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地球与行星物理

ISSN  2096-3955

CN  10-1502/P

叶雨光, 邹鸿等: 中地球轨道中国导航卫星能量电子探测仪器包

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中地球轨道中国导航卫星能量电子探测仪器包

叶雨光, 邹鸿等

北京大学地球与空间科学学院

大多数应用卫星的轨道位于低地球轨道(LEO)和地球同步轨道(GEO)区域。针对这两个轨道区域的科学探测数据积累的比较多。然而中地球轨道(MEO)是外辐射带中出现注入、加速、波和粒子相互作用等物理过程的主要区域, MEO轨道观测对于外辐射带物理过程研究具有重要作用。2012年8月发射的两颗范阿伦探测器上带有复杂的粒子、电磁场和波动探测载荷,它们提供了在第24个太阳活动周的最大和减弱阶段辐射带的详细观测结果,让我们对辐射带能量电子的加速、传输和损失机制有了进一步的认识,但同时也揭示了地球辐射带存在很多新的未知特性。随着范阿伦探测器任务在2019年结束,空间物理界需要新的任务来观测和揭示辐射带的未解之谜。随着新的太阳活动高年的到来,持续的系统探测MEO轨道辐射环境,获取宽能量范围(包括中能电子和高能电子)、高分辨率的能谱和投掷角的外辐射带电子数据,并在此基础上研究外带电子加速、传输和损失中的非线性波粒子相互作用、建立新的MEO的辐射环境模型并定义MEO轨道高能电子暴的标准,已在国际空间科学界形成了共识。与此同时,由于全球定位系统等应用的日益广泛和重要,MEO轨道辐射环境日益受到重视。MEO轨道相对论电子通量往往比地球同步轨道的要高很多,所以MEO轨道应比GEO轨道更容易出现内部充电/放电等粒子辐射效应。因此在MEO轨道对能量电子及充电效应进行测量对于空间物理理论研究和空间天气应用具有重要意义。

我国导航卫星主要部署在MEO轨道,其范围可以覆盖外辐射带核心区域及外辐射带边界区域,为外辐射带电子观测提供了一个非常好的平台。本文介绍了在我国三颗MEO轨道导航卫星上搭载的北京大学团队开发的能量电子探测仪器包的最新观测结果。该仪器包包括一个中能电子谱仪(MES)、一个高能粒子探测器(HED)和一个深层介质充电监测仪(DDCM,包括电子学箱),如图1所示,可以测量50keV~3.0MeV外带电子,覆盖种子电子和相对论电子能量范围。


图1. 能量电子探测仪器包实物图。左侧为中能电子谱仪,中间为高能粒子探测器,右侧为深层介质充电监测仪及电子学机箱。

能量电子探测包中的中能电子成像谱仪采用小孔成像技术,其探头张角可达180°,可同时测量9个方向入射的50~600keV电子,由此可以计算出中能电子投掷角分布。能量电子探测包中的高能电子探测器采用一个总厚度为5mm的E探测器构成的E-E望远镜探测器,可以测量0.5~3.0MeV的高能电子的能谱。深层介质充电监测仪采用航天载荷常用的FR4电路板为基材设计传感器,可以测量入射到传感器的粒子流产生的充电电压和电流。

利用放射源、电子枪和测试信号,我们对能量电子探测仪器包的三种传感器探头进行了地面测试和定标。根据实验结果,能量电子探测仪器包的三个探头具有良好的性能。以中能电子谱仪为例。图2显示了中能电子谱仪的9个方向通道对133Ba和207Bi放射源的10个特征能量峰的能量响应线性度。由图2可见,中能电子谱仪的9个方向通道具有很好的能量响应线性度(最大偏差为1.6%,平均为0.4%)。


图2. 中能电子谱仪的9个方向通道对133Ba和207Bi放射源的10个特征能量峰的能量响应线性度。蓝色点和红色点分别为133Ba和207Bi的特征峰能量响应点。直线为其线性拟合结果。

MEO1和MEO2上的能量电子探测仪器包已正常在轨运行近两年,MEO3上的能量电子探测仪器包也已正常在轨运行近一年。载荷的采样率为1s,其观测结果具有很高的时间和空间分辨率,目前已累计大量数据。为了验证能量电子探测仪器包观测数据的有效性,我们对比了范阿伦探测器和MEO轨道中国导航卫星观测的电子能谱。图3显示了2019年4月3日(地磁相对平静期:天平均Dst~-18.9nT)在L=4.6±0.05处范阿伦探测器(VAP-A)的磁电子谱仪MagEIS观测的电子能谱与MEO1星能量电子探测仪器包的MES和HED观测的电子能谱对比。如图3所示,两者符合得很好。


图3. 2019年4月3日在L=4.6±0.05处范阿伦探测器MagEIS与MEO1能量电子探测包的MES和HES观测的天平均电子能谱的对比和相对误差。

范阿伦探测器的一个重要发现就是地球辐射带的三带结构。三带结构的形成与外辐射带电子的产生和损失的动态过程有关。前一次事件产生的高能电子受到外辐射带电子损失机制影响,导致了外辐射带较高L值区域的电子显著损失,而低L值处仍然保留,随后新的高能电子带在高L值区域产生,则形成地球辐射带的三带结构。然而受到轨道远地点高度的限制,范阿伦探测器只能观测到L≤6的区域,通常观测不到新生产的高能电子带的外边界。MEO轨道卫星可以弥补VAP观测的不足。图4显示了在2019年11月底MEO1星能量电子探测仪器包的HED在外带高L值区域观测到的新产生的高能电子带。从11月初开始,上一次事件产生的外带外边界高能电子随着时间一直在衰减,到22日原来的外辐射带边界衰减到接近L=4附近。随后由于21日左右发生的小磁暴,在L=5~6的区域开始出现新的电子带并逐渐增强。新电子带的外边界可以延伸到L~8附近。新电子带的内边界与老的电子带有比较明显的区分,特别是在22~25日期间。HED看到了完整的2019年11月22日的新电子带产生和发展过程,填补了VAP的观测空白。这也是我国首次利用自主观测数据对地球辐射带三带结构的报导。


图4. 2019年11月MEO1星能量电子探测仪器包的HED观测到的高能电子的‘三带’结构。(a)为Dst指数随时间变化。(b)-(e)分别为0.5-0.8MeV、0.8-1.2MeV、1.2-2.0MeV和2.0-3.0MeV的电子通量随时间和L值的分布。

MEO中国导航卫星能量电子探测仪器包的MES可以对180视角内9个方向同时入射的中能电子通量进行测量,具有角度分辨能力。图5显示了MEO3星在2020年2月10日地磁平静时期(天平均Dst>-2.8nT)在L=4.6处观测的中能电子投掷角分布。如图所示,MES观测到的8个能档的中能电子投掷角分布曲线中最大通量出现在70~100之间,而在投掷角接近0和180附近出现通量降低,基本符合在外带磁赤道附近电子投掷角分布理论预期和范阿伦探测器的观测结果。这也是我国首次利用自主观测数据获得的中能电子投掷角分布。


图5. 2020年2月10日MEO3星MES在L=4.6处观测的中能电子投掷角分布。不同颜色和符号代表MES的8个能档曲线。

在轨观测结果表明北京大学团队研制的能量电子探测仪器包的性能是先进的。另外,北京大学团队研制的另外两套能量电子探测器预计将于2021年随风云三号05星和风云四号02星发射。届时由北京大学团队研制的能量电子探测器将构成一个6星观测网络(包括三颗MEO轨道卫星,一颗IGSO轨道卫星、一颗GEO轨道卫星和一颗LEO轨道卫星),如图6所示。随着下一个太阳活动高年的日益临近,这一6星观测网将为我国辐射带研究及空间天气监测提供重要支持。


图6. 北京大学团队研制的能量电子探测器构成的6星观测网络

论文链接:http://doi.org/10.26464/epp2021021

Ye, Y. G., Zou, H., Zong, Q.-G., Chen, H. F., Zou, J. Q., Shi, W. H., Yu, X. Q., Zhong, W. Y., Wang, Y. F., Hao, Y. X., Liu, Z. Y., Jia, X. H., Wang, B., Yang, X. P. and Hao, X. Y. (2021). Energetic electron detection packages on board Chinese navigation satellites in MEO. Earth Planet. Phys., 5(2), 158–179.

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