CN107219414A

CN107219414A - 一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法

Info

Publication number: CN107219414A
Application number: CN201710310801.1A
Authority: CN
Inventors: 陈益峰; 秦晓刚; 杨生胜; 史亮; 王俊; 柳青; 汤道坦; 李得天
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2017-09-29

Abstract

本发明公开了一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，首先确定GEO轨道空间等离子体分布函数，以及该分布函数的速度要素；分别建立单能电子束和等离子体的表征参数与所述速度要素的表达关系；以速度要素相同为匹配目标，根据所要模拟的空间能谱环境的等离子体表征参数值，建立匹配方程，通过解方程获得用于模拟空间能谱环境的单能电子束的密度和速度，进而转化为单能电子束的能量和束流密度。本发明通过匹配单能电子束流和空间能谱分布等离子体的速度要素，计算获得单能束的能量和束流密度选取参数，更为准确地实现了空间能谱等离子体环境特性的描述，为提高卫星充放电效应地面模拟试验的准确性提供支持。

Description

一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法

技术领域

本发明属于GEO轨道卫星充放电效应模拟试验技术领域，具体涉及一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法。

背景技术

空间等离子体环境和航天器表面材料的相互作用将产生表面充放电效应，诱发的静电放电将导致电磁干扰，表面材料性能衰退、敏感元件的失效等危害。国内外一直都在积极研究影响等离子体与航天器相互作用的模拟试验技术，使用低温等离子体源模拟空间低轨道等离子体环境，或使用电子枪模拟地球同步轨道(GEO)的等离子体环境。

空间等离子体的能量和密度分布范围很广，尤其在GEO轨道，其等离子体环境非常复杂，并受太阳风影响很大，粒子能量范围很宽，几乎涉及所有能量的等离子体，粒子的能谱也不完全一样；在不同的地磁活动条件下，其构成区域也不完全相同，在地磁宁静时，该区域充满冷等离子体(E≤10eV)，发生地磁暴时有大量热等离子体(E＞10eV，最高可达100keV)进入此区域。

针对GEO轨道的等离子体特性，国内外都是采用基于等离子体的单麦克斯韦或双麦克斯韦分布函数进行表征。然而在地面模拟试验中，希望采用电子枪模拟空间等离子体能谱的分布特性，但是由于电子枪只能产生单能的电子束，因此无法准确模拟空间等离子体能谱的分布特性，导致地面模拟试验的准确度降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，适用于GEO轨道卫星充放电效应模拟试验，该方法能够提高单能电子束模拟空间等离子体环境的准确性，保证地面模拟试验的准确度。

为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：

一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，包括：

步骤一、确定GEO轨道空间等离子体分布函数f(v)，以及该分布函数的速度要素；

步骤二、分别建立单能电子束和等离子体的表征参数与所述速度要素的表达关系；

步骤三、以速度要素相同为匹配目标，根据所要模拟的空间能谱环境的等离子体表征参数值，建立匹配方程，通过解方程获得用于模拟空间能谱环境的单能电子束的密度和速度，进而转化为单能电子束的能量和束流密度。

优选地，定义GEO轨道空间等离子体分布函数的速度要素为M₀、M₁、M₂、M₃；

其中，K＝0,1,2,3，v为等离子体的速度；

所述单能电子束的表征参数为密度n_b和速度v_b，等离子体的表征参数为给定粒子类型的密度<N>、粒子束流<NF>，束流压力<P>和能量束流<EF>；

则单能电子束的表征参数与4个速度要素的表达关系为：

M₀＝n_b

M₁＝v_bn_b

则等离子体的表征参数与4个速度要素的表达关系为：

M₀＝<N>＝n

式中k为玻尔兹曼常数，T为等离子体的粒子温度，m为等离子体的粒子质量，n为等离子体的粒子密度。

优选地，对于1个单能电子束模拟等离子体的情况：

n_b＝n

其中，T_AV为等离子体的平均温度：

优选地，对于1个单能电子束模拟等离子体的情况：

其中，T_RMS为等离子体的均方根温度，<v>为等离子体的平均速度；

优选地，对于2个单能电子束模拟等离子体的情况：

式中v₁取“+”号，v₂取“-”号。

n2＝n-n₁

其中，v₁和v₂分别为2个单能电子束的速度，n₁和n₂分别为2个单能电子束的密度；T_AV为等离子体的平均温度，T_RMS为等离子体的均方根温度，<v>为等离子体的平均速度：

有益效果

本发明通过匹配单能电子束流和空间能谱分布等离子体的速度要素，计算获得单能束的能量和束流密度选取参数，更为准确地实现了空间能谱等离子体环境特性的描述，为提高卫星充放电效应地面模拟试验的准确性提供支持。

具体实施方式

本发明提供了一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，其核心思想是，构建联系单能电子束和GEO轨道空间等离子体的要素，通过匹配单能电子束流和空间能谱分布等离子体的要素，计算获得单能束的能量和束流密度选取参数，更为准确地实现了空间能谱等离子体环境特性的描述。

具体来说，该方案包括如下步骤：

步骤1、确定GEO轨道空间等离子体分布函数及相关参数。

本实施例中，GEO轨道空间等离子体采用单麦克斯韦分布函数表示，则函数的表达式如下式：

式中n，m，T，v分别为粒子密度、质量、温度和速度。k为波尔兹曼常数。这里相关参数为n，m，T，v，这些参数在模拟时是给定的已知数据。

在实际中，还可以采用双麦克斯韦分布函数。

步骤2、定义等离子体分布函数的“速度要素”。分别建立单能电子束和等离子体的表征参数与4个速度要素的表达关系。

为有效表征GEO轨道等离子体环境特性，首先定义了用于描述等离子体特性的4个表征参数：粒子类型的密度<N>、粒子束流<NF>，束流压力<P>和能量束流<EF>，详见《Modeling of the Geosynchronous Orbit Plasma Environment》，Report No.AFGL-TR-78-0304,对于麦克斯韦分布函数具体表述为：

并给出等离子体的平均温度T_AV和RMS(均方根)温度T_RMS计算方法：

对于麦克斯韦速度分布函数，可以定义分布函数f(v)的“速度要素”为：

式中4πv²dv项表示在(各向同性)速度空间内的无限小单元。接着，建立单能电子束的表征参数与4个速度要素的表达关系。单能电子束的表征参数为单能束流粒子的密度和速度——n_b和v_b。那么，对于单能电子束，速度要素M_k可由下式给出：

M₀＝n_b

M₁＝v_bn_b

然后，建立等离子体的表征参数与4个速度要素的表达关系。

对于麦克斯韦分布特性等离子体，速度要素M_k，与k的一些值的物理平均相关。如，M₀、M₁、M₂、M₃分别与等离子体中给定粒子类型的密度<N>、粒子束流<NF>，束流压力<P>和能量束流<EF>有关：

M₀＝<N>＝n

平均速度<v>在方程(3)中的定义为：

平均和RMS(均方根)温度由下式给出：

首先，分析1个单能束匹配麦克斯韦分布等离子体的情况：

表征1个单能束特性的物理量包括粒子速度和密度2个参数，为求解这2个参数必须建立2个匹配方程，因此一个束流需匹配麦克斯韦等离子体的两个速度要素，可表述为：

M_j、M_k为第j，k个麦克斯韦分布等离子体速度要素，如公式(6)中所述。

如选择第0个和第2个速度要素匹配时，如下式：

可计算获得：

n_b＝n

或

公式中的T_AV可以采用式(8)计算获得，式(8)中的速度要素可以通过式(4)的积分获得，或者式8中的等离子体表征参数可以通过式(1)的积分获得。

如选择第1个和第3个速度要素匹配时，如下式：

可计算获得：

或E_b＝2kT_RMS(能量形式表述) (11)

其中，公式中的T_RMS可以采用式(8)计算获得，<v>可以通过式(7)计算获得，式(7)(8)中的速度要素可以通过式(4)的积分获得，或者式(8)中的等离子体表征参数可以通过式(1)的积分获得。

其次，分析2个单能束匹配麦克斯韦分布等离子体的情况：

表征2个单能束特性的物理量包括粒子单能束1的速度(v₁)和密度(n₁)和单能束2的速度(v₂)和密度(n₂)4个参数，为求解这4个参数必须建立4个匹配方程，因此2个束流需匹配麦克斯韦等离子体的4个速度要素，可表述为：

n₁+n₂＝M₀

n₁v₁+n₂v₂＝M₁

所述步骤4中通过求解(12)式，可得2个单能束流的速度、密度：

式中v₁取“+”号，v₂取“-”号。

n₂＝n-n₁ (11)

在一般应用中需将2个单能束流的速度、密度转换为单能束的能量E₁、E₂和束流密度J₁、J₂：

对于1个单能电子束模拟等离子体的情况，也需要将匹配获得的电子束的密度和速度转化为能量和束流密度，从而符合实际应用时的参数选取。

下面给出一个具体示例。

1)确定GEO轨道空间等离子体分布函数为单麦克斯韦分布函数，函数的具体参数如附表1所示，等离子体密度n＝1.12cm－3，温度T＝12KeV。

2)定义分布函数的“速度要素”密度，束流，压力和能量束流，将电子密度n＝1.12cm－3和温度T＝12KeV代入(3)式。

3)采用两个单能束模拟空间等离子体环境，匹配分布函数的密度，束流，压力和能量束流，建立“速度要素”匹配方程组。

4)求解方程计算获得两个单能束的能量和密度选取参数分别为：

n_1,2＝[0.382,0.618]n

E_1,2＝[3.007,0.568]T

计算获得两个单能电子枪的能量和束流密度如附表2所示。

表1GEO轨道单麦克斯韦函数参数

参数	最坏情况下的环境参数
		电子数密度，cm^－3	1.12
电子温度，keV	12.0

表2单能电子枪的能量和束流密度表

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，定义GEO轨道空间等离子体分布函数的速度要素为M₀、M₁、M₂、M₃；

<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>K</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>4</mn> <mi>&pi;</mi> <msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mn>0</mn> <mo>&infin;</mo> </msubsup> <msup> <mi>v</mi> <mi>K</mi> </msup> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>v</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>dv</mi> </mrow>

其中，K＝0,1,2,3，v为等离子体的速度；

则单能电子束的表征参数与4个速度要素的表达关系为：

M₀＝n_b

M₁＝v_bn_b

则等离子体的表征参数与4个速度要素的表达关系为：

M₀＝<N>＝n

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对于1个单能电子束模拟等离子体的情况：

n_b＝n

其中，T_AV为等离子体的平均温度：

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对于1个单能电子束模拟等离子体的情况：

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对于2个单能电子束模拟等离子体的情况：

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式中v₁取“+”号，v₂取“-”号。

n₂＝n-n₁

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