北京大学学报(自然科学版) 第60卷 第1期 2024年1月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 60, No. 1 (Jan. 2024)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2023.096
国家自然科学基金(41931073)和国家重点研发计划(2021YFA0718600)资助
收稿日期: 2023–01–29;
修回日期: 2023–02–28
摘要 针对中国风云三号卫星运行的低地球太阳同步轨道, 开展空间环境及粒子辐射效应监测, 提出基于空间环境监测器Ⅱ型载荷的综合探测技术。在各载荷技术指标的地面研制过程中, 通过标准放射源、等效信号源、粒子加速器和标准磁场等不同方式进行标定和实验验证。结果表明, 多方向全能谱粒子探测的能量范围为 30keV～300MeV, 精度优于 10%; 磁场强度测量范围为−65023～+65023nT, 精度优于 0.73nT; 电位探测范围为−32.4～+23.7kV, 灵敏度优于 10V; 辐射剂量探测范围为 0～3×104rad(Si), 灵敏度优于 8.3rad(Si)。通过空间环境监测器Ⅱ型载荷对卫星运行轨道上的粒子辐射环境、原位磁场矢量变化、辐射剂量累积以及卫星表面电位变化等进行观测, 可以为航天活动、卫星设计、空间科学研究及空间天气预警预报业务提供必要的数据支撑。
关键词 空间环境; 粒子探测; 电位探测; 辐射剂量; 磁场探测
风云三号(FY-3)气象卫星是实现全球、全天候、多光谱、三维、定量遥感的我国第二代极轨气象卫星系列, 包括 01 批、02 批、03 批和已规划的04 吉林农业大学批共 4 个批次。其中, 03 批将瞄准气象卫星国际发展的先进水平, 实现我国第二代极轨气象卫星的多星组网业务化, 带动我国气象卫星应用进入成熟发展阶段[1–4]。
空间环境监测器Ⅱ型(SEM-Ⅱ)载荷是 FY-3E 星(03 批第一颗卫星)搭载的遥感仪器之一, 由高能粒子探测器、中能质子探测器、中能电子探测器、辐射剂量仪、磁强计和电位探测器 6 种空间环境探测载荷组成。FY-3E 星于 2021 年 7 月 5 日成功发射上天, SEM-Ⅱ主要用于对卫星运行轨道上的粒子辐射环境、辐射剂量累积、原位磁场矢量变化以及卫星表面电位变化等开展综合探测, 为航天器在轨运行提供安全保障, 对无线通信、导航定位[5–8]、中高纬地区飞机和地面电网等系统的正常运行也具有重要意义, 并为空间天气和气象研究[9–12]等提供重要的科学数据。
空间环境指距地面几十公里直到太阳的广阔空间的物理状态及变化, 其组成要素一般包括太阳电磁辐射、带电粒子辐射、等离子体、轨道大气和微流星体等[13]。风云三号卫星的运行轨道为 836km近极地太阳同步轨道, 该轨道遭遇的粒子辐射主要来源于辐射带、银河宇宙线和偶发的太阳粒子事件等[14]。
围绕地球存在高能带电粒子束缚的区域称为辐射带, 包括外辐射带和内辐射带。外辐射带主要是高能电子辐射, 其在赤道面的高度范围为 3～9Re (Re 为地球半径), 1 MeV 以上的电子通量最大值出现在约 4Re 处。内辐射带主要是高能质子, 其在赤道面的高度范围为 1.1～3.3Re。由于地球自转轴与地磁轴之间存在偏角, 使得内辐射带在南大西洋区的高度降低到 200km 左右, 即南大西洋异常区(south atlantic anomaly, SAA)。风云三号卫星在经过南大西洋异常区时受到辐射带质子和电子的辐射[15–16]。
银河宇宙线指产生于太阳系外银河系的高能带电粒子。银河宇宙线的成分包含电子(约 2%)和元素周期表中所有元素的原子核(约 98%)。原子核以质子(约 87%)和 α 粒子(约 12%)粒子为主, 重核数只占约 1%。银河宇宙线的能量范围非常宽, 低至几十 MeV, 高达 1014 MeV [17]。
太阳剧烈活动时, 出现耀斑爆发或日冕物质抛射, 伴随大量高能带电粒子喷射。高能带电粒子包括电子、质子和重离子。太阳高能粒子事件的发生具有随机性, 太阳活动高年的发生频次高, 太阳活动低年的发生频次低, 发射粒子的成分、强度和能谱等与太阳活动区的位置、磁场结构以及大气成分等有关, 在飞抵地球过程中还受到太阳磁场和地球磁场的影响[18–21]。
在远离地球的行星际空间, 银河宇宙射线的粒子分布是各向同性的。但是, 当带电粒子进入地球磁场的作用范围之后, 受地球磁场的影响发生强烈偏转, 呈现空间分布上的不均匀性和入射方向上的各向异性, 即存在地磁效应[22]。此外, 地球磁场也影响粒子的空间分布, 空间各点的磁场强度和方向各不相同, 存在不同的磁刚度阈值。由于地球磁场的作用, 从行星空间进入地球磁层空间的带电粒子刚度不同, 穿过地球大气层的厚度也不同。
空间粒子的辐射环境对航天器的安全运行产生各种损害, 导致舱内外设备异常, 甚至整个航天器失效, 也会危害航天员的生命健康以及各类出舱活动, 并且对空间天气和空间科学研究等产生重大影 响[23–24]。航天器在轨运行时, 遭受的典型粒子辐射效应有单粒子、辐射剂量以及航天器表面或内部的充放电等多种效应。单粒子效应主要由高能质子和重离子造成, 航天器在轨运行时, 它们会改变航天器上各类电子设备的微电子器件状态, 导致设备发生异常或故障, 造成单粒子事件。辐射剂量效应主要由高能质子、电子和重离子造成, 它们既能产生电离作用, 又能产生位移作用[25]。当航天器材料或器件接受的辐射剂量达到一定的量值时, 就会造成航天器材料变性及元器件失效。航天器表面或内部的充放电效应主要由高能电子引起, 电子与航天器相互作用会引起航天器充电, 当航天器充电到一定程度时, 所产生的电磁辐射会干扰航天器上各种电器设备的正常工作, 甚至使航天器失效[26]。
本文针对风云三号卫星运行轨道空间环境的上述特点, 提出 FY-3E 星空间环境监测器Ⅱ型载荷的主要应用目标是开展卫星运行轨道空间环境及粒子辐射效应监测, 提高空间天气监测预警业务能力, 满足空间天气预报和保障服务的需求。具体内容 如下。
1)形成我国第二代极轨气象卫星空间环境监测网。风云三号(03 批)卫星将实现我国第二代极轨气象卫星的多星组网业务化, 空间环境监测器是我国低轨空间环境监测网的重要组成部分。
2)开展空间环境的实时监测, 服务于空间天气预报业务, 为空间天气预报提供重要的空间环境数据, 在政府决策、防灾减灾、经济社会发展以及国家安全和国防建设中发挥重要作用。
3)服务于工程应用。一是支持航天器的工程设计, 利用空间环境载荷探测数据, 为航天器工程防护设计提供支持; 二是保障航天器在轨飞控管理和故障排除, 在辐射环境发生明显变化时, 需调整飞控计划, 增加卫星跟踪弧段, 并准备异常事件处理预案; 三是支持航天器异常情况分析, 为卫星的在轨异常情况提供空间环境效应分析服务, 支持卫星异常情况的原因定位。
4)应用于科学研究。风云三号(03 批)卫星上的空间环境监测器包括从低能到高能的全能谱测量, 测量方向和投掷角也更加精细, 基于长期观测和丰富的科学数据, 有望在地球辐射带的长期演化、波粒相互作用以及磁层动力学耦合机制等的研究上获得突破。同时, 这些数据是我国自主研发的辐射带模型所必须的数据, 可以完善我国的 LEO 轨道粒子辐射模型。
FY-3E 星搭载的空间环境监测器Ⅱ型原位探测载荷用于探测卫星运行轨道上粒子辐射环境、磁场矢量变化、仪器的辐射剂量累积以及卫星表面电位变化情况, 为航天活动、卫星设计、空间科学研究及空间天气预警预报业务提供必要的数据支撑, 其主要技术指标见表 1～6。
表1 粒子探测器指标
Table 1 Indexes of particle detectors
粒子种类能量探测范围能道要求 高能质子3～300 MeVP1: 3～5 MeVP2: 5～10 MeVP3: 1～26 MeVP4: 26～40 MeVP5: 40～100 MeVP6: 100～300 MeV 高能电子0.15～5.7 MeVE1: 0.15～0.35 MeVE2: 0.35～0.65 MeVE3: 0.65～1.2 MeVE4: 1.2～2.0 MeVE5: 2.0～5.7 MeV 中能质子0.03～5 MeV能量分辨率为20% 中能电子30～400 keV能量分辨率为20%
表2 辐射剂量指标
Table 2 Index of radiation dose
探测目标辐射剂量探测范围通道要求 辐射累积剂量0～3×104 rad (Si)三台单通道
表3 电位探测指标
Table 3 Index of potential detection
探测目标电位探测范围通道要求 表面电位−3000～+300 V通道1: 向阳面通道2: 背阳面
表4 磁场探测指标
Table 4 Index of magnetic field detection
探测目标磁场强度探测范围通道要求 磁场矢量(原位探测)−65000～+65000 nT三通道(正交三分量)
表5 采样率要求
Table 5 Indexes of sampling rate requirements
探测载荷探测目标采样率/Hz 粒子探测器粒子流量0.5 辐射剂量仪辐射累积剂量>1/60 电位探测器表面电位0.5 磁强计磁场矢量≥1
表6 灵敏度要求
Table 6 Indexes of sensitivity requirements
探测载荷探测目标灵敏度 粒子探测器粒子流量5% (ΔN/N) 辐射剂量仪辐射累积剂量优于15 rad (Si) 电位探测器表面电位15 V
如图 1 所示, FY-3E卫星空间环境综合探测载荷包括 6 种探测载荷以及一台共用的环境远置单元(RTU)。6 种探测载荷分别为三方向高能粒子探测器、多向中能质子探测器、多向中能电子探测器、电位探测器、辐射剂量仪和磁强计。高能粒子探测器包括 3 个独立的高能电子质子探头和一个共用的电子学箱; 中能质子探测器包括两个探头, 其中一个探头是与电子学箱一体化设计; 中能电子探测器包括两个探头, 其中一个探头是与电子学箱一体化设计; 电位探测器包括 4 个电位探头和一个电子学箱, 其中两个绝对电位探头是与电子学箱一体化设计; 磁强计包括 6 个探头和一个电子学箱; 辐射剂量仪包括 3 个探头和一个电子学箱。上述各探测器的测量数据由各自的电子学箱进行采集和处理, 并与 RTU 连接进行数据传递, 最后由 RTU 通过卫星总线, 统一将所有数据下传。
高能带电粒子是影响航天器安全的重要因素之一, 是空间环境警报和预报的重要内容。FY-3E 星高能粒子探测器对轨道空间中高能电子和高能质子的能谱、方向以及强度等时空分布特征进行实时 监测。
高能粒子探测器由高能质子探测和高能电子探测两部分组成, 能够实现 3 个正交方向粒子种类(电子或质子)、能量(电子: 0.15～5.7MeV; 质子: 3～300MeV)和通量的探测。
如图 2 所示, FY-3E 卫星高能粒子探测器包括 3个方向的高能粒子探头和一个共用的电子学箱, 每个高能粒子探头均包含高能质子探头和高能电子探头两种组件。3 个探头分别安装在 FY-3E 卫星 3 个相互垂直的面上, 探测视场的指向分别为朝天向(−Z)、卫星后退向(−X)和垂直轨道的背阳面(+Y), 从而实现对卫星 3 个正交方向(X, Y 和 Z)上高能粒子的测量。各探头通过卫星内部穿舱电缆与电子学箱连接, 统一由电子学箱内数据处理单元对各探头的输出信号进行采集及处理。
如图 3 所示, 高能电子探测和质子探测均用多片硅半导体探测器组成望远镜系统, 均采用脉冲幅度分析法。通过分析入射粒子在各自探头的不同半导体探测器内沉积能量产生的脉冲信号幅度, 即可判断高能粒子的种类及能量, 同时配合符合与反符合方法, 实现高能质子宽能谱的探测[27]。
半导体探测器测量系统是整个仪器测量的关键部分, 采用多片半导体硅叠加组成望远镜的形式对高能粒子的能谱进行测量。通过分析测量系统中每片传感器的信号幅度, 结合合理的逻辑工作方式, 确定空间粒子的能谱[27–28]。
图1 空间环境监测器Ⅱ型系统配置
Fig. 1 System configuration diagram of SEM-Ⅱ
左: 电子学箱; 中: +Y向探头和−Z向探头; 右: −X向探头
图2 高能粒子探测器照片
Fig. 2 Photos of high-energy particle detector
图3高能粒子探测器望远镜系统示意图
Fig. 3 Schematic diagram of telescope system in high-energy particle detector
图4 高能粒子探头结构示意图
Fig. 4 Schematic diagram of high-energy particle probe structure
左: 中能质子探测器1; 右: 中能质子探测器2
图5 中能质子探测器照片
Fig. 5 Photos of medium-energy proton detector
图6 “小孔成像”单元剖面示意图
Fig. 6 Schematic diagram of of “small hole imaging” unit
如图 4 所示, 在高能粒子探测器各探头组件的外部增加了准直结构[29], 以便限制仪器的探测视场, 同时利用准直结构的屏蔽作用降低了斜入射粒子(高能质子和电子)的干扰比率。结合准直仪限定的视场以及仪器的实际尺寸和屏蔽条件, 利用蒙特卡洛模拟仿真的方法, 可得到仪器最后的几何因子, 作为后期数据处理的依据。准直器系统的作用有两个方面, 一是通过准直系统形成合适的探测视场, 确定探头的几何因子[30]; 二是提供一定的屏蔽条件, 阻止从侧面斜入射的粒子对传感器的干扰。除此之外, 在高能质子探头准直器系统内还包含偏转磁铁[31], 用于偏转入射到准直仪内的电子。
中能带电粒子是空间中变化最明显的参量, 尤其是空间环境扰动引起的粒子沉降。中能质子探测器技术上采用类似 Polar 卫星上 IPS“小孔成像”的探测方案, 设计两个正交的探测视场为 180°的探头单机, 可以实现 3 个正交方向中能质子能量(30keV～ 5MeV)和通量的探测。
如图 5 所示, 中能质子探测器由两个按照正交方向安装的探头单机组成。中能质子探测器 2 中, 将探头与电子学箱进行一体化设计; 中能质子探测器 1 中, 通过穿舱电缆连接到中能质子探测器 2, 由电子学箱对其输出信号进行采集处理。
如图 6 所示, 两台中能质子探测器的探头部分均由 3 组“小孔成像”单元组成, 呈扇形排列, 每个单元都包含 3 组半导体传感器, 共用一个入射窗口, 实现 3 个方向的测量。每组传感器形成的张角为20°, 因此每个“小孔成像”单元的探测张角为 60°, 3个探头形成 0～180°的全投掷角测量。
中能质子探测器采用硅半导体传感器组, 对不同投掷角的中能质子进行测量, 并增设反符合探测器来消除高能粒子的干扰, 其基本原理与高能粒子探测器相同。为避免干扰, 探测器还采取磁偏转、屏蔽和反符合等手段来排除其他种类的粒子以及测量范围以外的质子。
中能电子探测器采用类似 Polar 和 Cluster 卫星的“针孔”技术结合“位置灵敏探测器”的方法来测量中能电子在不同方向的分布, 即投掷角分布[32–34]。如图 7 所示, 中能电子探测器设计两个正交的探测视场为 180°的探头单机, 可实现 3 个正交方向中能电子能量(30～600keV)和通量的探测。
每台中能电子探测器由 3 个相同的传感器单元组成, 每个单元包括一个“针孔”系统和一个三像素线阵列位置灵敏探测器。针孔和每个线阵列探测器可探测来自 20°张角的入射粒子, 因此每个探头单元可以覆盖 60°张角范围, 3 个探头单元组成的探测器探头就可以覆盖 180°的张角范围。
在每个方向, 每个线阵列单元硅半导体探测器都可以测量中能电子能谱, 通过脉冲高度分析方法, 完成 30～400keV 能量范围中指数分布的 8 个能道(energy channel), 实现对中能电子的能谱测量。
中能电子探测器各探头采用针孔相机加低噪声位置灵敏探测器, 实现对中能电子的多方向能谱测量, 其结构如图 8 所示。从图 8(a)可以看到, 每个探头单元有一个等效屏蔽壳, 在一个侧面开一个“针孔”。屏蔽壳内部放置一个三单元硅半导体探测器线阵列。每个探测器单元与“针孔”构成一个 20°张角, 因此每个探测器单元可以覆盖 60°张角范围, 3 个探测器单元可以实现 180°张角范围的覆盖(图8(b))。
空间带电粒子辐射环境对卫星及其设备产生辐照效应。FY-3E 卫星配置 3 台辐射剂量仪, 可同时监测卫星星体内多点辐射剂量的实时变化, 有助于探究卫星内部辐射剂量的分布, 为卫星平台及星载设备的在轨故障分析以及定位等提供佐证。
FY-3E 星辐射剂量仪分别安装在卫星的 3 个相互垂直面上, 从而实现 3 个正交方向辐射总剂量(0～3×104 rad (Si))的测量。3 个剂量探头通过卫星内部穿舱电缆与电子学箱连接, 由电子学箱对它们输出的信号进行处理。图 9 为 FY-3E 卫星辐射剂量仪照片。
辐射剂量仪的探测方案采用 RADFET 技术, 直接探测空间辐照的累积剂量[35]。辐射剂量仪传感器的基本结构如图 10 所示, n 型硅衬底(Si)与栅极之间的 SiO2绝缘层为辐射敏感区域。SiO2的一个重要特性是内部存在空穴“陷阱”, 在 SiO2 与 Si 的界面处“陷阱”浓度更高。SiO2 被辐照后, 电离产生电子–空穴对, 部分空穴被 SiO2 内空穴“陷阱”俘获, 导致PMOS 传感器的电性能发生变化, 电性能变化的幅度与辐照剂量有关。
空间的等离子体环境导致卫星整体带电。卫星一般采取等电位设计, 在空间环境扰动的时候, 由于材料不同和方向差异, 卫星表面局部会出现短时间的电位差异。充电电位监测有助于研究卫星表面和星体内部的充电, 为卫星异常诊断提供数据, 为后续工程中的改进设计提供建议, 为地面试验研究提供依据。
图7 中能电子探测器照片
Fig. 7 Photos of medium-energy electron detector
如图 11 所示, FY-3E 星电位探测器由两个表面电位传感器和一台绝对电位探测器组成。两个表面电位传感器完全相同, 安装在卫星表面不同位置, 可用于测量向阳面和背阳面的卫星表面差异电位(−3000～300V)。为绝对电位探测器设计离子和电子两种传感器, 分别用于测量卫星表面负的绝对电位和正的绝对电位。电位探测器上各传感器共用一套位于绝对电位探测器内的电子学箱, 通过穿舱电缆连接传递信号。
表面电位探测技术的基本原理如图 12 所示。差异充电探测器由石英玻璃试样、电子线路处理系统及仪器结构件组成, 探头外层由石英玻璃片构成, 内层为圆形镀金片, 连接芯线引出。玻璃片的外层和内层可等效成一个电容 Cs, 其值由材料特性决定。石英玻璃与卫星结构地之间连接一分压电容C1, 当石英玻璃(模拟卫星蒙皮表面)充电时, 通过测量电容 C1 两端的电压值, 可以获得石英玻璃表面的充电电位值, 即卫星表面差异电位。
(a) 单个探测单元截面, 探测范围为60°, S1, S2和S3为3个阵列探测器; (b) 3个探测单元构成的探头
图8 中能电子探测器探头结构示意图
Fig. 8 Schematic diagram of probe structure of medium-energy electron detector
图9 辐射剂量仪照片
Fig. 9 Photos of radiation dosimeter
图10 PMOS传感器的基本结构示意图
Fig. 10 Schematic diagram of the basic structure of PMOS sensor
左: 表面电位探测器; 右: 绝对电位探测器
图11 电位探测器实物照片
Fig. 11 Photos of potential detectors
图12 表面电位传感器电原理示意图
Fig. 12 Electrical schematic diagram of potential sensor
绝对电位传感器主要用来测量卫星的表面电位。受空间等离子体和太阳光照影响, 卫星表面通常带电。充电后的卫星表面与空间等离子体(可以认为是绝对零电位)之间有电势差。若卫星平台表面带正电, 将对离子减速, 对电子加速; 若卫星平台表面带负电, 将对离子加速, 对电子减速。
绝对电位的探测采用国际通用的等离子体能谱反演技术[36–37]。如图 13 所示, 电位传感器通过测量空间等离子体(电子/离子)能谱的改变来反演卫星表面绝对电位的大小和极性。绝对电位探测部分包括离子传感器、电子传感器和配套的电子学线路。
磁场环境是影响空间带电粒子分布和扰动的主要根源之一, 磁场数据(磁场探测范围、采样率等)是分析空间环境(特别是带电粒子)以及空间环境警报和预报的基础数据, 研究粒子的运动和扩散需要磁场监测的配合。
如图 14 所示, FY-3E 星磁强计由两个磁通门探头、4 个巨磁阻探头以及磁场电控箱组成。根据风云三号卫星的轨道高度和应用要求, 磁强计的测量范围设计为±65000nT, 在轨测量精度为 1nT。探测器安装在卫星舱外, 电控箱安装于载荷舱内。磁通门探头测量空间环境磁场矢量信息, 巨磁阻探头基于多点测量数据反演方法, 对空间不同位置的磁场进行探测, 区分空间磁场和卫星平台引起的磁场扰动。
磁通门探头由三轴磁通门传感器和电子线路组成。磁通门传感器包含 3 个正交分布的磁通门传感器, 分别探测空间磁场 3 个对应分量上的磁场强度和方向。每个磁通门传感器内部由 3 个线圈构成线圈系统: 激励线圈内部为高导磁率材料制成的磁芯, 交变激励电源作用在激励线圈内部产生交流磁场, 使内部磁芯反复饱和, 起到调制外部磁场信息的作用; 信号线圈是一个螺线管, 其作用是感应能够反映螺线管轴线方向磁场强度的电信号; 反馈线圈的作用是产生反馈场, 使探测器内部保持稳定的零磁场环境。为了避免传感器之间的相互串扰, 3 个传感器采用相互正交垂直的方式排布在探测器内, 分别测量空间环境磁场 3 个正交方向分量的强度和方向[38]。
图13 绝对电位传感器探测原理示意图(剖面视图)
Fig. 13 Schematic diagram of the detection principle of absolute potential sensor (view of the profile)
左上: 磁场电控箱; 左下: 磁通门探头; 右: 巨磁阻探头
图14 磁场探测器照片
Fig. 14 Photos of magnetic field detector
巨磁阻是一种量子力学效应, 巨磁阻探头的传感器是基于巨磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等强磁性金属, 当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时, 电阻几乎不随外加磁场变化; 当外加磁场偏离金属的内磁化方向时, 此类金属的电阻将减小, 这就是强磁金属的各向异性巨磁阻效应。巨磁阻传感器主要由铁磁材料(如镍铁导磁合金)制成, 这种镍铁合金磁膜的电阻性随磁场的变化而变化, 通常组成惠斯通电桥来感应外界磁场[39]。
图15 环境远置单元(RTU)内部结构及信息流示意图
Fig. 15 Schematic diagram of internal structure and information flow diagram of environmental remote unit (RTU)
除上述 6 种探测器外, FY-3E星空间环境监测器Ⅱ型还设置一台共用的环境远置单元(RTU), 其基本功能及信息流程如图 15 所示。它是各探测载荷的数据和控制中枢, 采用主、备双机冗余备份设计, 同时由卫星平台配电控制, 实现 RTU 系统冷备份, 以便提高分系统的可靠性。RTU 的主要功能如下: 1)与卫星平台的 1553B 总线通信接口, 实现系统校时、指令执行和转发以及遥测参数下行等; 2)各探测载荷配电控制接口, 实现各单机一次电源配电控制; 3)与各载荷单机温度、电源检测、电位信号和剂量遥测模拟量接口, 实现各单机模拟量的输出采集; 4)与各载荷单机异步 422 接口, 各载荷单机发送广播时间码, 转发内部指令及数据注入指令, 接收各载荷科学数据包; 5)与卫星平台的同步 422 接口, 实现对各单机科学数据的打包转发。
FY-3E 星空间环境监测器Ⅱ型正样产品研制完成后, 为精确地给出各载荷实际实现的探测指标并进行验证, 对各载荷的任务指标开展地面标定实验。中、高能粒子探测载荷标定测试项目包括能量范围、能量分辨率、测量精度和灵敏度等, 辐射剂量和电位探测器的标定项目有量程范围、灵敏度和定标精度等, 磁强计开展了磁场量程范围、灵敏度和定标精度等实验。
由于不同载荷测量的物理量不同, 因此采用不同的标定方式。对粒子探测器定标时, 在地面加速器束流条件不满足的情况下, 采用标准放射源、等效信号源定标以及与仿真分析相结合等方式。表 7列出各载荷采用的主要标定方式和实验结果, 具体方法、流程及相关实验数据等可查阅文献[40–42], 本文不详述。
表7 FY-3E星空间环境探测载荷标定方式及结果
Table 7 Calibration method and results of FY-3E space environment detection load
探测单元 标定方式标定结果 中能电子探测器中国科学院怀柔电子加速器(束流条件: 20 keV～1.6 MeV); 标准放射源207Bi和133Ba1) 能量范围: 31 ～600 keV2) 灵敏度: N³1.334´104 cm−2·s−1·sr−1时, DN/N£5%3) 能量分辨率: 优于10%@74 keV4) 地面定标精度: 优于8% 中能质子探测器中国科学院怀柔电子加速器(500 keV以下线性, 500 keV以上线性外推)1) 能量范围: 30 keV～5 MeV2) 灵敏度: N>4348 cm−2·s−1·sr−1时, DN/N£5%3) 能量分辨率: 优于15%@120 keV4) 地面定标精度: 优于10% 高能粒子探测器中国科学院怀柔电子加速器(束流条件: 20 keV～1.6 MeV); 中国原子能院质子重离子加速器(质子<40 MeV); 其他能量采用等效信号源标定及与仿真分析相结合等方式1) 能量范围: 高能电子: 123 keV～5.75 MeV高能质子: 2.92 MeV～285 MeV2) 灵敏度: 高能电子: N>434 cm−2·s−1·sr−1时, DN/N£5%高能质子: N>66 cm−2·s−1·sr−1时, DN/N£5%3) 能量分辨率: 优于10%@74keV4) 地面定标精度: 电子优于8.7%, 质子优于10% 辐射剂量仪新疆理化所60Coγ源(标准源)1) 测量范围: 0～3.3×104 rad (Si)2) 灵敏度: £8.3 rad (Si)3) 地面定标精度: 优于6% 磁强计标准三轴线圈系统(直流和交流磁场线性度、噪声、频率响应零点温度漂移、正交性)1) 测量范围: −65023～+65023 nT2) 灵敏度: 0.087 nT3) 绝对定标精度: 0.73 nT 电位探测器中国科学院低能粒子及表面充放电测试定标系统(电子束流条件: 30 eV～30 keV; 离子束流条件: 静电高压源(+30～−30 kV)1) 量程范围: 绝对电位: −32.4 kV～−24.3 V, +23.7 V～+31.6 kV差异电位: −3313～+347 V, −3346～+354 V2) 灵敏度: £10 V3) 地面定标精度: 优于10%
地面标定实验结果表明, 空间环境监测器Ⅱ型各载荷满足任务指标要求。其中, 辐射剂量探测易受温度影响[43], 利用地面标定结果对在轨探测数据进行分析处理时, 需要进行温度修正, 方法是通过在轨实测的 RADFET 传感器阈值电压数据和环境温度数据, 得到该传感器的阈值电压与温度变化之间的关系曲线, 从而去除 RADFET 温度效应给空间辐射剂量探测带来的影响, 计算出各时刻 RADFET传感器仅受空间辐射影响产生的阈值电压, 并最终由定标曲线得到空间辐射的累积剂量。
本研究针对我国第二代极轨气象卫星系列中风云三号卫星在轨运行遭遇的空间环境, 提出空间环境载荷综合探测技术, 并在 E 星上安装空间环境监测器Ⅱ型载荷, 开展粒子辐射环境、原位磁场矢量变化、辐射剂量累积及卫星表面电位等综合测量, 首次在国内极轨气象卫星上实现多方向全能谱(30eV～300MeV)的粒子探测, 并首次在国内低轨卫星上实现无伸杆磁场矢量探测。在地面研制过程中, 载荷的性能指标经过各种标定实验的考核验证, 发射上天后也获取了大量空间环境探测数据, 并应用于卫星的业务运行和在轨管理分析, 有效地推进了我国空间环境及空间天气研究的发展。
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Comprehensive Detection Payload Technology for Space Environment of FY-3E Satellite
Abstract To monitor the space environment and its effects in the low-Earth sun-synchronous orbit of China’s FY-3 satellite, a comprehensive detection technology based on the type Ⅱ loads of the space environment monitor is proposed. In the process of ground development, various technical indicators of the space environment compre-hensive detection payload have been calibrated and experimentally verified by different methods such as standard radiation source, equivalent signal source, particle accelerator and standard magnetic field. The results show that the multi-direction full-spectrum particle detection achieves an energy range of 30 keV–300 MeV, with the accuracy of ≤10%. The magnetic field detection realizes the measurement range of −65023–+65023 nT, with the accuracy of ≤0.73 nT. The potential detection realizes the measurement range of −32.4–+23.7 kV, with the sensitivity of ≤10V. The detection of radiation dose realizes the measurement range of 0–3×104 rad (Si), with the sensitivity of ≤8.3 rad (Si). Through comprehensive observation of particle radiation environment, change of in-situ magnetic field vector, radiation dose accumulation and change of satellite surface potential in satellite operation orbit, the space environ-ment monitor provides necessary data support for space activities, satellite design, space science research and space weather early warning and prediction.
Key words space environment; particle detection; potential detection; radiation dose; magnetic field detection