REPTile-2仪器在2024年磁暴期间发现临时第三辐射带

一种新仪器正在使用先进的探测技术，并利用具有特定特征的轨道来加深我们对范艾伦带的了解。范艾伦带是环绕地球的区域，其中包含可能危及机器人和人类太空任务的高能粒子。最近，该仪器提供了一个独特的视角，可以看到 2024 年 5 月的一场强烈磁暴给该地区带来的变化。

1958 年，美国“探索者 1 号”任务发现范艾伦辐射带，标志着空间物理学的一个重大里程碑，表明地球磁层可以有效加速和捕获高能粒子。内带包含 MeV（百万伏特）至 GeV（10 9伏特）范围内的质子，内带和外带中甚至含有更高浓度的数百 keV（1000 伏特）至 MeV 的高能电子。

这些带中的高能电子（也称为“杀手电子”）会对航天器子系统产生不利影响，并对执行舱外活动的宇航员造成危害。了解这些电子的来源、损失和不同浓度一直是我们长期以来的研究目标。需要对这些太空中的高能电子进行高能分辨率和干净的测量，以进一步了解它们的特性并更可靠地预测它们的强度。

克服测量内带相对论电子的挑战

干净而准确地测量高能电子一直是一项挑战，尤其是在内辐射带，那里也存在 MeV 到 GeV 能量的质子。美国宇航局的范艾伦探测器于 2012 年至 2019 年在低倾角、类似地球转移的轨道上运行，结果表明，穿越内辐射带中心的仪器容易受到位于该区域的高能质子的穿透。范艾伦探测器上的相对论电子质子望远镜 (REPT) 和磁性电子和离子谱仪 (MagEIS) 仪器受到严密屏蔽，但仍然受到内辐射带质子污染。

为了尽量减少这些负面影响，科罗拉多大学博尔德分校的李新林博士领导的研究小组设计了相对论电子质子望远镜集成小实验( REPTile )，这是 REPT 的简化和小型化版本，将搭载在科罗拉多学生空间天气实验 ( CSSWE ) 上。在美国国家科学基金会的支持下，由 3 单元组成的 CSSWE 立方体卫星于 2012 年至 2014 年在高度倾斜的低地球轨道 (LEO) 上运行。在这个高度倾斜的轨道上，航天器及其携带的仪器仅暴露在南大西洋异常 (SAA) 区域的内带质子中，该区域的地球磁场较弱，这大大减少了质子影响电子测量的时间。

REPTile 的成功促使一个由李新林博士领导的团队设计 REPTile-2（REPTile 的高级版本），该版本将搭载在科罗拉多内辐射带实验 (CIRBE) 任务上。与 CSSWE 一样，CIRBE 在高度倾斜的低地球轨道上运行，以确保最大限度地减少对内带有害质子的暴露。该团队以 REPTile 为基础设计了 REPTile-2，但加入了两项附加技术——保护环和脉冲高度分析——以实现对高能电子（尤其是内带）的清晰、高能分辨率测量。

REPTile-2 的视场 (FOV) 为 51 o。电子和质子进入 FOV，在到达一堆硅探测器时进行测量，并在那里储存能量。然而，高能质子（能量大于 60 MeV）可以穿透仪器的钨和铝屏蔽层，伪装成有效粒子，从而污染预期的测量。为了减轻这种污染，团队设计了环绕每个探测器的保护环。这些保护环与每个探测器的内部有效区域在电子上隔开，并通过单独的电通道连接。当保护环被触发（即被 FOV 外的粒子击中）时，同步测量被视为无效并被丢弃。这种反同步技术可以更干净地测量通过 FOV 的粒子。

为了实现高能量分辨率，该团队还在 REPTile-2 上应用了完整的脉冲高度分析 (PHA)。在 PHA 中，探测器中测量到的电荷量与入射电子沉积的能量成正比。与 REPTile 不同，REPTile 采用更简单的能量阈值鉴别方法，为电子提供三个通道，而 REPTile-2 则提供了更高的精度，拥有 60 个能量通道，电子能量范围为 0.25 – 6 MeV。范艾伦探测器上的 REPT 仪器也采用了 PHA，但尽管 REPT 在外带工作得很好，能产生精细的能量分辨率，但在内带中效果不佳，因为仪器完全暴露在穿透的高能质子中，因为它没有安装保护环。

CIRBE 和 REPTile-2 结果

CIRBE 的发射由 NASA 立方体卫星发射计划 (CSLI) 担保，于 2023 年 4 月 15 日作为 Transporter-7 任务的一部分，搭载 SPACEX 的猎鹰 9 号火箭发射。REPTile-2 于 2023 年 4 月 19 日启动，表现良好，提供了有关地球辐射带电子的宝贵数据。得益于 REPTile-2 提供的高分辨率能量和时间测量，范艾伦带中高能电子的许多特征首次被揭示。

图 5 显示了 2024 年 4 月 CIRBE/REPTile-2 测量结果的样本，并说明了高能电子复杂的漂移回波或“斑马条纹”，它们以不同的束状围绕地球旋转。这些观测范围横跨内带和外带，涵盖了六个数量级的广泛能量和电子通量谱。通过利用先进的保护环、脉冲高度分析 (PHA) 和高度倾斜的 LEO 轨道，REPTile-2 正在提供前所未有的辐射带电子观测。

事实上，该团队最近宣布，CIRBE/REPTile-2 的测量结果揭示了一个新的临时第三辐射带，由电子组成，夹在两个永久辐射带之间。这条辐射带是在 2024 年 5 月的磁暴期间形成的，这是二十年来最大的一次。虽然以前在大风暴后也曾见过这样的临时辐射带，但 CIRBE/REPTile-2 的数据提供了一个新的视角，其能量分辨率数据比以前更高。科学家们目前正在研究这些数据，以更好地了解这条辐射带以及它可能会持续多久——可能会持续数月。

项目负责人

Xinlin Li 博士，科罗拉多大学大气与空间物理实验室和航空工程科学系。

赞助组织

美国国家科学基金会太阳物理学飞行研究与技术机会 (H-FORT) 项目