月基软X射线成像仪——对地球磁层的全景观测

文章提出以月球科研站为平台,配置一台具有宽视场和高分辨观测能力的软X射线成像仪——月基软X射线成像仪(LSXI),以实现对地球磁层的全景成像.LSXI是一种宽视场的软X射线望远镜,可以对太阳风电荷交换过程(SWCX)产生的软X射线进行动态成像,通过软X射线图像获取地球磁层边际与结构特性.地球磁层全景观测对于理解太阳风-...     

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.     

磁暴环电流衰减率对磁层能量状态的影响

赤道环电流是引起磁暴扰动的主要电流体系,环电流衰减速率极大地影响着磁层能量收支估计和磁暴预报.本文提出评价环电流衰减率的两条新指标;（1）E指标（磁暴事件总能量收支平衡指标）,即磁暴全过程的积分能量收支平衡;（2）L指标（长期总能量收支平衡指标）,即几年、十几年或更长时段内积分能量收支平衡.我们用1998~2003年44个磁暴事件以及第23太阳周（1998~2008年）11年的连续资料,分别检验了几类衰减率模型对上述两条指标符合的情况.结果表明,PA1978和XD2010两类模型对E指标符合得最好,即无论磁暴强弱,它们均显示出事件总能量收支平衡的基本特征;同时,这两类模型与L指标符合得也最好,即它们的长期积分能量基本平衡,而且磁暴期间的能量消耗表现出明显增强的重要特征.     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下，行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数，并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量，在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下,行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数,并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量,在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

行星际磁场北向时太阳风－磁层的能量耦合

利用量纲分析法研究太阳风磁层的能量耦合问题。得到了在考虑磁层对太阳风的粘滞作用情况下，行星际磁场北向时的太阳风－磁层能量耦合函数，并首次在耦合函数中引入太阳风温度变量，在此基础上得到了一般情况下的太阳风－磁层耦合函数．     

磁层-电离层电动耦合的中纬电离层效应

本文通过对1982年磁扰期间琼中、北京两站地磁X分量变化的分析,证实了磁层-电离层电动耦合对中纬电离层电流的影响.分析发现:磁静、磁扰条件下的平均日变化中,两站X分量变化在白天有反向的趋势.这表明它们分处于与动力效应对应的电离层发电机电流圈中心之南北两侧.在磁暴主相期间,X分量变化形态与之明显不同,两站地磁南北分量有同向变化,且变幅相近,甚至有时北京站△X更大.对环电流能量增长指数R小于—25nT/h的21次事件所作的时序叠加分析（以R最负时为零时）进一步证明,这种同向变化是普遍存在的.两站零时之△X大小相近,相关系数高达0.98.该同向变化与R指数突然变负密切相关. 以上对比表明,与发电机电流造成两站X分量反向变化不同,同向变化是磁层源高纬扰动电流向中低纬直接穿透的结果.本文对动力和电动耦合两种过程的不同进行了初步讨论.     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的Bx分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的Bx再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当Bx由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

磁层-电离层电动耦合的中纬电离层效应

本文通过对1982年磁扰期间琼中、北京两站地磁X分量变化的分析,证实了磁层-电离层电动耦合对中纬电离层电流的影响.分析发现:磁静、磁扰条件下的平均日变化中,两站X分量变化在白天有反向的趋势.这表明它们分处于与动力效应对应的电离层发电机电流圈中心之南北两侧.在磁暴主相期间,X分量变化形态与之明显不同,两站地磁南北分量有同向变化,且变幅相近,甚至有时北京站△X更大.对环电流能量增长指数R小于-25nT/h的21次事件所作的时序叠加分析（以R最负时为零时）进一步证明,这种同向变化是普遍存在的.两站零时之△X大小相近,相关系数高达0.98.该同向变化与R指数突然变负密切相关. 以上对比表明,与发电机电流造成两站X分量反向变化不同,同向变化是磁层源高纬扰动电流向中低纬直接穿透的结果.本文对动力和电动耦合两种过程的不同进行了初步讨论.     

磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程

本文用行星际和地面磁场以及电离层资料,讨论了三次磁暴期间高、中纬电离层电场对太阳风和磁层内变化的响应。 分析表明,当IMF的B_x分量由北向转为南向时,太阳风驱动的磁层对流变化能直接反映出高纬电离层电位的变化。但持续南向的B_x再次增强时,太阳风输入的主要能量耗损于内磁层过程;电离层的响应表现为一个弛豫过程。当B_x由南转北时,环电流的消失对电离层的作用同样有弛豫的特点。此时,驱动电位已撤消,环电流是维持电离层电位的唯一外源。 本文用电路类比及简单模式法结论对上述几种实测情况进行了讨论。     

利用甚低频信号相位变化特性判断X射线耀斑类型的研究

甚低频(Very Low Frequency,VLF)信号在地面-电离层波导中传播,当太阳耀斑爆发时日地空间中X射线通量增大,使电离层电子密度分布受到影响,进而导致地面-电离层波导状态发生改变,造成接收到的VLF信号出现异常.本研究利用位于河南省新乡市的VLF信号接收站,对俄罗斯Alpha导航系统发射的VLF信号进行长期的监测和观察后,发现X射线耀斑爆发引起VLF信号相位产生缓变型和急始型两种类型响应.与美国气象卫星(GOES)观测的耀斑数据进行对比,发现VLF信号相位产生两种类型响应与耀斑到达峰值所用时长在耀斑持续时长中的占比有关,缓变型相位对应的耀斑到达峰值时长在耀斑持续时长中占比通常在30%~40%之间,急始型则不高于30%.研究X射线耀斑与VLF信号相位响应之间的对应关系,对进一步研究VLF信号传播及不同类型X射线耀斑的成因有积极的推动作用.

     

行星际-赤道电场穿透效率的数值模拟研究

电场穿透作为强烈地磁活动期间太阳风-磁层-电离层电动力学耦合的重要形式,近年来一直是空间物理学最为活跃的课题之一.在过去的近40年里人们一直关注于观测证据的寻找以及物理过程的模拟,“电场穿透效率”这一重要定量化指标直到最近几年才得到重视.本文定义赤道电场增量与对应的行星际电场增量的比值为穿透效率,通过数值模拟的方法对穿透效率的地方时变化以及与中性风发电机的关系做了实验性讨论,在一定简化条件下结果表明：（1）不考虑跨极盖电势饱和的情况下,赤道电场增量与行星际电场增量呈线性关系,且中性风发电机并不影响电场穿透效率;（2）恒定重联线长度L的限定下,穿透效率具有明显地方时依赖性.例如对于L=2.6 RE,在9LT至23LT之间,穿透效率维持在10％左右;0LT至7LT之间,穿透效率迅速从2％上升至30％后又迅速回落到原始水平,形成尖峰.这些结果基本符合观测特征.     

地球磁尾和磁层顶磁场变化的随机特性

本文讨论了平板模型下电阻不稳定性使磁力线由对称平衡状态进入随机状态的可能性;给出该模型下以（x,z）为正则坐标的哈密顿函数表达式;在Harris平衡磁场分布下分析了撕裂模不稳定性,驱动重联和涡旋诱发重联引起的磁力线随机特性;估计了两个磁岛相互作用时磁力线进入随机态的临界值.本文结果可用于讨论地球磁层顶和磁尾处磁场的性质.     

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。     

地球磁尾和磁层顶磁场变化的随机特性

本文讨论了平板模型下电阻不稳定性使磁力线由对称平衡状态进入随机状态的可能性;给出该模型下以（x,z）为正则坐标的哈密顿函数表达式;在Harris平衡磁场分布下分析了撕裂模不稳定性,驱动重联和涡旋诱发重联引起的磁力线随机特性;估计了两个磁岛相互作用时磁力线进入随机态的临界值.本文结果可用于讨论地球磁层顶和磁尾处磁场的性质.     

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．     

地磁活动性的低维非线性动力学模型

本文综述了地磁活动性非线性动力学研究的新进展。着重介绍美国NASA/GSFC的Bak-er研究小组刚刚建立的笼头滴水类比模型和Faraday电流环物理模型以及其他学者对地磁活动性AL和AE指数典型时间序列的嵌入维数分析。两个方面的研究工作表明:日地空间环境的预报方法正在更新。     

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.     

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。