基于小孔成像技術的中能電子成像譜儀及其空間觀測結果

鄒 鴻，宗秋剛，陳鴻飛，鄒積清，陳 江，施偉紅，于向前，仲維英，王永福，葉雨光，賈向紅，許 峰，邵思霈，王 博，郝曉云

（1.北京大學 地球與空間科學學院 空間物理與應用技術研究所，北京 100871；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100094； 3.山東航天電子技術研究所，煙臺 264000）

0 引言

能量粒子對人類了解近地空間環境起到十分重要的作用。能量粒子（及磁場）測量首先揭示了地球磁層中的各種特征區域，如輻射帶、磁層頂、磁鞘、弓激波、等離子體片和磁尾等。回旋半徑小、速度快的能量電子可以沿磁場線快速移動，因此對能量電子進行準確觀測可用于研究磁層磁場拓撲結構及其隨時空的變化。例如，根據IMP-8衛星對＞200 keV電子的觀測，在地球中磁尾區域的開放和閉合磁場結構才得以被清晰地描繪出來[1-2]，而ISEE-3衛星對＞70 keV電子的觀測對確定遠磁尾磁場結構以及等離子體團的拓撲結構和尺寸起到了決定性作用[3-4]。

雖然我們對近地空間環境已有初步了解，但是近地空間環境的變化，特別是磁暴、磁層亞暴、高能電子暴等擾動事件以及其中涉及的一些關鍵物理機制仍有待進一步研究。對能量電子的能譜和投擲角分布的準確測量是研究亞暴粒子注入、磁場高能電子起源和加速機制等熱點問題的基礎[5-8]，對于準確地評估空間輻射環境、建立動態輻射帶模型具有十分重要的科學意義。

目前，探測空間能量電子的儀器主要有3類。第一種是準直器加單一硅半導體探測器或多個硅半導體探測器組成的探測器望遠鏡。這類儀器的代表是NOAA-POES衛星上的MEPED的方向電子探測器[9]。這種儀器通過準直器或望遠鏡結構限定電子的入射角度范圍，可以測量入射電子的能譜，但很難獲取電子的投擲角分布。第二種是磁譜儀，典型儀器為VAP衛星上的磁電子譜儀MagEIS[10]。這類儀器利用磁鐵形成的均勻磁場將入射的不同能量電子聚焦在不同位置，再通過位置靈敏或線陣列傳感器測量入射電子的能譜。為了確保同一能量的入射電子可以被聚焦在同一個探測器單元上，電子的入射角度通常較小。第三種是采用針孔成像技術的儀器，如Cluster衛星上的成像能量電子譜儀IES[11]。這類儀器通過針孔與多單元位置靈敏傳感器構成多方向望遠鏡系統，可以覆蓋更大的視場角。與其他2種類型的能量電子探測技術相比，針孔成像結構具有體積小、重量輕、無漏磁、視場大等優點。

本文介紹了北京大學研制的基于針孔成像技術的中能電子成像譜儀BD-IES的基本原理、系統構成、地面標定試驗、在軌交叉定標和最新觀測結果。2015年9月底，中能電子探測器由某導航衛星搭載成功發射進入傾斜地球同步軌道。在軌交叉定標結果表明：BD-IES測量的中能電子能譜與國外最新的觀測結果具有可比性，其最新觀測數據可以為研究亞暴注入、波-粒子相互作用和高緯捕獲粒子等空間物理熱點問題提供可靠數據。

1 儀器介紹

BD-IES的原理框圖如圖1所示。

圖1 BD-IES原理框圖Fig.1 Principle diagram of BD-IES

BD-IES共有8個電路模塊，主要包括：一組小孔成像探頭（含 3個電子探頭單元，即DHE1、DHE2、DHE3）；集成前放單元（ASIC）；信號調節單元（SCU）；數據處理單元（DPU）；偏壓電源（BVM）和二次電源（PWR）。

每個電子探頭單元（DHE）都連接到ASIC單元，對中能電子入射方向進行識別的同時實現脈沖高度的采樣保持。SCU對來自ASIC單元的方向信息和脈沖幅度進行分析，并實現相應通道的數據累積。DPU定期采集SCU中累積的能譜數據，得到相應通道的單位時間計數率，進一步根據幾何因子可以獲得通道的通量測量。BVM為3個電子探頭單元提供偏壓。PWR將衛星平臺提供的+28 V電源轉換為設備需要的+5.2 V供電。

儀器對外提供RS422總線實現與分系統上位機的通信，并輸出2個遙測信號TMM001和TMM002。儀器接收來自衛星平臺的2個遙控信號TMC01和TMC02，實現對儀器的開機和關機控制。

2 地面標定試驗

對BD-IES進行地面標定試驗的目的是了解該儀器的系統能量分辨率、角度分辨率是否能夠滿足多方向準確測量能量電子能譜的需求。

為了確定BD-IES探頭的能量響應，我們用207Bi放射源和模擬信號源對BD-IES探頭進行了能量刻度和系統性能檢測。結果表明，BD-IES探頭的第一個探測單元的3個方向對應的硅探測器均測量到207Bi電子放射源能譜中幾個典型的譜峰：74、481.6、554、976.4和 1 048.1 keV，其中前 4個峰值很明顯。

從BD-IES獲得的207Bi放射源能譜中可以讀取前4個典型能量峰對應的中心道數。通過衡量4個譜峰峰值能量及其對應的中心道數的線性關系，可以評估BD-IES探頭9個方向的通道能量響應的線性度。結果表明，BD-IES探頭9個方向通道測量的207Bi電子放射源的4個典型譜峰峰值道數點基本在同一直線上，這說明BD-IES探頭9個方向通道的能量響應具有很好的線性度。利用精密脈沖信號源產生一個測試信號（其信號幅度等效于481.6 keV電子產生的信號幅度）輸入BD-IES的測試段，測其輸出信號幅度譜的半峰寬即可獲得BD-IES的系統噪聲。檢測結果表明：BD-IES的9個方向通道的系統電子學噪聲最小為4.17 keV，最大為6.20 keV，平均為5.15 keV。該水平優于Cluster/RAPIDIES的系統噪聲水平。

BD-IES的方向標定結果表明BD-IES的探頭具有很好的方向響應能力[12]。在探測平面內有9個均勻分布的入射方向，每個方向覆蓋的入射角度＜20°，因此其角分辨率為20°。BD-IES探頭單元的3個探測器的方向響應曲線的半峰寬均不到20°，因此BD-IES的小孔成像結構具有很好的角度分辨能力。

3 在軌初交叉定標結果

BD-IES于2015年9月底發射進入傾斜地球同步軌道，目前儀器工作正常，已獲得大量數據。為了確認BD-IES對地球同步軌道中能電子觀測結果的準確性，我們比較了BD-IES和美國輻射帶風暴探測器（Radiation Belt Storm Probes, RBSPs，又稱范艾倫探測器）的磁電子譜儀（Magnetic Electron Ion Spectrometer, MagEIS）的觀測結果。為了排除軌道高度對觀測的影響，我們將BD-IES與RBSPs的MagEIS觀測的不同能檔的電子通量換算為不同磁矩（μ）條件下的電子相空間密度。我們統計了兩種儀器對高度在(5.68～6.04RE)范圍內1年（2015年11月1日到2016年10月31日）時間觀測的在不同磁矩條件下的平均電子相空間密度。圖2[13]比較了它們觀測的平均電子相空間密度隨磁矩的分布。藍色曲線為BD-IES觀測結果，紅色和綠色分別為RBSPa和RBSPb的MagEIS的觀測結果。從圖中可以看到，在相同的磁矩范圍內BD-IES與RBSPs的2顆星的MagEIS的觀測結果符合得非常好。

圖2 BD-IES、RBSPa和RBSPb在1年內觀測的平均電子相空間密度隨磁矩的分布Fig.2 The average phase space density of electron observed in a year by BD-IES, RBSPa and RBSPb, respectively,vs.magnetic torque

4 最新觀測結果

由于搭載BD-IES的衛星的運行軌道非常特殊，所以，BD-IES對能量電子的觀測對于研究磁層波-粒子相互作用、亞暴電子注入等熱點問題具有十分重要的意義。

4.1 亞暴注入觀測

磁層亞暴注入與許多重大的空間物理現象有關，包括能量粒子加速、傳輸等。能量粒子注入是與磁層亞暴有關的被人熟知的現象。亞暴注入粒子會漂移進入內磁層，其漂移速度與能量和粒子種類有關，因此導致色散或非色散注入觀測，這取決于觀測者的相對位置。所有不同能量的能量粒子通量的同時增加被解釋為觀測點位于注入區內，這一現象被命名為非色散注入，而非色散注入所在的區域則被命名為“注入區”。如果衛星位于“注入區”之外，則其觀測到的能量粒子通量增加可能是能量色散的。這主要是因為被注入的能量粒子通過梯度-曲率漂移從注入區漂移出來，而漂移速度與粒子能量有關，因此衛星可以觀測到飛行時間（ToF）效應。

亞暴注入粒子將圍繞地球做漂移運動，因此甚至在幾個完整的粒子漂移周期之后，被觀測到的粒子通量與背景比仍能保持在一個較高的通量水平。這樣一個伴隨著不斷增加色散的周期性能量電子通量增強-恢復現象（又稱為“漂移回聲”）被認為是亞暴注入電子環繞地球做方向角漂移運動的結果。我們可以利用飛行時間信息，根據漂移粒子的能量色散剖面追蹤其漂移起始位置，從而獲得亞暴注入的起始時間和粒子注入邊界的方位角位置。更進一步，我們可以通過注入粒子的峰值持續時間評估注入區的方位角范圍。

目前內磁層中亞暴粒子注入機制及其相關的徑向范圍仍不清楚。我們仍然不知道亞暴注入粒子是在哪里以及如何被產生和傳輸進入磁層的。確定亞暴注入粒子的徑向范圍和傳播過程有助于區分與亞暴注入相關的機制。搭載BD-IES的衛星軌道與地球赤道面的交點隨季節變化圍繞地球轉動，因此BD-IES可以掃過很寬的磁尾經度范圍。用BDIES的觀測數據配合在地球同步轉移軌道上的2顆RBSP衛星上的MagEIS的觀測數據，有可能對亞暴粒子注入問題進行更深入的研究。

從2015年10月到2016年3月，BD-IES所在IGSO衛星軌道掃過了地球磁赤道的所有磁地方時。在這段時期，BD-IES觀測到多次磁層能量電子注入事件。圖3[14]顯示了BD-IES在2015年10月16日觀測到的一次能量電子注入事件，圖中不同顏色的曲線代表BD-IES的8個能檔，橫坐標為UT。

圖3 2015年10月16日BD-IES觀測到的色散型能量電子注入事件Fig.3 The dispersive electron injection event observed by BD-IES on Oct 16, 2015

從圖3可見，13:30到15:30期間出現了色散型能量電子注入事件。這是一次典型的色散型電子注入事件，不同能量的注入電子在不同時刻到達BDIES，能量越高的電子到達BD-IES的時間越早。宗秋剛等[14]通過分析這次電子注入事件中不同能量電子的飛行時間信息，獲得了這次亞暴注入的起始時間和注入邊界位置。圖4[14]顯示了利用BDIES觀測的不同能檔的中能電子通量隨時間的變化，獲取亞暴注入的起始時間和注入位置的方法。其中：上圖顯示了BD-IES在2015年10月16日14:10—14:30UT觀測的50～600 keV能量范圍內8個能檔的中能電子通量隨時間的變化，下圖中“+”顯示了BD-IES的前5個能檔觀測的亞暴電子注入起始的時間和位置。

圖4 從色散型能量電子注入事件中獲取亞暴注入起始時間和位置Fig.4 The initial time and location of substorm injection obtained from the dispersive electron injection event

除了色散型亞暴電子注入事件，BD-IES也觀測到非色散型電子注入事件。圖5[15]所示為在2016年2月17日BD-IES觀測到的一次非色散型電子注入事件。從圖5可見，不同能量的電子通量在14:38左右突然下降后，最低3個能檔的電子通量同時迅速增加。這說明BD-IES應該位于注入區中。從數據中可知，本次亞暴粒子注入區位于午夜側磁赤道區域。

圖5 2016年2月17日BD-IES觀測到的非色散型能量電子注入事件Fig.5 The dispersionless electron injection event observed by BD-IES on Feb 17, 2016

4.2 波-粒子相互作用

圖6[16]顯示了BD-IES在2015年 11月 11日觀測的8個能檔的全向電子微分通量隨時間的變化。從圖6可見，在靠近磁地方時18:00點左右的低地磁緯度（16°～20°）處，BD-IES 觀測的第 2～6能檔電子微分通量出現明顯的波動。根據2個相鄰波峰的間距，可以估算出波動的周期大致為5 min，這正是ULF波的典型周期。因此，這是BDIES在磁層黃昏側觀測到的一次典型的ULF波與粒子相互作用事件。

圖6 2015年11月11日BD-IES觀測的ULF波與能量電子的相互作用例子Fig.6 IGSO spacecraft observations of ULF wave event on 11 Nov, 2015

李莉等[16]對BD-IES在2015年11月11日觀測到的的ULF波動事件進行了詳細研究。他們發現BD-IES觀測到的能量電子通量的波動與歸一化漂移共振理論的預測結果符合得很好。通過對觀測結果和理論計算應用最佳擬合過程，他們提出了一種在缺少電磁場測量數據的情況下從BD-IES能量電子通量的觀測結果中獲取ULF特征參數信息的方法。針對最佳擬合結果與BD-IES觀測結果存在的一些小差異，李莉等[17]在波粒子漂移共振理論中考慮了ULF波振幅的地方時變化。修正過的波粒子漂移共振理論與BD-IES的觀測結果符合更好，并使我們對波-粒子相互作用理論有了更深刻的理解。

4.3 高緯捕獲區

BD-IES所在的IGSO軌道衛星可以掃過向日面磁層頂內部的高磁緯區域，因此有可能觀測到高緯捕獲區附近的能量電子。圖7[18]顯示了BD-IES在向日面高磁緯區域觀測到的能量電子通量增強事件。圖7(a)為 WIND/3DP觀測的 40, 66, 108,180, 310 keV電子通量隨時間的變化。圖7(b)為不同能檔的電子全向微分通量。圖7(c)～(e)分別顯示的是對應不同時間點的太陽風磁場Bz，L值和磁地方時，以及地磁緯度。從圖7可見，該事件出現在的磁地方時12:00左右，地磁緯度在-60°左右，L值在(24.1～33.5)RE之間。在這一事件中，通量增加的主要是能量低于150 keV的電子。

圖7 BD-IES在向日面高磁緯區域觀測到的能量電子通量增強事件Fig.7 Boosting of energetic electron observed in dayside high magnetic latitude region

王玲華等[18]對包括這一事件在內的BD-IES在2015年10月到2016年1月觀測到的28個類似事件進行了統計研究。通過分析這些事件中電子的冪律譜分布，他們發現這些事件中的電子可能是太陽風中superhalo電子經過某些過渡過程（如磁重聯）形成的。

5 總結與展望

根據放射源能量刻度和精密脈沖信號源測試試驗結果，BD-IES的9個方向通道的系統總電子學噪聲最小為4.17 keV，最大為6.20 keV，平均為5.15 keV。而BD-IES采用的英國Micron公司的位置靈敏探測器的性能至少達到ClusterII-IES的探測器水平。因此BD-IES在能量分辨率方面應優于Cluster-IES。根據方向響應試驗和仿真計算的結果，BD-IES所采用的小孔成像技術可以很好地區分不同方向入射的電子，其方向分辨率可以達到20°。利用蒙特卡羅模擬，我們詳細估算了BDIES的9個方向不同能檔的有效幾何因子，同時利用Geant4仿真計算了在GEO的BD-IES的質子污染率。仿真結果表明BD-IES探頭的防質子污染技術可以將BD-IES各能檔質子平均污染率限制在2%左右[19]。因此，在非太陽質子事件期間，BDIES觀測結果中的質子污染是可以忽略的。

BD-IES于2015年9月30日成功發射入軌，并于10月5日順利開機，到目前已正常工作近3年。其初步觀測結果表明BD-IES的觀測與RBSP衛星MagEIS的類似觀測具有可比性，這說明BD-IES的數據是可信和可靠的。BD-IES觀測的GEO能量電子能譜是中國首次實現50～600 keV能段能量電子能譜的測量。在近2年的時間中，BD-IES觀測了大量的在不同磁層區域發生的ULF波動事件和亞暴粒子注入事件，為研究波-粒子相互作用、亞暴電子注入和高能電子暴等磁層研究熱點問題提供了有價值的數據。

采用小孔成像技術的能量電子譜儀最初搭載在Polar衛星上，即Polar-CEPPAD，該儀器在成功獲取近20年數據后已停止運行。ClusterII衛星搭載的類似設備ClusterII-RAPID-IES在空間中運行了近17年，已進入任務壽命末期。而BD-IES尚處于儀器壽命初期，且搭載它的中國導航衛星的IGSO軌道非常特殊，因此BD-IES可以與RBSP等衛星形成多星聯合測量條件[20]。

綜上所述，BD-IES的在軌應用為我們進一步研究能量粒子加速、亞暴粒子注入等磁層熱點物理問題提供了非常重要的機會。在未來的幾年中，BD-IES將會應用到“風云”等空間環境探測應用平臺上，相信其將會對我國空間物理理論研究和空間天氣預報應用發揮重要作用。

致謝

作者由衷感謝北京大學空間探測儀器研制團隊的所有成員、參與儀器數據分析的合作者和為儀器能夠成功發射和運行做出努力的所有人員。