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A Satellite-borne Miniature Ion Mass Spectrometer for Space Plasma

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空间科学学报 2015年第6期35卷 755-762页

作者： KONG Linggao ZHANG Aibing zheng xiangzhi AN Yaya WANG Wenjing TIAN Zhen GUAN Yibing LIU Chao DING Jianjing SUN Yueqiang National Space Science Center Chinese Academy of Sciences

The miniature design technology is an important trend in space *** spectrometer is used extensively in the space environment *** miniature ion mass spectrometer utilizes a 127° cylindrical electrostatic analyzer accompanied with a Time of Flight(TOF)unit based on ultrathin carbon foil to measure the energy spectra and composition of space *** Time of Flight technique has been used broadly in space plasma measurement.A new type of miniature method for the ion mass spectrometer is *** total mass of the instrument is1.8 kg and the total power consumption is 2.0 *** calibration results show that the energy measurement range is 8.71~43550eV,the energy resolution is 1.86%and the ion mass from 1 amu(1 amu= 1.67 × 10^(-27)kg) to 58 amu can be resolved by the miniature mass *** miniature ion mass spectrometer also has a potential to be increased in the field of view by an electrostatic deflecting system to extend its application in space plasma *** miniature ion mass spectrometer has been selected for pre-study of Chinese Strategic Priority Research Program on Space Science.

关键词： Satellite-borne Miniature Mass spectrometer Space

Mars Ion and Neutral Particle Analyzer (MINPA) for Chinese Mars Exploration Mission (Tianwen-1): Design and ground calibration

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Earth and Planetary Physics 2020年第4期4卷 333-344页

作者： LingGao Kong AiBing Zhang Zhen Tian xiangzhi zheng WenJing Wang Bin Liu Peter Wurz Daniele Piazza Adrian Etter Bin Su YaYa An JianJing Ding WenYa Li Yong Liu Lei Li YiRen Li Xu Tan YueQiang Sun National Space Science Center Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration Beijing 100190China Key Laboratory of Science and Technology on Space Environment Situational Awareness Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China Physics Institute University of BernBern 3012Switzerland State Key Laboratory of Space Weather Beijing 100190China University of Science and Technology of China Hefei 230026China National Astronomical Observatories Chinese Academy of SciencesBeijing 100012China

The main objective of the Mars Ion and Neutral Particle Analyzer(MINPA)aboard the Chinese Mars Exploration Mission(Tianwen-1)is to study the solar wind-Mars interaction by measuring the ions and energetic neutral atoms(ENAs)near *** MINPA integrates ion and ENA measurements into one sensor head,sharing the same electronics *** MINPA utilizes a standard toroidal top-hat electrostatic analyzer(ESA)followed by a time of flight(TOF)unit to provide measurement of ions with energies from 2.8 eV to 25.9 keV and ENAs from 50 eV to 3 keV with a base time resolution of 4 *** polished silicon single crystal substrates with an Al2O3 film coating are used to ionize the ENAs into positive *** ions can then be analyzed by the ESA and TOF,to determine the energy and masses of the *** MINPA provides a 360°×90°field of view(FOV)with 22.5°×5.4°angular resolution for ion measurement,and a 360°×9.7°FOV with 22.5°×9.7°angular resolution for ENA *** TOF unit combines a-15 kV acceleration high voltage with ultra-thin carbon foils to resolve H+,He2+,He+,O+,O2+and CO2+for ion measurement and to resolve H and O(≥16 amu group)for ENA *** we present the design principle and describe our ground calibration of the MINPA.

关键词： Mars ion energetic neutral atom electrostatic analyzer time of flight

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星载高层大气风场原位探测技术与测试分析

宇航学报 2023年第7期44卷 1104-1112页

作者：王馨悦杜丹张爱兵刘超孔令高田峥郑香脂中国科学院国家空间科学中心北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100190 中国气象局空间天气重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 北京100081

采用平板型碳纳米管冷阴极作为电子发射体,基于电子发射材料的性能与几何特征,设计了以直流电子枪为结构基础的均匀场离子源,在栅极和阳极间设计聚焦极,阳极与电离区之间增加双层屏蔽栅网形成电场,对离子和电子产生区进行有效分离,确保... 详细信息

采用平板型碳纳米管冷阴极作为电子发射体,基于电子发射材料的性能与几何特征,设计了以直流电子枪为结构基础的均匀场离子源,在栅极和阳极间设计聚焦极,阳极与电离区之间增加双层屏蔽栅网形成电场,对离子和电子产生区进行有效分离,确保出射电子束的能量单一且方向一致,并结合具有较高速度分辨率的阻滞势速度分析器,研制了可获取高精度中性风速的星载高层大气风场原位探测仪(SSTNWI)。仿真计算和对实物的测试分析表明,风速测量误差在平均风速100 m/s时仅为10%左右,高于“通信/导航中断预报系统”卫星(C/NOFS)的轨道风传感器,中性风速测不准引起的轨道预报误差可下降到优于1.0%,未来有望应用于火星等行星和地球卫星的大气探测任务。

关键词：轨道风高层大气中性风原位探测风场探测

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星载朗缪尔探针载荷研究与测量

遥感学报 2018年第S1期22卷 74-80页

作者：刘超关燚炳张爱兵郑香脂孙越强中国科学院国家空间科学中心北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190

由地震活动引起的电离层扰动,在前兆现象中存在着震前空间等离子体参数的变化。电磁监测试验卫星设计研制的星载朗缪尔探针载荷,可以实现对空间等离子体电子密度、电子温度等参数的测量。该载荷采用优化的球形传感器,消除了其结构与支... 详细信息

由地震活动引起的电离层扰动,在前兆现象中存在着震前空间等离子体参数的变化。电磁监测试验卫星设计研制的星载朗缪尔探针载荷,可以实现对空间等离子体电子密度、电子温度等参数的测量。该载荷采用优化的球形传感器,消除了其结构与支撑杆连接处的终端效应,性能指标达到国际同类仪器的先进水平。并通过在意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所(INAF-IAPS)的地面等离子体环境下的测试,验证了该载荷在空间应用的可行性和正确性。星载朗缪尔探针载荷在中国电磁监测试验卫星任务中得到应用,为探索大地震短临预测与预警新方法提供空间观测数据,为中国地震立体观测体系的建立提供技术支撑。

关键词：朗缪尔探针地震遥感观测电磁监测试验卫星电离层等离子体电子密度电子温度

基于SIMION软件的空间等离子体探测器的数值仿真

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中国空间科学技术 2012年第4期32卷 71-76页

作者：孔令高张爱兵王世金孙越强郑香脂董永进中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院研究生院北京100049

空间等离子体探测器采用带偏转板的柱形静电分析器作为传感器,具有大于320°探测视场,可探测约10eV～30keV的热等离子体。利用SIMION软件采用均匀随机抽样建立粒子源的方法仿真探测器的基本特性参数:静电分析器因子、能量分辨率、偏转... 详细信息

空间等离子体探测器采用带偏转板的柱形静电分析器作为传感器,具有大于320°探测视场,可探测约10eV～30keV的热等离子体。利用SIMION软件采用均匀随机抽样建立粒子源的方法仿真探测器的基本特性参数:静电分析器因子、能量分辨率、偏转板因子和偏转角。仿真结果与实测结果吻合很好。静电分析器因子的仿真与实测结果偏差为3.2%,能量分辨率仿真与实测结果偏差为1.5%,偏转角-偏转板因子的关系式与实测结果的相关系数为0.999 4。仿真结果可以有效地应用于该类仪器的设计和定标过程中。

关键词：空间等离子体探测器柱形静电分析器数值仿真

自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计

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空间科学学报 2023年第1期43卷 129-136页

作者：郑香脂张爱兵孔令高 WIESER Martin KALLA Leif 仇通胜王文静田峥中国科学院国家空间科学中心北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 Swedish Institute of Space Physics Kiruna 98192

火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式,不同探测模式下数据率不同,多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率,利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点,火星离... 详细信息

火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式,不同探测模式下数据率不同,多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率,利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点,火星离子与中性粒子分析仪压缩算法采用合并处理、对数压缩和无损压缩三种压缩算法组合。对于每种探测模式,FPGA程序可根据压缩标志选择相应压缩算法,实现三种压缩算法串行使用,或选择其中一种或两种算法。并且压缩标志可通过注入指令改写,实现在轨时根据需求灵活配置。合并处理压缩比为2或4,对数压缩的压缩比为2,无损压缩效率与样本数据间的相关性有关。在此基础上,利用等离子体定标测试系统完成了地面测试。测试结果表明,各探测模式下科学数据经过压缩后数据率满足任务指标要求。

关键词：火星探测离子中性粒子数据合并对数压缩无损压缩

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电磁监测试验卫星离子漂移计定标实验研究

空间科学学报 2017年第6期37卷 729-737页

作者：郑香脂张爱兵关燚炳刘超田峥孔令高王文静丁建京中国科学院国家空间科学中心北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

离子漂移计用于探测离子垂直轨道方向的漂移速度.离子漂移计的定标实验包括电子学定标和等离子体环境定标.通过对自行研制的电磁监测试验卫星离子漂移计的电子学定标方法研究,测试得到离子漂移计的噪声、电流测量范围、增益和修正系数... 详细信息

离子漂移计用于探测离子垂直轨道方向的漂移速度.离子漂移计的定标实验包括电子学定标和等离子体环境定标.通过对自行研制的电磁监测试验卫星离子漂移计的电子学定标方法研究,测试得到离子漂移计的噪声、电流测量范围、增益和修正系数以及温漂等电子学定标参数.测试结果表明,离子漂移计的电子学性能优于设计要求,满足科学探测需求.此外,借助于意大利INAF-IAPS等离子体测试实验设备模拟电离层等离子体环境,对离子漂移计的等离子体环境定标问题进行了分析研究.等离子体环境下的测试结果表明,该离子漂移计在特征点处测量结果满足仪器指标要求,能够正确探测离子横向速度,且其相对精度满足设计要求.

关键词：等离子体分析仪离子漂移计定标实验电磁监测试验卫星离子漂移速度

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用于火星探测的电子分析器定标

空间科学学报 2013年第3期33卷 325-330页

作者：张爱兵孔令高王世金孙越强朱光武李磊郑香脂中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院大学北京100049

用于火星探测的电子分析器采用了带偏转板的同轴圆柱形静电分析器,该传感器方案在满足性能指标的同时实现了小型化,利用法国空间辐射研究中心(CESR)的电子源,对电子分析器两个传感器通道的静电分析器因子、能量分辨率、偏转板偏转因子... 详细信息

用于火星探测的电子分析器采用了带偏转板的同轴圆柱形静电分析器,该传感器方案在满足性能指标的同时实现了小型化,利用法国空间辐射研究中心(CESR)的电子源,对电子分析器两个传感器通道的静电分析器因子、能量分辨率、偏转板偏转因子、方位角分辨率和极角分辨率进行了定标,给出了上述参数的定标结果,并对结果进行了分析,结果表明,仪器的能量范围、能量分辨率、方位角视场及角度分辨率等参数均优于指标要求,定标结果为电子分析器在轨数据处理和分析以及在轨运行参数设置提供了依据.

关键词：火星探测电子分析器定标

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自主火星探测高集成离子与中性粒子分析仪

深空探测学报 2019年第2期6卷 142-149页

作者：孔令高张爱兵田峥郑香脂王文静刘勇丁建京中国科学院国家空间科学中心北京100190 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 空间天气国家重点实验室北京100190

小型化、高集成化是深空探测载荷发展的主要趋势。在我国自主火星探测计划中,设计了一种高集成化的火星离子与中性粒子分析仪。采用从传感器到电子学进行最大限度共用的设计思路,在一台仪器中实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和... 详细信息

小型化、高集成化是深空探测载荷发展的主要趋势。在我国自主火星探测计划中,设计了一种高集成化的火星离子与中性粒子分析仪。采用从传感器到电子学进行最大限度共用的设计思路,在一台仪器中实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和成分的探测,大大降低了仪器对卫星平台的资源需求。仪器采取静电分析进行离子的方向和能量测量、采取飞行时间方法进行离子成分的测量。中性原子采用电离板电离成带电离子,后端的能量测量和成分测量与离子相同。鉴定件样机已经完成了初步的测试定标,结果表明其满足设计要求。

关键词：高集成化火星离子能量中性原子分析仪