电离层3维大视场高精度热离子成像探测技术研究

The ionosphere physics research needs high quality measurement data. The ionosphere is the main ion source of the magnetosphere. The ionosphere ions can be heated and accelerated into the magnetosphere. One big issue in space physics is the coupling mechanism between the magnetosphere and ionosphere. The 3D and accurate suprathermal ions imager can provide high quality data to meet the need of the research in space physics. The key technology study on the design of the imager and the development on the critical elements will be performed in this project. The electric filed deflector will be used to realize the field of view of 4π. The imager will use Whalen analyzer, microchannel plates (MCP), phosphor, fiber optic taper and charge couple device (CCD) to image the suprathermal distribution to have a temporal resolution <50ms. The energy range, energy resolution and angular resolution of the imager is 0.05~25eV, <15% and <2°×3°respectively. There are two key technologies to be resolved in this project. One is the system level simulation of the imager to make it compatible between the ion detection sector and the imaging sector. The other is the design and development of the ion optic system. This project study will increase the measurement data quality of the ionosphere and promote the physics research of the ionosphere.

高质量电离层探测数据是电离层科学研究的重要保证。作为磁层重要的离子输入源，电离层与磁层耦合机制的研究是当前空间物理的重大课题，该研究迫切需要高质量的电离层热离子探测数据。三维大视场高精度热离子成像探测技术研究将针对以上科学研究的重大需求，开展新的电离层成像探测技术研究和关键技术攻关，完成技术方案设计报告和关键部件研制。热离子成像探测仪将采用静电偏转系统实现仪器4π的探测视场，采用Whalen分析器+微通道板+荧光屏+光锥+CCD的方案实现离子成像探测，时间分辨率<50ms。具体技术指标为：能量范围0.05eV~25eV，能量分辨率<15%，角度分辨率<2°×3°。本项目将解决两大关键技术：热离子成像探测系统级设计仿真，确保离子探测技术与光学成像探测技术相匹配；离子光学系统的设计加工，以满足大视场高精度的探测需求。本项目完成将大大提升电离层热离子探测数据质量，推动电离层科学研究的发展。

能量在0.01eV~10eV范围的离子是构成电离层离子的主体，由于其能量较高，又可称为热离子。热离子代表的是电离层加速及外流离子的初始状态，对于研究电离层离子加热加速机制以及磁层-电离层耦合机制具有重要的意义。. 早期的电离层探测研究主要关注等离子体的整体宏观特性，采用的探测器均不具备方向分辨的能力，无法给出电离层等离子体的三维分布的信息，只给出等离子体整体的密度和温度等信息。. 本项目根据热离子成像探测的国内外发展现状和趋势，以及我国对于电离层热离子成像探测的迫切需求，完成了电离层热离子三维大视场高精度成像探测仪的技术方案研究以及离子光学系统的关键部件研制。. 热离子成像探测仪采用静电偏转系统实现仪器4π的探测视场，采用Whalen分析器+微通道板+荧光屏+光锥+CCD的方案实现离子成像探测。技术方案实现的具体技术指标为：能量范围0.03eV~26.7eV，在该能量范围内实现能量分辨率<15%，视场范围360°×180°，角度分辨率~1°×3°。本项目解决了两大关键技术：热离子成像探测系统级设计仿真，离子光学系统的设计加工。. 通过本项目的研究，完成了技术方案设计报告1份，发表EI论文2篇、核心期刊论文1篇。本项目还培养了1名博士研究生（在读）、1名硕士研究生（已毕业）以及1名热离子探测物理设计工程师，为我国空间等离子体探测培养了后备力量。. 本项目的完成填补了我国热离子成像探测技术的空白，推动电离层科学研究的发展，本项目相关研究成果已经应用到空间站实验舱项目中，对地球电离层开展成像探测。