SMILE卫星载荷宽视场软X射线成像仪设计与仿真

SMILE卫星载荷宽视场软X射线成像仪（Soft X-ray Imager,SXI）采用Angel型龙虾眼光学成像系统的设计方案,具有大视场,高分辨率质量轻的优点.本文中对宽视场软X射线成像仪进行初步设计,包括成像镜头支撑结构设计,可见光/极紫外滤光片的选取,镜头遮光罩和高能粒子屏蔽门设计.利用模拟仿真程序对成像仪的点扩散函数,有效面积以及灵敏度进行研究.该成像仪用于太阳风与地球磁层区域进行全景成像.

     

地球磁层软X射线信号的辐射特性研究

太阳风-磁层耦合和地球空间的动力学过程是空间天气的基本驱动要素,在系统尺度上认知这些过程对于空间物理和空间天气的研究至关重要.太阳风电荷交换(solar wind charge exchange, SWCX)机制的提出,为磁层大尺度特性研究提供了一种全新的探测方式,即地球磁层的软X射线成像. SWCX发生在太阳风中的高价态重离子(例如C⁶⁺、N⁷⁺、O⁷⁺、O⁸⁺等)和中性原子或分子(例如地球空间中的中性氢原子,日球层中的中性氢原子和氦原子,彗星和其它行星上的水分子、CO₂等)发生碰撞时.太阳风离子得到一个或多个电子后进入激发态,随后在回到基态的过程中释放出一个或多个软X射线波段的光子.地球磁层的SWCX软X射线辐射主要发生在日侧的磁鞘和极尖区,因此利用软X射线大范围成像技术可以对磁层进行远距离全景成像,从而在大尺度上认知太阳风-磁层相互作用的基本模式.在此背景下,中欧联合空间科学卫星计划太阳风-磁层相互作用全景成像卫星(Solar wind Magnetosphere Ion...     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动．磁层响应主要包括以下3个方面：（1）磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相．（2）由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴．文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现荆、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等．（3）磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中．利用Shue（1998）模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5．1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应．强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应．     

地球磁层对磁云边界层的大尺度响应分析——个例研究

主要分析了WIND飞船2004年11月9日探测的磁云边界层引起的大尺度地球磁层活动.磁层响应主要包括以下3个方面:(1)磁云边界层内本身持续较强南向磁场驱动了一个强磁暴的主相.(2)由于磁云边界层内部较强南向磁场持续一段时间后发生向北偏转触发了一个典型磁层亚暴.文中详细分析了亚暴膨胀相发生时夜侧磁层各区域的观测现象,包括极光观测、高纬地磁湾扰、地球同步轨道无色散粒子注入现象、Pi2脉动突然增强以及等离子体片偶极化现象等.(3)磁云边界层和前面鞘区组成一个动压增强区,此动压增强区强烈压缩磁层,致使磁层顶进入地球同步轨道以内;当磁云边界层扫过磁层时,位于向阳侧地球同步轨道上的两颗GOES卫星大部分时间位于磁层磁鞘中,以致很长时间内直接暴露在太阳风中.利用Shue(1998)模型计算得到当磁云边界层扫过磁层时磁层顶日下点的位置被压缩至距地心最近距离为5.1RE,磁云边界层的强动压结构以及强间断面决定了磁云边界层对磁层的强压缩效应.强动压结构、多个强间断结构以及持续较长时间的强南向磁场是许多磁云边界层的共性,这里以此磁云边界层事件为例分析了磁云边界层的地球磁层响应.     

电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响

本文在如下假定下分析电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响：（1）对电离层采用球壳近似,Pedersen电导ΣP均匀,Hall电导为零;（2）地磁偶极矩处于正南方向,行星际磁场（IMF）只有南向分量（BzBz和ΣP,通过三维全球MHD模拟获得系统的准定态.结果表明,在大约1～5 S范围内,ΣP值显著影响磁层顶和舷激波的尺度,而在该范围之外则几乎没有影响.随着ΣP的增加,磁层顶和舷激波整体向外扩张,前者的扩张程度低于后者,以至磁鞘区的范围扩大.磁层顶的侧翼点的位置随ΣP的变化与Bz的幅度有关：在弱南向IMF情况下磁层顶的侧翼点随ΣP的增加向内移动,而在强南向IMF情况下则向外移动.上述结果表明,在构建磁层顶和舷激波的经验模型时,有必要计入电离层电导的影响.     

磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。     

磁层顶的涡旋诱发重联和单X线重联

用二维MHD数值模拟研究了地球磁层顶的涡旋重联和单X线重联,并将两者作了比较。涡旋重联和单X线重联各在Alfvèn马赫数M_Λ大于和小于0.5时出现于向阳面磁层顶。前者所产生的磁岛与涡旋同心重叠;后者磁力线重联仅产生X点,而不闭合形成磁岛,涡旋分布于X点两侧。在涡旋重联的自组织过程中,互螺旋度等近似守恒决定其渐近态的拓扑结构。最后,讨论了这两种重联对通量传输事件所起的不同作用。     

基于TEROS的自然闪电X射线暴观测研究

本文报道了国内首个自然闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation, LER)多点观测结果. 基于自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System, TEROS), 在2021年夏季观测期成功捕获3次自然LER事件, 结合闪电定位、低频快电场变化、回击峰值电流等其他资料, 对3次事件的高能辐射特征进行研究. 分析发现: 3次LER事件均于负地闪下行先导的最后阶段被探测到, 是典型的X射线暴, 且均具有MeV能量的单光子, 最大能量超过2.2 MeV; 伴随梯级先导出现的X射线暴持续时间为数百μs, 伴随不规则直窜先导的X射线暴持续时间为数十μs, 主要与先导发展速度有关; 相应回击峰值电流最大的1次事件具有最高的单光子能量、最大的单位面积沉积总能量和最多的爆发过程数量, 随着接近回击时刻, 该事件还表现出与电场变化一致的增强趋势, 表明先导头部电场是影响高能辐射产生的重要因素; 随到达强度降低, 高能辐射信号逐渐由束流模式向单光子模式转变, 呈现出与地球伽马射线闪类似的现象学特征, 更多乃至所有的爆发过程无法被探测到, 高能辐射可能是闪电发展过程中的普遍现象.

     

数字合成X射线体层成像的小波-伽辽金重建算法

数字合成X射线体层成像技术的重建问题是在有限投影数据条件下的病态重建问题。本文通过分析数字合成X射线体层成像技术的系统模型,获得重建问题的系统方程。在对系统方程进行正则化改造的基础上,提出了一种新的重建算法——自适应小波-伽辽金重建算法。该算法融合了伽辽金方法的计算简洁和小波内在的多尺度特性,更好地适应了待重建图像的求解。仿真实验结果表明,与ART重建算法相比,自适应小波-伽辽金重建算法在保证重建质量前提下能加快收敛,从而大大地节省了计算时间。     

影响X射线数字成像系统分辨率的因素分析

X射线数字成像系统广泛应用于工业无损探伤领域,其分辨率是整个系统最重要的技术指标,直接决定了系统的检测精度和适用范围。本文以构成成像系统的各个组成部分为出发点,详细剖析了每一个组成部分自身的分辨率以及构成整个系统的分辨率,并将它与系统放大率的关系绘制成函数曲线。最后,以电子工业中BGA器件焊点的X射线自动检测系统为例,来说明如何选用系统部件来构建高分辨率的X射线数字成像系统。     

基于X射线能谱拟合的地球中性大气数密度反演模拟及误差分析

利用X射线掩星技术可以反演得到地球高中层和低热层总的中性大气密度,这是其他手段很难探测到的区域.通过模拟NICER望远镜观测蟹状星云(Crab Nebula)的地球大气掩星过程,在1~10 keV能量范围内,对X射线地球大气掩星期间的光变曲线和能谱建模,通过对不同海拔高度范围内的能谱模型添加噪声,生成能谱仿真数据,通过非线性最小二乘拟合方法对模型和数据进行拟合,得到地球大气密度反演结果.作为NICER望远镜主要的科学仪器,X射线定时仪(XTI)拥有很高的吞吐量和背景噪声的低敏感性,可以模拟生成信噪比很高的光变曲线和能谱数据.通过光变曲线的模拟结果发现,对于能量范围在1~10 keV的X射线,掩星发生在100~200 km的海拔高度范围内,对该掩星过程中1~10 keV的衰减能谱进行提取,并用能谱模型对其进行拟合从而可以反演得到地球中性大气密度.本文中,NRLMSISE-00模型的大气密度被选为真值,用来生成能谱仿真数据,NRLMSIS 2.0模型的大气密度被选为的初值,用来构建模型能谱并与能谱仿真数据进行拟合.通过对不同海拔高度范围内的模型能谱和仿真数据的拟合,得到修正因子γ的最佳拟合值,计算修正因子γ的最佳拟合值与初值的乘积,得到地球大气密度的反演结果.对不同海拔高度范围内的模型能谱和仿真数据的拟合结果进行统计学分析,计算最佳拟合模型和仿真数据之间的²/dof和p值(p-value),从而评价最佳拟合模型和仿真数据之间的拟合优度,并计算地球大气密度的反演结果与真值之间的测量误差,发现100~115 km高度范围内的大气密度反演结果与模型真值之间的测量误差介于-0.067%~10.22%之间,115~180 km高度范围内的大气密度反演结果与真值之间的测量误差介于-3.67%~1.92%之间,180~200 km高度范围内的大气密度反演结果与真值之间的测量误差介于-8.03%~0.305%之间,最后分析了影响反演结果测量误差的因素.

     

带保温层管道腐蚀状态的X射线检测方法研究

随着无损检测技术的飞速发展,X射线实时成像技术获得了广泛的应用。本文论述了带保温层管道的X射线实时成像检测方法,重在对管道腐蚀缺陷深度如何定量的实验方法研究,和管道缺陷处厚度与图像灰度的数学模型建立,从而对管道腐蚀厚度进行定量,管道缺陷的定量研究有助于管道安全运行的评价和隐患问题的及时发现。     

钙质闪石11种阳离子占位度的X射线衍射测定

本义对前期[1][2]的理论分析成果进行修改和验证。前期曾用大量文献上的晶体结构参数仅演为理论的X射线树木图,从中选出若干条特征峰,用逐步回归方法对其强度比与钙质闪石的11种阳离子占位度问,建立一系列经验公式,用以估算未知的钙质冈石样品阳离子占位度,精度在85％－98％之间,多数阳离子精度超过90％．在闪石晶体化学研究上具有重要意义的阳离子如M1、M3位中Mg、Fe2＋、A位的K、三缺值Em及万位的Si等精度均超过90％;晶体化学类型定名的准确度达85％。成果表明,利用X射线衍射法估算闪石的阳离子占位在理论上是可能的。但还有待于用实测数据检验其可行性。本次工作的日的,便是以实测数据来验证前期理论成果并确定其可靠性。通过反复改变衍射圈上特征反射的选择和改变样本数,以实测结果验证各种组合建立的线性模型,所估算的各品位各种阳离子占位数的准确度在78％－96％之间,大多数大于80％,接近或超过90％的有八位的K、空缺值Em、位的Mg、Fe没＋及T位的Si等。晶体化学类型定名的准确度可达80％。但在建立线性模型时,必须将理沦计算的粉末国与实测阁一起进行统计。所选用的实测样品愈多,该族矿物种后愈广...     

利用GCV优化的正则化方法对硬X射线望远镜图象重建研究

图象重建是一个求逆过程具有不适定性。本文介绍的是一种从少数投影数据进行图象重建的线性代数法－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ－Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化方法,同时选择优化工具ＧＣＶ确定最优的正则参数。为验证该方法,我们对日本Ｙｏｈｋｏｈ卫星上塔载的硬Ｘ射线望远镜（ＨＸＴ）拍摄的太阳图象进行重建。     

X射线岩石CT的历史与现状

采用X射线CT技术无损探测岩石内部结构和裂纹演化过程 ,起源于 2 0世纪 80年代后期 ,由最初对CT图像的认识逐步深化为对岩石裂纹演化规律的分析和应用研究。基于室内岩石试件扫描断面的CT图像 ,目前在岩石变形破坏过程的实时监测、加荷条件多样化、裂纹演化规律性、裂纹宽度的定量测量、岩石裂纹三维图像重建、损伤演化与损伤变量分析、CT成果应用研究等方面取得了一系列进展。岩石CT面临的主要问题是如何获得各种试验条件下精确的CT图像及其成果的应用研究。岩石CT的生命力在于自身理论、技术发展和在相关领域的应用程度     

基于X射线连续谱的光子计数探测器能量标定方法

随着探测器技术的发展,具有能量分辨能力的光子计数探测器在X射线能谱CT成像中应用越来越广泛。能量与阈值的对应关系对能谱CT成像具有重要意义,受到实验条件的限制,目前的光子计数探测器的能量标定方法有一定的局限性。针对光子计数探测器的单像素标定问题,本文提出一种基于X射线光机连续谱的能量标定方法,通过建立和分析X光谱模型,利用光机连续谱中高能端的能量信息,得到阈值与能量之间的关系。实验结果表明该方法操作方便,对探测器单像素标定结果较为准确,对其他类型光子计数探测器的标定具有参考意义。      

基于风云二号X射线监测数据的短波通讯可用频率预报

介绍了风云二号气象卫星空间环境探测资料的处理、显示技术。研究了如何利用风云二号X射线探测数据计算短波通讯最低可用频率及电离层D层的电波吸收,并设计了一个基于风云二号X射线探测数据的短波通讯最低可用频率经验预报模式。     

基于双能量X射线透射技术的物质分类识别方法研究

X射线装置已被证实具有揭示物质的分子或原子特性的能力,这种特性对于探测违禁品是相当重要的。尽管X射线探测方法作为一种自动探测违禁品的有效手段已经开始商业化,然而大多数技术都还不是很成熟。研究了一种基于X射线透射技术的物质分类识别的更有效方法,物质按有效原子序数分成有机物、无机物和混合物,实验证明此方法是很有效的。     

核地球物理学的X射线荧光技术在我国固体矿产资源中的研究与应用

本文概述:1.理论研究及基体效应的校正;2.本文作者设计与发展的HYX-1轻便型X射线荧光仪、HYX-2轻便型双道X射线荧光仪、HYX-3微型机400道X射线荧光仪、JXY-1X射线荧光测井仪以及用于各型轻便型X射线荧光仪的找金矿滤波器;3.用于Fe、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Sr、Mo、As、Sn、sb、Ba、W、Hg、Au、K、P等矿种的勘查或开采中的测定。实践表明,核地球物理学的X射线荧光技术在勘探和生产中是有效而经济的工具。     

核地球物理学的X射线荧光技术在我国固体矿产资源中的研究与应用

本文概述:1.理论研究及基体效应的校正;2.本文作者设计与发展的HYX-1轻便型X射线荧光仪、HYX-2轻便型双道X射线荧光仪、HYX-3微型机400道X射线荧光仪、JXY-1X射线荧光测井仪以及用于各型轻便型X射线荧光仪的找金矿滤波器;3.用于Fe、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Sr、Mo、As、Sn、sb、Ba、W、Hg、Au、K、P等矿种的勘查或开采中的测定。实践表明,核地球物理学的X射线荧光技术在勘探和生产中是有效而经济的工具。