[论文解读] Simulation of ASTROD I test mass charging due to solar energetic particles

Lei Liu, Gang Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文使用GEANT4工具包模拟了ASTROD I任务中太阳高能粒子（SEPs）引起的测试质量充电效应。结果表明，在1989年最大的SEPs事件期间，充电速率高达64,300 +e/s，导致的加速度噪声超过了ASTROD I任务的设计预算——因此必须采用持续放电系统以抑制噪声，从而维持任务对引力波的探测灵敏度。

ABSTRACT

As ASTROD I travels through space, its test mass will accrue charge due to galactic cosmic-rays and solar energetic particles incident on the spacecraft. This test mass charge will result in Coulomb forces between the test mass and the surrounding electrodes. In earlier work using the GEANT4 toolkit, we predicted a net charging rate of nearly 9.0 +e/s from cosmic-ray protons between 0.1 and 1000 GeV at solar maximum, and rising to 26.5 +e/s at solar minimum. Here we use GEANT4 to simulate the charging process due to solar energetic particle events and to estimate the magnitude of acceleration noise due to this charging. The predicted charging rates range from 2840 to 64300 +e/s, at peak intensity, for the 4 largest SEP events in September and October 1989. For the 2 larger events, the acceleration disturbances due to charging exceeds the ASTROD I acceleration noise budget requirement. Continuous discharge should be considered for suppressing this charging noise. The acceleration noise during the 2 small events is well below the design target, although during these events, the net charging rate will be dominated by these solar fluxes.

研究动机与目标

• 评估太阳高能粒子（SEPs）对ASTROD I引力波任务中测试质量充电的影响。
• 量化由此产生的库仑力及可能降低任务灵敏度的加速度噪声。
• 评估SEPs引起的充电是否超过精确测量所需的加速度噪声预算。
• 确定是否需要持续放电机制以在强烈太阳事件期间抑制充电噪声。

提出的方法

• 利用GEANT4蒙特卡洛模拟工具包，模拟粒子相互作用及ASTROD I测试质量上的电荷累积。
• 模拟了1989年9月和10月期间最大的四次太阳事件中，SEPs引起的充电过程。
• 在SEPs峰值强度下，计算了以每秒基本电荷数（+e/s）为单位的净充电速率。
• 估算由带电测试质量与周围电极之间的库仑力引起的加速度噪声。
• 将模拟得到的噪声水平与ASTROD I任务要求的加速度噪声预算进行比较。
• 分析在模拟事件中，SEPs通量相对于银河系宇宙射线的主导作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重大太阳事件期间，太阳高能粒子对ASTROD I测试质量的充电速率是多少？
• RQ2 测试质量充电引起的库仑力如何影响ASTROD I的加速度噪声预算？
• RQ3 模拟得到的充电引起的噪声水平是否超过任务所需的灵敏度阈值？
• RQ4 在何种条件下，SEPs通量在贡献测试质量充电方面占主导地位，超过银河系宇宙射线？
• RQ5 在强烈的SEPs事件期间，是否需要持续放电以抑制充电噪声？

主要发现

• 1989年最大两次SEPs事件的峰值充电速率高达64,300 +e/s，显著超过任务的加速度噪声预算。
• 在两次最大SEPs事件中，由于测试质量充电引起的加速度噪声超过了ASTROD I的设计要求。
• 在四次最大SEPs事件期间，充电速率在2,840至64,300 +e/s之间变化，最高值出现在太阳辐射强度峰值时。
• 即使在较小的SEPs事件中，净充电速率仍主要由太阳通量主导，尽管噪声水平仍低于设计阈值。
• 本研究证实，持续放电系统对于在重大太阳事件期间抑制充电噪声至关重要。
• 模拟结果突显了必须减轻SEPs引起的充电效应，以保障空间引力波探测的精度。