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摘 要：适于磁层中性原子成像探测的一般是运行在磁层高度的极轨自旋稳定卫星。利用设置在不同仰角方向的探测器通过卫星自旋进行方位角扫描以实现二维中性原子成像探测。这样以来，卫星自旋轴的取向就是我们选择中性原子二维图像的仰角和方位角分布的依据。为了提高角分辨，我们总是希望把垂直于自旋轴方向的探测器对准主要成像位置。考虑卫星在极区的最佳遥测位置，我们选择卫星自旋轴垂直于轨道面将最有利于中性原子的成像探测。对于三轴稳定卫星，我们可以利用多组硅条探测器设计二维中性原子成像仪。
关键词：能量中性原子 自旋稳定 三轴稳定
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0076-03
以往我们对近地空间等离子体的大多数认知都源于对带电粒子和电磁场的局地测量，它们仅可提供不同空间区域的平均物理图象。获取特定状态下的大视野瞬时图象以了解磁层全区域的等离子体分布和动力学演化过程是当前空间探测新的发展方向。中性原子成象探测是近年来应用于空间物理探测的高新技术，它利用中性原子在空间运动不受磁场约束的特性可对空间不同区域的能量粒子进行可视化遥感探测，通过反演可以形成空间等离子体分布图象。对于自旋稳定的卫星，把多个探测器单元沿自旋轴180度仰角排布可使粒子分布图象覆盖全空间4π立体角，一幅图象的最小时间分辨为一个卫星自转周。探测粒子的能量范围从几十个eV到几百个keV。中性原子成像技术是目前对空间等离子体分布进行可视化遥感的唯一途径，美国的IMAGE卫星[1-2]（2000—2005）运用中性原子成像技术（HENA，MENA和LENA）[3-5]获取了第一批中性原子成像的空间探测资料并通过这些探测资料对磁暴过程有了新的认知。我国双星计划的极轨卫星[6]（TC-2：2004—2008）上搭载了中欧联合研制的中性原子成象仪（NUDAU）[7]，并在4年在轨飞行中获取了大量地磁活动及演化的成像资料，成为双星计划中收获颇丰的载荷之一。
IMAGE和TC-2都是椭圆轨道的极轨自旋稳定卫星。但两者选取的自旋方向不同，IMAGE的自旋轴垂直于轨道面，而TC-2的自旋轴则垂直于黄道面。我们以极轨自旋稳定卫星为例，从这两种卫星自旋姿态出发讨论对应探测器的物理设计与仿真探测结果。
1 卫星轨道、磁层环电流辐射环境及探测器的物理设计
我们把卫星的轨道设计为极轨大椭圆轨道：对应的轨道倾角为90?，远地点高度6.677 RE，近地点高度1RE。卫星采用自旋稳定，自旋轴垂直黄道面，或垂直于轨道面；卫星自旋周期为6 s。
环电流区离子通量分布采用磁暴时氢氧离子混合方式给出[8]，其中，H+：40-50 keV，JH=8×105 cm-2s-1sr-1keV-1，O+：68-80 keV，JO=2×104 cm-2s-1 sr-1keV-1。混合离子通量在赤道面上的分布如图1所示。
针对这样的辐射环境，如果期望仪器在仰角方向有～6的角分辨，我们给出中性原子成像仪探测方案的物理设计，其中探头部分如图2所示：每个传感器的有效面积为14.2×10 mm2；对应的视窗大小为24×10 mm2；相应的瞄准距离（带电粒子偏转距离）为228 mm；这样每个传感器的几何因子为0.0065 cm2sr。
考虑到通常磁暴期间环电流演化过程的时间尺度在30 min以上，以下的探测仿真均按50个卫星自旋周（5 min integration）积分。按这样的标准进行仪器的物理设计，使得我们既能在环电流演化过程中得到足够的时间分辨图像，又能让仿真图像的积分效果满足图像反演所需的样本统计标准。
2 卫星自旋轴垂直于黄道面
大多数自旋稳定卫星选择卫星自旋轴垂直于黄道面，这种自旋姿态便于维护。对于自旋轴垂直于黄道面的卫星，当卫星运行到北极上空，即椭圆轨道的远地点，这也是ENA成像观测的最佳位置。我们在图3中标出30个传感器的仰角方向，利用卫星自旋可实现对全空间4π立体角的扫描探测。
针对特定的观测对象，环电流区的中性原子辐射，如图3所示，只有不到一半的传感器能够瞄准探测目标。而且这些传感器多分布在靠近自旋轴方向，不能将探测目标在ENA象元空间上充分展开（图4）。试想，对于排布在自旋轴方向上的传感器，当卫星自旋扫描一周时传感器在探测空间指向同一位置。图2中中性原子探测仿真图像外边缘的毛刺就反映了卫星自旋时扫描方位角的重叠和跳变。
当卫星运行到南极近地点时，瞄准探测目标的则是另一半传感器。兼顾卫星在轨道其它位置的观测，所以我们需要设计4π立体角全空间的监测能力。其实记录每幅中性原子图像所使用的传感器不到传感器总数的一半。
3 卫星自旋轴垂直于轨道面
只有用于扫描成像的专业卫星，如美国的IMAGE，会选用卫星自旋轴垂直于轨道面的自旋稳定方式。对于扫描成像探测的仪器，它可以减少传感器排布，提高仪器的空间分辨能力，节省载荷设计空间和质量。这类卫星一般需要用磁力计实现自旋稳定的姿态维护，这将不利于卫星的磁洁净，会影响到磁强计类的载荷工作。
对于自旋轴垂直于轨道面的卫星，当卫星运行到北极上空，即椭圆轨道远地点的ENA成像观测的最佳位置。我们在图5中标出24个传感器的仰角方向，利用卫星自旋可实现对空间约3π立体角的扫描观测。针对特定的观测对象，环电流区的中性原子辐射，如图3所示，大部分传感器都能够瞄准探测目标。分布在垂直自旋轴方向附近的传感器能将探测目标在ENA象元空间里充分展开，如图6，给出了层次清楚、边缘平滑的中性原子探测仿真图像。
与上一节类似，在每个卫星自旋周里，只有不到一半的方位角扫描是有效的，其它方向则指向磁层以外空间。但两者的主要差别在于用于成像传感器的仰角分布，越接近于垂直自旋轴方向的传感器，越能有效地展开中性原子成像源的空间分布，对应的等离子体空间分布的反演效果就越好。 4 结语
这里，我们讨论了极轨自旋稳定卫星两种自旋姿态对中性原子成像探测的影响。通过仿真研究，我们倾向于选择卫星自旋轴垂直于轨道面的自旋稳定方式来满足中性原子成像探测的扫描需求。但很多时候载荷需要服从卫星计划的总体科学目标需求，在总体认定的卫星姿态前提下设计最佳载荷探测方案。即便是对于三轴稳定卫星，我们也可以利用多组硅条探测器设计二维中性原子成像仪。当然，三轴稳定卫星受到载荷设计空间的限制，仪器有效视场小，很难跟踪瞄准磁层环电流类的探测目标。
致谢：本研究由中国科学院空间科学战略性先导科技专项（XDA04060204）和地震行业科研专项（201008007）资助。
参考文献
[1] Burch，J.L.，IMAGE Mission Overview，Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：1-14.
[2] Burley，R.J，S.E.Coyle，J. L.Green，The IMAGE science and mission operations center[J].Space Sci.Rev.，2000，91：483-496.
[3] Mitchell，D.G.，et al.，The High-Energy Neutral Atom （HENA） Imager for theIMAGE mission， Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：67-112.
[4] Pollock，C.J.，et al.，Medium Energy Neutral Atom（MENA） Imager for the IMAGE Mission， Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：113-154.
[5] Moore，T.E.，et al.，The Low-Energy Neutral Atom（LENA） Imager Investigation，Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：155-195.
[6] Liu Z.X.，C.P.Escouber，et al.The double star mission[J].Ann.Geophy，2005：23，2707-2712，
[7] Susan McKenna-Lawlor，et al.Nuclear Inst.& Methods[Z].2004（503）：311-322.
[8] 路立，Susan McKenna-Lawlor，Jan Balaz，史建魁，杨垂柏，罗静，Karel Kudela，中性原子成像探测的物理设计与仿真[J].空间物理学报，2014，34（3）：341-351.
关键词：能量中性原子 自旋稳定 三轴稳定
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0076-03
以往我们对近地空间等离子体的大多数认知都源于对带电粒子和电磁场的局地测量，它们仅可提供不同空间区域的平均物理图象。获取特定状态下的大视野瞬时图象以了解磁层全区域的等离子体分布和动力学演化过程是当前空间探测新的发展方向。中性原子成象探测是近年来应用于空间物理探测的高新技术，它利用中性原子在空间运动不受磁场约束的特性可对空间不同区域的能量粒子进行可视化遥感探测，通过反演可以形成空间等离子体分布图象。对于自旋稳定的卫星，把多个探测器单元沿自旋轴180度仰角排布可使粒子分布图象覆盖全空间4π立体角，一幅图象的最小时间分辨为一个卫星自转周。探测粒子的能量范围从几十个eV到几百个keV。中性原子成像技术是目前对空间等离子体分布进行可视化遥感的唯一途径，美国的IMAGE卫星[1-2]（2000—2005）运用中性原子成像技术（HENA，MENA和LENA）[3-5]获取了第一批中性原子成像的空间探测资料并通过这些探测资料对磁暴过程有了新的认知。我国双星计划的极轨卫星[6]（TC-2：2004—2008）上搭载了中欧联合研制的中性原子成象仪（NUDAU）[7]，并在4年在轨飞行中获取了大量地磁活动及演化的成像资料，成为双星计划中收获颇丰的载荷之一。
IMAGE和TC-2都是椭圆轨道的极轨自旋稳定卫星。但两者选取的自旋方向不同，IMAGE的自旋轴垂直于轨道面，而TC-2的自旋轴则垂直于黄道面。我们以极轨自旋稳定卫星为例，从这两种卫星自旋姿态出发讨论对应探测器的物理设计与仿真探测结果。
1 卫星轨道、磁层环电流辐射环境及探测器的物理设计
我们把卫星的轨道设计为极轨大椭圆轨道：对应的轨道倾角为90?，远地点高度6.677 RE，近地点高度1RE。卫星采用自旋稳定，自旋轴垂直黄道面，或垂直于轨道面；卫星自旋周期为6 s。
环电流区离子通量分布采用磁暴时氢氧离子混合方式给出[8]，其中，H+：40-50 keV，JH=8×105 cm-2s-1sr-1keV-1，O+：68-80 keV，JO=2×104 cm-2s-1 sr-1keV-1。混合离子通量在赤道面上的分布如图1所示。
针对这样的辐射环境，如果期望仪器在仰角方向有～6的角分辨，我们给出中性原子成像仪探测方案的物理设计，其中探头部分如图2所示：每个传感器的有效面积为14.2×10 mm2；对应的视窗大小为24×10 mm2；相应的瞄准距离（带电粒子偏转距离）为228 mm；这样每个传感器的几何因子为0.0065 cm2sr。
考虑到通常磁暴期间环电流演化过程的时间尺度在30 min以上，以下的探测仿真均按50个卫星自旋周（5 min integration）积分。按这样的标准进行仪器的物理设计，使得我们既能在环电流演化过程中得到足够的时间分辨图像，又能让仿真图像的积分效果满足图像反演所需的样本统计标准。
2 卫星自旋轴垂直于黄道面
大多数自旋稳定卫星选择卫星自旋轴垂直于黄道面，这种自旋姿态便于维护。对于自旋轴垂直于黄道面的卫星，当卫星运行到北极上空，即椭圆轨道的远地点，这也是ENA成像观测的最佳位置。我们在图3中标出30个传感器的仰角方向，利用卫星自旋可实现对全空间4π立体角的扫描探测。
针对特定的观测对象，环电流区的中性原子辐射，如图3所示，只有不到一半的传感器能够瞄准探测目标。而且这些传感器多分布在靠近自旋轴方向，不能将探测目标在ENA象元空间上充分展开（图4）。试想，对于排布在自旋轴方向上的传感器，当卫星自旋扫描一周时传感器在探测空间指向同一位置。图2中中性原子探测仿真图像外边缘的毛刺就反映了卫星自旋时扫描方位角的重叠和跳变。
当卫星运行到南极近地点时，瞄准探测目标的则是另一半传感器。兼顾卫星在轨道其它位置的观测，所以我们需要设计4π立体角全空间的监测能力。其实记录每幅中性原子图像所使用的传感器不到传感器总数的一半。
3 卫星自旋轴垂直于轨道面
只有用于扫描成像的专业卫星，如美国的IMAGE，会选用卫星自旋轴垂直于轨道面的自旋稳定方式。对于扫描成像探测的仪器，它可以减少传感器排布，提高仪器的空间分辨能力，节省载荷设计空间和质量。这类卫星一般需要用磁力计实现自旋稳定的姿态维护，这将不利于卫星的磁洁净，会影响到磁强计类的载荷工作。
对于自旋轴垂直于轨道面的卫星，当卫星运行到北极上空，即椭圆轨道远地点的ENA成像观测的最佳位置。我们在图5中标出24个传感器的仰角方向，利用卫星自旋可实现对空间约3π立体角的扫描观测。针对特定的观测对象，环电流区的中性原子辐射，如图3所示，大部分传感器都能够瞄准探测目标。分布在垂直自旋轴方向附近的传感器能将探测目标在ENA象元空间里充分展开，如图6，给出了层次清楚、边缘平滑的中性原子探测仿真图像。
与上一节类似，在每个卫星自旋周里，只有不到一半的方位角扫描是有效的，其它方向则指向磁层以外空间。但两者的主要差别在于用于成像传感器的仰角分布，越接近于垂直自旋轴方向的传感器，越能有效地展开中性原子成像源的空间分布，对应的等离子体空间分布的反演效果就越好。 4 结语
这里，我们讨论了极轨自旋稳定卫星两种自旋姿态对中性原子成像探测的影响。通过仿真研究，我们倾向于选择卫星自旋轴垂直于轨道面的自旋稳定方式来满足中性原子成像探测的扫描需求。但很多时候载荷需要服从卫星计划的总体科学目标需求，在总体认定的卫星姿态前提下设计最佳载荷探测方案。即便是对于三轴稳定卫星，我们也可以利用多组硅条探测器设计二维中性原子成像仪。当然，三轴稳定卫星受到载荷设计空间的限制，仪器有效视场小，很难跟踪瞄准磁层环电流类的探测目标。
致谢：本研究由中国科学院空间科学战略性先导科技专项（XDA04060204）和地震行业科研专项（201008007）资助。
参考文献
[1] Burch，J.L.，IMAGE Mission Overview，Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：1-14.
[2] Burley，R.J，S.E.Coyle，J. L.Green，The IMAGE science and mission operations center[J].Space Sci.Rev.，2000，91：483-496.
[3] Mitchell，D.G.，et al.，The High-Energy Neutral Atom （HENA） Imager for theIMAGE mission， Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：67-112.
[4] Pollock，C.J.，et al.，Medium Energy Neutral Atom（MENA） Imager for the IMAGE Mission， Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：113-154.
[5] Moore，T.E.，et al.，The Low-Energy Neutral Atom（LENA） Imager Investigation，Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：155-195.
[6] Liu Z.X.，C.P.Escouber，et al.The double star mission[J].Ann.Geophy，2005：23，2707-2712，
[7] Susan McKenna-Lawlor，et al.Nuclear Inst.& Methods[Z].2004（503）：311-322.
[8] 路立，Susan McKenna-Lawlor，Jan Balaz，史建魁，杨垂柏，罗静，Karel Kudela，中性原子成像探测的物理设计与仿真[J].空间物理学报，2014，34（3）：341-351.