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地球物理学报 2024年第4期67卷 1299-1313页

作者：刘新铭宋小健耿泽坤罗熙济南大学物理科学与技术学院济南250022 山东高等技术研究院济南250100

能量低于30 GeV的银河宇宙线正电子进入日球层时会与太阳风以及冻结在其中的日球层磁场发生相互作用,太阳风对流、扩散、漂移的综合调制效应会导致银河宇宙线正电子通量出现各向异性.本研究利用帕克(Parker)传输方程描述正电子在日球层... 详细信息

能量低于30 GeV的银河宇宙线正电子进入日球层时会与太阳风以及冻结在其中的日球层磁场发生相互作用,太阳风对流、扩散、漂移的综合调制效应会导致银河宇宙线正电子通量出现各向异性.本研究利用帕克(Parker)传输方程描述正电子在日球层中的传输过程,将日球层顶(120 AU)的局地星际能谱作为边界条件,利用交替方向隐式方法(ADI)求解传输方程,计算银河宇宙线正电子的通量,接着计算银河宇宙线正电子的梯度,最后计算出0.01 GeV,0.1 GeV,1 GeV能量的正电子的极向各向异性和径向各向异性.研究发现:(1)由于低能量正电子的漂移几乎为0,因此极向各向异性仅由扩散决定,它的绝对值在日球层南北半球相同纬度上相等并且在黄道面处的值为0;高能量的正电子受到了漂移作用的影响,导致极向各向异性在黄道面处的值不为0,南北半球相同纬度上的绝对值也不相等.(2)低能量正电子的径向各向异性仅由扩散和对流决定;高能量正电子的径向各向异性由扩散、对流、漂移三者共同决定.另外,黄道面处正电子的极向梯度为0,因此任何能量的正电子在此处的径向各向异性也只由扩散和对流决定;正电子在日球层高纬度地区由于扩散和漂移较大,从而具有较大的径向各向异性.

关键词：宇宙线正电子太阳调制数值模拟扩散系数梯度各向异性

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数值研究太阳调制引发的银河宇宙射线正电子的各向异性

数值研究太阳调制引发的银河宇宙射线正电子的各向异性

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作者：刘新铭济南大学

学位级别：硕士

银河宇宙射线是来自银河系的高能带电粒子,它们在日球层中广泛存在,最低能量约为10 eV,最高能量约为10 eV。能量低于30 eV的宇宙射线会受到太阳风等离子体以及冻结在其中的日球层磁场的影响,导致其通量在空间、时间上发生变化,这个过程... 详细信息

银河宇宙射线是来自银河系的高能带电粒子,它们在日球层中广泛存在,最低能量约为10 eV,最高能量约为10 eV。能量低于30 eV的宇宙射线会受到太阳风等离子体以及冻结在其中的日球层磁场的影响,导致其通量在空间、时间上发生变化,这个过程就是宇宙射线的调制。日球层中宇宙射线的调制过程由Parker传输方程描述,该方程包括太阳风对流、日球层磁场引起的扩散、日球层磁场湍流引起的漂移以及绝热能量的变化等太阳调制机制。宇宙射线由于在传输过程中受到了银河系磁场的偏转在到达日球层顶时显出各向同性的性质,但考虑在日球层内的传输过程中受到太阳调制的影响,宇宙射线通量在不同方向上会存在差异,从而具有轻微但明显的空间各向异性。宇宙射线在日球层内的传输主要由扩散张量来描述,为了建立它们对三维各向异性矢量及其分量的贡献,本研究重新考察了扩散张量中的元素。主要研究内容为:首先,利用有限差分中的交替方向隐式方法（ADI）,将120AU处的局地星际能谱作为调制的边界条件,数值求解Parker传输方程中的宇宙射线正电子通量。通过与观测值比较,找到较为适合的宇宙射线正电子的扩散、漂移模型,重现了2006和2009年太阳活动极小期中PAMELA探测器在地球处观测到的宇宙射线正电子能谱。然后,利用高阶差分逼近的方法求得不同能量的正电子在两个太阳极性周期中的径向梯度和极向梯度。最后,通过宇宙射线流表达式推导出的宇宙射线各向异性表达式,求解得到不同能量的正电子在两个太阳极性周期中的径向各向异性与极向各向异性。研究发现:首先,当正电子的能量在0.2 eV以下时,正电子调制能谱与局地星际能谱的斜率相同,这是因为能量在0.2 eV以下的正电子只受到扩散的影响,而扩散系数在此能量下为恒定值。其次,低能量正电子的强度梯度与扩散系数反相关,当径向扩散系数越大,正电子径向梯度越小;当极向扩散系数越大,正电子极向梯度越小。在两个太阳极性周期中,受到漂移影响的正电子的强度梯度在整个日球层中的大小分布与正电子进入日球层的路线有关。最后,在径向各向异性方面,没有受到漂移作用的低能正电子的径向各向异性仅由扩散各向异性和Compton-etting各向异性决定,而高能正电子的径向各向异性由扩散各向异性、漂移各向异性以及Compton-etting各向异性共同决定。另外,极区和赤道是两个较为特殊的位置,由于极区附近的扩散系数与漂移系数较大,所以在此处具有较大的径向各向异性,由于赤道附近的极向梯度为0,所以在此处径向各向异性仅由扩散各向异性和Compton-etting各向异性决定;在极向各向异性方面,没有受到漂移作用的低能正电子的极向各向异性仅由扩散各向异性决定,因此它在赤道位置处的极向各向异性为0,并且南北半球相同纬度处的极向各向异性绝对值相等,较高能量的正电子受到漂移和扩散的共同影响,极向各向异性的绝对值在南北半球相同纬度处不相等。

关键词：宇宙射线正电子太阳调制数值模拟梯度各向异性

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AMS-02实验研究宇宙线电子和正电子的时变流强

AMS-02实验研究宇宙线电子和正电子的时变流强

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作者：王宇山东大学

学位级别：硕士

阿尔法磁谱仪(AMS-02)是在国际空间站上运行的粒子物理探测器,具有接收度大、运行时间长、测量精度高等特点。AMS-02通过测量GeV到TeV的宇宙线成分与能谱,研究暗物质、反物质和宇宙线的起源,也可以通过长期测量宇宙线流强随时间的变化,... 详细信息

阿尔法磁谱仪(AMS-02)是在国际空间站上运行的粒子物理探测器,具有接收度大、运行时间长、测量精度高等特点。AMS-02通过测量GeV到TeV的宇宙线成分与能谱,研究暗物质、反物质和宇宙线的起源,也可以通过长期测量宇宙线流强随时间的变化,为研究太阳调制相关的物理机制提供了新的实验信息。宇宙线正电子流强是研究暗物质的重要实验手段。低能量宇宙线正电子主要是宇宙线与星际介质碰撞产生的次级产物,高能量正电子可能来自于暗物质或脉冲星等新的天体物理过程。宇宙线进入日球层后受太阳活动影响,其流强随时间发生变化,即太阳调制效应。太阳调制过程中的漂移效应依赖电荷符号和太阳磁场极性,正电荷宇宙线和负电荷宇宙线的流强可能存在不同的时间变化。电子是宇宙线中丰度最高的负电荷粒子,正电子是丰度最高的反物质粒子。电子和正电子为一对正反粒子,二者质量相同、电荷符号相反。同时分别测量宇宙线电子和正电子,是研究太阳调制电荷符号相关性最直接的实验手段。本论文综合使用AMS-02的穿越辐射探测器(TRD)、硅微条径迹探测器(Tracker)、电磁量能器(ECAL)和飞行时间计数器(TOF)分别测量了宇宙线电子流强和正电子流强随时间的变化。通过分析AMS-02在2011年5月20日至2021年11月2日时间内收集的宇宙线数据,在[1.00-41.9]GeV能量范围内获得了 5.1 × 107个电子以及3.6 × 106个正电子,测量了每天的电子流强和每3天的正电子流强。世界范围内还没有正电每3天流强的测量数据,宇宙线在被探测到之前必定会经过太阳系传播过程,测量宇宙线(正)电子小时间尺度的流强对于研究太阳调制与电荷、质量的关系都关重要,为更加全的理解太阳调制提供更加宝贵的实验数据,同时也是研究暗物质和宇宙线起源的重要步骤。本论文中的电子流强基于ECAL接收度测量得到,与AMS合作组发表的基于TRD接收度(即不要求宇宙线穿过ECAL)的结果符合,提供了独立的检验。电子流强表现出与质子流强完全不同的时间变化。正电子流强呈现出不同时间尺度的变化,其变化幅度随着能量的增加而减小。通过对比正电子流强与电子流强,发现它们具有不同的时间依赖性,在能量低于8.48GeV存在时滞现象(Hysteresis);当流强都发生强烈变化时,时滞曲线存在相对应的短期结构。正电子与质子具有相同的电荷、不同的质量。正电子流强和质子流强表现出相似的时间变化,2011年至2018年正电子和质子流强整体呈线性变化,2018年开始偏离线性。跨越一个11年太阳活动周期的宇宙线正电子、电子和质子流强的精确数据为完整理解基本粒子的太阳调制提供了可能。

关键词：阿尔法磁谱仪电磁量能器电子流强正电子流强太阳调制

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热致变色凝胶节能智能窗的制备

热致变色凝胶节能智能窗的制备

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作者：欧阳祥诚中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着人口增长和现代化进程的加快,全世界能源需求不断增加,温室效应愈发严重,“双碳”目标已成为世界各国的既定战略。目前,建筑耗能已占据全球耗能的40%以上,供暖、通风和空调(HVAC)约占建筑总能耗的50%。在保持建筑舒适度的同时降低... 详细信息

随着人口增长和现代化进程的加快,全世界能源需求不断增加,温室效应愈发严重,“双碳”目标已成为世界各国的既定战略。目前,建筑耗能已占据全球耗能的40%以上,供暖、通风和空调(HVAC)约占建筑总能耗的50%。在保持建筑舒适度的同时降低其能耗成为可持续发展面临的重大挑战。建筑结构中,夏季超过70%的热量通过窗户传入室内;而冬季,窗户则造成30%的热量损失。目前,智能窗主要分为热致触发的被动装置以及电致触发的主动装置。然而,研究者致力于主被动结合智能窗器件装置,再满足人们对于建筑的舒适度要求前提下,还能更好的起到节能减排的效果。因此,本文设计制备了发电节能一体化智能窗和冷热双响应节能智能窗两种节能装置,探究其可调节的光学性能、热响应性能、电响应性能和节能性能。研究内容主要分为以下两个部分:(1)节能储能智能窗本章节通过结合百叶结构太阳能电池、热致水凝胶和铟锡氧化物(ITO)玻璃,简单地展示了一种节能和发电集成智能窗(ESEG智能窗)。ESEG智能窗具有90%的光透射率和54%的太阳能调制能力,可实现优异的光学性能,具有优异的节能性能。具有百叶窗结构的硅太阳能电池具有优异的光电转换效率(18.24%),使智能窗具有优异的发电能力。此外,太阳能电池还可以为ITO玻璃提供电力,主动改变水凝胶的透光率,以及防冻效果。(2)冷热双响应节能智能窗本章节通过将乙二醇引入到羟丙基纤维素和聚丙基酰胺的交联网络中,开发了一种冷热双响应有机凝胶。通过控制温度从低(10℃)到中(25℃)到高(35℃),有机凝胶实现了不透明到透明再到不透明的可逆三阶段转变。该双响应智能窗具有良好的太阳调制能力(低温到中温75.6%、中温到高温72.3%)和优异的可见光透过率(84.25%),在高温或低温状态下具有高效的红外和紫外线屏蔽能力。与传统窗户相比,双响应节能智能窗可以提供更好的保温和隔温效果。上述工作通过引入有机高分子、有机溶剂等方法降低羟丙基纤维素相变温度,开发了具有不同性能的节能智能窗,这些方法为热致变色水凝胶节能智能窗的制备与设计提供了新的研究思路。同时设计的智能窗将优异的节能性能与其优良的功能作用相结合,在建筑节能、恒温温室领域具有广阔的应用前景。

关键词：节能建筑光热转换太阳调制热响应

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