基于simion软件的空间等离子体探测器的数值仿真

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1、２０１２年８月中国空间科学技术７１第４期ＣｈｉｎｅｓｅＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ基于ＳＩＭＩＯＮ软件的空间等离子体探测器的数值仿真孔令高１，２１，２１１１１张爱兵王世金孙越强郑香脂董永进（１中国科学院空间科学与应用研究中心，北京１００１９０）（２中国科学院研究生院，北京１０００４９）摘要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、

2、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０．９９９４。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ＤＯＩ：１０．３７８０／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７５８Ｘ．２０１２．０４．０１０１引言等离子体的探测，特别是热等离子体，通常采用静电分析的方法进行。静电分析器作为最常用的等离子体传感器，在地面以及空间探测中都有着广泛的应用。静

3、电分析器主要有圆柱形静电分析器和球形静电分析器两大类。圆柱形静电分析器是静电分析器中较为简单的类型，具有容易实现小［１－３］型化的优点，在空间粒子探测中有着广泛的应用。圆柱形静电分析器的缺点是固有视场较小，在需要大视场的空间探测中，通常在圆柱形静电分析器入射口前端加静电偏转板来扩大探测视场。用来探测粒子能谱和通量的圆柱形静电分析器按照入口前有无静电偏转板，又可以具体划分为有偏转板类柱形静电分析器和无偏转板类柱形静电分析器。无偏转板类柱形静电分析器由于没有偏转板对入射粒子进行方向偏转，探测视场较小，内部电［４－７］场结构较为简单

4、，其仿真模拟可以采用解析方式进行。早期由于受到计算机能力和仿真软件的限制，静电分析器的仿真主要采用解析方式。解析方式仿真的缺点是只能处理简单结构的模型，边界条件的处理较为理想化。随着计算机技术的发展，大量有限元数值仿真软件出现，可以对更为复［８］杂结构的静电分析器进行数值仿真，边界条件的处理也更接近真实情况，仿真结果更为精确。ＳＩＭＩＯＮ软件是一种有限元数值仿真软件，可进行静电场、静磁场中带电粒子轨迹的数值计算，在带电粒子探测仪器的设计仿真中有着广泛的应用。本文利用ＳＩＭＩＯＮ粒子仿真软件对空间等离子体探测器进行数值仿真，获得

5、探测器的基本特性参数，并与实测结果进行比对。国家８６３计划（２０１０ＡＡ１２２２０５）资助项目收稿日期：２０１１－１２－２９。收修改稿日期：２０１２－０２－２９７２中国空间科学技术２０１２年８月２模型建立本文介绍的空间等离子体探测器是带有静电偏转板的圆柱形静电分析器，如图１所示。探测器包括两套相同的传感器，背对背的安装。每一套传感器的基本组成按照粒子（电子或离子）运动轨迹（带箭头的虚线）依次有地网、静电偏转板、静电分析器和陶瓷电子倍增器（ＣｅｒａｍｉｃＣｈａｎｎｅｌＥｌｅｃｔｒｏｎＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ，ＣＣＥＭ）。地网用来屏蔽

6、传感器内部的电场。静电偏转板加扫描电压对入射粒子的方向进行偏转。静电分析器内电极加扫描电压选择特定能量的粒子通过，外电极接地。粒子在静电分析器内外电极之间作近似圆周运动，能够通过静电分析器的粒子能量电荷比（Ｅ／ｑ）与内电极所加电压值成正比关系。陶瓷电子倍增器对静电分析器出射的粒子进行计数。探测电子的传感器和探测离子的传感器具有相同的结构，电压极性相反。电子传感器中的电压为正电压，离子传感器中的电压为负电压。图１空间等离子体探测器的传感器基本结构Ｆｉｇ．１Ｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｐｌａｓｍａｄｅｔｅｃｔｏｒｓｅｎｓｏｒｓ

7、图１中传感器的两块静电偏转板均为半径２０ｍｍ，高１６ｍｍ的９０°圆柱面。静电分析器内电极为半径２０ｍｍ，高１６ｍｍ的１２７°圆柱面。静电分析器外电极为半径２２ｍｍ，高１６ｍｍ的１２７°圆柱面。内外电极间距为２ｍｍ。单套传感器具有大于１６０°的探测视场（２套传感器可实现大于３２０°视场），可探测１０ｅＶ～３０ｋｅＶ的等离子体。由于等离子体探测器两套传感器具有相同的结构，以下讨论的仿真和实测结果只针对其中一套传感器（图１中右侧）。以传感器入口对称轴为Ｘ轴，平行于地网为Ｙ轴建立仪器坐标系，Ｚ轴符合右手规则，如图１所示。定义探测器视场

8、在ＸＹ平面内的分量与＋Ｘ轴夹角为方位角α，在ＸＺ平面内的分量与＋Ｘ轴夹角为俯仰角β。下文对探测器的仿真和实测结果均在此仪器坐标系中进行。等离子体探测器的电子探测和离子探测原理完全相同，只是电压极性不同。以下将以电子探测器为例进行仿真和实测结果的介绍。对电子探测器的仿真主要分为