空間站問天艙等離子體原位成像探測技術*

劉超 張愛兵 孫越強 孔令高 王文靜 關燚炳 王永松 鄭香脂 田崢 高俊

1) (中國科學院國家空間科學中心,北京 100190)

2) (中國科學院大學,北京 100049)

3) (中國科學院國家空間科學中心,天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190)

等離子體原位成像探測器是中國空間站的第一批艙外空間環(huán)境科學載荷,安裝在問天艙的艙外暴露平臺,將首次在空間站平臺上開展電離層等離子體原位、成像、充電電位等多要素綜合探測任務.其中,原位探測要素包括空間站軌道等離子體的密度、溫度以及問天艙表面電位強度等.成像探測要素包括離子能量、運動方向和成像時間分辨率等.等離子體原位成像探測器采用多傳感器的一體化設計,集成了朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、參考電位計和離子成像儀等技術.其中,離子成像技術是首次應用于我國的空間環(huán)境探測領域.等離子體原位成像探測技術在中國科學院國家空間科學中心定標實驗室完成了測試驗證,探測器已隨問天艙成功發(fā)射,即將開展中低緯電離層的精細化探測,為完善空間站軌道電離層模型提供等離子體探測數據.通過探測累積長周期的充電電位數據,為研究等離子體對空間站的充電效應,促進空間站充電評估體系的建立提供支持.

1 引言

中國空間站是我國長期在軌運行的空間基礎設施,運行在軌道傾角42°—43°、高度340—450 km的近地軌道,是我國進行各種空間科學試驗的重要平臺.空間站的運行軌道位于電離層F2 層峰值高度區(qū)域,該區(qū)域等離子體密度最大,是各種電離層物理現象及其效應發(fā)生最集中的區(qū)域,是進行地球電離層等離子體探測和研究的理想平臺.

電離層是地球空間環(huán)境的重要組成部分,是導航、定位的重要誤差源之一.其電子密度及小尺度不規(guī)則體會使得穿過的電波信號傳播速度變慢、路徑發(fā)生彎曲,從而導致雷達測控產生偏差、影響導航定位的精度.3.0 GHz 以下頻段電波信號受到的影響最為顯著,且頻率越低影響越大[1-3].利用空間站的平臺進行電離層等離子體長期探測,可支持中低緯電離層不規(guī)則結構的起源和演化機理的研究,改善和提高電離層模型的精度,對提高和修正的衛(wèi)星導航/定位的精度具有重要意義.

根據國際空間站的運行情況,國際空間站在軌會發(fā)生“正常充電”(normal charging event,NCE)和 “快速帶電”(rapid charging event,RCE)等現象.研究表明空間站充電和電子溫度、密度、極區(qū)沉降粒子以及其高壓太陽電池陣等相關,尤其是電子溫度、電子密度[4-6].空間站充電是科學儀器在軌工作以及航天員執(zhí)行艙外活動時需要考慮的重要因素.

面對當前中低緯電離層研究的需求以及空間站充電電位監(jiān)測保障要求,本文對等離子體原位成像探測載荷技術進行了研究.根據任務要求,需探測的空間站軌道等離子體原位參數包括等離子體的離子成份、等離子體密度、溫度、充電電位以及離子成像等.其中,離子成像參數又包括離子能量、運動方向和時間分辨率等.任務要求的性能參數見表1.

表1 任務要求的性能參數Table 1.Performances of mission requirements.

2 技術方案設計

等離子體原位成像探測器采用了多傳感器集成化設計,由朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、離子漂移計、參考電位計、離子成像儀和載荷管理器等組成,如圖1 所示.針對任務要求,朗繆爾探針負責測量性能參數中的電子密度和電子溫度,阻滯勢分析儀負責測量離子成份、離子密度、離子溫度以及離子漂移速度等參數,參考電位計則負責測量空間站問天艙的表面充電電位強度,即電位范圍參數.離子成像儀負責等離子體離子成像功能,實現性能指標的能量范圍、能量分辨率、視場、角度分辨率和時間分辨率等.

圖1 等離子體原位成像探測器組成Fig.1.The composition of the plasma in-situ and imaging detector.

2.1 朗繆爾探針設計

朗繆爾探針是將球形傳感器浸入到空間等離子體中,然后給傳感器加載掃描電壓,傳感器的收集電流I會隨著加載掃描電壓V的變化而變化.傳感器電流和掃描之間形成伏安(I-V)特性曲線，如圖2 所示.通過分析該伏安特性曲線,可得到等離子體密度、溫度和等離子體電位等參數[7].朗繆爾探針傳感器設計為直徑50 mm 的球體,分為上下半球,上半球為收集極,下半球為保護極,上下半球相互隔離,并同步加載相同的掃描電壓[8,9].

圖2 朗繆爾探針伏安特性曲線Fig.2.The I-V characteristic curve of Langmuir probe.

空間站運行在電離層等離子體中,其等離子體鞘層是朗繆爾探針探測需要考慮的重要因素.通過對空間站在—100 V 充電電位情況下的等離子體鞘的仿真,結果顯示鞘層厚度約300 mm,如圖3所示.

圖3 空間站在—100 V 充電電位下的等離子體鞘仿真Fig.3.The simulation of space station plasma sheath (with—100 V).

為減小空間站本體鞘層的影響,探針傳感器伸桿設計為折疊式,可將傳感器伸出到空間站鞘層以外.在發(fā)射階段,伸桿折疊收攏在儀器表面,以保證滿足包絡要求和力學要求.發(fā)射入軌后,等離子體原位成像探測器從艙內轉移至艙外,并通過機械臂安裝在問天艙暴露平臺上.儀器開機后,探針傳感器伸桿按照注入指令解鎖,展開并鎖定在垂直位置.圖4 給出了探針伸桿的展開過程,分三個階段:釋放、展開、鎖定.在展開狀態(tài)下,探針伸桿與空間站飛行方向(+X)夾角為90°.探針傳感器的伸桿長度設計大于500 mm (傳感器中心至伸桿安裝面),可保證在軌工作期間探針傳感器處于不受空間站鞘層影響的背景等離子體區(qū)域.

圖4 朗繆爾探針伸桿展開過程Fig.4.The figure of Langmiur probe extension process.

2.2 阻滯勢分析儀設計

阻滯勢分析儀傳感器為圓筒形,前端開口呈圓形,內部設有多層柵網,最后端為電流收集極.圖5給出了阻滯勢分析儀的剖面結構.傳感器內部柵網G1,G2 和G5 均與地電位連接以屏蔽外部干擾.柵網G6 加載一個負電位以抑制等離子體電子和二次電子的干擾.柵網G3 和G4 為阻滯柵網,加載掃描電壓.傳感器收集極電流,則隨著阻滯柵網掃描電壓的變化而變化[10].阻滯勢分析儀的傳感器電流和掃描電壓同樣形成其伏安(I-V)特性曲線，如圖6 所示.通過對伏安特性曲線分析,可獲得離子密度、離子溫度、離子成份、離子縱向速度等參數[11,12].

圖5 阻滯勢分析儀傳感器結構Fig.5.Structural diagram of retarding potential analyzer sensor.

圖6 阻滯勢分析儀伏安特性曲線Fig.6.The I-V characteristic curve of retarding potential analyzer.

2.3 離子漂移計

離子漂移計傳感器窗口為方形,后端收集極分為均等的四塊,如圖7 所示.圖8 給出了離子漂移計傳感器結構，柵網G1,G3 和G4 均與地電位連接,柵網G2 連接一個正電位,以阻止H+進入傳感器,造成對速度測量的干擾.柵網G5 則連接一個負電位抑制等離子體電子和二次電子的干擾.傳感器4 個面積相等的收集極收集電流分別為IA,IB,IC和ID,將收集極A,C 收集的電流疊加為IAC,收集極B,D 收集的電流疊加為IBD,二者的比值,與離子的+Y方向上的入射角度相關:

圖7 離子漂移計傳感器收集極示意圖Fig.7.The figure of ion drift meter sensor collector.

圖8 離子漂移計傳感器結構Fig.8.Structural diagram of ion drift meter sensor.

式中,k為傳感器窗口尺寸和結構決定的幾何因子;α為+Y方向上的離子入射角度.該角度由+X方向的離子縱向漂移速度與+Y方向的離子橫向漂移速度決定,由阻滯勢分析儀獲取X方向的離子縱向漂移速度,即可計算獲得+Y方向的離子橫向漂移速度[13].

同理,可將收集極A,B 收集的電流疊加為IAB,收集極C,D 收集的電流疊加為ICD,二者的比值與離子的+Z方向上的入射角度β相關.β角度由+X方向的離子縱向漂移速度與+Z方向的離子橫向漂移速度決定,由阻滯勢分析儀獲取X方向的離子縱向漂移速度,即可計算獲得+Z方向的離子橫向漂移速度.

2.4 參考電位計設計

參考電位計的功能是獲得一個接近于背景等離子體電位的基準“零”電位,通過測量參考電位計與問天艙結構之間的電位差,即可獲得空間站問天艙艙體的充電電位,即相對于空間等離子體的電位.

參考電位計的傳感器是一塊與周圍絕緣的孤立導體金屬板,安裝在儀器迎風面板上,與阻滯勢分析儀傳感器和漂移計傳感器共平面,法線方向平行于+X方向,如圖1 所示.

在軌工作期間,參考電位計傳感器與背景的電離層等離子體環(huán)境相互作用,達到動態(tài)平衡[14].依據(2)式及空間站軌道參數,平衡狀態(tài)下的參考電位計相對于背景等離子體的絕對電位通常小于1 V.

式中,Φs是參考電位計的電位;KB是玻爾茲曼常數;Te是電子溫度;me是電子質量;e是電子電荷;Vs空間站速度.

設置一個立方體模擬空間站的等離子體原位成像探測器,圓形平板電極模擬參考電位計傳感器.設定輸入參數為電子密度1×1010m—3,電子溫度0.2 eV(2320 K),空間站本體充電電位—100 V.利用航天器等離子體相互作用仿真軟件(spacecraft plasma interaction software,SPIS),對參考電位計的充電情況進行仿真計算.結果如圖9 所示,參考電位計傳感器的電位為—0.353 V,十分接近背景等離子體的電位.

圖9 參考電位計動態(tài)電位的仿真結果Fig.9.Dynamic potential simulation result of reference potentiometer.

2.5 離子成像儀設計

離子成像儀由靜電偏轉模塊、Whalen 分析器和成像模塊三部分組成,如圖10 所示.靜電偏轉系統(tǒng)包括上下兩個偏轉板,通過在上下兩個偏轉板上加載掃描電壓,可選擇不同俯仰角方向的離子進入Whalen 分析器.Whalen 分析器設計為內外兩個同心半球,電壓加載到內外半球上,在內外半球之間形成一個徑向的均勻電場.該電場將不同能量的離子偏轉到不同徑向位置,并輸出到成像模塊.

圖10 離子成像儀傳感器結構Fig.10.Structural diagram of ion imager sensor.

成像模塊由微通道板(micro-channel plates,MCPs)、熒光屏、透鏡組件和CMOS 圖像傳感器組成.當離子打在MCP 上,會對離子電荷進行倍增,形成電子云輸出.電子云打在熒光屏上產生特定波長的光子,光子經過光錐引到CMOS 圖像傳感器,將光信號轉換為電信號輸出.通過分析CMOS 圖像傳感器的輸出信號即可得到入射離子的位置信息[15,16].

根據離子成像儀的工作原理,離子進入Whalen分析器,輸出的徑向位置與離子能量相關,(3)式表示了兩者之間的理論關系[17].不同能量的離子被偏轉的角度不同,打在MCP 上的位置也不同(圖7 中不同顏色的曲線表示).能量高的離子打在靠近MCP 邊緣的位置,能量低的離子打在靠近MCP 中心的位置.

其中E為離子能量;q為離子電荷量;ΔV為Whalen分析器內外半球的電壓差;ρ為離子打在MCP 上位置與圓心的徑向距離;R為Whalen 分析器內半球的半徑.

離子成像儀的探測視場主要取決于Whalen分析器的結構尺寸.由于Whalen 分析器設計為具有旋轉對稱的結構,因此離子成像儀探測視場在方位角上可達360°,根據偏轉系統(tǒng)的上下偏轉板張角以及掃描電壓,視場在俯仰角上可實現≥90°.

2.6 載荷管理器

載荷管理器負責對外與空間應用系統(tǒng)的供電接口、通訊接口,同時負責對內部各載荷的控制與通信.載荷管理器依據地面上注控制指令,可在軌進行開機、關機操作.同時,載荷管理器也可依據地面上注控制指令,分別控制離子成像儀加電斷電、朗繆爾探針加電斷電、阻滯勢分析儀加電斷電以及對伸桿展開機構加電斷電.

朗繆爾探針、阻滯勢分析儀和離子成像儀各自采集其探測數據,并通過通信總線發(fā)送給電控箱.電控箱將各傳感器采集的科學數據打包,通過FCAE-1553 總線發(fā)送給應用系統(tǒng).同時將采集的儀器遙測參數通過MIL-STD-1553 B 總線發(fā)送給應用系統(tǒng),以監(jiān)測儀器健康狀態(tài).

電控箱通過控制內部繼電器,可選擇內部二次地與空間站結構地或參考電位計傳感器連接.初始狀態(tài),內部二次電源地與空間站結構地連接.當空間站充電電位過高,且影響探測結果時,可通過注入指令選擇內部二次地與參考電位計傳感器連接.

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3 測試驗證

3.1 等離子體原位探測的測試驗證

朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、離子漂移計和參考電位計完成等離子體原位探測的各項性能.其中,朗繆爾探針、阻滯勢分析儀和離子漂移計繼承了張衡一號衛(wèi)星的載荷技術,其測試驗證方法與已在軌驗證的張衡一號衛(wèi)星一致.

離子成份是通過能譜的峰值識別來區(qū)分,取決于阻滯勢分析儀的能譜設置,即掃描偏壓設置.電離層中H+,He+,O+離子成份相對阻滯勢分析儀傳感器的入射能量峰值分別為0.30 eV,1.21 eV,4.83 eV,最小能量間隔為0.91 eV.因此,區(qū)分這3 種成份,需將掃描偏壓的范圍覆蓋這3 個峰值所在的能譜位置,同時掃描步長(即能譜劃分)應小于最小能量間隔0.91 eV 的一半,實測結果掃描偏壓的步長為0.15 V.

密度范圍指標包括電子密度和離子密度.電子密度的測量范圍取決于朗繆爾探針的電流測量能力,對于1×103—107cm—3范圍內的電子密度,朗繆爾探針傳感器(球體Φ50 mm)相應收集電流范圍應不小于1.2 nA—0.5 mA,測試結果為20 pA—0.6 mA.離子密度的測量范圍取決于阻滯勢分析儀的電流測量能力,對于1×103—107cm—3范圍內的離子密度,阻滯勢分析儀傳感器(窗口Φ40 mm)相應收集電流范圍應不小于480 pA—5 μA,測試結果為80 pA—11 μA.

溫度范圍指標包括電子溫度范圍和離子溫度范圍.500—10000 K 的電子溫度范圍對應于朗繆爾探針伏安特性曲線電子阻滯區(qū)的展寬約0.13—3 V,掃描電壓的最小步長應小于60 mV.為保證伏安特性曲線的完整性,掃描電壓范圍應不小于—3— +3 V,測試結果掃描電壓范圍為—4.86—+4.95 V,掃描電壓的最小步長40 mV.500—10000 K的離子溫度范圍對應于阻滯勢分析儀伏安特性曲線能譜的展寬,考慮到衛(wèi)星在軌運行速度,阻滯勢分析儀掃描偏壓應不小于0—15 V,掃描偏壓的步長應小于0.18 V,測試結果掃描偏壓為0—19.49 V,掃描偏壓的步長0.15 V.

離子漂移速度包括縱向漂移速度和橫向漂移速度,其中縱向漂移速度由阻滯勢分析儀測量,橫向漂移速度由漂移計測量獲得.根據離子漂移速度要求的指標范圍,考慮到衛(wèi)星在軌速度,漂移計電流測量范圍應不小于44 pA—4.9 μA,測試結果為20 pA—6 μA.

密度測量精度、溫度測量精度以及離子漂移速度測量精度,本質上均取決于電流測量的噪聲水平.依據性能指標要求,朗繆爾探針、阻滯勢分析儀和離子漂移計的電流測量噪聲水平均應小于1 mV,測試結果分別為0.353 mV,0.328 mV 和0.333 mV.電位范圍指標是指參考電位計測量空間站結構地與參考電位計傳感器之間電位差的動態(tài)范圍.測試結果為—310.86 — +310.90 V,滿足指標要求的—300 — +300 V 的測量范圍.

3.2 等離子體離子成像探測的測試驗證

離子成像儀技術是我國首次在軌應用,在中國科學院國家空間科學中心的熱等離子體定標系統(tǒng)進行了定標測試試驗.

3.2.1 定標測試系統(tǒng)

圖11 定標測試系統(tǒng)組成框圖.Fig.11.A simplified sketch of the calibration facility.

表2 定標測試系統(tǒng)性能參數Table 2.Performances of the calibration system.

定標過程中將離子成像儀置于真空罐中的轉臺上,通過離子束源發(fā)射不同能量的離子,進行能量范圍和能量分辨率的測試.通過轉動轉臺,改變離子成像儀相對離子束源的角度,進行視場和角度分辨率的測試.時間分辨率則通過一定時間存儲的圖像數量,計算得到時間分辨率.

3.2.2 測試結果

1) 離子能量測量范圍

定標測試系統(tǒng)產生不同能量的離子束,離子成像儀對不同入射能量的離子束進行測量,這些離子束在傳感器中產生不同的徑向位置信息.在定標過程中,離子源分別產生了51.84,70.17,85.09,113.46,142.25,165.07 和185.20 eV 等7 種能量離子束,離子成像儀對應7 種能量離子分別產生相應的圖像,如圖12 所示.

圖12 離子成像儀對7 種能量離子的測試圖像(圖中綠色星號為視場中心)Fig.12.Images of 7 kinds of energy ions (the green asterisk is the center of the field view).

通過擬合入射離子能量與徑向位置,得到二者的歸一化曲線(圖13 所示)以及離子成像儀的實際測量關系式:

圖13 成像徑向位置與離子能量的擬合關系曲線Fig.13.Normalized curve of imaging radial position and ion energy.

離子成像儀在軌工作時ΔV有300 和850 V 兩個檔,測量低端能量時用ΔV=300 V 的檔,測量能量高端時用ΔV=850 V 的檔.已知,內球半徑為23.5 mm,當成像徑向位置為0.7 mm 時,對應的離子能量為(E/q)為0.076 eV.當成像徑向位置為0.9R時,可測量的離子最大能量(E/q)為264.10 eV.

2) 視場范圍

如圖10 所示,離子成像儀傳感器是旋轉對稱結構,視場繞對稱軸一圈,因此視場在方位角上為360°.離子成像儀俯仰角則由靜電偏轉系統(tǒng)決定,當靜電偏轉系統(tǒng)的上下偏轉板加不同電壓時,將選擇特定俯仰角方向的離子進入Whalen 分析器.定標過程中,設定離子束流方向固定,通過轉臺改變儀器的仰角方向,等效于改變了入射離子的仰角方向.其中一組測試: 離子能量設定為51.84 eV,偏轉電壓為0 V,通過改變儀器的仰角—3.5°,—3.0°,—2.5°,—2.0°,—1.5°,—1.0°,—0.5°,0.05°和0.55°,獲得的圖像如圖14 所示.圖像對比表明,偏轉電壓為0 V 時對應的仰角為—1.5°.

圖14 離子成像儀在離子束能量為E=51.84 eV 時俯仰角掃描測試圖像(俯仰角掃描范圍—3.5°— 0.5°,間隔0.5°)Fig.14.Images of one test case (ion energy is 51.84 eV and deflection voltage is 0 V).

視場范圍測試共選擇了5 個測試點,進行仰角與偏轉電壓的測試.根據測試結果,擬合獲得了偏轉板因子S與俯仰角之間的關系曲線,如圖15 所示.圖中的偏轉板因子S定義如下:

圖15 離子成像儀俯仰角與偏轉板因子擬合曲線Fig.15.Fitting curve of elevation angle and deflection plate factor.

式中,Vup和Vlow分別為上、下偏轉板電壓;E為入射離子能量;q為離子電荷.

依據擬合曲線,可獲得了成像儀的俯仰角公式為

根據偏轉板因子S與俯仰角擬合公式,當離子能量是204 eV 時,需要的偏轉電壓最大,通過調整偏轉板因子S,獲得對應的仰角分別為—50.47°,50.91°.綜合分析,離子成像儀的視場定標結果為360°×101.38°

由于定標測試系統(tǒng)的能力限制,此次定標測試未覆蓋全部能量范圍,尤其是50 eV 以下的能量段.對50 eV 以下的能量的性能定標采用結合仿真結果進行外推,這種方法也是國際上衛(wèi)星載荷定標的常用方法.為實現高時間分辨率,離子成像儀內部設計有一個圖像快速采集電路,該電路由FPGA 和高速采集AD 組成.圖像快速采集電路的工作周期為1 s,每1 秒采集23 張圖片.由此計算得到,離子成像儀的時間分辨率為43.478 ms.通過對離子成像儀定標測試的結果分析,離子能量分辨率、視場分辨率和時間分辨率也均達到了科學任務的指標要求.

4 結論

根據空間站的任務要求,通過對等離子體原位成像探測技術的研究,完成了等離子體原位成像探測器的自主設計與研制.探測器所有傳感器均已進行了定標測試,包括離子成像儀、朗繆爾探針、阻滯勢分析儀、離子漂移計以及參考電位計等.定標測試結果表明滿足任務要求的性能指標,能夠實現對電離層等離子體的密度、溫度、離子能量、方向以及空間站充電電位等多要素綜合探測.

等離子體原位成像探測器作為中國空間站的第一批艙外空間環(huán)境科學載荷,已隨問天艙在海南文昌成功發(fā)射.后續(xù),將由航天員在軌操作將探測器與載荷適配器、機械臂適配器組裝成組合體.然后,由機械臂抓取出艙,安裝在問天艙艙外暴露平臺上,開展長期科學探測.