探测彗星上的极光！罗塞塔号的最新发现多亏了这种远紫外光谱仪

近日，欧洲航天局的罗塞塔号彗星探测器给科学界带来了一个惊喜：航天器上仪器的数据首次向人们揭示了一颗彗星周围远紫外线中的极光辐射。

在地球上，当来自太阳的带电粒子沿着地球磁场线到达南极和北极时，就会形成极光。太阳粒子撞击地球大气层中的原子和分子，在高纬度的天空中制造出闪烁的彩色光幕。

“来自太阳的带电粒子在太阳风中流向彗星，与围绕在彗星冰冷、多尘的核心周围的气体相互作用，形成了极光，”SwRI副主席Jim Burch博士说，他领导着科学研究。

这一发现有赖于航天器上来自美国西南研究院(SwRI)的仪器：爱丽丝远紫外(FUV)光谱仪和离子电子传感器(IES)。

爱丽丝远紫外光谱仪(ALICE)

ALICE是一种轻型、低功耗和低成本的成像光谱仪，这是第一个近距离研究彗星的紫外光谱仪。其全名为“Alice far-ultraviolet (FUV) spectrograph”。

爱丽丝紫外光谱仪被设计用于在700至2050°之间的极端(EUV)和远紫外(FUV)波长下对行星大气和表面进行光谱研究，它已针对罗塞塔彗星科学进行了优化，具有高灵敏度、大瞬时视野和宽波长覆盖范围。

在罗塞塔轨道飞行器对67P/Churyumov-Gerasimenko彗星(67P/CG)的遥感调查中，爱丽丝将寻找诸如Ne和Ar等稀有气体;测量产生大部分彗星活动的H2O、CO和CO2分子的产生速率、变率和结构;测量彗星彗发中基本元素C、H、O和N的丰度和可变性;测量彗星尾部的原子离子丰度。

此外，爱丽丝还将对彗星核本身和彗星彗尾中夹带的固体颗粒的FUV光度特性进行研究。

作为一种紫外仪器，爱丽丝在罗塞塔号的遥感调查中是独一无二的，它能够探测彗星大气中的原子。彗星中最重要的原子种类有C、H、O和N。

作为一种遥感仪器，爱丽丝的优势在于，它可以在罗塞塔的长距离彗星交会期间获得这种测量结果，而不受航天器轨道位置的影响。

凭借其固有的长狭缝成像能力，爱丽丝可以以500/R50米的分辨率获得彗星的多光谱或单色图像，其中R50是彗星轨道飞行器的射程，单位为50公里。

仪器概述

爱丽丝的光学机械布局如图所示：

光线通过一个40×40平方毫米的入口光阑进入望远镜部分，然后由一个f/3离轴抛物面镜(OAP)收集并聚焦到入口狭缝上，然后聚焦到环形全息光栅上，在那里它被分散到使用双延迟线(DDL)读出方案的微通道板(MCP)探测器上。

在2D(1024x32)像素格式，MCP探测器使用双并排的太阳盲区光电阴极：溴化钾(KBr)和碘化铯(CsI)。对于填充由入口狭缝尺寸定义的瞬时视野(IFOV)的扩展光源，测得的ALICE光谱分辨率(λ/∆λ)在70170范围内。

ALICE由sa3865微处理器控制，采用轻巧、紧凑、表面贴装的电子设备来支持科学探测器，以及仪器支持和接口电子设备。

下图显示了ALICE的3D外部视图：

光学设计

OAP反射镜的净孔径为41 x 65 mm2，安装在仪器的望远镜部分。OAP的反射光进入光谱仪部分，其中包含全息光栅和MCP探测器。狭缝、光栅和探测器都布置在直径0.15米的正入射罗兰圆摄谱仪上。

光谱仪利用了700-2050琴谱带的一级衍射阶。一阶波长覆盖(700-1025 Å)的下半部分也在1400至2050 Å的一阶波长之间以二阶出现。

OAP和光栅，以及它们的安装夹具，都是由整体铝片构成，涂有化学镀镍，并使用低散射抛光技术抛光。

OAP和光栅光学表面被溅射SiC覆盖。内部杂散光的控制是通过一个良好的光学腔和一个全息衍射光栅实现的，该光栅具有低散射和近零线的鬼像问题。

为了控制污染，加热器安装在OAP反射镜和格栅的背面，以防止污染物在飞行过程中被冷捕获。在地面操作、仪器集成和任务的早期阶段，保护敏感光电阴极和MCP表面不受湿气和其他有害污染物的影响，探测器管体组件封闭在真空室中，前门在飞行的早期调试阶段成功(永久)打开。

为了在飞行过程中保护光学元件和探测器不受微粒污染，包括一个前入口孔门，当灰尘和气体水平过高而无法安全操作和暴露时(即当罗塞塔轨道飞行器靠近彗星核时)，它可以关闭。望远镜的挡板叶片也有助于保护OAP反射镜免受可能进入望远镜入口孔径的小粒子的轰击。

入口狭缝设计

摄谱仪入口狭缝组件设计如下图所示。狭缝由三部分组成，外加一个针孔面罩。狭缝的中心部分提供了~8-12ÅFWHM的高光谱分辨率，IFOV为0.05°x2.0°。围绕中心狭缝部分的是两个外部部分，IFOV分别为0.10°x 2.0°和0.10°x 1.53°。

针孔掩模位于第二个外部部分的IFOV边缘，它为光谱仪提供了有限的光传输量，用于对CG的彗差进行恒星掩星研究时使用的亮点源目标(例如热的紫外恒星)。

探测器和探测器电子设备

位于光谱仪部分的2-D成像光子计数探测器利用MCP Z-stack为DDL读出阵列供电。Z-stack的输入表面涂有KBr(700-1200ï)和CsI(1230-2050ï)的不透明光电阴极。探测器管体是一种定制设计，由轻质钎焊氧化铝可伐结构制成，该结构焊接到支撑DDL阳极阵列的外壳上。

(ALICE DDL探测器真空室外壳示意图。)

为了捕捉整个700-2050 Å和6°空间视场，探测器的活动区域大小为35 mm(在色散方向)x 20 mm(在空间维度上)，像素格式为(1024 x 32)-像素。6°斜射光被成像到探测器32个空间通道的中央20个;其余光谱通道用于暗计数监测。像素格式允许Nyquist采样，光谱分辨率为~3.4 Å，空间像素分辨率为0.3°。

MCP Z-stack由三个80:1长径(L/D)MCP组成，这些MCP均为圆柱弯曲，其曲率半径为75mm，以匹配罗兰圆摄谱仪，以在整个光谱通带上获得最佳聚焦。

室温下的Z-stack电阻总计为~500 MΩ。MCP为矩形(46 x 30 mm2)，中心为12µm直径的孔。MCP Z-stack上方是一个排斥栅，其偏置电压比MCP Z-stack顶部负电压高出1000伏。该退栅反射了MCP间隙区释放的电子，并返回MCP输入表面，从而提高探测器的探测量子效率。

探测器管体周围是由铝和不锈钢制成的真空室外壳。如上所述，该真空室保护KBr和CsI光电阴极不受地面处理期间湿气暴露和飞行早期放气成分的损坏。它还允许探测器在地面操作、测试和搬运以及运输过程中保持真空(<10-5托)。

光通过一个可打开的门进入探测器真空室，该门包含一个内置的MgF2窗口端口，可传输波长大于1200°的紫外光。该窗口允许在门关闭的情况下对探测器进行测试，并在飞行期间提供冗余，如果门机构未能打开。

探测器真空室的门设计为在飞行中打开一次，使用由双冗余烟火执行器(凹坑电机)释放的扭转弹簧。在仪器集成和测试(I&T)过程中，门多次成功打开并手动复位。

探测器电子设备包括前置放大器电路、时间-数字转换器电路(TDC)和脉冲对分析仪(电荷分析)电路(PPA)。所有这些电子元件封装在三块64 x 76 mm2的板中。这三块板安装在一个单独的封闭式镁外壳内，该外壳安装在摄谱仪部分的后部(就在探测器真空室后面)。探测器电子设备需要±5伏直流电，并消耗~1.1瓦。

电气设计

ALICE上的仪表支持电子设备包括电源控制器电子设备(PCE)、C&DH电子设备、遥测/命令接口电子设备、去污加热器系统和探测器高压电源(HVPS)。所有这些系统都由Sandia Associates提供的rad加固的SA 3865微处理器控制，该微处理器具有32 KB的本地程序RAM和64 KB的采集RAM，以及32 KB的程序ROM和128 KB的EEPROM。

爱丽丝已经成功地完成了一些飞行中的调试活动，包括对几颗紫外恒星的在轨校准观测、2004年4月和5月对C/2002 T7(线性)彗星的观测以及2005年7月在深撞击中对9P/Tempel 1号彗星的观测。

编译/前瞻高端装备研究组

参考资料：

https://www.spacedaily.com/reports/SwRI_instruments_aboard_Rosetta_help_detect_unexpected_ultraviolet_aurora_at_a_comet_999.html

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007SSRv..128..507S/abstract

https://arxiv.org/ftp/astro-ph/papers/0603/0603585.pdf