1 引 言
地球等离子体层作为近地空间的重要组成部分，存在于2.0～8.0RE(RE=6378km，代表地球半径)的空间范围内，其分布和变化对内部的电离层以及大气层有很大的影响，而其结构形式、辐射特性以及分布的变化对近地空间环境亦有重的影响。地球等离子体层的主要成份是由地球磁场捕获的电子和H+，He+，O+等离子，其中H+约占总离子含量70%，He+约占20%，O+约占10%[1-2]。He+可以共振散射太阳辐射出的He II30.4nm谱线，构成地球等离子体层极紫外辐射的主要部分，辐射强度在0.1～11.4Rayleigh之间[3-5]。等离子体层外部是地球磁层，其对30.4nm辐射是光学薄的，因此，可以在地球等离子体层外部对地球等离子体层辐射出的30.4nm辐射进行成像观测。月球是距离地球最近的天体，它有一侧始终面向地球，月球表面无大气，磁场和月震极其微弱，表面安静，是非常好的天然观测平台，适合进行长期、高质量成像观测。利用月球平台，在月球围绕地球运行过程中，以不同的角度对地球等离子体层进行成像，对获得的极紫外图像反演得到地球等离子体层的体分布，进而进行科学研究和空间天气预报是一项很有意义的工作。
鉴于地球等离子体层对地球近地空间环境的重要影响，美国和日本自上个世纪70年代开始对地球等离子体层进行了大量的观测和研究。典型的观测方法为局地观测、扫描成像观测和成像观测。如美国1972年发射的STP-2卫星上载有极紫外波段光度计[6]，首次观测到地球等离子体层的30.4nm辐射，获得地球等离子体层极紫外辐射的强度分布。日本1998年发射的Planet-B卫星上搭载有一台极紫外波段光度计[7]，其视场角为5.6°，工作波段为30.4nm和84.3nm，在Planet-B飞往火星的途中，对地球等离子体层进行观测，将每一个小视场的图像拼接构成地球离子体层图像，首次从地球等离子体层外部获得了地球等离子体层图像[3]。
2008年日本发射的月亮女神号(SELENE)上载有一台极紫外成像仪TEX[8]，SELENE围绕月球运行，实现了对地球等离子体层的成像观测，TEX工作波段为30.4nm和83.4nm，视场角为10.9°×10.9°，设计角分辨率为0.1°。但是，实际获得图像分辨率远远低于成像仪的设计指标，图像信噪比也较低[9]，SELENE已经于2009年停止工作。
美国于2000年发射了在大椭圆轨道上运行的IMAGE卫星[10]，其远地点约为42 000km，近地点约为1000km，在远地点附近对地球等离子体层的全貌进行观测，工作波段为30.4nm，图像分辨率为0.6°，获得了很好的地球等离子体层极紫外辐射图像，这些图像是目前获得的分辨率最高的地球等离子体层极紫外辐射图像，利用IM-AGE观测数据已经取得了大量研究成果[4]。但是，这台卫星也于2005年12月停止工作，目前世界上没有在轨工作的地球等离子体层极紫外辐射成像观测仪器。
IMAGE上的极紫外成像仪所获得的极紫外图像是目前最好、最全面的地球等离子体层的极紫外图像。但是，IMAGE卫星轨道高度只有42 000km，需要大于70°视场的成像仪器才能观测到地球等离子体层的全貌，而在极紫外波段无法实现70°视场，只有采用3台30°极紫外成像仪拼接构成84°×30°视场的成像仪，再利用卫星自旋实现对地球等离子体层扫描成像。这对成像质量造成很大的影响，降低了图像分辨率，减少了极紫外成像仪的观测灵敏度。
为了获得高质量的地球等离子体层极紫外波段辐射图像，本文深入地研究了地球等离子体层的辐射特性，分析了在月球表面观测地球等离子体层辐射的分布及强度变化。利用动态全球核心等离子体层模式(DGCPM)[11]模拟了在月球表面观测地球等离子体层30.4nm辐射的分布，所获得分布特性如下：
(1)地球等离子体层位于赤道面5.5RE以内，子午面4.0RE以内;等离子体层顶、肩和尾的典型结构尺度为0.10RE。
(2)从美国IMAGE卫星上的极紫外成像仪的观测结果得知，磁暴期间地球等离子体层收缩和扩张的平均速率为0.7RE/h，变化0.10RE尺度所需要的时间为9min。
(3)计算得到地球等离子体层中心区域30.4nm辐射强度在0.1～11.4Rayleigh，边缘区域的强度在0.02～0.10Rayleigh。根据计算得到的地球等离子体层分布特性[5，12]，设计了一台在月球表面工作的极紫外成像仪，工作波段为30.4nm，光谱带宽<5nm，视场角为15°，角分辨率优于0.1°，探测灵敏度
，曝光时间为2～10min。利用此极紫外成像仪可以获得完整的地球等离子体层图像和地球等离子体层的肩、顶、尾等的结构，可监测地磁活动引起的变化，研究地球等离子体层的晨昏不对称性、尾状结构和再注入等动力学过程，进行空间环境预报。
2 极紫外成像仪参数确定
本文根据对地球等离子体层外形尺寸、结构特征尺寸和变化速率的计算结果并利用以往卫星的观测结果，确定了在月球表面工作的极紫外成像仪的参数。按照月球距离地球的平均距离为60RE，地球等离子体层在经度方向的变化为11RE，在纬度方向上的变化为8RE，只要观测要求的视场角为10.5°×7.6°，即可覆盖地球等离子体层主要区域。地球等离子体层的顶、肩等典型结构尺度为0.10RE，只要极紫外成像仪的角分辨率为0.1°，即可观测到地球等离子体层0.1RE的结构特征。因此，选取15°圆视场，角分辨率为0.1°的极紫外成像仪即可以满足对地球等离子体层观测的需求[4-5]。
根据极紫外成像仪的系统组成，可以计算其对待测发光物体的探测能力，即灵敏度S[10]，(S代表强度为1Rayleigh的均匀辐射在探测器上产生的计数)，具体表示为：
式中：ω为每个分辨率单元所张开的立体角，τ为滤光片的透过率，ρ为多层膜反射镜的反射率，ε为探测器的量子效率，A为极紫外成像仪入瞳面积。可以计算得到在曝光时间t内，每个分辨率单元所得到的计数为：
其中：N为每个分辨率单元获得的光子计数，B为等离子体层辐射的平均强度，t为曝光时间。将公式(1)代入(2)得到每个分辨率单元在曝光时间内获得的光子数：
按照地球等离子体层探测的要求，辐射强度最弱时为B=0.10Rayleigh，角分辨率为0.1°，极紫外成像仪单个分辨率单元所张立体角ω=3.1×。依据现有技术所能达到的水平，可以达到透过率τ=0.25，反射率ρ=0.24，探测器量子效率ε=0.12。为了在曝光时间t=600s内，每个分辨率单元获得光子N≥7.2，以获得足够高的信噪比，计算得到极紫外成像仪的入瞳面积A=70cm2。
对地球等离子体层辐射强度及其周围环境中的极紫外波段辐射强度的分析表明，能够进入极紫外成像仪的极紫外辐射有He+30.4nm，He58.4nm，以及H Lyα121.6nm，其中58.4nm辐射强度平均为60Rayleigh[13]，121.6nm辐射强度平均为1000Rayleigh[14]。在设计上考虑对58.4nm和121.6nm辐射的抑制，采用了Al/C滤光片和Mo/Si多层膜反射镜，同时考虑它们与探测器量子效率的综合作用结果，有效地抑制了58.4nm和121.6nm两个波段的辐射，提高了成像质量。
其中，121.6nm辐射因Al/C滤光片的抑制作用，进入极紫外成像仪的能量极少，对成像几乎没有影响，可忽略不计。Al/C滤光片在58.4nm波段的透过率较高，有部分辐射进入极紫外成像仪，但58.4nm辐射主要集中在电离层与等离子体层交界区域，在等离子体层的中部和顶部存在很少，对地球等离子体层的成像质量影响不大。只是由于电离层中存在强58.4nm辐射，需要提高极紫外成像仪的探测范围，以使强58.4nm辐射进入极紫外成像仪中时探测器能正常工作，并获得高分辨率的极紫外辐射图像。
3 光学设计
因为极紫外波段无可用的透射光学材料，因此极紫外成像仪设计方案需要选择反射式光学系统。反射式光学系统有掠入射成像结构和正入射成像结构两种。目前，常用的掠入射成像结构有Wolter型和K-B型，这两种结构具有视场范围小和体积比较大的特点，不适合极紫外成像仪的光学设计要求。常用正入射成像结构有Cassegrain和Schwarzchild成像结构，这两种成像结构可以实现很高的光学分辨率，但是，Cassegrain结构只能在很小的视场范围内实现高光学分辨率，且需要采用两块反射镜，不适合本项目设计要求。Schwarzchild同样需要采用两块多层膜反射镜，且结构尺寸较大，也不适合极紫外成像仪的设计要求。因此，可供选用的只有单球面配合球面探测器的设计方案，这种设计方案结构尺寸较小，只用一个反射面，且视场范围较大。美国和日本已经发射的几台地球等离子体层成像探测仪器都采用了这种光学设计方案。
在月球表面观测地球等离子体层，距离远，探测目标辐射亮度微弱，需要采用高效率光学系统和高灵敏度探测器。因此，极紫外成像仪采用了单球面反射镜与带微通道板像增强器的位敏阳极探测器[15]相结合的简单结构。探测器空间分辨率为0.20mm，有效口径为Ф40mm，背景计数率为，接收面为球面，曲率半径为300mm。在单球面反射镜设计方面，考虑探测器有一定的支撑结构，取中心遮拦部分为Ф66mm。根据以上参数并结合视场角和分辨率要求，设计出凹球面反射镜，其曲率半径为300mm，口径为Φ191mm;入瞳在反射镜面的球心处，入瞳外口径为Ф118mm，中心遮拦口径为Ф66mm;系统有效焦距为150mm。利用ZEMAX光学设计软件对极紫外成像仪进行结构优化和光线追迹，得到的光路如图1所示，点列图如图2所示。从点列图中看到，弥散斑在不同的视场角度时基本均匀，弥散斑的半径分别为：0.210mm(0°视场)，0.204mm(3°视场)，0.204mm(5°视场)和0.207mm(7.5°视场)，所对应的角分辨率为0.08°，满足极紫外成像仪在15°圆视场范围内分辨率的设计要求，具体结构参数如表1所示。
4 结 论
依据地球等离子体层辐射特性以及现有的技术基础，提出了在月球表面进行地球等离子体层观测的极紫外波段成像仪设计方案，给出了极紫外成像仪的结构参数。据此进行了光学设计，并进行光线追迹。追迹结果表明：文中的设计具有很好的可实现性，主要性能指标高于美国和日本发射的同类极紫外成像仪器。该仪器可以在月球表面工作，获得视场范围15RE、空间分辨率0.1RE的地球等离子体层高质量图像。视场覆盖地球等离子体层主要区域，可以很好地观测到主要细节，为科学研究和空间天气预报提供准确、可靠的数据。
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作者简介：
陈 波(1961-)，男，吉林长春人，研究员，博士生导师，1984年于吉林大学获得学士学位，2003年于中科院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事软X射线-极紫外波段光学和空间光学的研究。E-mail：chenb@ciomp.ac.cn
何 飞(1984-)，男，四川汉源人，博士，助理研究员，2006年于西南大学获得学士学位，2011年于中科院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事空间物理学和空间短波段光学成像技术的研究。E-mail：kahifly@163.com
