。x 射线、紫外线约 8 分钟可以抵达地球，影响电离层和中高层大气的电离与热状态。高能粒子流， 如太阳质子事件，快的可在数小时内抵达地球，使地球数万公里高空的质子流量 突增千万倍，可引起地球极光、全球电离层扰动、电离层暴、地磁场突然扰动、 地磁暴与亚磁暴、2 0 到3 0 公里以上的中高层大气密度和温度突增以及高能电子 流量增强事件等，这样会严重影响地球的通讯和导航系统的准确性。 2 ) 对军事领域的影响。 空间粒子干扰电离层除了会对军事通讯，定位和导航产生很大的影响外，高 层大气是影响导弹和卫星运行的主要因素。导弹的命中精度，卫星轨道预测精度， 卫星陨落的时间和地点，都依赖于对实时的高层大气密度分布的准确了解。而高 层大气密度却受太阳发出的高能电磁辐射和进入大气的带电粒子的影响，变化幅 度可达数十倍。因此，对军事活动的影响巨大。 1 2 3 粒子辐射对地面活动的危害 1 ) 对飞机，轮船及人体的危害 由带电粒子引起的电离层扰动，会使轮船、飞机导航系统失灵。一次太阳爆 发相当于给地球人进行多次x 射线检查，对机组人员及乘客，特别对宇航人员危 害最大。因此，太阳剧烈活动期发出的强辐射，被认为是引起某些疫病的重要原 因之一。地球平均气温变化、臭氧含量变化以及人类健康和心血管疾病等与空间 天气变化的关系也日益受到科学家关注。 2 ) 对电力，油管等地面设施的危害 由于高通量高能带电粒子和磁层电离层扰动的影响，可以使地面变压器遭受 连锁打击而烧毁，电网瘫痪。寻呼机、对讲机无法使用，金融服务陷入混乱，信 用卡交易被迫中断等。 2 中国科学院空间科学与应用研究中心 中高能粒子探测器的设计与研制 1 3 空间粒子探测的意义 通过上面的描述我们可以看到：空间粒子辐射的危害性是很大的，所以实行 空间粒子探测是非常有必要的。而且现在天文物理学的观测很多时候都依靠于空 间粒子的观测。空间物理的发展也依赖于空间粒子探测技术的发展，大力发展空 间粒子探测有它的物理意义和应用意义。 1 3 1 物理意义 宇宙空间大量物理现象的物理本质都依靠于对粒子的探测。通过对粒子的探 测，研究各个物理想象的触发机制，加强对空间环境的了解。 对太阳高能粒子和银河宇宙线的探测，可以帮助我们了解太阳系和行星的演 化过程，宇宙的起源和生命的起源。通过对太阳高能粒子的研究，可以让我们了 解太阳耀斑，太阳黑子等太阳活动的周期及其物理机制。在应用中重点研究空间 高能带电粒子对太阳能电池的影响、高能电子对卫星充放电和电子器件的影响、 辐射剂量对空间材料的效应、单离子效应等。为航天应用提供效应评估模式，提 出防护对策。为提高航天技术系统抵御恶劣空间天气的能力，提供设计规范的科 学依据。 地球空间暴的形成和演化是地球空间天气过程的主要形式，是太阳风舷 激波与磁鞘区磁层顶边界层磁尾内磁层极区电离层热层 的链锁变化过程和多空间层次的耦合过程。地球空间暴的多空间层次和多时空尺 度的相互作用涉及许多等离子体物理的基本过程，如无碰撞场重联，无碰撞激波， 等离子体波、等离子体不稳定性和反常输运，带电粒子和等离子体增能与加热， 磁流体和等离子体湍流等。这些等离子体物理过程是宇宙和天体物理中的普遍现 象，但在地面实验室中却不能实现或不易研究。对这些粒子现象和物理过程的研 究，可以推动空间天气和行星空问环境比较研究的发展，同时带动其他相关学科 ( 如太阳物理、天体物理) ，特别是等离子体物理学的发展，具有重大的科学意 义： 1 ) 探索不同类型的磁层亚暴的触发机理和全球模型； 2 ) 揭示强磁暴环电流离子，特别是起源于电离层的氧离子的传输、加速与 注入过程与消失机理； 3 ) 研究磁暴与亚暴的关系及相关的动力学过程；建立磁暴与亚暴对行星际 扰动的响应和预报模型。 4 ) 研究亚暴时极区电子的沉降过程和离子的上行与加速过程； 5 ) 揭示相对性电子暴的形成和再分布过程； 6 ) 研究辐射带粒子的起源、注入和损失机制及辐射带动态结构； 7 ) 和应用部门合作，探讨高能带电粒子对航天器的相互作用与效应，建立 实用的相对论性电子暴和辐射器动态模型； 带电粒子加速是日地空间各个区域和许多空间天气现象中共同存在的又一 重要的物理过程。太阳活动通过高能带电粒子及各种等离子体波动影响空间环 境。带电粒子( 等离子体) 与各种波动在空间传播过程中相互作用，可产生丰富 多彩的空间物理现象。等离子体输运系数( 反常电阻率、扩散系数、粘滞系数等) 和各种辐射机制，往往与许多微观等离子体物理过程有关，涉及到等离子体不稳 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 定性和波一粒子之间的相互作用。对这些过程的深入认识，不仅有助于解释观测 到的空间天气现象，而且可为空间天气预报寻找指示性的标志。 1 3 2 应用意义 1 ) 航天器的保障。在空间活动中，卫星，航天器的安全是很重要的。在早期由 于对空间环境不了解，受空间粒子辐射，特别是高能粒子和单粒子事件的的 影响，常常引起卫星的损坏。在进行了空间粒子探测的研究后，人们就可以 了解卫星所在空间粒子环境。从而采取相应的防护手段，保证航天器的安全。 2 ) 经济和军事活动的保障。我们已经知道由空间粒子对军事卫星，导航系统， 地面上的电力，油管等经济设施的危害，通过加强对空间粒子的探测，我们 就可以最低限度的减少损失。 3 ) 空间天气和灾害的预报研究。空间环境和天气预报是人类认识空间，预防空 间灾害的主要手段，空间灾害性天气的前奏往往是空间粒子的剧烈变化，因 此空间天气预报的研究主要是靠空间粒子的探测。如太阳质子事件的预报， 地磁活动预报等。 4 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 第二章空间粒子探测的现状 2 1 空间粒子探测的领域和目标 空间粒子探测的历史经历了气球，火箭，卫星和飞船装载的探测几个阶段。 空间粒子辐射探测起始于四十年代末期用火箭探测宇宙线和太阳x 射线，此后气 球观测有了很大的发展。人造卫星出现后，空间粒子探测得到了前所未有的发展。 由于卫星有效载荷大，并能够飞往深空甚至飞离太阳系等优点。现在多用卫星搭 载仪器进行空间粒子探测的方法。在所有发射升空的卫星中，基本上都搭载了粒 子探测器。 现在的空间粒子探测已经得到了飞速的发展，各种粒子探测器测量得物理指 标越来越宽。可探测的粒子的种类包括质子，电子，中子，各种重粒子，中性原 子等等；可测量的能量范围从低能到中能再到高能，覆盖的能量范围从零点几个 e v 到g e v 量级；针对空间粒子的效应研究也是越来越广，所涉及的领域和物理 目标也越来越多。 1 ) 辐射粒子环境监测 空间粒子的辐射环境监测是空间粒子探测的最基本功能，了解空间粒子辐 射环境是了解地球磁层和地球空间的基本手段。 2 ) 空间环境预报 空间环境预报是航天器安全的重要保障。太阳耀斑粒子、地球辐射带和磁层 粒子、扰动时磁尾注入粒子以及行星际来得银河宇宙线都会对航天器造成很 大伤害，因此通过空间粒子的环境监测能够为灾害性事件提供早期的警报。 3 ) 空间物理机制研究 空间物理机制研究是我们探索和研究太空的重要途经，比如太阳活动及其对 地球的影响，磁层亚暴的发生机制，激波对粒子的加速机制等。空间粒子探 测为空间物理机制的研究提供了基础的实验数据。 4 ) 积累数据建立各种模型 在对空间粒子进行了大量测量后，人们建立了许多的物理模型，比如地球辐 射带的a e 8 ，a p 8 模型，这些模型都需要更多，更详实的空间粒子数据进行 修正，这些都需要对空间粒子的探测来完成。 5 ) 载人航天以及生命安全保障 随着科技的发展和载人航天事业的发展，各国都开始了各自的载人航天计 划，美国的重返月球计划，中国的神舟系列，都标志着人类向空间进军的 步伐，因此航天员的生命安全保障将是目前急需解决的问题。对人体损伤 主要就是由空间粒子造成，因此人体的生命安全保障与空间粒子探测是密 不可分的。 2 2 空间粒子的探测手段 现在对空间粒子的探测手段主要有以下几种： 1 ) 地面探测。在地面上对空间粒子的探测主要是利用大面积的塑料闪烁体探测 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 器，对空间中到达地球的高能x 射线，y 射线，高能宇宙线。 2 ) 气球探测。利用气球主要探测范围是中高层大气，受高度和载重的限制现在 在对粒子的探测中己用的不多。 3 ) 火箭探测。探空火箭的高空探测。在近地空间范围( 一般为3 0 2 0 0 公里) 进行地球周围环境探测、科学研究和技术试验的火箭，总称为探空火箭。通 过探空火箭上的有效载荷，可在地面垂直方向探测大气各层的结构、成分和 参数，探测和研究电离层、电磁场、宇宙线、太阳紫外线、x 射线、陨尘等 多种日一地物理现象 4 ) 航天器探测。它分为两种：专用卫星探测和应用卫星的搭载。 ( 一) 专用卫星探测是空间粒子探测的主要形式，以特定的研究对 行为目标，设计，研制专用的探测仪器，根据探测的需要选 择卫星轨道，姿态，能源供应方式以及数据传输体制等卫星 总体参数，可以得到研究对象较为完整的信息。但是专用卫 星的研制周期长，研制费用高，探测次数上受到较大的限制。 ( 二) 在应用卫星上进行搭载的粒子探测。除了发射专用卫星探测 之外，利用应用卫星进行搭载则是一条十分重要的途径。空 间粒子探测器仪器体积小，重量轻，功耗少，因此易于再应 用卫星上实现搭载。由于应用卫星因各自的不同任务将在不 同轨道上运行，因此，可以在最适合的轨道上选择最合适的 项目进行探测。可以发挥应用卫星“一星多用”的功能，主 要是能大大节省经费。 2 3 空间粒子探测的现状 2 3 1 以物理机制为目的的探测计划 2 3 1 1 空间天气计划 ”空间天气计划”是一个国际问题，最早于2 0 世纪9 0 年代中期由美国提出。 目前，国际上有许多国家均己实施了该计划。由于全球3 0 4 0 的卫星所发生的 故障原因是空间环境的变化引起的，因此，它的主要任务是对地球空间环境进行 深入的基础性研究，以便为用户提供现报和预报的模型，从而减少卫星故障率。 美国提出这项计划后，一些欧洲国家相继加入该计划的研究。亚洲一些国家，包 括我国和日本在内，也随即启动了”空间天气计划”。我国政府十分重视这项科学 计划的实施，并得到了国家计委的大力支持，已于去年列入”十五”计划。 在这个由太阳大气、行星际、地球磁层、电离层和中高层大气所组成的日地 空间环境中，常常出现给地面、空间技术系统的运行、可靠性以及人类健康和生 命带来严重危害的条件或状态，人们把这种由太阳活动引起的高度动态的短时间 尺度的条件变化，称之为空间天气。 空间天气研究涉及从太阳活动驱动源的巨大能量和物质的突然释放，通过日 冕、行星际空间的传输，在地球空间系统中的耗散、传输和转换，引起地球空间 环境的灾变，最终影响人类的活动。它是一个涉及太阳物理学、行星际物理学、 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 磁层物理学、电离层物理学、中高层大气物理学、地球物理学、等离子体物理学、 非线性科学，以及和信息科学、材料科学、生命科学和计算机科学等多学科、大 跨度交叉的重大前沿科学领域；它跨越由物理性质不同的五个空间区域组成的日 地祸合系统，是地面无法模拟的特殊实验室( 高温、高电导率、高超音速、高真 空、从极低到极高的等离子体b 参数等) ；多种间断面、多种非线性和激变过程、 微观和宏观的交织，等等。 空间天气研究要求把不同空间区域中的过程作为一个有机链进行首尾相联 的整体性研究，它成为全世界众多基础科学领域共同面临挑战的重大前沿难题之 一。无论从已实施的国际日地物理计划( i s t p ) 、日地能量计划( s t e p ) 还是将 要实施的“与星同在”( l i v i n gw i t has t a r ) 、“日地系统空间气候与天气计 划”( c 1 i m a t ea n dw e a t h e ro ft h es u n e a r t hs y s t e m ) 等，空间天气研究都是 它们组织多学科交叉、协同攻关，去夺取重大原创性新成就的重大科学前沿领域。 2 3 1 2s e e 空间环境及其效应计划( s p a c ee n v i r o n m e n ta n de f f e c t sp r o g r a m ) 1 9 9 4 年9 月由美国航字局( n a s a ) 提出。目的是要收集、发展和传播空间环 境数据和技术，用于设计、制造可靠且费效比较高的航天器，并减轻这些空间环 境效应的影响。s e e 计划由n a s a 的马歇尔航天中心负责，共分6 个工作组：这6 个工作组基本上包括了空间环境的各个方面： 1 ) 电磁效应工作组研究航天器的电磁兼容性问题，这既考虑航天器内各个 电子设备相互干扰的问题，也考虑空间电磁环境的影响； 2 ) 电离辐射工作组研究来自太空电离辐射产生的粒子对航天器电子设备及 器件的影响，辐射源主要有3 类，即捕获辐射带( 范艾伦带) 粒子、宇宙 射线和太阳耀斑粒子； 3 ) 材料及工艺工作组研究用于航天器的各种材料，从金属材料到复合材料、 粘结剂及润滑剂，还有太阳电池等，包括各种空间环境对它们的效应、 准确的实验室模拟及建立计算机模型和开发新的更耐用的材料等： 4 ) 微流星及空间碎片工作组研究这些物质对航天器( 包括燃料舱、居住舱、 太阳电池和电缆等) 可能造成的损害，以及如何防护； 5 ) 中性外污染工作组研究航天器整个寿命期经受的污染和控制方法； 6 ) 等离子体及热层工作组的研究工作分三方面，即太阳活动性对空间环境 造成的影响，等离子体环境以及航天器表面充放电效应，中性热层( 主 要是原子氧环境) ； 2 3 1 3g e m 地球空间环境建模计划( g e o s p a c ee n v i r o n m e n tm o d e l i n g ) 地球空间环境建模计划( g e m ) 研究范围很广，它研究地球磁层，磁层和大 气和太阳风藕和的物理计划。g e m 计划的主要目标是研究地球空间的结构和动力 学属性，最主要的就是建立地球空间大气环流模型( g g c m ) 。 共分几个阶段。无论是理论还是观测模型，都将重点放在地球空间环境的 外观上。从1 9 9 1 年到1 9 9 6 年，第一步主要集中在磁层极尖和边界层。第二步从 1 9 9 4 年开始集中在磁尾和磁层爆。现在第三部分集中在磁场内部。 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 g e m 计划的长期目标是发展一个或者多个大气环流模型( g c m s ) ，它能描 述磁层的全球动力学过程，并能描述磁层和太阳风，电离层是怎样相互作用的。 这个计划的成功与否最终决定于对全球大气环流模型的研究，因为它被用于整个 空间物理精确模仿磁层对流，磁层暴和亚暴。g e m 计划的目标不仅是磁层顶和电 离层，还包括弓激波，磁鞘和各边界层。 2 3 1 4s t p 太阳陆地探针计划( s o l a rt e r r e s t r i a lp r o b e sp r o g r a m ) s t p 计划的科学目标和太阳地球连接计划紧密相连，主要有： 1 ) 述磁变星，太阳以及它们和整个太阳系相互作用的系统行为。 2 ) 研究太阳地球和行星际介质的临界物理。 3 ) 研究太阳和地球间的电子一等离子体环境的动力学过程。 该计划已经发射了七颗卫星： 1 ) t i m e d 卫星。测量地球磁层和低热层的能量储存。利用它作为地球的太 阳能量储存变化的基线。 2 ) s o l a r b 卫星。测量太阳磁层和紫外线和x 射线辐射。利用所得数据增 加对太阳一地球系统变化的了解。 3 ) s t e r e o 卫星。三维测量从太阳和日光层喷射的日冕质量。利用所得数据 增加对地方向的日冕物质喷射的空间天气预报的准确性。 4 ) t r i a n a 卫星。增加了对太阳风和磁层特性的了解，对易受太阳活动影响 的卫星提供了早期的预报。 5 ) m m s 卫星。测量地球磁层和等离子体层，利用所得数据建立了等离子体 传输，磁层扰动的理论描述。 6 ) g e c 卫星。测量磁层和电离层边界的中性和等离子体成分，利用所得数 据得到在边界上电磁能量事件和空间的变化。 7 ) m c 卫星。对地球等离子体变化区域进行三维测量，利用所得数据确定地 球热等离子体产生等粒子体爆的原因和机制。 2 3 1 5s e e 太阳地球连接计划( s u n e a r t hc o n n e c t i o n sp r o g r a m ) s e c 由n a s a 提出，它是一个长期的科学目标计划，时间为2 0 0 0 2 0 4 0 年。 从太阳内部的动力学过程；到等离子体的相互作用：光球和太阳大气的辐射；曰 冕的结构和加热；太阳风的加速，结构，和演化；再到日光层和行星际介质的相 互作用；太阳，行星，和太阳系的演化过程。其中的每一部分都能帮助我们理解 太阳怎样影响地球空间。 2 3 1 6i s t p 国际日地物理计划( i n t e r n a t i o n a ls o l a r t e r r e s t r i a lp h y s i c s 国际日地物理计划是由多个飞行器，多个国际计划组成的。它的目标就是对 复杂的地球等离子体环境作更深入的测量。主要的卫星有同本的g e o t a i l 卫星， 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 n a s a 的w i n d 和p o l a r 卫星。还包括了一些同步轨道卫星：n o a a 的g o e s 系列和 能源部( d o e ) 的l a n l 卫星。i m p 8 作为补充观测。除了发射的卫星外，n a s a 还在 s o h o 和c l u s t e r 卫星与欧空局合作，俄罗斯的i n t e r b a l l 卫星。e q u a t o r s 卫星 运行了六个月。s a m p e x 和f a s t 卫星和c l u s t e r 现在提供数据。再加上即将发射 的双星，所有这些发射卫星的任务将研究在地球和太阳之间的质量，动量和能量 的产生，流动和消失。 我们可以看出i s t p 是一个探测日地空间的大型计划，它包括的卫星有 g e o t a i l 卫星，w i n d 卫星，i n t e r b a l l 卫星，p o l a r 卫星，e q u a t o r - - s 卫星，s o h o 卫星，c l u s t e r 卫星，双星等。 图2 1 ：i s t p 计划各卫星轨道示意图 g e o t a i l 卫星 1 9 9 2 年7 月2 4 日发射。它的使命是测量全球的能量流动和磁尾的变化，从而增 加对磁层基本原理的理解。它包括磁层顶物理，等粒子片，和中性线重联，例如 对磁尾的能量的输入，输运，贮存，释放和转化机制。 w i n d 卫星 w i n d 在1 9 9 4 年1 1 月1 日发射，它的主要科学目标包括： 1 研究了等离子体，高能粒子，和磁场输入磁层和电离层。 2 研究了在近地太阳风中基本的等离子体发生过程。 3 提供了黄道平面的基线观测。 4 测定了磁场输出到行星际空间 i n t e r b a l l 卫星 磁尾卫星发射于1 9 9 5 年8 月3 日，极光卫星发射于1 9 9 6 年8 月2 9 日。 i n t e r b a l l 计划由四颗卫星组成。主要目标是研究太阳风能量注入磁层并储存在 那里，随后在磁层亚爆中，消失在磁层电离层的尾部的物理机制。重点是动力学 过程，如磁层亚爆。 i n t e r b a l l 计划由两个主要的卫星，磁尾( t a i l ) 卫星和极光( a u r o r a l ) 卫 星，每一个都带一个子卫星。携带相同的p r o m i c s 一3 仪器，这样能够直接比较粒 子的分布，磁尾卫星轨道在磁层的尾部，而极光卫星的轨道在两极极光之上。 中国科学院窄间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 p o e a r 卫星 p o l a r 卫星在1 9 9 6 年2 月2 4 日发射，它属于n a s a 的全球空间科学计划。它是 这个计划的第二颗卫星。p o l a r 是一颗大气研究卫星。 p o l a r 的一个目的是收集一些能帮助科学家保护未来的卫星的来自于辐射带和 其它大气的信息。因为卫星在大气顶上飞行，卫星的仪器可能会被太阳辐射或其 它破坏影响。 p o l a r 将能提供一个全面的在不同能量，质量鉴别，和角分辨的情况下磁场的等 离子体磁化图。同时记录测量在大气中的能量测量。太阳风环境的变化会引起在 磁尾中很大范围的扰动，和极光高度的等离子体和电流的变化。这些大范围的影 响，都会被地球磁场感应，从而引起在南极和北极极光区域的粒子沉降和逃逸。 p o l a r 能记录这些影响和伴随这些影响发出的x 一射线，质子，紫外线，和可见光。 p o l a r 的位置也能够记录离开大气层和随后在太阳风中出现的离子，或者太阳风 原始沉降到极光高度的电子。 e q u a t o r - - s 卫星 发射时间：1 9 9 7 年1 2 月2 日；轨道高度：5 0 0 x6 7 3 0 0k m 。 德国i s t p 的任务是研究低纬度磁顶层光面，和它的边界层，赤道环电流区域， 近赤道等粒子片。e q u a t o r - - s 的目标是提供几个特定区域的高分辨率等离子体， 磁场和电场的测量，这几个区域补充了i s t p 未覆盖的区域。低纬度磁顶层光面， 和它的边界层，赤道环电流区域，近赤道等粒子片。这些区域在研究太阳一地球 联系和详细的等离子体物理过程中其很重要的角色。 c l u s t e r 卫星 共由四颗卫星组成，飞别发射与2 0 0 0 年7 月1 5 日和8 月9 日。c l u s t e r 的四颗 卫星在空间形成空间四面体，是第一个能对磁层进行三维测量的卫星。它们能够 研究地球磁场和太阳风的相互作用，尤其在极尖区域( 太阳风粒子穿过的区域) 。 另外一个感兴趣的现象是在磁层亚爆中磁尾的等离子体的加速。 双星 上述i s t p 的卫星虽然覆盖了日地空间的大部分区域，但也有局限性。我国提出 了双星计划。双星计划包括的两颗小卫星运行于i s t p 卫星不能覆盖的两个磁层 重要活动区，1 个是近地赤道活动区( 2r e l or e ) ，另1 个是近地极区活动区。 这两个区域正是磁层空间暴的发生区。这两颗小卫星相互配合，构成具有独立系 统的、有显著特色的双星探测计划。双星计划将目标聚焦于磁层中当前国际上最 具有挑战性的重大学问题磁层亚暴、磁暴和层粒子暴的触发机制和物理模主 上。再加上双星与欧空局c l u s t e r 的四颗卫星的配合，形成了地空间的六点探测 星座，它将成2 1 世纪初国际上最先进的地球间探测计划，可研究一些过去法解 决的关键科学问题。 2 3 2 以空问环境监测为主的系列卫星 2 3 2 1g o e s 卫星 1 9 6 6 年美国在原主要用于通信试验的”应用技术卫星”( a t s ) 上装载了云图 相机，每半小时拍摄1 次。a t s 卫星运行在地球静止轨道，其成功促使美国发展 专门用于气象业务的地球同步轨道卫星g o e s 。 1 0 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 g o e s ( g e o s t a t i o n a r yo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t a ls a t e l i t e s ) 是美国n o a a 的静止轨道业务卫星系列，采用双星运行体制。g o e s e a s t 在西经7 5 度， g o e s - w e s t 在西经1 3 5 度。g o e s e a s t 观测南北美洲，大西洋地区，g o e s w e s t 观测北美太平洋，西到夏威夷地区。首颗g o e s 卫星于1 9 7 5 年l o 月1 6 日发射。 卫星仅重2 9 4 k g ，采用自旋稳定。截至2 0 0 1 年7 月，该系列卫星已经发射了1 2 颗，其中后5 颗g o e s 为第3 代地球静止环境业务卫星，重量增加到21 0 5 k g ， 采用三轴稳定。 g o e s 卫星设计为双星运行，分别定位于1 3 5 。w 和7 5 。w 赤道上空，覆盖 范围为2 0 。w 1 6 5 。w ，约占全球1 3 面积。每天2 4 小时连续对西半球上空 进行气象观测。卫星还能收集和转发数据收集平台的气象观测数据。 第1 代业务静止气象卫星( g o e s - - 1 3 ) 装载了可见光红外扫描辐射计 ( v i s s r ) 。第2 代业务静止气象卫星( g o e s 一4 7 ) 除装有v i s s r 外，又增加了 大气探测器( v a s ) ，从而能进行垂直温度和湿度探测。这2 代卫星都是自旋稳定 卫星，1 9 9 4 年4 月1 3 日首颗第3 代业务静止气象卫星g o e s - - 8 发射成功，它采 用三轴稳定，除成像仪外，星上还装载了独立的大气探测器。 发射时间： ( 第一代) g o e s 11 9 7 5 1 0 1 6 g o e s 21 9 7 7 6 1 6 g o e s 一31 9 7 8 6 1 6 ( 篼二代) g o e s 41 9 8 0 9 9 g o e s 51 9 8 1 5 2 2 g o e s 61 9 8 4 7 3 0 g o e s 71 9 8 7 2 2 6( 第三代1 g o e s 8 ( 0 1 9 9 4 0 4 1 3g o e s e a s t 运行正常 g o e s 9 0 ) 1 9 9 5 0 5 2 3 g o e s - w e s t 机械故障( 1 9 9 8 0 7 ) g o e s 1 0 f k l 1 9 9 7 0 4 2 5g o e s - w e s t 运行正常 g o e s 1 1 ( l 12 0 0 0 0 5 0 3 在轨备份 g o e s 1 2 ( m ) 2 0 0 1 0 7 2 3 g o e s e a s t 运行正常 g o e s 卫星采用双星机制，轨道为地球赤道上空同步轨道，观测地球面积的 6 0 。它测量地球大气，表层，云层，太阳和同步空间环境。其主要目标和任务： 1 ) 环境和风暴警告系统保护生命和财产 2 ) 监测地球表面和空间环境条件 3 ) 提供大气和海洋的观测数据和资料 2 3 2 2n o a a 卫星 n o a a 卫星是太阳同步轨道业务卫星系列，亦采用双星运行体制，其中1 颗 星的降交点地方时为上午，另l 颗星为下午。如采用l 颗星，其地面重复观测周 期为1 天；采用双星制后，可缩短至0 5 天( 1 2 h ) ；它们与g o e s 配合则构成完整 的气象监测卫星系统。 美国自1 9 7 0 年1 2 月发射第1 颗n o a a 一1 开始已跨越3 0 多年，卫星发展也已 中国科学院空问科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设计与研制 经历3 代，至今发射了1 6 颗，最近1 颗n o m 一1 6 于2 0 0 0 年9 月2 1 日发射，目 前在轨卫星有3 颗。n o a a 将在今后1 2 年中发射5 颗新一代极轨气象卫星 在正常的情沉下，这一系列的卫星其平均飞行高度约8 2 0 公里绕地球一周需 是约1 0 1 分钟，每天通过某一地点附近上空两次。 科学目标： 1 ) 卜7 天的天气预报，预报参数包括气温、湿度、降水、风速和风向等 2 ) 云盖、臭氧、沙尘暴和化学尘埃的临近预报 3 ) 土壤植被、湿度、冰雪覆盖、火情和水情等监测 2 3 3 国内，国际粒子探测的现状 1 ) 粒子探测的轨道位置。现在用于粒子探测的卫星的位置基本上都在日地空间， 特别是地球磁层，地球辐射带地区，这是目前国内国际都重点探测的区域。 2 ) 探测卫星的姿态。用于探测的卫星姿态早期多是自旋稳定性，在后期由于三 轴稳定性卫星的成像时间缩短，图像信噪比、灵敏度和精度提高，探测时间灵 活可控等优点。所以现在三轴稳定已经是卫星姿态的主流。 3 ) 利用粒子探测研究空间的物理机制和建立各种物理模型。通过粒子探侧研究 空间物理现象的物理机制，建立各种物理模型。如太阳风和磁层相互作用中的 各种物理机制，磁场的模式等。 4 ) 我国将继续加强探测外层空间单粒子效应及其防护对策的研究。并还将开展地 球空间等离子体环境变化对太阳活动，行星际扰动，磁层顶边界动力学过程及 磁层亚爆和磁爆响应全球过程的探测研究，并建立相关变化模型。 2 3 4 空间粒子探测的趋势 1 ) 从普查到精细测量。 现在更准确的物理分析和空间物理机制的研究依靠于对各个物理量的精细测 量。比如对能谱和同位素的测量现在已经越来越精细了。 2 ) 单点观测到多点观测。 用单一卫星测量时，无法区分变化是由于探测对象的时间变化造成的，还是 由于空间分布不均匀造成的，即存在时间和空间的不可分辨性。用两颗卫星 同时测量时，可获得沿卫星连线方向物理量的空间变化，但这只是一维变化； 若使用3 颗卫星同时观测，也只能获得二维变化：只有用由4 颗构成四面体 的卫星同时测量，才能进行三维物理测量。 3 ) 从近地到深空，从近地到近太阳。 从早期的低轨道探测到电离层，磁层探测，再到太阳大气探测，甚至延伸到 行星际，深空探测，我们可以看出，人类粒子探测的范围是逐渐向外延伸， 从近地到太阳，再到整个宇宙空间。 4 ) 探测仪器从简单到复杂，从普通型到智能型。 粒子探测仪器的设计往往为了达到更多的目的而设计的比较复杂。一台仪器， 不仅可作不同能量段的能谱测量，还可以进行元素的鉴别。 5 ) 发展专用卫星探测。 利用专用卫星进行粒子探测，可以搭载更多的探测仪器，实现更多的物理目 标。轨道高度和卫星姿态都完全由粒子探测目的来控制。比在卫星上搭载仪 中国科学院空间科学与应用研究中心中高能粒子探测器的设汁与研制 器的方法更加灵活，有效。 2 4 发展和展望 从空间粒子探测的环境和轨道高度我们可以看出：从近地空间到日地空间再 到太阳，人类发射的粒子探测器，已经覆盖了很多区域。从地球磁场，极光，磁 亚暴，再到太阳风，太阳活动，基本所有的物理活动都有了相应的粒子探测器进 行监测。对粒子的能谱，元素种类，同位素测量都有了一定的测量。但是我们还 要继续进行大量的粒子探测工作，因为： 1 ) 尽管我们对空间环境已经作了大量的研究，但很多研究只处在定性测量， 或是普查型测量的基础上，而对于空间环境定量测量，精细型测量等工 作还需要进一步加强。例如能谱的精细测量，元素同位素丰度的精细测 量等。 2 1 空间环境中的物理机制研究需要我们更多的粒子探测。很多空间环境中 的物理机制，比如异常高能宇宙线的起源，太阳风能