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《基于simion軟件的空間等離子體探測(cè)器的數(shù)值仿真》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、２０１２年８月中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)７１第４期ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ基于ＳＩＭＩＯＮ軟件的空間等離子體探測(cè)器的數(shù)值仿真孔令高１，２１，２１１１１張愛(ài)兵王世金孫越強(qiáng)鄭香脂董永進(jìn)（１中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京１００１９０）（２中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京１０００４９）摘要空間等離子體探測(cè)器采用帶偏轉(zhuǎn)板的柱形靜電分析器作為傳感器，具有大于３２０°探測(cè)視場(chǎng)，可探測(cè)約１０ｅＶ～３０ｋｅＶ的熱等離子體。利用ＳＩＭＩＯＮ軟件采用均勻隨機(jī)抽樣建立粒子源的方法仿真探測(cè)器的基本特性參數(shù)：靜電分析器因子、
2、能量分辨率、偏轉(zhuǎn)板因子和偏轉(zhuǎn)角。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好。靜電分析器因子的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差為３．２％，能量分辨率仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差為１．５％，偏轉(zhuǎn)角－偏轉(zhuǎn)板因子的關(guān)系式與實(shí)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為０．９９９４。仿真結(jié)果可以有效地應(yīng)用于該類(lèi)儀器的設(shè)計(jì)和定標(biāo)過(guò)程中。關(guān)鍵詞空間等離子體探測(cè)器柱形靜電分析器數(shù)值仿真ＤＯＩ：１０．３７８０／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７５８Ｘ．２０１２．０４．０１０１引言等離子體的探測(cè)，特別是熱等離子體，通常采用靜電分析的方法進(jìn)行。靜電分析器作為最常用的等離子體傳感器，在地面以及空間探測(cè)中都有著廣泛的應(yīng)用。靜
3、電分析器主要有圓柱形靜電分析器和球形靜電分析器兩大類(lèi)。圓柱形靜電分析器是靜電分析器中較為簡(jiǎn)單的類(lèi)型，具有容易實(shí)現(xiàn)?。郏保常菪突膬?yōu)點(diǎn)，在空間粒子探測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。圓柱形靜電分析器的缺點(diǎn)是固有視場(chǎng)較小，在需要大視場(chǎng)的空間探測(cè)中，通常在圓柱形靜電分析器入射口前端加靜電偏轉(zhuǎn)板來(lái)擴(kuò)大探測(cè)視場(chǎng)。用來(lái)探測(cè)粒子能譜和通量的圓柱形靜電分析器按照入口前有無(wú)靜電偏轉(zhuǎn)板，又可以具體劃分為有偏轉(zhuǎn)板類(lèi)柱形靜電分析器和無(wú)偏轉(zhuǎn)板類(lèi)柱形靜電分析器。無(wú)偏轉(zhuǎn)板類(lèi)柱形靜電分析器由于沒(méi)有偏轉(zhuǎn)板對(duì)入射粒子進(jìn)行方向偏轉(zhuǎn)，探測(cè)視場(chǎng)較小，內(nèi)部電［４－７］場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單
4、，其仿真模擬可以采用解析方式進(jìn)行。早期由于受到計(jì)算機(jī)能力和仿真軟件的限制，靜電分析器的仿真主要采用解析方式。解析方式仿真的缺點(diǎn)是只能處理簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的模型，邊界條件的處理較為理想化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量有限元數(shù)值仿真軟件出現(xiàn)，可以對(duì)更為復(fù)［８］雜結(jié)構(gòu)的靜電分析器進(jìn)行數(shù)值仿真，邊界條件的處理也更接近真實(shí)情況，仿真結(jié)果更為精確。ＳＩＭＩＯＮ軟件是一種有限元數(shù)值仿真軟件，可進(jìn)行靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)中帶電粒子軌跡的數(shù)值計(jì)算，在帶電粒子探測(cè)儀器的設(shè)計(jì)仿真中有著廣泛的應(yīng)用。本文利用ＳＩＭＩＯＮ粒子仿真軟件對(duì)空間等離子體探測(cè)器進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得
5、探測(cè)器的基本特性參數(shù)，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。國(guó)家８６３計(jì)劃（２０１０ＡＡ１２２２０５）資助項(xiàng)目收稿日期：２０１１－１２－２９。收修改稿日期：２０１２－０２－２９７２中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)２０１２年８月２模型建立本文介紹的空間等離子體探測(cè)器是帶有靜電偏轉(zhuǎn)板的圓柱形靜電分析器，如圖１所示。探測(cè)器包括兩套相同的傳感器，背對(duì)背的安裝。每一套傳感器的基本組成按照粒子（電子或離子）運(yùn)動(dòng)軌跡（帶箭頭的虛線）依次有地網(wǎng)、靜電偏轉(zhuǎn)板、靜電分析器和陶瓷電子倍增器（ＣｅｒａｍｉｃＣｈａｎｎｅｌＥｌｅｃｔｒｏｎＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ，ＣＣＥＭ）。地網(wǎng)用來(lái)屏蔽
6、傳感器內(nèi)部的電場(chǎng)。靜電偏轉(zhuǎn)板加掃描電壓對(duì)入射粒子的方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。靜電分析器內(nèi)電極加掃描電壓選擇特定能量的粒子通過(guò)，外電極接地。粒子在靜電分析器內(nèi)外電極之間作近似圓周運(yùn)動(dòng)，能夠通過(guò)靜電分析器的粒子能量電荷比（Ｅ／ｑ）與內(nèi)電極所加電壓值成正比關(guān)系。陶瓷電子倍增器對(duì)靜電分析器出射的粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)。探測(cè)電子的傳感器和探測(cè)離子的傳感器具有相同的結(jié)構(gòu)，電壓極性相反。電子傳感器中的電壓為正電壓，離子傳感器中的電壓為負(fù)電壓。圖１空間等離子體探測(cè)器的傳感器基本結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．１Ｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｐｌａｓｍａｄｅｔｅｃｔｏｒｓｅｎｓｏｒｓ
7、圖１中傳感器的兩塊靜電偏轉(zhuǎn)板均為半徑２０ｍｍ，高１６ｍｍ的９０°圓柱面。靜電分析器內(nèi)電極為半徑２０ｍｍ，高１６ｍｍ的１２７°圓柱面。靜電分析器外電極為半徑２２ｍｍ，高１６ｍｍ的１２７°圓柱面。內(nèi)外電極間距為２ｍｍ。單套傳感器具有大于１６０°的探測(cè)視場(chǎng)（２套傳感器可實(shí)現(xiàn)大于３２０°視場(chǎng)），可探測(cè)１０ｅＶ～３０ｋｅＶ的等離子體。由于等離子體探測(cè)器兩套傳感器具有相同的結(jié)構(gòu)，以下討論的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果只針對(duì)其中一套傳感器（圖１中右側(cè)）。以傳感器入口對(duì)稱(chēng)軸為Ｘ軸，平行于地網(wǎng)為Ｙ軸建立儀器坐標(biāo)系，Ｚ軸符合右手規(guī)則，如圖１所示。定義探測(cè)器視場(chǎng)
8、在ＸＹ平面內(nèi)的分量與＋Ｘ軸夾角為方位角α，在ＸＺ平面內(nèi)的分量與＋Ｘ軸夾角為俯仰角β。下文對(duì)探測(cè)器的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果均在此儀器坐標(biāo)系中進(jìn)行。等離子體探測(cè)器的電子探測(cè)和離子探測(cè)原理完全相同，只是電壓極性不同。以下將以電子探測(cè)器為例進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的介紹。對(duì)電子探測(cè)器的仿真主要分為
