一种新的测量电离层离子逃逸中双极性电场的仪器

　　近几十年以来，电离层离子逃逸被认为是地球磁层中等离子体的主要来源，而大量的电离层离子是从极区电离层的开放磁力线区域由双极性电场加速达到逃逸速度而进入磁层的。为了更好地研究离子逃逸如何响应太阳和地磁活动，在不同的空间环境条件下直接测量双极性电场变得至关重要。

　　然而，由于电场绝对值很小，目前的探测仪器都无法直接测量这个微小电场。通过模拟计算这个电场的大小约为10^-5～10^-7 Vm^-1。在观测上，人们目前仅能利用在一个高度上的卫星测得向上和向下的电子能谱分析这个微小电场所形成的电动势大小。研究发现，向下运动的电子与向上运动的电子能谱相比，缺少了能量较高的部分。这部分电子能量较大而克服了电势差而损失，能量较小的电子不能克服电势差而回到地球。通过这种方法分析，人们发现在3800公里高处以上，沿磁场的电势差约为20伏特。但通过这种方法也不能直接获得电场强度大小。

　　在已有的欧空局Cluster卫星电子漂移仪基础之上，我们提出一个新的探测方法。这个方法使用大多数成熟的技术。通过计算表明这个方法是可行的，并可以使用在未来的卫星计划中，探测对于离子逃逸起到关键作用的微小双极性电场。

　　图1表示这个仪器工作的主要磁场环境。仪器工作的区域主要为地球极区磁力线开放（黑色虚线所示）的区域，工作的高度为几千公里以下。卫星运行的轨迹如粉色虚线所示。在这个磁场环境下，从仪器发射垂直于磁场的电子。离开仪器的电子受到向上（如红色箭头所示）的磁镜力、向下（如黑色箭头所示）的双极性电场力（重力相对较小）、以及垂直于磁场方向的漂移运动（如蓝色箭头所示）。

　　从探测器发射的电子一方面作回旋运动，当磁层对流速度较小时，电子在垂直于磁场方向作近似环形运动。在平行于磁场方向上，电子在图1所示的力作用下运动。图二表示电子可能运动的轨迹。当磁镜力大于双极性电场力时，电子回旋一个周期后被仪器的电子探测器探测到时沿磁场方向有向上的位移DS，相等时DS=0。在地球上，极区的磁场模型可以由IGRF模型给出，通过这个模型我们可以准确地计算出给定电子能量的磁镜力。因此只要控制发射电子的能量，并测量电子回旋一周沿磁场方向的位移DS。

　　图三表示探测器的结构图。主要分为两部分，上半部分为电子发射单元，包含一个热电子阴极灯丝（Thermionic Cathode）和一个带准直器的Wehnalt圆柱，形成的电子束在阳极电场加速下进入发射装置的上端。在偏转电极的作用下，电子束发生偏转。根据外部磁场的方向调整偏转电场的大小使电子束垂直于磁场。当电子回旋一个周期后，我们可以使用探测器（下半部分）来测量返回电子在平行于磁场方向的位移。它包含一个电子透镜阵列（蓝色部分）和一个微通道板阵列组成（红色部分）。微小的DS经过电子透镜被放大，然后被微通道板探测到。最终，通过测量DS和计算而得的磁镜力，我们能获得双极性电场的大小。

　　此项工作近期由李坤副教授发表到Journal of Geophysical Research: Space Physics上。一些关于仪器的技术细节和概念请参见原文：

Li, K. et al. (2020), A new concept to measure the ambipolar electric field driving ionospheric outflow, Journal of Geophysical Research: Space Physics, doi: 10.1029/2020JA028409.