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.     

星载粒子探测器中的偏转磁铁设计研究

在对空间带电粒子进行探测时,大量电子的混入会减少半导体探测器的寿命和工作效率,同时电子的噪声本底也是影响测量精度的重要因素.为了减少电子的影响,需要在离子探测器的探头中加上合适的偏转磁铁用来屏蔽电子的干扰.本文中,磁铁的结构设计借鉴了国外的成功经验,并通过有限元的方法来计算磁场的强度,选择合适的方案消除漏磁的影响以及模拟电子在磁场的轨迹来估计磁场对电子的偏转能力.并用理论计算的数据与实验结果进行了比对,得到了比较好的结果.最后针对空间粒子探测中的偏转磁铁设计提出了一些建议.加偏转磁场的技术也是我国在星载粒子探测器中的首次应用.     

火星无线电掩星探测进展

火星是地球的姊妹星，研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义.自从1964年美国水手4号发射，首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后，国际上不少的火星任务都开展了掩星实验，取得了重要进展.本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研，针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等，梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息，以及部分相关的研究结果.本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性，并探讨了可能的对策.火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座；并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量；火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合，发展火星多源数据融合技术.随着探测方式的不断改进，无线电掩星探测将是火星探测的重要手段.未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究，包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将...     

小行星引力场综述

近年来小行星探测已成为各航天大国的热点,小行星引力场对研究其内部结构、组成成分、早期演化和探测器轨道设计、着陆等方面有着极其重要的作用.随着小行星探测数据的不断更新、探测任务的增多和观测技术改进,针对小行星引力场的研究也在不断增多并产生新的进展.目前获取小行星引力场的方法主要为利用探测器飞掠过程中得到的轨道跟踪数据反演...     

国家需求在行星科学一级学科建设中的导向作用

进入21世纪以来,深空探测成为一项重要国家战略,5次月球探测工程任务和首次火星探测工程任务均取得了成功.小行星采样返回、火星采样返回、木星探测、太阳系边际穿越、月球科研站等新的战略规划昭示了中华民族伟大复兴的雄心.毫无疑问,我国已成为一个快速崛起的深空探测大国.在此背景下,行星科学学科建设的滞后成为制约我国深空探测事业...     

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.     

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.     

环电流区中性原子观测特性模拟研究

为了给双星计划中性原子(ENA)探测仪的研制提供可靠 的理论依据，并为未来中性原子探测数据的分析及研究做好准备，针对双星轨道初步模拟计 算了双星ENA探测仪对磁暴时中性原子的观测特性. 建立了磁暴主相期间环电流离子分布的 一 个近似理论模式，并模拟计算了极轨卫星在极区上空、赤道面以及其他位置上对不同强度磁 暴主相期间环电流区ENA空间角分布及能谱的观测结果. 研究表明，存在环电流区方向和南 北极区环电流粒子沉降带两个中性原子强度极大区域；磁暴越强烈，注入区高度越低，环电 流区观测到的ENA通量越高；处于有利位置的ENA探测器可分辨注入区内边界或注入前沿；EN A探测器能够分辨环电流带离子分布的不均匀性；由于离子交换截面的差异，H，O，He 3种E NA的能谱分布不同；在10～80keV能谱范围内通量较强，易于观测；环电流区H，O两种ENA 通 量较强，有利于观测；而环电流区He ENA通量很弱，不易于观测. 模拟计算研究表明，双星 极轨卫星能够对环电流区ENA进行有效探测；低纬轨道上的ENA探测器也能够对环电流区ENA 进行一些观测；ENA探测器的研制应重视低、中能量范围ENA的探测.     

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.     

高能射线工业CT最新进展

本文主要介绍了清华大学在高能射线工业CT研究及产业化方面的新进展,介绍了其中的多项成果:小体积、大功率的直线加速器,低噪声、高效率的阵列固体探测器,旋转极坐标反投影快速图像重建算法等.高能工业CT技术的研制成功及产业化,使我国高能工业CT技术达到国际先进水平,结束了我国无自主研制大型工业CT检测系统的历史,解决了我国大型工件无损检测难题,对提高我国高能无损检测技术水平具有重大意义.     

“嫦娥一号”卫星太阳高能粒子探测器的首次观测结果

"嫦娥一号"卫星(CE-1)的太阳高能粒子探测器(HPD)是国际上首次在200公里极月轨道观测高能带电粒子的探测仪器.HPD的科学目标是探测月球轨道空间的高能带电粒子(质子、电子和重离子)成分、能谱、通量和随时间的演化特征.通过比较分析HPD的观测结果、ACE卫星的观测结果与CRèME86模型的模拟计算结果,表明在太阳活动低年空间环境相对宁静时期,当月球处于太阳风中时,月球附近具有和行星际空间相近的宇宙线粒子流量背景.卫星在轨运行中发现了多起0.1～2MeV的高能电子流爆发事件.文中总结了2007年11月26日至2008年2月5日HPD观测的41起高能电子流爆发事件,发现此类现象可以发生在从太阳风到磁尾的所有空间区域.在月球经历的不同空间区域中,高能电子流爆发事件可能存在不同的诱发机制.     

我国海洋地球物理探测技术发展现状及展望

海洋地球物理场是一个四维的动态复杂变化系统,涉及多物理场、多界面和多尺度问题,受内外因素的共同制约.基于海洋地球物理场特征,海洋地球物理探测是揭示地球内部构造与性质的重要技术手段.通过回顾国内外海洋科学研究历史以及海洋地球物理探测技术的发展历程,对我国海洋地球物理探测技术发展进行了分析,现今的技术发展受科技进步驱动,反映国家与时代发展的需求.探讨了技术发展与需求之间的关系,依据各种地球物理探测手段及其探测平台的特点,提出了以下技术展望:优化传统的海洋地球物理勘探技术;加速并完善多样式探测平台的建设和科学载荷的研究;构建"空-天-海-潜"海洋地球物理立体探测体系;海洋地球物理探测技术与"大数据"和"人工智能"等技术深度融合.     

宇宙线μ子探测技术在地球物理学中的应用

本文详细介绍了宇宙线μ子探测的物理学背景及测量方法,综述了该技术在火山学、考古学和核材料安全检测等领域的应用,重点介绍了 2006年日本Asama火山宇宙线μ子探测的仪器方法和应用经验,分析了我国地球物理领域对宇宙线μ子探测技术的应用需求,提出了未来该技术在中国的应用研究方向和设想.     

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.     

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.     

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.     

绕月探测工程的初步科学成果

嫦娥一号是我国发射的第一个月球轨道探测器, 是中国月球探测工程“绕”、“落”、“回”发展战略的第一步. 嫦娥一号于2007年10月24日在西昌卫星发射中心成功发射, 2009年3月1日受控落月于52.36°E, 1.50°S的丰富海区域, 在轨运行495天, 比预期一年的工作寿命延长4个多月, 一共获得了1.37 TB的原始科学探测数据, 在此基础上目前已生产出约4 TB科学应用数据产品. 通过对这些科学探测数据的初步分析和应用研究, 已经获得了包括“中国首次月球探测工程全月球影像图”在内的一系列科学成果, 圆满实现了预期的各项科学目标, 为推动我国月球科学和天体化学的研究和后续月球探测工程的开展奠定了重要基础.     

金属矿地球物理勘探技术与设备:回顾与进展

地球物理勘探技术是深部矿产资源勘查的主要技术手段.长期以来,我国地球物理勘查技术和仪器严重依赖国外进口,国产勘查技术无论仪器设备,还是方法、软件尚不能满足日益增长的深部矿产勘查需求."十二五"国家高技术研究发展计划（863计划）资源环境技术领域设立了"深部矿产资源勘探技术"重大项目,以提高深部矿产资源探测的深度、精度、分辨率和抗干扰能力为目标,研发高精度重磁探测技术、电法及电磁探测技术、地震探测、钻探和井中探测技术和装备.经过4年的攻关研究,突破了高精度微重力传感器、铯光泵磁场传感器、宽带感应式电磁传感器等10余项关键技术;研发、完善和升级了地面高精度数字重力仪、质子磁力仪、大功率伪随机广域电磁探测系统、分布式多参数电磁探测系统等18套勘探地球物理仪器设备;创新和完善了20余项勘探地球物理数据处理、正反演方法,研发和完善了2套适合金属矿数据处理及解释的大型软件系统,和8套其他专用软件系统,大幅度提升了我国地球物理勘探技术水平.本文旨在介绍项目取得的主要成果,首先回顾我国地球物理勘探技术的发展历程,然后再重点介绍"深部矿产资源勘探技术"重大项目取得的主要成果和进展,最后对发展我国地球物理勘探技术提出作者的看法和建议.     

基于微动技术的综合探测体系在乌鲁木齐城市地下空间精细化探测中的应用研究

城市地下空间的安全、合理利用对城市发展和地质环境保护具有重要的战略意义.乌鲁木齐市位于天山北部山前冲积扇,区内以卵砾石为主的覆盖层厚度变化范围大,第三系基岩受区域构造控制,空间形态复杂,区域断层多呈现隐伏形态.同时,乌鲁木齐市煤炭资源丰富,由此产生的“老、乱、小”采空区严重威胁城市地质安全.为查明区内各类地层、构造及不良地质体的空间位置,需采取地球物理多方法联合勘探以实现地下空间的精细化探测.本文以乌鲁木齐市四类典型地质体为探测目标,综合应用多种地球物理探测技术,结合地质先验信息分析评价了每种探测方法的有效性和局限性,建立了乌鲁木齐城市地下空间精细化探测体系,为其他内陆型城市地质调查工作提供依据和借鉴．     

考虑道间时差相位的多道瞬态瑞雷波探测方法

囿于波动问题空间采样率观念的限制,现有多道瞬态瑞雷波探测方法采用小道间距、多道检波器排列方式观测同一次激发的瞬态瑞雷波,虽然解决了同时观测不同频率成分波动的问题,但一个排列的多道检波器只能得到一条瑞雷波相速度-探测深度曲线,工作效率和横向分辨力受到极大限制,同时,所能够提取的最高频率波动成分也受到了检波器排列最小道间距的限制.经分析发现,忽略两个测点之间瞬态瑞雷波到时差对不同频率波动道间相位差的影响是上述问题的根源.针对现有多道瞬态瑞雷波探测方法的弱点,本文阐明了道间时差相位(TDP)的概念和意义,提出了考虑道间时差相位的测点对间相位差分析技术,形成了一套新的多道瞬态瑞雷波探测方法——TDP法. TDP法摆脱了最小道间距的羁绊,只用两道检波器的瞬态瑞雷波记录即可提取多种频率成分波动的相速度,完成现有方法一个多道检波器排列才能完成的工作,探测工作效率大大提高;同时,根据场地岩土体的横向变化适当调整检波器布置的测点间距,在一条测线上布置多个测点,相邻测点对两两组合获得的多条瑞雷波相速度-深度曲线可以反映岩土体横向变化,这使得探测方法的横向分辨力显著提高;另外,由于引进道间时差相位,高频成分的提取不再受道间距的控制,从而探测方法的高频分辨力也得到了大幅度提高,原则上,激发和测试系统能够产生和记录到的高频成分新方法都可以提取到,事实上,这套方法已经成功地拓展到了超声频段的探测工作中.