SMILE衛(wèi)星低能離子分析儀的設(shè)計與仿真

蘇　斌，孔令高，張愛兵,3

(1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心， 北京 100190； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3. 天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實驗室， 北京 100190)

0　引　言

太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星(Solar wind magnetosphere ionosphere link explorer,SMILE)是中歐聯(lián)合空間科學(xué)探測衛(wèi)星計劃，是繼2003年“雙星計劃”后，中歐又一大型空間科學(xué)探測合作項目。SMILE將運(yùn)行在近地點(diǎn)高度5000 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度19RE(RE=6371 km)、軌道傾角98°的大橢圓軌道上，首次實現(xiàn)對磁層的整體成像，有效載荷有：軟X射線成像儀、極紫外成像儀、低能離子分析儀(LIA)和磁通門磁強(qiáng)計。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心承擔(dān)了LIA的研制工作，定標(biāo)工作將由中歐合作完成。

LIA主要用于就位測量衛(wèi)星軌道空間的太陽風(fēng)及磁層等離子體離子的速度、密度和溫度等參數(shù)，為SMILE衛(wèi)星的軟X射線成像和極紫外成像數(shù)據(jù)的反演提供背景數(shù)據(jù)。等離子體的探測有助于了解等離子體與航天器的相互作用，及產(chǎn)生的帶電效應(yīng)和航天器表面污染等災(zāi)害。太陽暴發(fā)性活動如日冕物質(zhì)拋射(CMEs)會引起空間等離子體環(huán)境劇烈擾動，對在軌航天器造成的損壞進(jìn)一步加劇[1-2]。

可變幾何因子是大通量動態(tài)范圍等離子體探測的基本需求。傳統(tǒng)意義上的幾何因子指探測器接收粒子的能力，是衡量靜電分析器測量靈敏度的重要參數(shù)?？臻g粒子探測類儀器通常具有固定的幾何因子，即具有固定的通量動態(tài)響應(yīng)范圍，如SOHO衛(wèi)星的CELIAS/CTOF、CELIAS/STOF，AMPTE衛(wèi)星的SULEICA載荷，Giotto的電子探測器和離子探測器以及中國螢火一號火星探測器的離子分析器和電子分析器[3-7]。在大通量范圍探測時，入射粒子通量超過某一臨界值，探測器計數(shù)就會飽和[8]。應(yīng)對儀器飽和的問題，國際上通行的解決方法有兩種。CLUSTER和雙星計劃的載荷PEACE設(shè)計了兩臺傳感器(HEEA和LEEA)，分別具有不同的幾何因子，兩臺儀器配合實現(xiàn)對不同通量范圍等離子體的同時探測[9]，日本月球軌道器SELENE的載荷MAP-PACE也采用了該方法[10]。該方法解決飽和問題的同時也造成質(zhì)量和能耗的增加。CLUSTERⅡ的載荷CIS在儀器方位角方向劃分出多通道，占據(jù)不同方位角范圍的通道具有不同的幾何因子，實現(xiàn)了單臺儀器對不同通量范圍離子的探測[11]。STEREO的載荷PLASTIC進(jìn)一步對俯仰角方向上也設(shè)計出多通道，增大了可探測通量范圍[12]。該設(shè)計不增加質(zhì)量和能耗，但限制了單通道視場范圍。

SMILE軌道貫穿內(nèi)磁層、磁鞘區(qū)和行星際太陽風(fēng)，離子通量跨越變化3個量級以上[13]。尤其發(fā)生CMEs時，太陽向地球空間拋射大量等離子體，會大大增加地球附近太陽風(fēng)離子通量。Carter等[14]由2001年10月21日CMEs發(fā)生時ACE,Wind和XMM-Newton三臺儀器的數(shù)據(jù)得到了地球附近太陽風(fēng)質(zhì)子通量變化過程，通量變化超越1個量級。綜合來看SMILE軌道低能離子通量動態(tài)范圍大于4個量級，最大可至6個量級。通常靜電分析器類探測器覆蓋最大約4個量級的動態(tài)范圍。因此LIA設(shè)計上保證可變幾何因子是SMILE的基本需求。

可變幾何因子系統(tǒng)(VGFS)的實現(xiàn)有多種方式。Collinson和Kataria對三種不同構(gòu)型的VGFS(過濾板型、分離半球型和頂蓋型)進(jìn)行了仿真研究。與另外兩種類型的VGFS相比，頂蓋型VGFS具有更高的能量分辨率和角度分辨率，降低幾何因子所需電壓低、電場連續(xù)穩(wěn)定性好[15]。SMILE衛(wèi)星低能離子分析儀采用帶頂蓋半球形靜電分析器，利用頂蓋電壓控制方式實現(xiàn)可變幾何因子，較已有探測任務(wù)，使用單臺儀器即可滿足太陽風(fēng)及磁層離子的大通量范圍探測需求，具有大視場、高分辨和小型化優(yōu)點(diǎn)。

仿真模擬是獲得儀器性能參數(shù)的直接有效的方法。早期靜電分析器仿真主要采取解析方式，只能處理簡單構(gòu)型的儀器，邊界條件的處理也較理想化，且無法很好模擬空間電荷效應(yīng)[16-17]。有限元仿真軟件可對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜電分析器仿真，邊界條件的處理更接近真實情況，仿真結(jié)果更加精確[18]。SIMION是一款有限元仿真軟件，能仿真在給定電場或磁場及初始條件下粒子的運(yùn)動軌跡，廣泛應(yīng)用于多項空間等離子體探測儀器的仿真工作，如： CLUSTERⅡ的CODIF和HIA載荷,STEREO的PLASTIC載荷,AMPTE的SULEICA載荷等。

圖1　低能離子分析儀傳感器基本結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1　Layout of the light ion analyzer

1　基本理論

頂蓋型靜電分析器利用同心半球極板間的徑向電場引導(dǎo)帶電粒子穿過靜電分析器狹縫。狹縫平均半徑RC和寬度d直接決定靜電分析器因子：

(1)

式中：RC=(R1+R2)/2，d=R2-R1，R1和R2分別為內(nèi)外極板半徑，如圖1所示。靜電分析器因子是靜電分析器的重要參數(shù)，直接影響探測能量范圍和能量分辨率。

靜電分析器內(nèi)外極板的壓差決定了能通過狹縫的離子的E/q特性：

E/q=kV

(2)

式中：E為離子能量，q為電荷數(shù)，V為內(nèi)外極板壓差。探測能量范圍確定時，由k可估算電壓范圍。

頂蓋型靜電分析器的視場包括俯仰角和方位角。俯仰角為離子速度矢量與XY平面的夾角，范圍為-90°～+90°；方位角為速度矢量在XY平面的投影與X正方向的夾角，范圍為0°～360°。

頂蓋半徑R3與靜電分析器極板尺寸滿足下式時，沿水平方向入射離子的通過率最大[19]：

R3=R1+2d

(3)

由式(3)得出，頂蓋電壓0 V時，頂蓋與靜電分析器內(nèi)極板間電場強(qiáng)度約為靜電分析器狹縫電場強(qiáng)度的一半，因此離子在頂蓋區(qū)域運(yùn)動軌跡的曲率半徑RP=2RC。頂蓋角θ和靜電分析器截斷角σ的選取決定了儀器的聚焦特性和方位角分辨率。根據(jù)圖1中三角關(guān)系，結(jié)合RP≈2R2，RC≈R2，有以下關(guān)系：

(4)

由于θ值很小，將式(4)等號左邊展開為泰勒級數(shù)：

(5)

結(jié)合式(4)和式(5)，θ與k的關(guān)系為：

(6)

以固定方位角入射的平行離子束在靜電分析器出口會聚焦成一點(diǎn)，如圖2所示。聚焦點(diǎn)處于半球極板內(nèi)，為了使焦點(diǎn)在極板外，將極板底部截斷，使焦點(diǎn)在微通道板(Micro-channel plate,MCP)上，以使方位角分辨率最佳。Carlson等[20]給出了靜電分析器各參數(shù)與d/R1的曲線，本文以該曲線為基礎(chǔ)給出經(jīng)仿真優(yōu)化的θ和σ。

圖2　離子聚焦特性和陽極劃分頂視圖Fig.2　Ion beam focusing and anode partition from top view

幾何因子為離子計數(shù)率N與微分通量j的比值：

G=N/j

(7)

若兩次仿真輸入源相同，G與N成正比：

N1/N2=G1/G2

(8)

式中：N1,N2為有效離子計數(shù)，G1,G2為對應(yīng)幾何因子。可由離子數(shù)的變化判斷幾何因子的變化趨勢。

利用頂蓋加掃描電壓改變極板間電場，對進(jìn)入靜電分析器的離子產(chǎn)生抑制作用，通過靜電分析器的離子通量降低，從而降低儀器幾何因子。

根據(jù)以上結(jié)果，下文根據(jù)SMILE任務(wù)特點(diǎn)和LIA指標(biāo)需求給出設(shè)計方案(R1，R2，R3，θ，σ)。

2　儀器指標(biāo)與設(shè)計方案

基于科學(xué)目標(biāo)的探測需求，低能離子分析儀技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

綜合比較幾種典型靜電分析器的性能，LIA采用帶頂蓋半球靜電分析器為基本方案。通過高聚焦特性離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，配合靜電偏轉(zhuǎn)板實現(xiàn)大視場和高角度分辨率；通過頂蓋電壓調(diào)制實現(xiàn)可變幾何因子，滿足大通量范圍離子探測需求；通過前放ASIC集成電路的使用有效實現(xiàn)了儀器的小型化。

表1　低能離子分析儀指標(biāo)需求Table 1　Design objectives of LIA

LIA主要由探頭和電子學(xué)箱組成。探頭用于對入射離子進(jìn)行能量、方向分析并輸出電子學(xué)信號，電子學(xué)對輸出信號進(jìn)行處理分析。LIA探頭包括半球形靜電分析器、可變幾何因子系統(tǒng)(Variable geometric factor system, VGFS)和視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(FOV deflector system, FDS)，這三部分統(tǒng)稱離子光學(xué)系統(tǒng)。靜電分析器出口放置微通道板和陽極，如圖1所示。圖中帶箭頭的虛線為離子運(yùn)動軌跡，靜電分析器和MCP之間加接地柵網(wǎng)以屏蔽兩者電場相互干擾。

LIA采用的半球形靜電分析器尺寸為R1=34 mm，R2=36 mm，鋸齒狀準(zhǔn)直通道的鋸齒斜面朝向儀器內(nèi)，可以有效降低雜散離子和二次濺射離子進(jìn)入靜電分析器。準(zhǔn)直通道寬度影響能量分辨率，經(jīng)過仿真優(yōu)化后能量分辨率優(yōu)于8%。高聚焦特性和高角度分辨率的實現(xiàn)依賴于頂蓋電極的設(shè)計，根據(jù)式(3)，R3=38 mm時水平入射的離子通過率最大，由式(6)估算并經(jīng)過仿真優(yōu)化得到的θ=14.5°，σ=12°。

視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由完全對稱的兩塊1/4球形極板組成，上下極板加不同極性電壓選擇離子入射俯仰角。入射俯仰角的范圍由偏轉(zhuǎn)電壓和離子能量決定。

MCP后端陽極劃分為48等份，對應(yīng)48個探測通道，每個通道視場7.5°。MCP對電荷信號進(jìn)行約106倍的放大并輸出電荷脈沖。后端電子學(xué)對電荷脈沖進(jìn)行分析，單位時間脈沖數(shù)決定離子入射通量。

3　仿真模型建立

按照LIA尺寸在三維設(shè)計軟件中建立機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，SIMION根據(jù)各電極電壓計算內(nèi)部電場分布。

仿真模型以偏轉(zhuǎn)板水平對稱軸為X軸，球形極板旋轉(zhuǎn)對稱軸為Z軸，Y軸符合右手定則建立坐標(biāo)系(見圖3)。圖3給出了上偏轉(zhuǎn)板電壓+150 V，下偏轉(zhuǎn)板電壓-150 V，靜電分析器內(nèi)極板電壓-100 V，MCP電壓-2000V，其他電極接地時LIA傳感器內(nèi)部等勢線圖。電場分布以Z軸為中心呈旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。

圖3　低能離子分析儀傳感器內(nèi)部電場等勢線圖Fig.3　Equipotential lines in LIA sensor model

仿真所用離子源以均勻隨機(jī)抽樣方式產(chǎn)生，每個入射離子信息應(yīng)包括：質(zhì)量M, 電荷數(shù)q, 初始坐標(biāo)(X，Y，Z), 俯仰角α, 方位角β, 能量E。選取質(zhì)子作為入射源，每個入射離子應(yīng)包括(X，Y，Z，α，β，E)六個量的信息。將抽樣結(jié)果隨機(jī)組合，產(chǎn)生N個離子作為離子源。SIMION根據(jù)離子源和LIA模型電場計算離子在電場中的運(yùn)動軌跡，在靜電分析器出口處統(tǒng)計離子能量、俯仰角、方位角等參數(shù)。

4　仿真結(jié)果與分析

4.1　離子束聚焦和方位角分辨率

改變頂蓋和靜電分析器的構(gòu)型，可以調(diào)整焦點(diǎn)位置。另外，改變頂蓋電壓也可以改變焦點(diǎn)位置。

方位角分辨率定義為離子束在MCP上形成的光斑與旋轉(zhuǎn)中心構(gòu)成的圓心角的大小。為滿足儀器探測需求，該圓心角應(yīng)小于單個陽極扇形角即7.5°。

定義頂蓋電壓與內(nèi)極板電壓之比為電壓比

R=VTC/VIH

(9)

式中：VTC為頂蓋電壓，VIH為內(nèi)極板電壓。圖4是R=0和R=±0.2時焦點(diǎn)位置的對比，VIH=-115 V。R=0.2時，聚焦特性變好，但焦點(diǎn)上移，MCP上的離子光斑尺寸增大；R=-0.2時，焦點(diǎn)下移，聚焦特性變差，光斑尺寸增大。由于方位角通過MCP上的位置確定，MCP上的光斑尺寸大小決定了儀器的方位角分辨率，光斑尺寸越大，方位角分辨率越低。

圖4　不同頂蓋電壓值離子束聚焦對比Fig.4　Comparison of ion beam focusing between different top-cap voltages

表2給出了光斑尺寸和方位角分辨率隨頂蓋電壓的變化。頂蓋加正電壓或負(fù)電壓將降低方位角分辨率。指標(biāo)要求方位角分辨率為7.5°，結(jié)果顯示，通常的頂蓋電壓變化范圍內(nèi)，設(shè)計滿足指標(biāo)需求。

表2　不同頂蓋電壓下的光斑尺寸和方位角分辨率Table 2　Focal point sizes and azimuth resolutions with different top-cap voltages

4.2　靜電分析器因子和能量分辨率

定義通過靜電分析器狹縫打到MCP上的離子為有效離子。統(tǒng)計有效離子在窗口處的能譜可獲得靜電分析器因子和能量分辨率。

靜電分析器內(nèi)極板電壓VIH=-115 V時，有效離子能譜如圖5所示。用正態(tài)分布擬合得到的峰值能量E0=1060.8 eV，由式(2)可得靜電分析器因子k=1060.8/115=9.2。能量分辨率η為能譜半高寬FWHM與E0之比[19]，即η=FWHM/E0= 83.89/1060.8= 0.0791。根據(jù)式(1)對靜電分析器的定義和文獻(xiàn)[18]給出的靜電分析器參數(shù)與儀器尺寸關(guān)系的理論曲線可估算k和η的值，估算值分別為8.8和0.076，仿真結(jié)果與估算值基本吻合。理論上，k和η與所加電壓和離子能量無關(guān)，只取決于靜電分析器的結(jié)構(gòu)。

圖5　低能離子分析儀仿真離子能譜Fig.5　Simulation energy spectrum of LIA

LIA電子學(xué)可提供靜電分析器內(nèi)極板電壓范圍為-1 V～-3000 V，由式(3)計算可得，LIA可探測能量范圍0.01 keV～27.7 keV的離子。

4.3　視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和俯仰角

半球形靜電分析器固有視場受準(zhǔn)直通道限制，俯仰角視場很小，通常約幾度。由準(zhǔn)直通道的半徑和寬度可估算俯仰角范圍，估算范圍約為5°。圖6是偏轉(zhuǎn)電壓為0V時，有效離子俯仰角的分布。

圖6　俯仰角計數(shù)統(tǒng)計Fig.6　Elevation distribution

圖6中顯示，偏轉(zhuǎn)板接地時俯仰角中心值為0°，最大跨越5.9°。俯仰角分辨率定義為有效離子入射角度分布的半高寬，仿真結(jié)果為2.15°。對標(biāo)準(zhǔn)差為c的正態(tài)分布，半高寬和底寬為：

(10)

因此俯仰角分辨率近似符合下式：

(11)

估算值約為2°，與仿真結(jié)果基本吻合。

為擴(kuò)大俯仰角范圍，引入視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(FDS)。FDS通過上、下兩個偏轉(zhuǎn)板所加高壓形成的電場對入射離子方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。視場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對離子的偏轉(zhuǎn)角度D與上下偏轉(zhuǎn)板的壓差以及離子能量相關(guān)。

定義偏轉(zhuǎn)板因子

(12)

式中：Vdef 1和Vdef 2分別為上、下偏轉(zhuǎn)板電壓。

圖7給出了1 keV離子D和S的仿真結(jié)果和擬合曲線，D和S的擬合方程為

S=6.6×10-7D3-1.4×10-6D2-

0.012D+0.0035

(13)

擬合確定系數(shù)為0.999。1 keV離子偏轉(zhuǎn)角度超過了±50°。理論上圖7中曲線可應(yīng)用到任何能量段。

圖7　偏轉(zhuǎn)角D與偏轉(zhuǎn)板因子S的仿真結(jié)果與擬合曲線Fig.7　Simulation results and fitting line between D and S

LIA高壓電源提供偏轉(zhuǎn)電壓最大為±4000 V，單個偏轉(zhuǎn)電壓為±2400 V時10 keV離子偏轉(zhuǎn)角可達(dá)到±45°，滿足指標(biāo)要求；電壓±4000 V時，20 keV離子偏轉(zhuǎn)角可達(dá)±35°，優(yōu)于指標(biāo)±22°的要求。

4.4　可變幾何因子系統(tǒng)

VGFS通過改變頂蓋電壓改變儀器的幾何因子，調(diào)節(jié)可探測離子的通量范圍[19]。頂蓋加正電壓，靜電分析器內(nèi)極板與頂蓋間電場強(qiáng)度增大，頂蓋對離子起排斥作用；頂蓋加負(fù)電壓，內(nèi)極板與頂蓋間電場強(qiáng)度減小，頂蓋對離子起吸引作用。因此理論上，頂蓋加正電壓或負(fù)電壓都將降低有效入射離子的通量，從而降低儀器的幾何因子。

根據(jù)式(9)電壓比的定義，圖8給出有效離子歸一化計數(shù)隨頂蓋電壓的變化曲線，頂蓋加正電壓和負(fù)電壓時有效離子數(shù)目變化不同步是由于靜電分析器沿Z軸不對稱。頂蓋加正電壓時離子數(shù)目下降慢，R=-0.6時離子數(shù)目降低為初始值的17.6%；頂蓋加負(fù)電壓時，R=0.4時離子數(shù)目降為初始值的10.74%，R=-0.5時離子數(shù)目降為初始值的2%。由此可知，頂蓋加負(fù)電壓時，改變儀器幾何因子的效果更好。

圖8　有效離子歸一化計數(shù)率隨頂蓋電壓的變化Fig.8　Normalized counts of effective ions with a variety of top-cap voltage

頂蓋電壓改變頂蓋與靜電分析器內(nèi)極板間電場，也影響有效離子能譜，靜電分析器因子k隨之改變，如圖9所示。頂蓋加負(fù)電壓，R=0.4時，k與初值相比降低9.01%，R=0.5時，k降低11.73%；頂蓋加正電壓，R=-0.5時，k增加14.3%，R=-0.6時，k增加16.7%。實際工作中，k變化范圍應(yīng)盡可能小。

圖9　靜電分析器因子隨頂蓋電壓的變化Fig.9　Analyzer constant with a variety of top-cap voltage

綜上，利用頂蓋電壓控制方式可以顯著降低儀器的幾何因子，下降幅度最大可達(dá)兩個數(shù)量級，可實現(xiàn)對不同通量范圍的空間低能離子的探測。通過比較分析，幾何因子降低同樣幅度，頂蓋加負(fù)電壓所需電壓更低，靜電分析器因子變化更小。頂蓋加負(fù)電壓是作為可變幾何因子系統(tǒng)的首選。

5　結(jié)　論

本文對SMILE衛(wèi)星搭載的低能離子分析儀的設(shè)計和仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。低能離子分析儀采用帶頂蓋的半球形靜電分析器為設(shè)計方案，相比于國內(nèi)外已有空間等離子體探測載荷，LIA實現(xiàn)了單臺儀器對空間低能離子的大通量動態(tài)范圍覆蓋，具有高精度、大視場、小型化的優(yōu)點(diǎn)。表3給出了仿真結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)需求的比對， LIA各參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求。仿真獲得的各參數(shù)可用于LIA的工程研制。

表3　低能離子分析儀仿真結(jié)果與指標(biāo)需求比對Table 3　Comparison between simulation results and design objectives of LIA

利用頂蓋電壓控制方式實現(xiàn)幾何因子的連續(xù)變化，對可變幾何因子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，獲得了幾何因子隨頂蓋電壓的變化規(guī)律，為工程研制提供了基礎(chǔ)。

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