一種外日球?qū)邮捌痣x子探測器的設計與仿真

高天豐，孔令高，*，蘇斌，張愛兵

(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)

日球?qū)邮翘栵L在星際空間“吹”出來的巨大磁化等離子體泡，是主要受太陽風控制的區(qū)域。日球?qū)又惺捌痣x子（pickup ions，PUIs）廣泛存在。當來源于星際介質(zhì)、行星及其他小天體的中性成分與太陽紫外光和太陽風相互作用（光電離、電子碰撞電離或電荷交換）時[1-2]，產(chǎn)生的離子可以被背景磁場拾起，這部分離子稱之為拾起離子。

PUIs 的探測已有近半個世紀的歷史，多數(shù)的深空探測計劃都有探測PUIs 的能力，早期的如Pioneer 10/11[3]、Voyager1/2[4]、AMPTE[5]、Ulysses[6]、Galileo[7]、SOHO[8]、ACE[9]；近20 年內(nèi)的如Cassini[10]、New Horizons[11]、STEREO[12]、Chang’E-1[13]、MAVEN[14]、Rosetta[15]和Juno[16]等。這些探測計劃搭載的相關載荷都開展了不同程度的星際或行星空間PUIs 探測。

外日球?qū)邮侵? 個天文單位（astronom icalunits，AU）以外的日球?qū)訁^(qū)域。外日球?qū)邮捌痣x子主要是通過星際介質(zhì)中的中性原子與太陽光及太陽風粒子之間發(fā)生光電離、電子碰撞電離或電荷交換作用而產(chǎn)生的，與常規(guī)深空離子環(huán)境相比，外日球?qū)邮捌痣x子具有低速（～25km/s，2eV）、低密度（～1×10?3cm?3）、低溫（～6×103K）的特征[17-18]。外日球?qū)邮捌痣x子的典型成分有：H+、He+、He2+、C+、N+、O+、Ne+等[19-21]。隨著日心距的不斷增加，來自星際介質(zhì)中的中性原子（氫）的密度也不斷增加，因此，外日球?qū)又惺捌痣x子也越來越重要。受此影響，內(nèi)、外日球?qū)拥奶栵L的結構也有著本質(zhì)的區(qū)別。在10～100AU 之間，太陽風速下降約1 0 0 km/s,這是由于在外日球?qū)又校^快的太陽風中加載了較慢的拾起離子，太陽風逐漸減速。在外日球?qū)拥目偰芰恳詣幽芎蜔崮転橹?，動能減少時，熱能必然增大，40 AU之外，拾起離子的熱壓要高于太陽風原質(zhì)子的熱壓和磁壓之和，因此拾起離子對外日球?qū)犹栵L動力學結構會有顯著影響[22-25]。對外日球?qū)邮捌痣x子的探測，有助于理解外日球?qū)犹栵L減速和拾起離子加熱機制，對外日球?qū)哟蟪叨冉Y構和動力學過程的研究也具有重要意義。

目前深空探測計劃中的PUIs 探測載荷大多以行星等離子體或太陽風為主要探測目標，并不是專門的PUIs 探測儀器，難以同時滿足高能量分辨率、低能量響應、大幾何因子和高質(zhì)譜分辨率的探測需求，也就難以實現(xiàn)對低溫、低速、低密度的外日球?qū)邮捌痣x子的科學探測目標。

PUIs 的能量與通常的太陽風或星際等離子體接近，其探測技術手段與常用等離子體探測手段類似：對于能量的測量主要采用靜電分析器（electrostatic analyzer，ESA）實現(xiàn)；對于成分的分辨需要在靜電分析器基礎上結合飛行時間系統(tǒng)（time o f flight,TOF）實現(xiàn)。Ne w Horizons 的冥王星周圍的太陽風（the solarwindaround Pluto，SWAP）載荷首次以外日球?qū)覲UIs 為主要探測目標，采用的是球形靜電分析器設計方案，具有大幾何因子、高能量分辨率的優(yōu)點，可實現(xiàn)能量范圍35～7 5 0 0 eV 的PUIs的探測。SWAP 探測目標為最遠約30 AU 處的太陽風離子和PUIs，最低探測能量為35 eV，無離子成分分辨能力。

采用飛行時間系統(tǒng)進行離子成分分辨是等離子體及PUIs 載荷最常用的技術手段。飛行時間系統(tǒng)主要有均勻場飛行時間系統(tǒng)和線性場飛行時間系統(tǒng)（linear-electric-field time-of-flight analyzer，LEFTOF）2 種。均勻場飛行時間系統(tǒng)結構簡單，質(zhì)量分辨率不高[14]，探測型號項目主要有STEREO/PLASTIC 和MAVEN/STATIC；線性場飛行時間系統(tǒng)結構復雜，質(zhì)量分辨率較高[10]，探測型號項目主要有Cassini/IMS 和BepiColombo/MSA[26]。

Cassini 衛(wèi) 星 的 離 子 質(zhì) 譜 儀（ion mass spectrometer，IMS）載荷是采用線性場飛行時間系統(tǒng)實現(xiàn)高質(zhì)譜分辨離子探測的典型載荷。Cassini/IMS 探測目標是較為稠密的行星等離子體，幾何因子較?。ā?0?5cm2·sr·eV/eV），不能滿足低密度外日球?qū)邮捌痣x子的探測需求。

外日球?qū)右呀?jīng)逐漸成為未來深空探測的熱點。隨著探測距離的不斷向外擴展，拾起離子的密度、速度、溫度將越來越低，現(xiàn)有的傳統(tǒng)拾起離子探測方案已經(jīng)不能滿足對外日球?qū)覲UIs 的高分辨探測需求，迫切需要對新型高分辨拾起離子探測技術進行研究。

本文介紹了一種全新的高分辨外日球?qū)邮捌痣x子探測器，以超環(huán)面靜電分析器和線性場飛行時間系統(tǒng)為基本設計方案，配合阻滯勢分析器和靜電偏轉板掃描，具有低能量響應、大幾何因子、高能量分辨、大視場范圍和高質(zhì)譜分辨的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對外日球?qū)拥退?、低密度、低溫的拾起離子的高分辨探測。

1 儀器設計

外日球?qū)痈叻直媸捌痣x子探測器，主要包括傳感器和電子學兩部分。傳感器用于入射拾起離子的調(diào)制和信號感應，輸出信號給電子學；電子學負責對傳感器輸出信號進行處理并為傳感器各電極提供高壓電源。傳感器設計原理和離子飛行軌跡示意如圖1 所示，傳感器部分主要由阻滯勢分析器（retarding potential analyzer，RPA）、偏轉板、超環(huán)面靜電分析器、線性場飛行時間系統(tǒng)、固體半導體探測器（solid-state semiconductor detector，SSD）、微通道板（m icrochannelplate，MCP）和陽極等組成。

圖1 拾起離子傳感器設計原理Fig.1 Design scheme of pickup ion sensor

處于儀器視場范圍內(nèi)的離子先進入RPA，RPA通過掃描高壓對離子能量進行首次選擇，能量高于阻滯閾值的離子才能穿過RPA，低于阻滯閾值的離子將被阻擋。偏轉板用于對穿過RPA 的離子方向進行調(diào)制，選擇特定方向的離子進入后端的靜電分析器。靜電分析器用于離子能量的2 次選擇，能穿過靜電分析器的離子能量與靜電分析器所加電壓成正比。從靜電分析器出射的離子被?15 kV 的加速高壓加速，離子穿過超薄碳膜產(chǎn)生次級電子，次級電子打在底部起始微通道板上產(chǎn)生起始信號，離子繼續(xù)飛行并被線性場減速再反向加速打在頂部SSD 上產(chǎn)生終止信號。終止信號和起始信號之間的時間差即為離子的飛行時間。分析飛行時間譜和SSD 測量的剩余能量可給出離子的成分和電荷態(tài)信息。

1.1 靜電分析器

針對低速、低密度外日球?qū)覲UIs 的探測需求，要求儀器可探測的低端能量低至約2 eV，同時還要具有較大的幾何因子實現(xiàn)低密度的探測。本文方案采用平頂蓋的超環(huán)面靜電分析器，如圖2 所示，具有大幾何因子的優(yōu)點，同時與其他類型的靜電分析器相比，離子出射后匯聚的焦點位置更低、聚焦特性更好，便于和后端LEF-TOF 配合實現(xiàn)高質(zhì)譜分辨率探測。

圖2 ESA基本結構示意圖Fig.2 Basic structure diagram of ESA

平頂蓋超環(huán)面靜電分析器由內(nèi)、外超環(huán)形極板組成[27]，內(nèi)極板加電壓，外極板接地，形成徑向電場，引導離子穿過靜電分析器狹縫。

穿過靜電分析器的離子能量電荷比與靜電分析器電壓成正比關系：

式中：E為離子能量；q為離子電荷量；K為靜電分析器常數(shù)；V為靜電分析器內(nèi)外極板電壓差。

靜電分析器常數(shù)由狹縫平均半徑Rp和其寬度ΔR確定：

式中：Rp=(R1+R2)/2，ΔR=R2?R1，R1、R2分別為分析器的內(nèi)外極板半徑，R1=58.0mm，R2=67.0mm。其他尺寸如圖2 所示：R3=36.1mm，D=28.0mm，θ0=92.5°。靜電分析器常數(shù)是靜電分析器的固有特性參數(shù)，直接決定探測器的能量分辨率和可探測離子能量范圍。

1.2 阻滯勢分析器

針對外日球?qū)拥蜏豍UIs 的探測需求，要求儀器具有高的能量分辨率。靜電分析器具有離子能量分辨能力。對于靜電分析器來說，更高的能量分辨率需要更小的狹縫寬度，對應著更小的幾何因子。因此，靜電分析器通常無法同時實現(xiàn)高能量分辨率和大幾何因子。本文提出的拾起離子探測器采用靜電分析器配合RPA 的方案，在靜電分析器入口前設置一圓柱型結構的RPA，用于控制可進入靜電分析器的離子最低端能量的大小，配合靜電分析器的能量分辨，提高儀器的能量分辨率。RPA 主要由4 層柵網(wǎng)組成，其中內(nèi)、外2 層柵網(wǎng)接地，中間2 層柵網(wǎng)加掃描高壓用于選擇離子能量，RPA 簡化模型如圖3 所示。

圖3 RPA模型Fig.3 Model of RPA

掃描高壓選擇穿過RPA 離子的能量滿足式(3)[11]：

式中：VRPA為RPA 柵網(wǎng)阻滯正電壓；q為離子電荷量；β為入射離子的俯仰角；E為可通過柵網(wǎng)的離子能量。

當ESA 電壓固定、RPA 不加電壓時，ESA 選擇的有效離子能譜近似符合高斯分布，如圖4（a）所示。當固定ESA 電壓，進行RPA 電壓掃描時，通帶以可變的“鯊魚鰭”形狀切斷，如圖4（b）所示。對相鄰的RPA/ESA 電壓組合進行微分，就可以實現(xiàn)入射離子的高能量分辨率測量，如圖4（c）所示。

圖4 ESA和RPA不同組合時的能譜響應Fig.4 Energy response of different combinations of ESA and RPA

1.3 線性場飛行時間系統(tǒng)

高質(zhì)譜分辨和電荷態(tài)的區(qū)分是外日球?qū)覲UIs的基本探測需求。本文方案采用線性場飛行時間系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的均勻場飛行時間系統(tǒng)，飛行距離和飛行時間更長，可得到更高質(zhì)譜分辨率的飛行時間譜。本文設計方案中在線性場飛行時間系統(tǒng)中結合固體半導體探測器，可以給出離子的電荷量。

線性場飛行時間系統(tǒng)通過設置電極電壓，在內(nèi)部產(chǎn)生沿垂直方向線性變化的電場，進入飛行時間系統(tǒng)的離子被電場減速、反射然后反向加速打到頂部固體半導體探測器進行剩余能量探測，根據(jù)飛行時間譜和剩余能量并結合靜電分析器的探測結果即可得到離子質(zhì)量M、電荷q和能量E等參數(shù)，從而達到鑒別離子種類的目的。

離子在LEF-TOF 系統(tǒng)中的飛行時間為[28]

式中：Z為核電荷數(shù)；e為單位電荷帶電量；q=Ze；M為離子質(zhì)量；k為線性場常數(shù)，僅與飛行時間系統(tǒng)結構有關。離子飛出靜電分析器時的能量為E，然后經(jīng)過加速電壓UACC（已知）加速，穿過超薄碳膜損失部分能量Eloss，單位電荷損失能量Eloss/q為碳膜特性參數(shù)（已知），離子在LEF-TOF 中經(jīng)過飛行時間τ（實測）打在頂部半導體探測器，探測到剩余能量Eres（實測），則有

E/q由靜電分析器電壓和靜電分析器常數(shù)決定，則離子能量為

至此，結合已知量和實測量，離子的能量E、電荷q和質(zhì)量M被完全確定。

1.4 偏 轉 板

偏轉板在粒子探測中有廣泛應用，有磁偏轉板和靜電偏轉板之分，用于調(diào)節(jié)入射粒子的飛行方向。在靜電分析器中使用的偏轉板通常是靜電偏轉板，位于靜電分析器外部入口處或準直通道內(nèi)[11,14]，如圖5 所示。位于外部入口處的偏轉板的偏轉能力更強，效果也更好，視場范圍也更寬，其明顯的缺點是使儀器整體尺寸和重量偏大；而位于準直通道內(nèi)的偏轉板，占用的是已有準直通道內(nèi)部空間，可節(jié)省儀器尺寸和重量。本文方案采用的是位于靜電分析器準直通道內(nèi)的偏轉板，如圖5（b）所示，結構簡單，配合靜電分析器進行電壓掃描，采用較小的尺寸擴大俯仰角視場范圍。

圖5 靜電分析器中的偏轉板位置Fig.5 Positions of deflectors in electrostatic analyzers

2 仿真模型建立

針對拾起離子探測器的傳感器設計，采用有限元仿真軟件SIM ION 進行性能參數(shù)的全面仿真。SIM ION 軟件廣泛用于帶電粒子探測儀器的仿真[29-30]。

SIM ION 軟件中，仿真模型的建立主要包括三部分內(nèi)容：①建立三維結構有限元模型；②建立探測器內(nèi)部電場模型；③建立入射離子源模型。

SIM ION 仿真軟件根據(jù)建立的探測器三維結構進行有限元劃分和各電極電壓計算探測器內(nèi)部電場。仿真所用輸入離子源模型采用蒙特卡羅方法建立。針對不同性能參數(shù)進行仿真時，入射離子的能量以單能量或采用隨機均勻抽樣方法建立，位置、方向等信息采用隨機均勻抽樣方法建立，共產(chǎn)生N個離子作為入射源。SIM ION 根據(jù)入射離子源和探測器內(nèi)部電場計算離子在電場中的運行軌跡。根據(jù)需要可統(tǒng)計離子在任意目標位置處的能量、方位角、俯仰角、飛行時間等信息。根據(jù)離子參數(shù)的統(tǒng)計信息可以獲得儀器的相應技術指標。圖6 為ESA 和LEF-TOF 加電壓時電場等勢線的分布圖。圖7 為離子在ESA 和LEF-TOF 中的仿真飛行軌跡。

圖6 ESA和LEF-TOF電場等勢線Fig.6 Electric field equipotential line of ESA and LEF-TOF

圖7 機翼氣動彈性變形前后上翼面壁板邊界結點位置對比示意圖Fig.7 Comparation of node location on edges of focusing panel before and after aeroelastic deformation

3 仿真結果與分析

3.1 能量范圍和能量分辨率

拾起離子探測器的探測能量范圍和能量分辨率決定了拾起離子探測的速度范圍和溫度范圍。從拾起離子探測器的探測原理可知，靜電分析器常數(shù)K表征了靜電分析器的結構特征，也決定了靜電分析器的固有探測能量分辨率。由式（1），靜電分析器常數(shù)K結合靜電分析器的掃描高壓范圍可以給出儀器的探測能量范圍。

仿真過程中，入射離子的位置、方向、能量等信息，采用隨機均勻抽樣方法建立，俯仰角范圍?11°～0°，能量范圍830～1 2 0 0 eV，共產(chǎn)生N個離子作為入射源，圖8 給出了靜電分析器內(nèi)極板電壓V1=?234.6V，RPA 不加電壓時，靜電分析器的能譜響應。能譜近似高斯分布，中心能量E0=1000eV，則靜電分析器常數(shù)K=1000/234.6=4.26。靜電分析器固有能量分辨率η是高斯擬合能譜分布半高寬（full width at halfmaximum，F(xiàn)WHM）與中心能量E0的比值[31]，即η=FWHM/E0=142.6/1000=0.1426。

圖8 ESA仿真離子能譜Fig.8 Simulated energy spectrum of ESA

拾起離子探測器總的能量分辨率由ESA 的固有能量分辨率和RPA 的掃描特性共同決定。理論上根據(jù)圖4 的結果，探測器總的能量分辨率只由RPA 的電壓掃描臺階間隔決定。實際上由于RPA的入射窗口有一定的寬度，RPA 電壓固定情況下，按照式（3），能夠被選擇進入RPA 的離子能量截止點與離子入射俯仰角相關，即截止能量是一個分布。

為了準確仿真RPA 的特性，采用的仿真方法是固定ESA 的電壓為?235V，對不同單能量離子束進行RPA 電壓掃描（850～1 0 5 0 V），統(tǒng)計飛出ESA 的離子數(shù)，與RPA 未加電壓時的離子計數(shù)做比值進行歸一化，獲得儀器響應曲線，如圖9 所示。

對圖9 中的各曲線進行微分并歸一化，以RPA電壓和離子束能量的比值作為橫坐標，可得到如圖10所示的曲線，曲線展寬表征了RPA 和ESA 相結合后的能量分辨率。分析這些曲線可知拾起離子探測器的能量分辨率約為1.60%。

圖9 單能量離子束在RPA電壓掃描下的計數(shù)率Fig.9 Counting rates of monoenergetic beams with RPA voltages

圖10 RPA加電壓時離子計數(shù)率微分曲線Fig.10 Differential ion counting rates with RPA voltages

拾起離子探測的能量下限決定于靜電分析器內(nèi)極板所加電壓最小值，約為?0.3V。結合式(1)，探測能量最小值為1.28 eV/e。拾起離子探測的能量上限決定于RPA 掃描電壓的最大值，約為6000V，則探測最大能量為6ke V/e。經(jīng)過速度換算，探測能量范圍對應的H+速度范圍為15.7～1072.2km/s。在相同能量范圍下，對應的Ne+的速度范圍為3.5～239.8 km/s。

拾起離子探測器的能量分辨率決定了探測離子溫度的下限。離子溫度Ti定義為

式中：mi、vth、ΔE分別為離子質(zhì)量、熱運動速度和能量分布展寬；kB為玻爾茲曼常數(shù)。結合能量分辨率計算，離子溫度探測≥474.9 K。

3.2 方位角分辨率

拾起離子探測器的傳感器具有旋轉對稱結構，其固有探測視場為360°。以固定方位角的平行束離子入射后在靜電分析器出口會聚焦成一點，焦點位置與入射方位角相對應，如圖11 所示。

圖11 超環(huán)面靜電分析器焦點位置仿真Fig.11 Focal point of toroidal electrostatic analyzer

拾起離子探測器的方位角通過離子穿過碳膜以后產(chǎn)生的次級電子在起始MCP 上的位置確定。因此次級電子在起始MCP 上的位置分布寬度就決定了方位角分辨率的大小。方位角分辨率還與RPA所加電壓相關。

方位角分辨率定義為次級電子在MCP 上形成的光斑與旋轉中心構成的圓心角的大小。

圖12 為RPA 未加電壓時次級電子在MCP 上的計數(shù)分布。根據(jù)該分布計算方位角分辨率為0.78°。

圖12 次級電子在MCP上的計數(shù)分布Fig.12 Count distribution of secondary electrons on MCP

改變RPA 電壓，離子的聚焦特性會發(fā)生改變，起始MCP 上次級電子的位置分布也將發(fā)生變化，圖13 給出了幾個不同RPA 電壓下的次級電子位置分布圖。圖14 給出了ESA 內(nèi)極板電壓保持?235 V，RPA 電壓由820V 增加至1 0 7 0 V，方位角分辨率隨著RPA 電壓和ESA 電壓比值的變化曲線。方位角分辨率隨著RPA 電壓和ESA 比值的增大逐漸降低，數(shù)值由2.2°增大至4.5°。

圖13 次級電子在MCP上的計數(shù)分布隨RPA電壓的變化Fig.13 Count distribution of secondary electrons on MCP with RPA voltages

圖14 方位角分辨率隨RPA電壓的變化曲線Fig.14 Curve of azimuth resolution with RPA voltages

第3.2 節(jié)所仿真的方位角分辨率為儀器的極限角度分辨能力。在實際的儀器設計當中，結合科學目標要求和探測數(shù)據(jù)下行能力，會在極限角度分辨能力基礎之上進行適當?shù)恼{(diào)整，以減小科學數(shù)據(jù)量。拾起離子探測器初步設計在360°方位角上劃分為24 個探測通道，每個通道的方位角分辨率為15°。

3.3 俯仰角范圍和角度分辨率

俯仰角視場范圍由傳感器入射窗口寬度和偏轉板電壓共同決定。

圖15 給出的是偏轉板未加電壓時，儀器的俯仰角響應。采用高斯擬合，俯仰角中心約為?4.8°，半高寬（俯仰角分辨率）為4.3°。

圖15 有效離子入射俯仰角分布Fig.15 Elevation angle distribution of effective ions

偏轉板加電壓時，有效離子的俯仰角范圍會發(fā)生變化。定義偏轉板因子：

式中：Vdef為偏轉板電壓；E和q分別為測量離子能量和電荷量。圖16 給出了E0=1 keV 時，偏轉板加不同電壓時有效離子入射俯仰角分布。當偏轉板電壓由0V 加至?1 7 0V 時，俯仰角視場中心值變化范圍為?4.8°～1.1°，半高寬變化范圍為?6.9°～3.6°。

圖16 偏轉板加不同電壓時有效離子入射俯仰角分布Fig.16 Elevation angle distribution of effective ions with deflector biased to different voltages

圖17 給出了俯仰角中心角度βc和偏轉板因子S的擬合曲線，擬合方程為

圖17 俯仰角中心角度βc和偏轉板因子S的仿真結果擬合曲線Fig.17 Simulation results and fitting line between βc and S

根據(jù)曲線和擬合方程可計算任意能量點對應不同俯仰角所需的偏轉板電壓。

3.4 幾何因子

幾何因子反映了儀器的接收面積、接收立體角、能量范圍的大小，表征了儀器探測靈敏度。探測靈敏度決定了探測拾起離子的密度最小值。

對于具有旋轉對稱結構的靜電分析器，幾何因子定義如下[12]：

式中：α、β、E和Aact分別為方位角、俯仰角、能量和有效面積，有效面積為幾何探測面積和探測效率的乘積。

圖18 給出的是儀器在E-β空間中響應分布仿真結果。取單個通道的方位角視場α=15°，利用式（12）對圖18 所示的E-β相空間進行積分，可獲得一個方位角通道的幾何因子，為2.99×10?3cm2·sr·eV/eV。

圖18 1 keV離子束E-β相空間分布Fig.18 E-β phase space distribution of a beam of 1 keV ions

結合能量分辨率，將積分幾何因子2.99×10?3cm2·sr·eV/eV 轉化為不含能量的幾何因子，約為0.02096cm2·sr。

離子數(shù)密度的計算積分式為

為確定儀器可探測密度范圍，假設空間中的離子（H+）分布符合麥克斯韋分布，離子群速度取典型速度25km/s[18]，溫度取8000K[32]，當密度范圍取1×10?4～100cm?3時，根據(jù)幾何因子仿真結果計算得到，計數(shù)率為3.4～3.4×106個/s。該計數(shù)率范圍在儀器電子學計數(shù)能力范圍之內(nèi)，表明儀器可以實現(xiàn)1×10?4～100cm?3的密度探測。

3.5 質(zhì)譜分辨率

儀器的質(zhì)譜分辨率由飛行時間系統(tǒng)測量的飛行時間譜的展寬決定。飛行時間展寬主要由ESA出射離子的能量展寬及離子穿過碳膜引起的能量和方向展寬引起。

由于不同成分離子穿過碳膜的響應不同，質(zhì)譜分辨率也不相同，仿真分別對H+、He+、He2+、C+、N+、O+、Ne+成分開展。仿真過程中首先利用SRIM 仿真軟件對離子（包括?15 kV 的加速）在碳膜中的軌跡和出射特性進行仿真，如圖19 所示。離子入射源分布符合ESA 出射離子的能量展寬特征。統(tǒng)計離子從碳膜出射后的能量損失和散射。以碳膜出射離子為輸入源，用SIM ION 仿真軟件進行仿真，獲得不同成分離子飛行時間譜如圖20 所示。

圖19 離子在碳膜中的軌跡仿真Fig.19 Trajectory simulation of ions in carbon foil

圖20 離子成分H+～Ne+飛行時間譜Fig.20 Spectrum of time-of-flight for H+～Ne+

以初始能量E0=1.28（±0.1）eV，電荷量q=1，質(zhì)量M=1 的H+離子為例，飛行時間圖譜如圖21 所示。

圖21 1.28 eV H+飛行時間圖譜Fig.21 Spectrum of time-of-flight for 1.28 eV H+

由飛行時間譜的峰值中心和展寬比值，結合式（8），可得到質(zhì)譜分辨率M/ΔM=(τ/Δτ)/2=54.5。

綜合第1 節(jié)～3 節(jié)所有內(nèi)容，本文針對外日球?qū)拥蜏?、低密度、低速拾起離子的高分辨探測需求，設計了一種高分辨拾起離子探測器。拾起離子探測器采用阻滯勢分析器、頂蓋式超環(huán)面靜電分析器和線性場飛行時間系統(tǒng)結合的設計方案。利用SIM ION 和SRIM 仿真軟件對拾起離子探測器的主要性能指標進行了仿真模擬，儀器主要技術指標的仿真結果如表1 所示。仿真結果表明儀器具有低能量探測、高能量分辨率、大視場、大幾何因子和高質(zhì)譜分辨率的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)外日球?qū)拥退?、低密度、低溫拾起離子的高分辨探測。

表1 拾起離子探測器技術指標仿真結果Tab le 1 Sim ulation specifications of pickup ion detector

4 結 論

本文通過對外日球?qū)邮捌痣x子探測器的設計與仿真，展示了空間等離子體儀器的設計思路及實現(xiàn)過程，根據(jù)仿真結果可得到如下結論：

1)通過ESA 和RPA 的組合，可實現(xiàn)低速、低溫、低密度拾起離子的探測，速度低至15.7 km/s，溫度低至474.9K，密度低至1×10?4cm?3。

2)通過LEF-TOF 與固體半導體探測器的組合，可實現(xiàn)高質(zhì)譜分辨率（＆gt;40）探測并給出離子電荷態(tài)信息。

3)探測器可探測的離子不局限于本文的主要探測對象PUIs，當RPA 的掃描電壓設置為0 時，探測器可探測速度、溫度、密度更高的太陽風離子。

儀器的仿真結果為后續(xù)儀器的工程實現(xiàn)、地面定標試驗及在軌數(shù)據(jù)處理奠定了基礎。

后續(xù)的工作將開展原理樣機的研制，對原理樣機進行地面測試定標，并與仿真模擬結果進行比對，驗證設計和仿真的合理性和準確性。

致謝感謝天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室和中國科學院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術重點實驗室相關課題的支持。