行星际超低噪声三维能量粒子谱仪设计

太阳系能量粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一.在行星际空间中观测到的太阳系能量粒子主要分为两类：一类是持续存在的“太阳风能量粒子”,另一类是间歇性的“太阳能量粒子事件”.受限于以往行星际粒子探测器的灵敏度还不足够高,人类迄今仍未洞悉这些能量粒子起源和加速的物理过程与本质.本文设计了技术指标均为国际领先水平的行星际超低噪声三维能量粒子谱仪,采用双端望远镜结构（一端利用薄膜阻挡质子技术实现高灵敏电子探测,另一端利用磁场偏转电子技术实现高灵敏质子探测）,结合多层、多像素半导体探测器阵列和覆盖近4π立体角的大视场设计,实现对行星际空间中20～1 000 keV电子和25～12 000 keV质子的三维分布进行高时间分辨率、高角度分辨率和高能量分辨率探测,用以揭示太阳系能量粒子起源和加速的机理,满足我国行星际探测和即将开展的深空探测的迫切需求.     

风云一号C星空间粒子成分探测器及SAA区粒子辐射实测分析

FY 1C星空间粒子成分探测器能够实现对质子能谱、电子积分通量及重离子成分的同时测量.在第23周太阳活动峰年期间,空间粒子成分探测器对860km高度的南大西洋负磁异常区高能粒子辐射进行了长达3年的连续探测.本文根据实测结果,得出了南大西洋负磁异常区粒子辐射特征,分析了太阳质子事件和地磁暴对南大西洋负磁异常区粒子辐射的影响.     

风云三号卫星空间高能质子探测器的几何因子计算

空间粒子探测中,几何因子是反演粒子能谱的关键参数.传统的几何因子以探测器的实际结构为输入条件,通过数值计算的方法获得.由于传统的几何因子没有考虑粒子与物质相互作用的物理过程以及不同能档间粒子干扰等因素对测量结果的影响,降低了数据反演的准确度.本文提出了一种改进的几何因子计算方法,该方法的思想是在GEANT4程序中对探测器的实际结构建模、考虑粒子与物质相互作用过程,通过蒙特卡罗模拟的方法,得到探测器对不同能档粒子的响应函数,并计算干扰粒子对几何因子的影响,最终得到探测器不同能档的几何因子.利用该方法获得的改进几何因子对我国风云三号卫星高能质子探测器的数据进行了反演,反演后的能谱更加符合空间物理公认的幂律谱分布,与POES卫星的实测结果比对表明:风云三号卫星数据与卫星的数据具有很好的一致性,说明该方法能够有效提高数据反演的质量.     

FY2D卫星与GOES卫星空间粒子观测结果的对比分析

风云二号D星(FY2D)搭载的空间粒子探测器可以观测10～300 MeV的质子和≥350 keV与≥2 MeV的电子.卫星在轨测试阶段,空间粒子探测器观测到了空间环境宁静期间地球同步轨道的电子昼夜周期变化的典型特征,并在卫星发射后的12月15日首次观测到了有代表性的 2级太阳质子事件(SEP),观测到的较高能量质子比较低能量质子更快地恢复到平静时的状态.通过比较FY2D卫星与GOES卫星的探测结果,既显示了同步轨道区域不同位置高能电子通量扰动时间的一致性,也显示了高能电子通量具强烈的晨昏不对称性.通过对太阳质子事件和地磁平静时期该轨道空间高能粒子环境特征的分析和研究,并与GOES卫星同期的观测结果进行相关性分析,结果表明仪器确实具备了监测空间环境扰动和预警能力,探测结果可以用于研究地球同步轨道粒子空间分布、起源和传输等科学目的.     

资源一号卫星星内粒子探测器与神舟二号X射线探测器对高能电子探测的比较分析

利用资源一号卫星和神舟二号留轨舱上搭载的高能粒子探测设备对2001年2～6月同一时段内的资料进行了对比分析. 神舟二号飞船X射线探测器的观测结果反映的空间高能电子的分布, 表明在400km的较低高度上, 地理纬度40°附近以及SAA地区也可以观测到数百keV的高能电子. 资源一号卫星的探测结果显示了在800km高度附近, 同一时段内若干兆电子伏特的高能电子的全球分布. 后者出现的最低地理纬度和相应的经度位置则和前者是一致的, 说明两个高度上高能粒子的分布仍然都受地磁场控制, 粒子主要来源于地球辐射带. 资源一号卫星高能粒子探测器的能挡与神舟二号飞船X射线探测器的能挡不同, 彼此可以较好地补充. 但由于神舟二号轨道倾角较低, 全面的对比也受到一定的局限, 在进一步深入分析现有资料的同时, 可以在本文基础上设计更好的联合探测方案.     

2000年7月14日太阳高能粒子事件引起地球同步轨道区相对论电子通量巨幅增加

2000年7月14日10:24UT一个X5.6级的耀斑暴发生在太阳中心子午线附近(AR 9077), 同时伴随着一个朝向地球的CME事件及太阳高能粒子(Solar Energetic Particle, SEP)事件. 这次耀斑暴发及CME事件引起了地球磁层、电离层及高层大气的强烈扰动. 中国“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)观测到SEP事件期间, 同步轨道区高能质子、相对论电子有非常剧烈的增加. SEP期间, 高能质子对相对论电子通量的探测造成严重的污染. 结合“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)的特性, 建立了一种从相对论电子通量探测中“清除”高能质子“污染”的方法, 并对相对论电子通量的探测数据实施“清洁”处理. “纯净的”相对论电子通量探测结果显示, 当行星际磁场南向时, 上游太阳风中的高能电子使同步轨道区相对论电子通量有大幅度的增加.     

2001年4月2日太阳耀斑及其太阳质子事件的观测结果研究

2001年4月2日, 太阳爆发了一个近年来X射线通量最大的一次耀斑并伴有质子事件, 利用“资源一号”卫星星内粒子探测器和神舟二号飞船X射线探测器的观测资料, 对这一事件的高能粒子响应进行了特例研究. “资源一号”卫星运行于太阳同步轨道, 高度约800km, 和宁静时期的统计结果对比, 这次耀斑后, 星内粒子探测器在地球极盖区（地球开磁场区）观测到耀斑粒子的出现, 这是宁静时期没有的; 神舟二号飞船轨道高度400km, 倾角为42°, X射线探测器在42°中高纬地区也观测到高能电子通量比宁静时明显的增加, 这表明, 太阳耀斑引起的近地空间辐射环境的变化遍及纬度约40°以上的区域, 甚至在40°N附近400 km左右的高度上仍然有响应. 但是, 中高纬度、极光带和极盖区的粒子来源, 加速机制和响应方式却不一定相同, 需要分别讨论. 资料分析和对比还表明, 质子事件的强度并不一定和耀斑的X射线通量成正比, 因此, 近地空间高能粒子对耀斑的响应也不是完全决定于X射线强度.     

FY2G卫星新一代高能带电粒子探测器观测数据分析

风云二号系列卫星是我国开展动态空间天气事件和空间环境监测及预警业务的重要观测平台,各系列星上均安装有高能带电粒子探测仪器开展卫星轨道空间带电粒子辐射环境连续实时的动态监测.FY2G卫星于2015年1月发射,星上采用了全新的高能粒子探测器,包括:一台高能电子探测器可监测200keV-4 MeV的高能电子,一台高能质子重离子探测器可监测4~300 MeV的高能质子,从而实现对带电粒子更宽、更精细能谱的监测.本文给出了FY2G高能带电粒子探测器在2015年1月至2015年10月期间几起典型的带电粒子动态观测结果,结合太阳和地磁活动相关参数,对高能带电粒子通量在亚暴、磁暴和太阳爆发等扰动影响下细节变化过程和特征作出了较为详细的分析描述,展现了FY2G卫星高能带电粒子探测器对轨道空间粒子环境动态变化的准确响应能力,表明观测数据可开展更加精细的轨道粒子环境评估.针对FY2G高能带电粒子探测结果进一步开展了与GOES系列卫星同期观测的比对分析,结果反映出在较小的扰动条件下多星观测到的带电粒子响应和通量变化可基本趋于一致或保持相对稳定的偏差,而扰动条件的显著变化会加大多星观测带电粒子响应和通量变化的差异,这些结果可为今后开展多星数据同化应用提供参考,也为发展磁层对扰动响应的更加复杂的图像提供了新的可能.     

地球磁层的磁场模型

1958年卫星探测发现了磁层,至今已有半个世纪,对磁层电场、电流体系、磁场、粒子分布和等离子体波的探测研究构成了空间物理的重要内容,其结果是各种磁层模型的出现.本文简要综述磁层磁场建模的基本原理、方法和发展历史,对十几种重要的磁层模型的特点、局限性和适用范围进行了对比分析,以Tyganenko模型为例,讨论了磁层模型发展的趋势.     

菏泽5.9级地震前的α粒子密度异常

a粒子密度的观测根据a固体径迹探测技术原理,1980年初,我们在聊城一兰考断裂带东南侧的曹县一凫山断裂交汇处开展了土层中的a粒子密度观测。 a粒子测量是利用透明薄膜(35毫米的电影胶片)为探测器。在测点距地表O.6米深的土层坑内,共布设探测器21个。经封闭后进行野外照射,积累周期为21天,每日定时取放。探测薄片经化学蚀刻后在光学显微镜下观察其a粒子个数。径迹量的计算以径迹密度j(个/毫米~2)表示。     

可控震源非线性扫描地震响应的数值模拟

讨论了几种非线性扫描信号自相关函数的旁瓣特性.对可控震源非线性扫描的地震响应进行了数值模拟.当震源扫描持续时间是检波器接收时间的一半时,相关运算把反射扫描信号压缩成脉冲信号的效果是显著的.有限度地增加震源扫描持续时间以及与之相适应的接收时间可以使反射扫描信号得到进一步的压缩,但在固定扫描与接收时间的条件下,增加采样点个数对反射扫描信号的压缩并不起作用.采用具有低频相关子波特性的非线性扫描震源信号,将有利于相关噪声的消除.模拟结果还证实了二次扫描在某些特定条件下会出现鞍点效应这样一个事实.     

ULF wave indices to characterize the solar wind-magnetosphere interaction and relativistic electron dynamics

To quantify the level of low-frequency wave activity of the magnetosphere and IMF, a set of the ULF wave power indices has been introduced. We demonstrate that the ULF activity global level can be very useful in space weather related problems. The application of the interplanetary index to an analysis of auroral activity driving has shown that a turbulent IMF drives auroral activity more strongly than the laminar solar wind does. The enhancements of relativistic electrons at the geosynchronous orbit are known not to be directly related to the intensity of magnetic storms. We found that the electron dynamics correlated well with long-lasting intervals of elevated ground ULF wave index. This fact confirms the importance of magnetospheric ULF turbulence in energizing electrons up to relativistic energies. The time-integrated ULF index demonstrates a significantly higher correlation with electron fluxes, which implies the occurrence of a cumulative effect in the electron energization.     

平原地区地磁观测室设计研究

基于现代无金属结构设计理念,首次提出了平原地区玄筋混凝土沉井式结构立体地磁记录室设计研究方案,该方案较传统设计在地磁记录室温差控制能力方面有大幅度的提高,可以为记录仪器提供稳定的温度工作环境;真正实现了"地磁观测",地下深层空间观测可以有效的屏蔽地表及外空间的大量干扰因素,地磁台站占地面积可明显减小,该地磁观测室观测资料的质量将会产生飞跃。     

1979年普洱6.8级地震前地磁异常现象

本文介绍了1979年3月15日普洱6.8级地震当天,在距离微观震中仅6.4km的磨黑镇,现场安装的陶瓷偏角磁变仪的磁系出现了异常大幅度摆动的事件,笔者从陶瓷偏角磁变仪的观测原理和地震当日的地磁场活动程度等方面,分析了造成这次异常事件的原因,并指出这种异常现象可能与地震前的震磁效应有关。     

基于小比例缩尺模型结构试验的小型钢架反力墙优化设计与力学性能分析

为了降低模型制作加工成本和节约试验空间,开展结构缩尺比例小于1:10的小模型结构抗震试验。目前,国内相关的试验设备较少,本文将参考大型反力墙的结构形式,研究小型钢架反力墙,并对其进行优化设计和力学性能分析,为后续的制作加工提供理论依据。     

等离子体湍流对电子的加速

本文讨论了等离子体湍流对电子加速的两种模型:（1）假定在空间中存在一个空间均匀的等离子体湍流区,当具有一定初始分布的电子束通过此湍流区时,研究湍流场对电子束的加速过程;（2）在某一封闭的区域中,存在着具有一定初始分布和空间均匀的等离子体,当某种类型的等离子体波突然传入此等离子体区,然后考察此区中电子的加速过程。在这两种模型中,可能存在着某种电子消失机制。假定湍谱是幂指数形式,我们给出了不同类型湍流扩散系数的普遍形式。利用较简单的数学方法,求解了包括消失过程的一维准线性动力学方程,对于给定的初始分布,得出了分布函数的解析解,并给出了平均能量时间关系的表达式。另外,对于特定的湍谱指数,解出了当平行电场和湍流同时存在时的分布函数。最后,对所得结果进行了数值分析和讨论。     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

An upwind fast sweeping scheme for calculating seismic wave first‐arrival travel times for models with an irregular free surface

The topography‐dependent eikonal equation formulated in a curvilinear coordinate system has recently been established and revealed as being effective in calculating first‐arrival travel times of seismic waves in an Earth model with an irregular free surface. The Lax–Friedrichs sweeping scheme, widely used in previous studies as for approximating the topography‐dependent eikonal equation viscosity solutions, is more dissipative and needs a much higher number of iterations to converge. Furthermore, the required number of iterations grows with the grid refinement and results in heavy computation in dense grids, which hampers the application of the Lax–Friedrichs sweeping scheme to seismic wave travel‐time calculation and high‐resolution imaging. In this paper, we introduce a new upwind fast sweeping solver by discretising the Legendre transform of the numerical Hamiltonian of the topography‐dependent eikonal equation using an explicit formula. The minimisation related to the Legendre transform in the sweeping scheme is solved analytically, which proved to be much more efficient than the Lax–Friedrichs algorithm in solving the topography‐dependent eikonal equation. Several numerical experiments demonstrate that the new upwind fast sweeping method converges and achieves much better accuracy after a finite number of iterations, independently of the mesh size, which makes it an efficient and robust tool for calculating travel times in the presence of a non‐flat free surface.