鄭香脂 張愛兵關燚炳劉超孫越強王文靜田崢孔令高丁建京

1)(中國科學院國家空間科學中心,北京 100190)

2)(天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190)

3)(中國科學院大學,北京 100049)

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計探測技術?

鄭香脂1)2)3)?張愛兵1)2)關燚炳1)2)劉超1)2)孫越強1)2)王文靜1)2)田崢1)2)孔令高1)2)丁建京1)2)

1)(中國科學院國家空間科學中心,北京 100190)

2)(天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室,北京 100190)

3)(中國科學院大學,北京 100049)

等離子體分析儀,離子漂移計,電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星,離子漂移速度

依據(jù)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的任務要求,自主研發(fā)了等離子體分析儀,用于探測電離層等離子體的離子密度、溫度、成分、漂移速度和密度的漲落.等離子體分析儀由阻滯勢分析器、離子漂移計和離子捕獲計組成,其中離子漂移計用于探測離子垂直軌道方向的漂移速度.通過分析電離層等離子體的離子漂移速度特性,確定儀器的性能指標.離子漂移計傳感器采用多層柵網(wǎng)壓緊結(jié)構(gòu),柵網(wǎng)材料選用鈹銅,各層柵網(wǎng)之間采用聚酰亞胺絕緣.依據(jù)技術指標,詳細設計了離子漂移計傳感器的窗口尺寸、傳感器幾何高度和收集極半徑.在電子學電路設計時通過前放電路三個可調(diào)量程的設計,保證了電路測量范圍和精度,并通過實驗進行驗證.在此基礎上,借助意大利國家天體物理研究院行星際物理研究所的地面等離子體環(huán)境,完成了離子漂移計的等離子體環(huán)境測試.測試結(jié)果表明,離子漂移計垂直軌道方向漂移速度測量結(jié)果的變化趨勢與轉(zhuǎn)臺設定值變化趨勢一致,且測試精度指標滿足設計要求,能夠滿足電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的任務需求.

1 引 言

目前,國內(nèi)外已利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了大量地震與電離層等離子體參數(shù)相互耦合的事例.特別是法國Demeter衛(wèi)星發(fā)射以來,電離層等離子體參數(shù)擾動已被大量探測結(jié)果所證實,通常表現(xiàn)為震前幾日等離子體密度、溫度和成分的異常擾動[1?9].地震引起電離層參數(shù)擾動的幅度一般為15%—30%,但一些大震前可能超過100%[10].

地震孕育和發(fā)生過程中,電磁場和地殼構(gòu)造等都會出現(xiàn)不同程度的變化,這些變化會對震源區(qū)周圍的巖石圈造成不同程度的影響,這種影響通過大氣圈最終引起電離層擾動[11].除應力變化引起壓磁、壓電效應外,還可能通過感應磁效應、動電磁效應以及熱磁效應等產(chǎn)生地震電磁前兆異常[10].雖然目前對巖石圈—大氣層—電離層耦合機理還沒有形成統(tǒng)一的觀點,但是已經(jīng)出現(xiàn)了一些耦合模型.地震可能通過化學途徑、聲學途徑和電磁途徑等傳播途徑引起電離層擾動[11].

利用衛(wèi)星技術進行地震相關的空間電磁現(xiàn)象的觀測,具有覆蓋全面、時間連續(xù)和效率高等特點,對地震的反應更加靈敏[12].電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(CSES)是我國地震立體觀測體系的第一個專用天基平臺,主要用于監(jiān)測與地震相關的空間電離層電磁異常.等離子體作為電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星軌道的核心要素,其觀測數(shù)據(jù)是地震-電離層耦合關系研究及地震預報的基礎[13].

等離子體分析儀是電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的主要載荷之一,由阻滯勢分析器(RPA)、離子漂移計(IDM)和離子捕獲計(ICM)組成,用于測量電離層等離子體中的離子成分、離子密度、離子溫度、離子漂移速度以及離子密度漲落等[14].其中,離子漂移計主要用于探測等離子體的整體垂直軌道方向漂移速度,其數(shù)據(jù)可用于研究電離層的能量輸運過程、大尺度電場等,對地震-電離層耦合的研究具有重要意義.

2 指標分析

低端離子漂移速度約為幾十米每秒,高端速度約有1.5 km/s.電離層極區(qū)擾動時漂移速度可能變化范圍為10—100 m/s.此外,赤道超聲速等離子體泡的漂移速度可能會更高,超過2 km/s[15].因此,中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計指標確定如下:離子垂直于軌道方向的漂移速度測量范圍為?3—3 km/s;通常等離子體條件下漂移速度相對測量精度為±20 m/s.中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計性能指標與法國Demeter衛(wèi)星[15]以及美國DMSP衛(wèi)星[16]同類儀器的性能指標對比如表1所示.

表1 電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計指標和國際同類儀器對比Table 1.Performance comparison among CSES and similar international instruments.

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星通過對電離層特性的分析提出以F107作為等離子體條件的劃分依據(jù),并規(guī)定F107在65—200之間為通常等離子體條件.在通常等離子體條件下,500 km軌道高度上電子密度變化范圍約為3×103—3×106cm?3,離子溫度變化范圍約為900—1750 K.根據(jù)等離子體的電中性特點(電子密度等于離子密度),通常等離子體條件下離子密度變化范圍為3×103—3×106cm?3.這些參數(shù)范圍涵蓋了500 km電離層可能出現(xiàn)的絕大多數(shù)情況.電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀指標要求離子漂移計在通常等離子體條件下的相對測量精度優(yōu)于±20 m/s,且要求等離子體分析儀密度探測范圍為5×102—1×107cm?3[14],所以離子漂移計的測量動態(tài)范圍應設計有足夠的余量.

3 離子漂移計工作原理

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[17],傳感器入口柵網(wǎng)G1處為地電位,安裝時與同一電位的導體擴展板齊平,保持傳感器開口處的電場均勻,且屏蔽傳感器內(nèi)部電壓對等離子體的干擾.由于H+離子質(zhì)量小,熱速度大,進入傳感器后會影響探測精度,所以柵網(wǎng)G2保持+2 V電位,阻止H+進入傳感器.雙層柵網(wǎng)G3和柵網(wǎng)G4處都為地電位,保證離子有足夠的漂移距離.抑制柵網(wǎng)G5保持?12 V偏壓,阻止等離子體中的電子到達收集極,同時防止收集極上的二次電子和光電子逃逸.傳感器內(nèi)還包含4個面積相等的收集極A,B,C和D.4個收集極電流分別為IA,IB,IC和ID,收集極A,C收集的電流疊加為IAC,收集極B,D收集的電流疊加為IBD.

電流IAC和IBD滿足如下關系:

式中w為傳感器窗口的邊長,h?為傳感器的有效高度;α為等離子體沿+Y方向的入射角.+Y方向的離子漂移速度VdY計算公式為[18?20]

式中Vr是離子整體的縱向移動速度,由阻滯勢分析器探測得到;e為電子電荷;?為衛(wèi)星電位;mi為氧離子的質(zhì)量.

設收集極A,B收集的電流之和為IAB,收集極C,D收集的電流之和為ICD,則

式中θ為等離子體沿+Z方向的入射角.同理,+Z方向的離子漂移速度VdZ計算公式為

圖1 離子漂移計結(jié)構(gòu)示意圖[] (a)柵網(wǎng)及收集極示意圖;(b)離子入射示意圖Fig.1.Structural diagram of ion drift meter[]:(a)Diagram of gratings and collectors;(b)diagram of ion incidence.

此外,傳感器有效高度h?與傳感器幾何高度h之間的關系為[19]

式中a=?UG5e/(dmi),UG5為柵網(wǎng)G5的偏壓;d為G4,G5以及收集極之間的距離.

4 傳感器設計

4.1 傳感器柵網(wǎng)設計

離子漂移計的傳感器采用多層柵網(wǎng)壓緊結(jié)構(gòu),柵網(wǎng)材料選用鈹銅,并采用鍍金的方法增加表面功函數(shù)和抗原子氧腐蝕能力.各層柵網(wǎng)之間采用聚酰亞胺絕緣.阻柵網(wǎng)設計方案如圖2所示,網(wǎng)孔設計為蜂窩狀正六邊形小孔,網(wǎng)絲間距設計為(1±0.01)mm,網(wǎng)絲寬度和厚度均設計為(0.1±0.01)mm,柵網(wǎng)單層正面透過率設計為82.64%±1.4%.6層柵網(wǎng)總透過率為單層柵網(wǎng)透過率的6次方[14].

圖2 柵網(wǎng)設計示意圖Fig.2.The diagram of grid.

4.2 傳感器幾何尺寸設計

離子漂移計傳感器幾何尺寸設計的主要依據(jù)是儀器的性能指標.根據(jù)離子漂移速度?3—3 km/s的探測范圍,要求離子漂移計的視場角滿足

此外,由離子漂移計探測原理可知,離子入射角的測量精度由電流檢測精度決定.根據(jù)離子漂移速度的探測精度指標(20 m/s),并依照(2)式和(4)式進行誤差傳遞,計算得到電流檢測相對精度優(yōu)于0.4%.因此,離子漂移計傳感器設計的另一個重要依據(jù)就是要滿足量程低端的精度要求.ΔI為電子學電路的實際電流檢測精度,為保證信噪比,ΔI取值為2 pA.同時考慮在通常等離子體密度低端(3×103cm?3),離子以較大的漂移速度進入傳感器時,離子漂移計的幾何結(jié)構(gòu)需要滿足

式中K為6層柵網(wǎng)的總透過率,e為單位電荷,Vs為衛(wèi)星運動速度(對電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星,Vs=7600 m/s),h?為傳感器有效高度.結(jié)合(6)式和(7)式的限定條件,考慮到衛(wèi)星平臺資源,離子漂移計傳感器窗口邊長w和傳感器幾何高度h的設計值分別為40和20 mm,相應的傳感器有效高度h?為17.6 mm,傳感器內(nèi)壁半徑R的設計值為50 mm.

5 電子學電路設計

等離子體分析儀三個傳感器獨立工作,每個傳感器的前放板安裝在在圓筒形傳感器外殼內(nèi),并通過外殼底板進一步屏蔽,最后作為整體安裝在機箱中.如圖3所示,阻滯勢分析儀和離子捕獲計傳感器分別對應一個前放板,離子漂移計包括兩塊前放板.阻滯勢分析器傳感器和電子學箱為一體化設計,電子學箱分別通過電纜與離子漂移計和離子捕獲計連接.

離子漂移計前放電路直接測量的參數(shù)是電流信號.根據(jù)等離子體分析儀離子密度測量指標(5×102—1×107cm?3)、傳感器幾何尺寸和柵網(wǎng)透過率,計算得到離子漂移計的電流測量范圍至少覆蓋4×10?5—2.4μA.離子漂移計的精度指標則要求通常等離子體條件下電流檢測相對精度優(yōu)于0.4%.為滿足電流相對測量精度指標,要求電路測量噪聲小于1 mV.電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計電流測量動態(tài)范圍很寬,低端電流非常微弱,且電流測量精度要求很高.鑒于此,電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星離子漂移計采用分量程(量程00、量程01和量程02)的設計思路,每個量程對應不同增益,并通過軟硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)寬動態(tài)電流的高精度測量.在低端信號弱時,采用高增益放大;在高端信號強時,降低增益,避免飽和.此外,通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)軟件算法設計實現(xiàn)自動增益調(diào)整.表2為離子漂移計量程劃分和測量精度要求.為防止電流在兩個量程臨界處變化從而引起量程頻繁切換,相鄰量程存在交疊設計.

圖3 等離子體分析儀組成框圖Fig.3.The diagram of plasma analyzer.

表2 離子漂移計量程劃分Table 2.The three ranges of ion drift meter.

電子學箱中FPGA控制采集電路按照時序采集離子漂移計前放板輸出的電壓信號,而后對采集的數(shù)據(jù)進行閾值比較,根據(jù)閾值比較的結(jié)果選擇合適的量程,再將采集的電壓信號及其量程信息通過科學數(shù)據(jù)包下傳.離子漂移計采樣頻率為200 Hz,儀器工作模式分為詳查模式和巡查模式.詳查模式下每0.5 s產(chǎn)生一個科學數(shù)據(jù)包,巡查模式下每1 s產(chǎn)生一個科學數(shù)據(jù)包.

離子漂移計裝配完成后,通過測試針引入電流,測得離子漂移計電子學電流測量范圍如表3所示,電子學電路噪聲測試結(jié)果如表4所示.測試結(jié)果表明,儀器電流測量范圍滿足要求,儀器噪聲水平小于0.25 mV,電流檢測精度優(yōu)于0.2%,滿足設計要求.

表3 離子漂移計電流測量范圍測量結(jié)果Table 3.The results of current test range of ion drift meter.

表4 電子學噪聲測量結(jié)果Table 4.The results of electronic noise.

6 等離子體環(huán)境下的測試分析

2016年6月,使用根據(jù)以上方案自主研發(fā)的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀正樣產(chǎn)品,在意大利國家天體物理研究院行星際物理研究所(INAF-IAPS)進行了等離子體環(huán)境下的定標測試實驗.

INAF-IAPS的等離子體實驗設備中,氬氣(Ar)為工作介質(zhì),等離子體源安裝在真空罐的一端,產(chǎn)生的等離子體環(huán)境在真空罐內(nèi)的分布存在一定梯度[21,22],即離子密度大小隨著與等離子體源距離的增加而減小,如圖4所示.

根據(jù)儀器的工作原理,離子漂移計通過探測離子入射角進而推算得到離子垂直軌道方向的漂移速度.由于離子垂直軌道方向的漂移速度等價于離子的入射角度,在INAF-IAPS進行等離子體環(huán)境定標測試時,利用轉(zhuǎn)臺改變離子漂移計相對于等離子體束流的入射方向,可獲得不同角度特征點下的測試.離子漂移計要測量兩個垂直方向(Y方向和Z方向)的離子漂移速度,而INAF-IAPS轉(zhuǎn)臺只有一維轉(zhuǎn)動,因此,實驗中通過改變儀器安裝狀態(tài)實現(xiàn)離子漂移計水平和豎直兩個方向的測試.離子漂移計在真空罐內(nèi)的水平安裝如圖5所示.

圖4 IAPS等離子體真空罐內(nèi)的密度分布梯度Fig.4.Ion density distribution in IAPS plasma vacuum tank.

圖5 離子漂移計安裝示意圖Fig.5.The diagram of ion drift meter in the vacuum tank.

在模擬的等離子體環(huán)境下,等離子體狀態(tài)穩(wěn)定時可認為離子漂移速度為定值,根據(jù)多次測量后的均方差可以獲得離子速度相對精度.實驗中分別在每個測量角度處多次測量等離子體的漂移速度并計算均方差,從而得到測量精度.均方差計算公式為

式中Vxj為第j次測量得到的漂移速度;ˉVx為測量得到的漂移速度的平均值;n為測量次數(shù).

此外IAPS轉(zhuǎn)臺的誤差約為±2°,儀器的量程為±23°,測試時轉(zhuǎn)臺角度應大于儀器的量程.

6.1 離子漂移計Y方向漂移速度測試

如圖6所示,測量Y方向漂移速度時,離子漂移計水平安裝,測試結(jié)果如表5和圖7所示.由測量數(shù)據(jù)可知,漂移速度測量結(jié)果的變化趨勢與轉(zhuǎn)臺設定值變化趨勢一致,但與轉(zhuǎn)臺設定值之間的差值超過了2°.這是由于等離子體源本身是一個點源,理論上離子從等離子體源發(fā)射時有一定的發(fā)射角,而離子漂移計與等離子體源的中心軸有0.16 m的偏離.離子漂移計與等離子體源間的距離約為3 m,根據(jù)三角函數(shù)關系可得,離子漂移計偏離中心軸所帶來的角度幾何偏差為3.05°(角度修正后結(jié)果如表5所示);此外,離子從等離子體源發(fā)射時的錐角本身可能存在一定的偏差,這兩者共同構(gòu)成了離子漂移計和轉(zhuǎn)臺間的系統(tǒng)偏差.將偏離中心軸角度偏差修正后,漂移速度測量結(jié)果與轉(zhuǎn)臺設定值變化趨勢一致,誤差基本小于2°.此外,從表5數(shù)據(jù)可知,漂移速度測量精度遠好于20 m/s的指標要求.

圖6 離子漂移計水平安裝狀態(tài)Fig.6.Mounting ion drift meter on the rotating platform horizontally.

圖7 離子漂移計水平安裝時的測量結(jié)果Fig.7.Experiment results for horizontally mounted ion drift meter.

表5 離子漂移計水平安裝狀態(tài)下的測試結(jié)果Table 5.Experiment results for horizontally mounted ion drift meter.

6.2 離子漂移計Z方向漂移速度測試

如圖8所示,測量Z方向漂移速度時,離子漂移計豎直安裝,測試結(jié)果如表6和圖9所示,可見Z向速度測量結(jié)果的變化趨勢與轉(zhuǎn)臺設定值變化趨勢一致.同樣,離子從等離子體源發(fā)射時的錐角本身存在一定偏差,造成離子漂移計和轉(zhuǎn)臺之間的系統(tǒng)偏差.在每個角度測量點處均測量漂移速度的精度,結(jié)果如表6所示,精度優(yōu)于20 m/s,滿足指標要求.

圖8 離子漂移計豎直安裝狀態(tài)Fig.8.Mounting ion drift meter on the rotating platform vertically.

表6 離子漂移計豎直安裝狀態(tài)下特征點處的測量結(jié)果Table 6.Experiment results for vertically mounted ion drift meter.

圖9 離子漂移計豎直安裝時的測量結(jié)果Fig.9.Experiment results for vertically mounted ion drift meter.

7 結(jié) 論

依據(jù)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的任務要求,本文詳細設計了離子漂移計的探測技術方案,并自主完成了離子漂移計的研制工作.在此基礎上,我們借助意大利國家天體物理研究院行星際物理研究所的等離子體環(huán)境,進行了離子漂移計的地面環(huán)境測試.測試結(jié)果表明該離子漂移計的性能指標滿足設計要求.

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星等離子體分析儀的研制將使我國首次實現(xiàn)電離層等離子體原位探測.作為等離子體分析儀的重要組成部分,離子漂移計獲得的電離層等離子體的垂直軌道方向漂移速度,對研究電離層擾動特征和大震短臨預測新方法都有重要的意義,同時可為深入探究電離層-地震耦合關系及實現(xiàn)地震預報的突破提供科學數(shù)據(jù).

[1]Liu J,Huang J P,Zhang X M,Shen X H 2013Acta Seismol.Sin.35 72(in Chinese)[劉靜,黃建平,張學民,申旭輝2013地震學報35 72]

[2]Yan R,Wang L W,Hu Z,Liu D P,Zhang X G,Zhang Y 2013Acta Seismol.Sin.35 498(in Chinese)[顏蕊,王蘭煒,胡哲,劉大鵬,張興國,張宇2013地震學報35 498]

[3]Sarkar S,Choudhary S,Sonakia A,Vishwakarma A,Gwal A K 2012Nat.Hazards Earth Syst.Sci.12 671

[4]Yao L 2011Postdoctoral Research Report(Beijing:Institute of Geophysics,China Earthquake Administration)(in Chinese)[姚麗 2011博士后研究工作報告 (北京:中國地震局地球物理研究所)]

[5]Zhang X M,Liu J,Shen X H,Parrot M,Qian J D,Ouyang X Y,Zhao S F,Huang J P 2010Chinese J.Geophys.53 567

[6]Jiao Q S,Yan R,Zhang J F 2011Earthquake31 68(in Chinese)[焦其松,顏蕊,張景發(fā) 2011地震31 68]

[7]Zhu R 2007M.S.Thesis(Beijing:Institute of Geophysics,China Earthquake Administration)(in Chinese)[朱榮 2007碩士學位論文(北京：中國地震局地球物理研究所)]

[8]Yan X X,Shan X J,Cao J B,Tang J 2014Chinese J.Geophys.57 364(in Chinese)[閆相相,單新建,曹晉濱,湯吉2014地球物理學報57 364]

[9]Liu J,Wan W X 2014Chinese J.Geophys.57 2181(in Chinese)[劉靜,萬衛(wèi)星 2014地球物理學報 57 2181]

[10]Ding J H,Shen X H,Pan W Y,Zhang J,Yu S R,Li G,Guan H P 2006Chin.J.Radio Sci.21 791(in Chinese)[丁鑒海,申旭輝,潘威炎,張晶,余素榮,李綱,關華平 2006電波科學學報21 791]

[11]Nilupar T,Zhang Y X 2012Earthquake32 103(in Chinese)[尼魯帕爾·買買吐孫,張永仙 2012地震 32 103]

[12]Zhao G Z,Chen X B,Cai J T 2007Progress in Geophysics22 667(in Chinese)[趙國澤,陳小斌,蔡軍濤2007地球物理學進展22 667]

[13]Wang L W,Shen X H,Zhang Y,Zhang X G,Hu Z,Yan R,Yuan S G,Zhu X H 2016Acta Seismol.Sin.38 376(in Chinese)[王蘭煒,申旭輝,張宇,張興國,胡哲,顏蕊,袁仕耿,朱興鴻2016地震學報38 376]

[14]Zheng X Z,Zhang A B,Guan Y B,Liu C,Wang W J,Tian Z,Kong L G,Sun Y Q 2017Acta Phys.Sin.66 079401(in Chinese)[鄭香脂,張愛兵,關燚炳,劉超,王文靜,田崢,孔令高,孫悅強2017物理學報66 079401]

[15]Berthelier J J,Godefroy M,Leblanc F 2006Planet.Space Sci.54 487

[16]Rich F J 1994Research Report of Massachusetts:Air Force PhillipsHanscom AFB 1994-06

[17]Feng Y B 2011Ph.D.Dissertation(Beijing:University of Chinese Academy of Sciences)(in Chinese)[馮宇波2011博士學位論文(北京:中國科學院大學)]

[18]Stoneback R A,Davidson R L,Heelis R A 2012J.Geophys.Res.117 A08323

[19]Heelis R A,Hanson W B 1998Measur.Tech.Space Plasmas Geophys.Monogr.Ser.102 61

[20]Heelis R A,Hanson W B,Lippincott C R,Zuccaro D R 1982Research Report of Space Science InstrumentationNASA-CR-166795

[21]VannaroniG,MicheleDS,GiammariaF,Bruno R,Parisi M 2010ResearchReportofINAF/IFSIINAF/IFSI-2010-6

[22]Vannaroni G,Bruno R,Giammaria F,Pietropaolo E,Parisi M 2009ResearchReportofINAF/IFSIINAF/IFSI-2009-18

Ion drift meter aboard China seismo-electromagnetic satellite?

Zheng Xiang-Zhi1)2)3)?Zhang Ai-Bing1)2)Guan Yi-Bing1)2)Liu Chao1)2)Sun Yue-Qiang1)2)Wang Wen-Jing1)2)Tian Zheng1)2)Kong Ling-Gao1)2)Ding Jian-Jing1)2)
1)(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)
2)(Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration,Beijing 100190,China)
3)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

2 May 2017;revised manuscript

7 June 2017)

A lot of electromagnetic anomalies observed by satellites before earthquakes indicate that there is interrelation between earthquake and ionosphere.China seismo-electromagnetic satellite(CSES)is the fi rst Chinese space-based platform of three-dimensional earthquake monitoring system.The scienti fi c payload of plasma analyzing package(PAP)aboard CSES is designed to study the possible in fl uence of the seismic activity on the ionospheric plasma and thereby to monitor the earthquakes from space.The PAP is made up of three sensors,retarding potential analyzer(RPA),ion drift meter(IDM),and ion capture meter(ICM).The main objective of IDM is to detect the ion bulk velocity from?3 to 3 km/s with a precision better than±20 m/s,perpendicular to the sensor-look direction.

The IDM sensor consists of six-layer grids and a collector.The grid is made of beryllium copper,plated with gold.Polyimide is used to achieve electrical insulation between grids.The grid transmission rate of signal layer is designed to be 82.64%,and total transmission rate of six layers is 31.85%.To ensure the performance of IDM,the side length of the square aperture and the depth of the sensor are designed to be 40 and 20 mm,respectively.The radius of segmented planar collector is 50 mm.The arrival angle of the ions is determined by measuring the ratio between the currents from the different electrically isolated collector segments.Accordingly,velocity perpendicular to the sensor-look direction is calculated,based on arrival angle and ion velocity parallel to the sensor-look direction which is measured by the RPA.

In addition,a wide-range and high-precision current measurement circuit is designed to measure the current of IDM.The preampli fi er circuit has three measurement ranges,providing different ampli fi cation factors.The right measurement range is chosen automatically by the fi eld programmable gate array(FPGA).The test results show that the circuit provides a total measuring dynamic range from 20 pA to 6μA with an accuracy better than 0.4%.

Finally,the method of testing in the plasma environment and the measurement results are discussed.The plasma environment test of the IDM fl ight model is carried out in the Institute for Space Astrophysics and Planetology,National Institute of Astrophysics(INAF-IAPS).Since the plasma source is fi xed to a large volume vacuum tank,the arrival angle of the plasma with respect to the sensor-look direction is changed by horizontally or vertically mounted IDM on the rotating platform in the vacuum tank.As the platform rotates,the performance of IDM is proved by testing different ion arrival angles in vacuum tank.The ion velocities along theYandZaxes of the spacecraft are validated by testing the horizontal arrival angle and the vertical arrival angle respectively.The IDM test data are consistent with those obtained under the setting angle of the rotating platform.The experimental results show that the detector has good performance and will ful fi ll the mission goal of monitoring the bulk velocity of ion,perpendicular to the sensor-look direction.

plasma analyzing package,ion drift meter,seismo-electromagnetic satellite,ion drift velocity

(2017年5月2日收到;2017年6月7日收到修改稿)

10.7498/aps.66.209401

?國家科技重大專項(批準號:Y26604AG90)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zxz@nssc.ac.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:94.80.+g,94.20.Fg,07.87.+vDOI:10.7498/aps.66.209401

*Project supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China(Grant No.Y26604AG90).

?Corresponding author.E-mail:zxz@nssc.ac.cn