综述：紧凑型双离子成分实验——IMAP任务上的CoDICE仪器

《SPACE SCIENCE REVIEWS》：The Compact Dual Ion Composition Experiment (CoDICE) for the IMAP Mission

本文介绍了NASA星际测绘与加速探测（IMAP）任务中的紧凑型双离子成分实验（CoDICE）仪器，该仪器采用创新设计将静电分析器（ESA）与飞行时间/剩余能量（TOF/E）谱仪结合，能够同步测量太阳风（SW）、拾起离子（PUIs）和超热离子（0.5-80 keV/q）的3D速度分布函数（VDFs）及成分（CoDICE-Lo），以及高能离子（0.03-5 MeV/nuc）的质谱和方向（CoDICE-Hi），为研究局部星际介质（LISM）特性和粒子加速机制提供关键数据。

　　

引言

星际测绘与加速探测（IMAP）是NASA日球物理学太阳-地球探测器（STP）项目中的第五个任务，其核心科学目标是理解从太阳到行星（包括地球）的太阳系中质量、动量和能量流的物理过程，以及星际边界及其与局部星际介质（LISM）的相互作用。IMAP的四个关键科学目标包括：提高对LISM成分和性质的理解；推进对太阳风与星际介质相互作用的边界区域时空演化的认识；识别并理解太阳磁场与LISM相互作用的相关过程；识别并理解在太阳附近、日球层和日球鞘中粒子注入和加速的过程。

为实现这些目标，IMAP携带了10台仪器，位于日地L1拉格朗日点的晕轨道上，对太阳风等离子体、星际拾起离子（PUIs）、超热和高能离子、星际和能量中性原子（ENAs）以及星际尘埃等进行协同测量。本文介绍的紧凑型双离子成分实验（CoDICE）是五台原位探测仪器之一，它能够对太阳附近及整个日球层甚至更远区域加速的带电粒子源种群进行综合测量。

CoDICE科学目标与要求

CoDICE的科学测量目标可分为三大类：1）太阳风离子的3D速度分布函数（VDFs）和成分；2）星际拾起离子（PUIs）的3D VDFs和成分；3）超热至高能离子的能谱、到达方向和质谱。这些目标源自IMAP任务层面2的要求，并细化为CoDICE层面3的要求。具体测量要求包括：太阳风密度高于3 cm^-3时，以≤1小时的时间分辨率测量C/O、Mg/O、Fe/O等成分比值，精度优于50%；在典型慢太阳风条件下，测量2-18 keV/q的星际拾起He⁺离子的3D VDFs，质量范围从H到Ne，质量分辨率M/ΔM > 2，角度分辨率≤15°；测量0.05-2 MeV/nuc的H-Fe离子，质量分辨率M/ΔM > 4。此外，CoDICE还为实时空间天气（I-ALiRT）数据流提供太阳风丰度、电荷态以及四个不同方向的超热质子强度测量。

高层传感器描述

工作原理

CoDICE传感器集成了两个主要子系统：1）静电分析器（ESA）；2）飞行时间/剩余能量（TOF/E）谱仪。CoDICE-Lo测量0.5-80 keV/q的离子，这些离子通过准直孔径进入，由ESA根据其E/q进行选择并聚焦到TOF子系统中的START部分。离子在-15 kV偏压的START组件中被加速后撞击碳箔，产生次级电子被START微通道板（MCP）探测，从而确定离子的方位角。中性化的离子随后飞行约10.64 cm后撞击24个雪崩光电二极管（APDs）之一，测量其剩余能量（E_Res）。结合E/q、TOF和E_Res测量，可以确定离子的质量（M）、电荷态（q）和M/q。

CoDICE-Hi测量0.03-5 MeV/nuc的离子，这些离子通过12个独立的准直器进入共用的TOF/E子系统。每个准直器装有滤紫外箔片。START TOF信号由离子穿过碳箔时产生的次级电子产生，离子随后飞行12.3 cm后撞击12个固态探测器（SSDs）之一测量E_Res。TOF和E_Res结合可确定离子质量。CoDICE设计的创新之处在于，进入-Lo和-Hi孔径的离子产生的START和STOP次级电子由相同的START和STOP MCPs探测，但位于不同区域。

CoDICE的视场（FOV）覆盖范围很广。CoDICE-Lo ESA的瞬时FOV为6°（仰角）× 360°（方位角），在单次航天器自转中覆盖约1.8π球面度（sr）。CoDICE-Hi的12个准直器（每个10°×16°）在一次自转中覆盖约2.1π sr。

CoDICE传感器与电子学

CoDICE包括四个主要子系统：1）ESA；2）TOF/E；3）前端电子学（FEE）；4）电子盒（Ebox）。Ebox包含低压电源（LVPS）、指令与数据处理（CDH）板、传感器高压电源（HVPS 1）、离子光学高压电源（HVPS 2）、背板和低压端子块组件。

TOF/E子系统包含后加速区（PAC）组件、START和STOP探测器组件、24个APDs及APD能量板（AEB）（用于CoDICE-Lo），以及12个SSDs及SSD能量板（SEB）（用于CoDICE-Hi）。START和STOP MCP组件用于精确测量TOF。AEB和SEB使用定制设计的32通道专用集成电路（ASIC）来读取APD和SSD的能量信号。

FEE板接收来自CoDICE-Lo和CoDICE-Hi的TOF和能量信号，并进行处理。其上的现场可编程门阵列（FPGA）采用基于游标法的TDC来精确测量脉冲之间的时间延迟，分辨率可达10 ps（实际使用中保留0.16-0.64 ns）。FPGA还管理着脉冲高度分析（PHA）事件的定时逻辑。

Ebox的热设计分为两个区域：电子学舱和仪器舱。电子学舱与航天器平台热耦合，而仪器舱则通过隔热安装和表面处理（如使用黑色涂层作为辐射器）与电子学舱隔离，以确保APD的工作温度维持在-20°C至+40°C的范围内。

传感器模型

通过SIMION数值模拟对CoDICE的带电粒子轨迹和电场进行了详细建模。模拟考虑了电极布局、电压设置以及离子穿过碳箔产生次级电子的过程。模型用于优化电子光学设计，最小化START和STOP MCP上电子着陆位置的分散和飞行时间分散，并估计物理串扰概率。模拟结果显示，Lo-START信号的角分散约为4.6°，而Lo-STOP信号的定时分散最大，约为0.7 ns。

校准与交叉校准

校准程序

CoDICE的校准分别对ESA和TOF/E子系统进行，最后进行整器校准。能量校准使用放射性源（如Fe-55, Am-241）评估AEB和SEB的性能。TOF/E子系统使用高能单电荷离子束进行校准。全飞行传感器校准用于评估端到端性能。

静电分析器性能

CoDICE-Lo ESA的性能在H30实验室使用离子束进行测试。能量几何因子（G_E）通过扫描ESA电压和角度来测定。角分辨率平均约为2.2°，能量分辨率（ΔE/E）平均约为6%。校准还验证了降低几何因子模式（RGFO）的性能，该模式在计数率过高时通过降低入口电极电压来减少几何因子（DCR降低约0.1倍，TCR降低约0.07倍），以保护探测器。

CoDICE-Hi准直器性能

CoDICE-Hi的物理几何因子经计算和测量确认为每个扇形区为0.045 cm2 sr。角响应扫描显示其具有可靠且一致的仰角和方位角覆盖。

TOF和能量性能

CoDICE-Lo对1-80 keV/q、质量1-40 amu的离子束进行了测试。质量每电荷分辨率（M/q）/σ(M/q)在整个能量范围内均高于10。质量分辨率M/σM随着E/nuc的增加而提高，因为APD的能量分辨率改善（在低能端~10-20 keV，至高能端~2-3 keV）。APD的能量响应在~2 keV/nuc到>100 keV/nuc范围内呈线性。

CoDICE-Hi的质量分辨率M/σM在~10-300 keV/nuc范围内约为6-9，在>2 MeV/nuc时高于3。SSD的能量分辨率σE/E在低能（~150 keV）约为0.1，在高能时改善至约0.01。这些性能满足了测量要求。

校准数据生成了TOF与E_Res的二维矩阵，清晰地分离了不同离子种类和电荷态（如H⁺, He⁺, N⁺, Ne⁺, Ar⁺, Ar²⁺）。CoDICE-Lo能够分离星际拾起Ne的同位素，CoDICE-Hi能够分离He同位素。

交叉校准

CoDICE与IMAP上的其他仪器（如SWAPI和HIT）进行了地面交叉校准。使用相同的离子束和放射性源，在重叠的能量范围内比较了仪器的响应，结果显示出良好的一致性，为在轨数据比对奠定了基础。

传感器操作

软件概述

CoDICE飞行软件（FSW）包括存储在PROM中的引导FSW和存储在MRAM中的应用程序FSW。引导FSW负责硬件初始化和验证应用程序映像。应用程序FSW是主要的科学和工程操作软件，处理指令、生成遥测、监控仪器健康与安全、控制高压电源和采集科学数据。

操作模式

FSW包含多种操作模式：引导模式、引导维护模式、安全（SAFE）模式、低压工程（LVENG）模式、高压工程（HVENG）模式和科学（Science）模式。正常科学观测在Science模式下进行。

数据采集

数据采集与航天器自转（4 RPM）同步。每个自转分为24个15°的扇区。一个完整的采集周期为16个自转（约4分钟）。在此期间，CoDICE-Lo的ESA会步进通过128个电压值，在每个自转扇区测量不同E/q的离子。CoDICE-Hi则在其12个准直器方向上进行连续测量。

在轨处理

CDH FPGA接收来自FEE FPGA的PHA事件（包括三重符合TCR、双符合DCR和能量事件），并添加元数据（能量步进、自转角、自转数）。然后，根据预设的查找表（LUT）为每个事件分配一个优先级和物种标识。这些优先级和物种标识对应于M与M/q（CoDICE-Lo）或质量与入射能量E_Inc（CoDICE-Hi）矩阵中的特定区域。

除了PHA事件，CDH还会更新各种分档数据产品的直方图，这些产品提供了计数率信息，但不包含每个事件的详细测量值。

遥测与数据压缩

CoDICE的遥测分为七类：ICD、引导、工程、诊断、Lo科学、Hi科学和I-ALiRT。科学数据包使用两种基于查找表的24位到8位有损压缩算法（压缩A和B）以及无损的LZMA压缩算法进行压缩，以减少数据量。I-ALiRT数据使用打包24位的方法进行压缩。

数据产品与算法

CoDICE向科学数据中心（SDC）传输两种类型的L0数据产品：直接事件（PHA）和星上处理的分档数据。数据处理管道从L0（原始CCDS包）到L1a（原始计数）、L1b（计数率）、L2（经过校准的强度）、L3a/L3b（高层推导产品，如部分密度、丰度比、三维分布、投掷角分布）。

L1到L2数据处理

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  CoDICE-Lo：强度通过将计数率除以几何因子（G_E）、探测效率（ε）和能通量（ΔE × (E/q)）来计算。对于太阳风方向（近似束流）和拾起离子（假设各向同性）采用不同的求和方法。
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  CoDICE-Hi：全向强度通过对所有探测器和自转扇区求和得到。扇区强度则按每个SSD和自转扇区分别计算。

L2到L3数据处理

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  直接事件数据（L3a）：将L2的PHA事件（TOF, E_Res）转换为物理量（质量M，质量电荷比M/q用于CoDICE-Lo；质量M，入射能量E_Inc用于CoDICE-Hi）。这需要使用经验公式和校准系数。
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  高层产品（L3a/L3b）：
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    CoDICE-Lo L3a产品包括从L2物种强度推导的太阳风物种部分密度，进而计算元素丰度比（如C/O, Mg/O, Fe/O）和电荷态比（如C⁶⁺/C⁵⁺, O⁷⁺/O⁶⁺）。L3b产品包括在仪器坐标系下的三维速度分布函数（VDFs）。
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    CoDICE-Hi L3b产品包括投掷角分布，由L2扇区强度和平均磁场矢量计算得到。
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  L3c组合产品：将CoDICE-Lo和CoDICE-Hi的强度数据组合，生成覆盖整个能量范围（从~0.5 keV/q到5 MeV/nuc）的能谱-时间图，以及组合的投掷角分布。

I-ALiRT

CoDICE为IMAP实时空间天气广播（I-ALiRT）系统提供数据。CoDICE-Lo提供太阳风元素丰度和电荷态比值（4分钟分辨率）。CoDICE-Hi提供四个方向的~0.1-3.5 MeV质子强度（1分钟分辨率）。这些数据被分成小包，在约4分钟内持续下传。

总结与结论

CoDICE是IMAP任务上一台能力卓越的新一代仪器，其创新性的紧凑设计将两个测量系统（ESA和TOF/E）结合在一起，能够同时对日球层中的关键离子种群（太阳风、星际拾起离子、超热和高能离子）进行全面的成分、电荷态和三维分布测量。详细的地面校准和模拟证实其性能满足或超过了所有任务要求。CoDICE产生的L1至L3级数据产品将为研究局部星际介质的特性、太阳风与其相互作用、以及整个日球层中的粒子加速机制提供至关重要的观测数据。同时，它通过I-ALiRT系统为空间天气研究和监测提供实时服务。CoDICE的成功运行将极大地推动我们对日球层及其与星际空间相互作用的理解。