空間電場特性及探測技術(shù)研究

馬勉軍，雷軍剛，李 誠，宗 朝，李世勛，劉 澤，崔 陽

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

空間電場特性及探測技術(shù)研究

馬勉軍，雷軍剛，李 誠，宗 朝，李世勛，劉 澤，崔 陽

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

空間電場是研究空間物理、空間天氣學(xué)和空間環(huán)境的重要參量。論述了電離層空間準(zhǔn)直流電場和交流電場的本質(zhì)來源、表現(xiàn)形式及其頻率和幅值等特性；指出了雙探針式空間電場探測技術(shù)是目前主要采用的方法，而電子漂移式可作為對雙探針式的驗(yàn)證與補(bǔ)充；在此基礎(chǔ)上，闡述了雙探針式和電子漂移式空間電場探測原理、數(shù)理模型以及物理本質(zhì)。

空間電場；探測技術(shù)；雙探針；電子漂移；數(shù)理模型

0 引言

空間電場是研究空間物理、空間天氣學(xué)和空間環(huán)境的重要參量。該參量的特性及變化涉及到太陽活動與太陽風(fēng)運(yùn)動、行星際磁場、地球磁場及其與太陽風(fēng)相互作用、大氣層雷暴活動、地震與火山活動、人造電磁發(fā)射、大氣成分改變及大氣環(huán)境污染等。研究與監(jiān)測空間電場狀態(tài)，不僅能為地震監(jiān)測、電波傳播、雷暴監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和背景，提高對重大自然災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警與評估能力，而且為日地物理研究、空間天氣研究、氣象預(yù)報等領(lǐng)域提供觀測數(shù)據(jù)，并為航天活動提供空間電磁環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)；同時對空間電磁安全也有重要意義。

國外已經(jīng)發(fā)射應(yīng)用的空間電磁探測衛(wèi)星平臺有EXPLORER-45、GEOS、ISSE、CRRES、DE-A、FREJA、POLAR、PAST、DEMETER、CLUSTER、THE?MIS、RBSP等[1-11]。這些衛(wèi)星平臺及其載荷主要用于空間電場、磁場、等離子體環(huán)境、太陽風(fēng)、高能粒子等空間環(huán)境的探測，以獲得翔實(shí)豐富的從電離層直至磁氣圈頂層的空間環(huán)境及其變化數(shù)據(jù)。近年來，在地面和空間探測到了與地球地震活動相關(guān)聯(lián)的自然界電磁發(fā)射異常信號，這些信號頻率范圍從ULF延伸至HF，甚至更高[12]。國外已經(jīng)發(fā)射的、以觀測與地震發(fā)生過程相關(guān)聯(lián)的空間電磁（場）變化為主要目的的衛(wèi)星有：Quake-Sat（美國）、Predvest?nik-E（俄羅斯）、Compass-Ⅱ（俄羅斯）和DEMETER（法國）等?？臻g探測實(shí)踐表明，持續(xù)的多載荷多目標(biāo)綜合觀測有助于獲得具有統(tǒng)計意義的實(shí)用結(jié)果，而空間電場探測儀則是地震信息空間探測和獲取的主要載荷之一。中國地震局作為牽頭單位和用戶的空間電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）正在研制中，其中空間電場探測儀為主要載荷之一。隨著空間環(huán)境科學(xué)與探測技術(shù)發(fā)展，還將陸續(xù)發(fā)射空間電磁環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星。

1 電離層空間電場來源與特性分析

1.1 準(zhǔn)-直流電場

電離層的準(zhǔn)-直流空間電場（DC to ULF）來源與表現(xiàn)主要有四類：（1）全球大氣電流回路和雷暴[13]（大氣層）；（2）中高層大氣潮汐以及低層大氣中激發(fā)的重力波與電離層耦合，形成Sq（Solar Quiet Vari?ation）電流系統(tǒng)（電離層）；（3）太陽風(fēng)與磁層交互作用、磁尾不穩(wěn)定性所形成的高緯度電離層等離子體對流（磁層）；（4）地震、火山爆發(fā)等引發(fā)的異常電場效應(yīng)和聲重力波（地球巖石圈）。可通過巖石圈、大氣層和電離層耦合作用與傳遞，形成電離層異常直流電場以及其他電離層參數(shù)擾動。

實(shí)際探測和理論研究表明，在劇烈活動的雷暴云團(tuán)中，大氣電場可高達(dá)10～15 kV/m；相應(yīng)的由此類大氣電場所導(dǎo)致的云團(tuán)之上電離層底層電場為幾mV/m～10 mV/m。

太陽靜日變化Sq電流系包括南北半球中低緯區(qū)域順（逆）時針流動的電流渦，以及赤道上空電流密度很大的東向電集流。低層大氣中激發(fā)的重力波也可誘發(fā)電離層E層和F層擾動。研究表明，在F2電離層內(nèi)，大尺度Sq電流系空間電場可達(dá)2～3 mV/m；中等尺度范圍的大氣重力波可能會產(chǎn)生約10 mV/m的空間電場。

對于地球磁層空間而言，等離子體空間分布不對稱性、離子流在磁場中運(yùn)動是其電場存在的基本來源；而磁暴與亞磁暴及太陽風(fēng)等離子體注入是其電場的主要擾動源。

太陽風(fēng)、磁層與高緯電離層及熱層相互作用主要表現(xiàn)為電動力學(xué)耦合。太陽發(fā)出的太陽風(fēng)可認(rèn)為是無碰撞的，并急劇往外膨脹；從極蓋區(qū)發(fā)出的磁力線是開放的，并與行星際磁場（IMF，Interplane?tary Magnetic Field）相連接;太陽風(fēng)內(nèi)的電場通過ESW=VSWBSW關(guān)系與太陽風(fēng)速度和磁場相關(guān)聯(lián)。在IMF南向的時候，行星際磁場的方向與地球向陽側(cè)磁力線的方向相反時，電場具有晨昏方向上的分量；而橫跨開放磁力線的電勢將加載到磁層，并沿高導(dǎo)電率的磁力線映射（Map）至極蓋（Polar Cap）及極光區(qū)（Auroral Zone）電離層，從而在極區(qū)包括極蓋和極光區(qū)，電離層可產(chǎn)生晨昏方向的電場[14]。圖1為北半球高緯度電離層等離子體對流圖象以及高緯度晨昏電場與電勢分布。圖中帶箭頭的實(shí)線代表等離子體的對流線，內(nèi)部的圓圈或弧代表開放磁力線與閉合磁力線的分界。研究表明，該類晨昏方向電場強(qiáng)度可達(dá)到200 mV/m。

圖1 高緯度電離層等離子體對流及晨昏電場與電勢分布圖Fig.1 The ionospheric plasma convection image and dawn to dusk electric field and potential distribution at high latitude

近年來，地震電離層異常效應(yīng)研究已成為地震科學(xué)領(lǐng)域和電離層科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[15]。到目前為止，對地震電離層異常效應(yīng)機(jī)理的解釋主要集中在兩方面：一方面為聲重力波引起電離層參數(shù)擾動；另一方面為異常電場效應(yīng)。由地表巖石破裂引起的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，在電離層處形成異常的直流電場，繼而擾動其他電離層參數(shù)。目前的觀測和分析結(jié)果表明，地震電離層效應(yīng)十分復(fù)雜，聲重力波和地表異常電場都可對電離層電場等產(chǎn)生干擾，如圖2所示巖石圈、大氣層及電離層耦合（LAI Coupling）。觀測表明，強(qiáng)震前地震孕育區(qū)地表垂直電場異常增加，可以達(dá)到1000 V/m。Kim等[16]模擬計算發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的地表電場傳輸?shù)诫婋x層高度，可造成～1 mV/m的異常電場。這與大量的震前衛(wèi)星觀測資料分析結(jié)果相符。

地震引起電離層異常電場機(jī)制，可分為地表巖石破裂壓電效應(yīng)理論、熱電效應(yīng)理論和化學(xué)氣體釋放。依據(jù)Sorokin等[17]給出的地震電離層電動力學(xué)機(jī)制，認(rèn)為震前地殼巖石破碎，將排放氡氣等放射性氣體，增強(qiáng)低層大氣的輻射電離效應(yīng)，在大氣層低層形成附加電流。附加電流將顯著增大大氣層-電離層之間傳導(dǎo)性電流，最終對電離層直流電場產(chǎn)生擾動。研究表明，該類附加電流引起的電離層異常電場可達(dá)到～1 mV/m。

圖2 巖石圈、大氣層及電離層耦合-地震電離層異常效應(yīng)Fig.2 The seismic ionospheric anomaly effect resulting from the lithosphere，the atmosphere and the ionosphere coupling

1.2 交流電場

1.2.1 電磁波

（1）自然電磁波

由大氣層閃電激發(fā)的電磁波主要有等離子體哨聲波（Whistlers）和舒曼諧振波（Schumann reso?nances）。等離子體哨聲波的頻率為ELF-HF波段，其功率譜密度從μV/mHz1/2量級到十幾個mV/mHz1/2量級。舒曼諧振頻率為ELF波段（7.8 Hz、14 Hz、20 Hz等），其功率譜密度為μV/mHz1/2量級。

由波粒相互作用即等離子體波動與粒子回旋共振而激發(fā)的電磁波主要有等離子體嘶聲和極光嘶聲（Hiss）、合聲（Chorus）以及地球極區(qū)千米波長輻射（Auroral Kilometric Radiation，AKR）。

嘶聲波是一種頻率約為1～10 kHz的右旋偏振無規(guī)則非相干的電磁波動，主要分布在向陽側(cè)的等離子體層內(nèi)或者等離子體羽中。合聲是一種頻率在赤道電子回旋頻率（Ωe）的0.2～0.8倍之間的強(qiáng)烈哨聲模波動，由亞暴期間等離子體片電子向內(nèi)磁層注入引起，在等離子體層外層直到內(nèi)磁層之間都存在。極區(qū)千米波段輻射是強(qiáng)度大，波段窄的地球射電輻射，典型波段為50～800 kHz，強(qiáng)度峰值大約在250 kHz。

研究表明，等離子體層嘶聲和合聲的頻率一般為ELF-VLF波段，其功率譜密度為0.3～100 μV/ mHz1/2；地球極區(qū)千米波段輻射在MF-HF波段的功率譜密度為1～100 μV/mHz1/2。

（2）人工電磁波

由人類50～60 Hz電網(wǎng)輻射的沿磁場方向電磁波的頻率為ELF-VLF，其功率譜密度從μV/mHz1/2量級到十幾個μV/mHz1/2量級。

由人工發(fā)射機(jī)輻射的電磁波頻率一般為VLF 10～30 kHz波段、MF波段主要為無線電廣播及HF波段，功率譜密度從幾個μV/mHz1/2量級到mV/mHz1/2量級。

1.2.2 靜電波

靜電波是指其電場方向與波矢方向平行的波，其對等離子體只有電場的擾動，沒有磁場的擾動。

磁層中等離子體及電流系不穩(wěn)定性將激發(fā)靜電波或準(zhǔn)靜電波的產(chǎn)生，如由于等離子體密度梯度及流體漂移速度存在所引起的靜電漂移波、與磁層場向電流相關(guān)聯(lián)的低混雜離子回旋靜電波（Lower Hybrid Resonance，LHR）[18]；由雙流不穩(wěn)定性所引發(fā)的孤立靜電波、高混雜靜電波、朗繆爾波等。

此外，磁層中還存在等離子體及電流系不穩(wěn)定性湍流通過能量串級過程所激發(fā)靜電波[19]。

2 空間電場探測技術(shù)

雙探針式和電子漂移式這兩種空間電場探測技術(shù)目前均已在衛(wèi)星平臺成功應(yīng)用。雙探針式電場探測技術(shù)成熟、簡單可靠，適用范圍較寬，可應(yīng)用于電離層直至磁氣圈頂層，測量頻率范圍從DC直到幾MHz。電子漂移式電場探測技術(shù)主要應(yīng)用于等離子體密度特別稀薄、電場特別小、磁場強(qiáng)度在30 nT以上的等離子體環(huán)境，測量頻率范圍一般小于10 Hz。雙探針式是空間電場探測的主要方法，而電子漂移式是作為對雙探針式的驗(yàn)證及補(bǔ)充。

在實(shí)際測量中，為使測量的范圍更寬、精度更高，常常在衛(wèi)星上同時攜帶這兩種探測儀器，如1992年發(fā)射的GEOTAIL衛(wèi)星，2000年發(fā)射的CLUSTER-2衛(wèi)星等均同時搭載了這兩種儀器進(jìn)行探測。2015年美國發(fā)射的用于研究太空磁重聯(lián)的MMS-SMART衛(wèi)星也同時攜帶了這兩種探測儀器對空間等離子體環(huán)境電磁場進(jìn)行大尺度的探測[20-21]。

雙探針式電場探測技術(shù)，根據(jù)探測方式可分為被動式和主動式兩種。被動式僅適合測量高密度和中等密度等離子體環(huán)境，而主動式通過對探針主動施加偏置電流，從而降低探針在等離子體環(huán)境中的動態(tài)阻抗，因而適用范圍寬、精度更高，可用于較低密度等離子體環(huán)境。

由于雙探針式電場探測技術(shù)對探針的對稱性和一致性要求高，因此空間電場探測儀最常用的是形狀規(guī)則的球形或圓柱形探針。

2.1 雙探針式空間電場探測技術(shù)

衛(wèi)星平臺雙探針式空間電場探測原理如圖3所示，探針安裝在衛(wèi)星本體伸展出的懸臂末端；浸沒在空間等離子環(huán)境中的探針將耦合獲得一定的相對于其周圍等離子體環(huán)境電勢；通過測量一對探針之間的相對電勢之差，再除以探針之間距離即可獲得沿探針連線方向的“當(dāng)?shù)亍彪妶鲂盘?。此外，為減小探針等離子體鞘層阻抗，提高等離子環(huán)境適應(yīng)性和測量精度，可通過內(nèi)置恒流源電路主動向雙探針施加偏置電流。

圖3 衛(wèi)星平臺雙探針式空間電場探測原理示意Fig.3 The operational principle of double probe type spaceelectric field detector aboard satellite platform

設(shè)雙探針?biāo)幹車入x子體環(huán)境電勢分別為Vp1和Vp2，探針在等離子體環(huán)境中耦合電勢分別為Vs1和Vs1，探針相對于其周圍等離子體環(huán)境電勢分別為V1和V2，則雙探針?biāo)幍入x子體環(huán)境電勢之差可表示為：

Vp1-Vp2=(Vs1-V1)-(Vs2-V2)=(Vs1-Vs2)-(V1-V2)（1）

根據(jù)Mott-Smith和Langmuir軌道運(yùn)動限制理論[21]、Maxwell電磁學(xué)及粒子熱運(yùn)動理論等，浸沒在空間等離子體環(huán)境中的探針將耦合獲得相對于周圍等離子體環(huán)境的平衡電勢。該相對平衡電勢由探針等離子體鞘層電子流和離子流、表面光電子發(fā)射流、偏置電流及測量回路電流等共同決定。由于雙探針具有一致性和對稱性，在空間小尺度范圍內(nèi)所處等離子體、太陽輻照等環(huán)境與條件相同，且所施加的偏置電流相同等，可認(rèn)為雙探針相對于其周圍等離子體環(huán)境電勢也相同，即有V1=V2，這樣就可得到：

設(shè)d為兩探針間的距離，則雙探針在衛(wèi)星參照系中所測得的電場E′可表示為：

上述雙探針式空間電場探測原理所蘊(yùn)涵的物理本質(zhì)是：雙探針電勢之差可反映和表征其所在周圍等離子體環(huán)境電勢之差。也是雙探針式空間電場探測儀系統(tǒng)設(shè)計與測試驗(yàn)證的基本原則和依據(jù)。

在工程設(shè)計中，電場探測儀雙探針電勢之差有直接和間接兩種檢測方式。所謂直接檢測是指通過信號處理單元差分電路直接檢測獲得雙探針電勢之差；而所謂間接測量是指信號處理單元先檢測出雙探針分別相對于“衛(wèi)星地”電勢，再計算得到雙探針電勢之差。對于間接測量，若設(shè)“衛(wèi)星地”電勢為Vs，則有：通常采用地球參照系，因此空間電場表示為：

式中：E為實(shí)際空間電場；up為衛(wèi)星軌道飛行速度；B為“當(dāng)?shù)亍钡厍虼鸥袘?yīng)強(qiáng)度。

這樣，通過在空間合理分布四個非共面探針，可實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星軌道等離子體環(huán)境三維電場測量。

2.2 電子漂移式空間電場探測技術(shù)

電子漂移式空間電場探測是通過測量所發(fā)射電子在垂直于電場和磁場方向的導(dǎo)引中心漂移速度而間接地測量電場。該漂移速度和電磁場的關(guān)系可以表示為：

式中：Vd為導(dǎo)引中心漂移速度。

測量電子的漂移速度通常有兩種方法：漂移位移三角測量法和飛行時間測量法。

漂移位移三角測量法是利用三角幾何關(guān)系，測量電子在一個回旋周期中漂移的位移，進(jìn)而計算漂移速度。三角測量法數(shù)理模型如圖4所示，目前CLUSTER等衛(wèi)星采用的是雙電子槍/探測器單元方案，也就是將一個電子槍和一個探測器組合在一個單元內(nèi)，將這樣的兩個單元分別安裝在衛(wèi)星本體的方向相反兩側(cè)面上。在衛(wèi)星坐標(biāo)系內(nèi)，從電子槍1所發(fā)射的、速度為Ve1的電子束1和從電子槍2所發(fā)射的、速度為Ve2的電子束2可以協(xié)同看作是從同一源S*所發(fā)射的兩束電子；經(jīng)一個回轉(zhuǎn)周期后，兩束電子到達(dá)探測器位置而被探測器所探測接收；從源S?指向探測器的位移即為電子漂移位移。根據(jù)兩電子槍/探測器單元之間的基線距離、電子束的方向，按照三角幾何關(guān)系，可得到電子漂移位移。

電子漂移位移與其漂移速度的關(guān)系可表示為：

式中：Tg為電子回轉(zhuǎn)周期，表示為：

已知磁感應(yīng)強(qiáng)度B、漂移位移d，便可求得電子漂移速度，進(jìn)而計算得到電場強(qiáng)度E。

漂移位移三角測量法適用于磁場較大的環(huán)境。但當(dāng)環(huán)境磁場較小時，電子漂移位移會很大，從而超出衛(wèi)星的探測能力。這就需要采用飛行時間測量法。

圖4 電子漂移位移三角測量法數(shù)理模型Fig.4 The mathematical model of triangulation measurement method for electron drift displacement

飛行時間測量法是測量所發(fā)射電子回到最初位置時的飛行時間，以此來計算電子漂移速度。飛行時間測量法數(shù)理模型如圖5所示，同一時刻，從電子槍/探測器單元1和電子槍/探測器單元2發(fā)射出方向相反的電子束；兩電子束沿不同長度的軌道返回探測器；測量這兩電子束飛行的時間長度及其差異，可得到電子漂移速度。

兩電子束飛行的時間可分別表示為：式中：t0為電子束發(fā)出初始時刻；t1、t2分別為兩電子束返回探測器時刻；Vd為電子漂移速度；Ve為電子速度。

通過兩電子束飛行時間測量，可得到電子回旋周期，計算得到磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖5 電子漂移飛行時間測量法數(shù)理模型Fig.5 The mathematical model of flight time measurement method for electron drift

需要說明的是，磁場沿其垂直方向梯度▽⊥B也會引起電子漂移。就有必要采用不同電子能量的方法，用以分離電場和磁場梯度所引起的漂移。

3 結(jié)論

（1）電離層準(zhǔn)-直流電場主要來源于大氣層雷暴、中高層大氣潮汐、太陽風(fēng)與磁層交互作用以及磁尾不穩(wěn)定性、地震爆發(fā)等引發(fā)的異常電場效應(yīng)和聲重力波等，其量級約為1～200 mV/m；交流電場主要為大氣層閃電激發(fā)的等離子體哨聲波和舒曼諧振波等、電網(wǎng)和臺站電磁輻射、磁層中等離子體及電流系不穩(wěn)定性激發(fā)的靜電漂移波、朗繆爾波等，頻率范圍為ELF-HF波段，其功率譜密度量級從0.3 μV/mHz1/2到十幾個mV/mHz1/2。

（2）已在衛(wèi)星平臺成功應(yīng)用的空間電場探測技術(shù)主要有雙探針式和電子漂移式。雙探針式電場探測技術(shù)相對成熟、簡單可靠，適用范圍較寬，可應(yīng)用于電離層直至磁氣圈頂層，測量頻率范圍從DC直到幾MHz，是目前空間電場探測的主要方法；而電子漂移式是作為對雙探針式的驗(yàn)證及補(bǔ)充。

（3）雙探針式空間電場探測原理所蘊(yùn)涵物理本質(zhì)是雙探針電勢之差可反映和表征其所在周圍等離子體環(huán)境電勢之差。這是系統(tǒng)設(shè)計與測試驗(yàn)證的基本原則和依據(jù)。通過在空間合理分布四個非共面探針即可實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星軌道等離子體環(huán)境三維電場測量。而電子漂移式空間電場探測是通過測量所發(fā)射電子在垂直于電場與磁場方向的導(dǎo)引中心漂移速度而間接地測量電場，通常有電子漂移位移三角測量法和飛行時間測量法。飛行時間測量法還可用以間接測量磁感應(yīng)強(qiáng)度。

[1]Williams D J，Barfield J N，F(xiàn)ritz T A.Initial Explorer 45 sub?storm observations and electric field considerations[J].Journal of Geophysical Research，1974，79（4）：554-564.

[2]Pedersen A，Cattell C A，F(xiàn)?lthammar C G，et al.Quasistatic electric field measurements with spherical double probes on the GEOS and ISEE satellites[J].Space science reviews，1984，37（3-4）：269-312.

[3]Brautigam D H，Ginet G P，Albert J M，et al.CRRES electric field power spectra and radial diffusion coefficients[J].Journal of Geophysical Research：Space Physics，2005，110（A2）：A02214.

[4]Killeen T L，Hays P B，Carignan G R，et al.Ion-neutral cou?pling in the high-latitude F region：Evaluation of ion heating terms from Dynamics Explorer2[J].Journal of Geophysical Re?search：Space Physics，1984，89（A9）：7495-7508.

[5]Marklund G T，Blomberg L G，Lindqvist P A，et al.The double probe electric field experiment on FREJA：Experiment de?scription and first results[J].Space Science Reviews，1994，70：483-508.

[6]HarveyP，MozerFS，PankowD，et al.The electric field instru?ment on the Polar satellite[J].Space Science Reviews，1995，71（1-4）：583-596.

[7]Ergun R E，Carlson C W，Mozer F S，et al.The FAST satellite fields instrument[J].Space Science Reviews，2001，98：67-91.

[8]Berthelier J J，Godefroy M，Leblanc F，et al.ICE，the electric field experiment on Demeter[J].Planetary and Space Science，2006，54（5）：456-471.

[9]Eriksson A I，André M，Klecker B，et al.Electric field mea?surements on Cluster：comparing the double-probe and elec?tron drift techniques[J].Annales Geophysicae，2006，24（1）：275-289.

[10]Bonnell J W，Mozer F S，Delory G T，et al.The electric field instrument（EFI）for Themis[J].Annales Geophysicae，2006，24：275-289.

[11]Ukhorskiy A Y，Mauk B H，F(xiàn)ox N J，et al.Radiation belt storm probes：Resolving fundamental physics with practical consequences[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terres?trial Physics，2011，73（11）：1417-1424.

[12]湯吉，趙國澤，陳小斌，等.地震電磁衛(wèi)星載荷及現(xiàn)狀[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（3）：679-686.

[13]Hays P B，Roble R G.A quasi-static model of global atmo?spheric electricity，1.The lower atmosphere[J].Journal of Geophysical Research：Space Physics，1979，84（A7）：3291-3305.

[14]蔡紅濤.極區(qū)電離層結(jié)構(gòu)及粒子沉降和對流電場的作用-EISCAT觀測與數(shù)值模擬[D].武漢：武漢大學(xué)，2003.

[15]楊許鉑，周晨，劉靜，等.地震電離層異常電場模擬及初步研究[J].地球物理學(xué)報，2014，57（11）：3650-3658.

[16]Kim V P，Khegai V V，Illich-Svitych P V.On one possible ionospheric precursor of earthquakes[J].Physics of the Solid Earth，1994，30（3）：223-226.

[17]Sorokin V M，Yaschenko A K，Hayakawa M.A perturbation of DC electric field caused by light ion adhesion to aerosols during the growth in seismic-related atmospheric radioactivi?ty[J].Natural Hazards and Earth System Sciences，2007，7 （1）：155-163.

[18]任麗文.太陽和空間等離子體中兩個與波動相關(guān)的問題[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[19]陳耀.多成份太陽風(fēng)模型[D].合肥，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004.

[20]Torkar K，Nakamura R，Andriopoulou M.Interdependencies between the actively controlled cluster spacecraft potential，ambient plasma，and electric Field Measurements[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2015，43（9）：3054-3063.

[21]蔣鍇，王先榮，杜杉杉，等.液態(tài)金屬離子源在航天器電位主動控制的應(yīng)用[J].真空與低溫，2014，20（5）：249-254.

[22]Mott-Smith H M，Langmuir I.The Theory of Collectors in Gaseous Discharges[J].Physics Review，1926，28（4）：727-763.

CHARACTERISTIC OF SPACE ELECTRIC FIELD AND ITS DETECTION TECHNOLOGY

MA Mian-jun，LEI Jun-gang，LI Cheng，ZONG Chao，LI Shi-xun，LIU Ze，CUI Yang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Space electric field is an important parameter in the study of space physics，space weather and space environment.In this paper，the essential origin and manifestation of space quasi DC and AC electric field in the ionosphere are discussed，and its characteristics of frequency，amplitude and so on are also narrated.Then，it is pointed out that the double probe type of space electric field detection technology is the main method at the present，and the electronic drift type can be used as the verification and the complement of the double probe type.Based on the above，the operational principle，mathematical model，and physical essence of double probe and electronic drift space electric field detection technology are described respectively.

space electric field；detection technology；double probe；electronic drift；mathematical model

V419+7

A

1006-7086（2017）01-0025-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.005

2016-09-08

馬勉軍（1967-），男，博士，研究員，主要從事空間環(huán)境探測技術(shù)的研究。E-mail:mamianjun@126.com。