高天豐，孔令高，*，蘇斌，張愛兵

(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)

日球?qū)邮翘栵L(fēng)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(fēng)控制的區(qū)域。日球?qū)又惺捌痣x子（pickup ions，PUIs）廣泛存在。當(dāng)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(fēng)相互作用（光電離、電子碰撞電離或電荷交換）時(shí)[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(gè)世紀(jì)的歷史，多數(shù)的深空探測計(jì)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(jì)劃搭載的相關(guān)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(gè)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(fēng)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(fēng)的結(jié)構(gòu)也有著本質(zhì)的區(qū)別。在10～100AU 之間，太陽風(fēng)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(fēng)中加載了較慢的拾起離子，太陽風(fēng)逐漸減速。在外日球?qū)拥目偰芰恳詣?dòng)能和熱能為主，動(dòng)能減少時(shí)，熱能必然增大，40 AU之外，拾起離子的熱壓要高于太陽風(fēng)原質(zhì)子的熱壓和磁壓之和，因此拾起離子對(duì)外日球?qū)犹栵L(fēng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)有顯著影響[22-25]。對(duì)外日球?qū)邮捌痣x子的探測，有助于理解外日球?qū)犹栵L(fēng)減速和拾起離子加熱機(jī)制，對(duì)外日球?qū)哟蟪叨冉Y(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程的研究也具有重要意義。

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

PUIs 的能量與通常的太陽風(fēng)或星際等離子體接近，其探測技術(shù)手段與常用等離子體探測手段類似：對(duì)于能量的測量主要采用靜電分析器（electrostatic analyzer，ESA）實(shí)現(xiàn)；對(duì)于成分的分辨需要在靜電分析器基礎(chǔ)上結(jié)合飛行時(shí)間系統(tǒng)（time o f flight,TOF）實(shí)現(xiàn)。Ne w Horizons 的冥王星周圍的太陽風(fēng)（the solarwindaround Pluto，SWAP）載荷首次以外日球?qū)覲UIs 為主要探測目標(biāo)，采用的是球形靜電分析器設(shè)計(jì)方案，具有大幾何因子、高能量分辨率的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)能量范圍35～7 5 0 0 eV 的PUIs的探測。SWAP 探測目標(biāo)為最遠(yuǎn)約30 AU 處的太陽風(fēng)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(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行離子成分分辨是等離子體及PUIs 載荷最常用的技術(shù)手段。飛行時(shí)間系統(tǒng)主要有均勻場飛行時(shí)間系統(tǒng)和線性場飛行時(shí)間系統(tǒng)（linear-electric-field time-of-flight analyzer，LEFTOF）2 種。均勻場飛行時(shí)間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量分辨率不高[14]，探測型號(hào)項(xiàng)目主要有STEREO/PLASTIC 和MAVEN/STATIC；線性場飛行時(shí)間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量分辨率較高[10]，探測型號(hào)項(xiàng)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(shí)間系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)譜分辨離子探測的典型載荷。Cassini/IMS 探測目標(biāo)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(diǎn)。隨著探測距離的不斷向外擴(kuò)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(duì)外日球?qū)覲UIs 的高分辨探測需求，迫切需要對(duì)新型高分辨拾起離子探測技術(shù)進(jìn)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(shí)間系統(tǒng)為基本設(shè)計(jì)方案，配合阻滯勢分析器和靜電偏轉(zhuǎn)板掃描，具有低能量響應(yīng)、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(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外日球?qū)拥退佟⒌兔芏?、低溫的拾起離子的高分辨探測。

1 儀器設(shè)計(jì)

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(xué)兩部分。傳感器用于入射拾起離子的調(diào)制和信號(hào)感應(yīng)，輸出信號(hào)給電子學(xué)；電子學(xué)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理并為傳感器各電極提供高壓電源。傳感器設(shè)計(jì)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(zhuǎn)板、超環(huán)面靜電分析器、線性場飛行時(shí)間系統(tǒng)、固體半導(dǎo)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(shè)計(jì)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(jìn)入RPA，RPA通過掃描高壓對(duì)離子能量進(jìn)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(zhuǎn)板用于對(duì)穿過RPA 的離子方向進(jìn)行調(diào)制，選擇特定方向的離子進(jìn)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(jí)電子，次級(jí)電子打在底部起始微通道板上產(chǎn)生起始信號(hào)，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(hào)。終止信號(hào)和起始信號(hào)之間的時(shí)間差即為離子的飛行時(shí)間。分析飛行時(shí)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(duì)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(shí)還要具有較大的幾何因子實(shí)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(diǎn)，同時(shí)與其他類型的靜電分析器相比，離子出射后匯聚的焦點(diǎn)位置更低、聚焦特性更好，便于和后端LEF-TOF 配合實(shí)現(xiàn)高質(zhì)譜分辨率探測。

圖2 ESA基本結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(guān)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)著更小的幾何因子。因此，靜電分析器通常無法同時(shí)實(shí)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(shè)置一圓柱型結(jié)構(gòu)的RPA，用于控制可進(jìn)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?xùn)啪W(wǎng)組成，其中內(nèi)、外2 層?xùn)啪W(wǎng)接地，中間2 層?xùn)啪W(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(dāng)ESA 電壓固定、RPA 不加電壓時(shí)，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(dāng)固定ESA 電壓，進(jìn)行RPA 電壓掃描時(shí)，通帶以可變的“鯊魚鰭”形狀切斷，如圖4（b）所示。對(duì)相鄰的RPA/ESA 電壓組合進(jìn)行微分，就可以實(shí)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(shí)的能譜響應(yīng)Fig.4 Energy response of different combinations of ESA and RPA

1.3 線性場飛行時(shí)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(shí)間系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的均勻場飛行時(shí)間系統(tǒng)，飛行距離和飛行時(shí)間更長，可得到更高質(zhì)譜分辨率的飛行時(shí)間譜。本文設(shè)計(jì)方案中在線性場飛行時(shí)間系統(tǒng)中結(jié)合固體半導(dǎo)體探測器，可以給出離子的電荷量。

線性場飛行時(shí)間系統(tǒng)通過設(shè)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(jìn)入飛行時(shí)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(dǎo)體探測器進(jìn)行剩余能量探測，根據(jù)飛行時(shí)間譜和剩余能量并結(jié)合靜電分析器的探測結(jié)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(dá)到鑒別離子種類的目的。

離子在LEF-TOF 系統(tǒng)中的飛行時(shí)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(shí)間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。離子飛出靜電分析器時(shí)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(shí)間τ（實(shí)測）打在頂部半導(dǎo)體探測器，探測到剩余能量Eres（實(shí)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(jié)合已知量和實(shí)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(zhuǎn) 板

偏轉(zhuǎn)板在粒子探測中有廣泛應(yīng)用，有磁偏轉(zhuǎn)板和靜電偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)板通常是靜電偏轉(zhuǎn)板，位于靜電分析器外部入口處或準(zhǔn)直通道內(nèi)[11,14]，如圖5 所示。位于外部入口處的偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)能力更強(qiáng)，效果也更好，視場范圍也更寬，其明顯的缺點(diǎn)是使儀器整體尺寸和重量偏大；而位于準(zhǔn)直通道內(nèi)的偏轉(zhuǎn)板，占用的是已有準(zhǔn)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(zhǔn)直通道內(nèi)的偏轉(zhuǎn)板，如圖5（b）所示，結(jié)構(gòu)簡單，配合靜電分析器進(jìn)行電壓掃描，采用較小的尺寸擴(kuò)大俯仰角視場范圍。

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

2 仿真模型建立

針對(duì)拾起離子探測器的傳感器設(shè)計(jì)，采用有限元仿真軟件SIM ION 進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)澐趾透麟姌O電壓計(jì)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(duì)不同性能參數(shù)進(jìn)行仿真時(shí)，入射離子的能量以單能量或采用隨機(jī)均勻抽樣方法建立，位置、方向等信息采用隨機(jī)均勻抽樣方法建立，共產(chǎn)生N個(gè)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(jì)算離子在電場中的運(yùn)行軌跡。根據(jù)需要可統(tǒng)計(jì)離子在任意目標(biāo)位置處的能量、方位角、俯仰角、飛行時(shí)間等信息。根據(jù)離子參數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息可以獲得儀器的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。圖6 為ESA 和LEF-TOF 加電壓時(shí)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(jī)翼氣動(dòng)彈性變形前后上翼面壁板邊界結(jié)點(diǎn)位置對(duì)比示意圖Fig.7 Comparation of node location on edges of focusing panel before and after aeroelastic deformation

3 仿真結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jī)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(gè)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(shí)，靜電分析器的能譜響應(yīng)。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(jié)果，探測器總的能量分辨率只由RPA 的電壓掃描臺(tái)階間隔決定。實(shí)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(jìn)入RPA 的離子能量截止點(diǎn)與離子入射俯仰角相關(guān)，即截止能量是一個(gè)分布。

為了準(zhǔn)確仿真RPA 的特性，采用的仿真方法是固定ESA 的電壓為?235V，對(duì)不同單能量離子束進(jìn)行RPA 電壓掃描（850～1 0 5 0 V），統(tǒng)計(jì)飛出ESA 的離子數(shù)，與RPA 未加電壓時(shí)的離子計(jì)數(shù)做比值進(jìn)行歸一化，獲得儀器響應(yīng)曲線，如圖9 所示。

對(duì)圖9 中的各曲線進(jìn)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(biāo)，可得到如圖10所示的曲線，曲線展寬表征了RPA 和ESA 相結(jié)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(jì)數(shù)率Fig.9 Counting rates of monoenergetic beams with RPA voltages

圖10 RPA加電壓時(shí)離子計(jì)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(jié)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(duì)應(yīng)的H+速度范圍為15.7～1072.2km/s。在相同能量范圍下，對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)速度和能量分布展寬；kB為玻爾茲曼常數(shù)。結(jié)合能量分辨率計(jì)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(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(huì)聚焦成一點(diǎn)，焦點(diǎn)位置與入射方位角相對(duì)應(yīng)，如圖11 所示。

圖11 超環(huán)面靜電分析器焦點(diǎn)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(jí)電子在起始MCP 上的位置確定。因此次級(jí)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(guān)。

方位角分辨率定義為次級(jí)電子在MCP 上形成的光斑與旋轉(zhuǎn)中心構(gòu)成的圓心角的大小。

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

圖12 次級(jí)電子在MCP上的計(jì)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(huì)發(fā)生改變，起始MCP 上次級(jí)電子的位置分布也將發(fā)生變化，圖13 給出了幾個(gè)不同RPA 電壓下的次級(jí)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(jí)電子在MCP上的計(jì)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(shí)際的儀器設(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)合科學(xué)目標(biāo)要求和探測數(shù)據(jù)下行能力，會(huì)在極限角度分辨能力基礎(chǔ)之上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以減小科學(xué)數(shù)據(jù)量。拾起離子探測器初步設(shè)計(jì)在360°方位角上劃分為24 個(gè)探測通道，每個(gè)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(zhuǎn)板電壓共同決定。

圖15 給出的是偏轉(zhuǎn)板未加電壓時(shí)，儀器的俯仰角響應(yīng)。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(zhuǎn)板加電壓時(shí)，有效離子的俯仰角范圍會(huì)發(fā)生變化。定義偏轉(zhuǎn)板因子：

式中：Vdef為偏轉(zhuǎn)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(shí)，偏轉(zhuǎn)板加不同電壓時(shí)有效離子入射俯仰角分布。當(dāng)偏轉(zhuǎn)板電壓由0V 加至?1 7 0V 時(shí)，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(zhuǎn)板加不同電壓時(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)板因子S的仿真結(jié)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(jì)算任意能量點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同俯仰角所需的偏轉(zhuǎn)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(duì)于具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)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(yīng)分布仿真結(jié)果。取單個(gè)通道的方位角視場α=15°，利用式（12）對(duì)圖18 所示的E-β相空間進(jìn)行積分，可獲得一個(gè)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(jié)合能量分辨率，將積分幾何因子2.99×10?3cm2·sr·eV/eV 轉(zhuǎn)化為不含能量的幾何因子，約為0.02096cm2·sr。

離子數(shù)密度的計(jì)算積分式為

為確定儀器可探測密度范圍，假設(shè)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(dāng)密度范圍取1×10?4～100cm?3時(shí)，根據(jù)幾何因子仿真結(jié)果計(jì)算得到，計(jì)數(shù)率為3.4～3.4×106個(gè)/s。該計(jì)數(shù)率范圍在儀器電子學(xué)計(jì)數(shù)能力范圍之內(nèi)，表明儀器可以實(shí)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(shí)間系統(tǒng)測量的飛行時(shí)間譜的展寬決定。飛行時(shí)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(yīng)不同，質(zhì)譜分辨率也不相同，仿真分別對(duì)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(duì)離子（包括?15 kV 的加速）在碳膜中的軌跡和出射特性進(jìn)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(jì)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(jìn)行仿真，獲得不同成分離子飛行時(shí)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(shí)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(shí)間圖譜如圖21 所示。

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

由飛行時(shí)間譜的峰值中心和展寬比值，結(jié)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(duì)外日球?qū)拥蜏?、低密度、低速拾起離子的高分辨探測需求，設(shè)計(jì)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(shí)間系統(tǒng)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。利用SIM ION 和SRIM 仿真軟件對(duì)拾起離子探測器的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了仿真模擬，儀器主要技術(shù)指標(biāo)的仿真結(jié)果如表1 所示。仿真結(jié)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(diǎn)，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(shù)指標(biāo)仿真結(jié)果Tab le 1 Sim ulation specifications of pickup ion detector

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)外日球?qū)邮捌痣x子探測器的設(shè)計(jì)與仿真，展示了空間等離子體儀器的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)過程，根據(jù)仿真結(jié)果可得到如下結(jié)論：

1)通過ESA 和RPA 的組合，可實(shí)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(dǎo)體探測器的組合，可實(shí)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(duì)象PUIs，當(dāng)RPA 的掃描電壓設(shè)置為0 時(shí)，探測器可探測速度、溫度、密度更高的太陽風(fēng)離子。

儀器的仿真結(jié)果為后續(xù)儀器的工程實(shí)現(xiàn)、地面定標(biāo)試驗(yàn)及在軌數(shù)據(jù)處理奠定了基礎(chǔ)。

后續(xù)的工作將開展原理樣機(jī)的研制，對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行地面測試定標(biāo)，并與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真的合理性和準(zhǔn)確性。

致謝感謝天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)課題的支持。