第十九卷 第一期 - 2011年六月二十四日 PDF
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太空儀器自主研製與尖端太空科學研究
國立成功大學電漿與太空科學中心主任
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功大學電漿與太空科學中心自2006年8月1日成立,主要發展整合的太空科學與電漿科學研究計畫。我們的目標是在太空科學研究、衛星科學儀器研發、執行衛星與探空火箭任務等方面,建立頂尖專門知識與能力。同時也發展小型磁鏡電漿實驗裝置,投入電漿現象之量測實驗,並進行電漿理論和模擬等研究。

我們已經組成了一個包括國際知名資深科學家與年輕科學家的傑出研究團隊,尤其在先進的太空儀器組裝、測試與校正系統,以及尖端儀器製造能力方面已獲得國際肯定,受邀提供太空儀器以參與日本ISAS的ERG衛星任務與其他大學之衛星計畫。現有成果略述如下。

1. 太空儀器研發設備與電漿實驗室

為建立發展先進的太空科學儀器的能力,我們已經建置台灣第一個尖端的太空儀器組裝、測試與校正系統(Fabrication, Test and Calibration Facility, FT&C),包括100K等級無塵室內的130 keV的離子束系統(如圖I-1),能提供先進的粒子儀器研發、組裝、測試與校正使用。這個裝置目前是世界上最好的裝置之一,僅日本有一套類似的裝置。我們也已經建置一個直徑2米、長度3米的太空電漿實驗腔(Space Plasma Operation Chamber, SPOC, 如圖I-2)。SPOC能模擬電離層的電漿環境,它同時是亞洲第2大(僅次於日本ISAS)、但最先進的太空電漿實驗腔。SPOC將被用來測試校正低能量電漿與電磁場儀器,並可提供如電漿推進器的太空推進技術研發使用。為了研發衛星任務的光學影像儀,我們也已經建置100K等級無塵室內的太空光學儀器實驗室(如圖I-3)。另外,為了研究地球磁層內與太空電漿科學相關的磁化電漿物理,我們也已經建置直徑40公分、長度1.5米、磁場最大強度為2 kG的磁鏡電漿裝置(如圖I-4),該裝置能產生電子溫度50 eV以上及電子密度約109~1011 cm-3的磁化電漿。除了太空儀器研發以外,這些設備也可用來訓練學生與年輕科學家,進行太空電漿診測研發與基礎太空電漿物理實驗。
圖I-2 直徑2 m、長度3 m的太空電漿實驗腔
圖I-1 太空儀器組裝、測試與校正系統
圖I-4 磁鏡電漿裝置
圖I-3 太空光學儀器實驗室

2. 太空儀器發展

我們已經依據國家太空中心與國外衛星任務需求,首度在台灣研發先進的高精密度太空儀器。過去 2 年來,我們與國家太空中心完成簽訂合約進行探空火箭實驗,並完成研發下列儀器:量測電子密度與溫度之蘭摩爾探針(Langmuir Probe)及其部署裝置(如圖I-5)、量測離子能量分佈及其密度與溫度之離子能量分析儀(Ion Energy Analyzer; 如圖I-6)、量測中性粒子能量分佈之中性粒子分析儀(Neutral Particle Analyzer; 如圖I-7)、以及量測直流與低頻磁場之高解析度磁阻抗磁力計(MagnetoResistive Magnetometer; 如圖I-8)。中性粒子分析儀與磁阻抗磁力計的元件、設計與系統組裝已經完成,正在進行測試。這些儀器將被使用在探空火箭實驗中,以用來研究Sq電流(solar quiet current)形成與E、F區域中電漿不規則變化之電離層物理,也探索電離層與同溫層間粒子、動量與能量的耦合過程。探空火箭實驗同時也充當驗證儀器的平台。國家太空中心與中山科學院已預訂於2013年執行這個探空火箭實驗的發射。
圖I-6 離子能量分析儀
圖I-5 蘭摩爾探針及其部署裝置
圖I-7 中子粒子分析儀

我們也與國家太空中心完成簽訂合約發展6個太空等級單波段光學影像儀,這些儀器將在預訂於2013~2014年發射的福爾摩沙6號衛星任務中,用來進行E-VAC (Explorer of Vertical Atmosphere Couplings)計畫的紅色精靈、大氣輝光與海洋水色的研究。針對E-VAC科學酬載,我們已經完成製造4個單波段CMOS相機原型涵蓋全可見光以進行海洋觀測,以及4個單頻道CCD相機分別以762 nm (寬頻與窄頻)、557.7 nm與630 nm濾波器對閃電、高空短暫發光現象與大氣輝光進行觀測。我們也已經研發科學資料處理單元(Science Data Processing Unit, SPDU)。照相機(如圖I-8)目前正在測試校正中。

我們已經與日本ERG (Energization and Radiation in Geospace)衛星科學任務團隊達成協議,研發一個頂帽型靜電電子能量測量器LEPe,佈置於ERG衛星,用以量測10 eV~20 keV能量範圍的電子。ERG衛星將研究地球磁暴與副磁暴期間,范愛倫(Van Allen)輻射帶中高能粒子加速以及高能粒子消失於電離層中的物理機制。ERG衛星預訂於2014~2015年發射。我們已與日本東京大學Prof. Masafumi Hirahara及ISAS的Dr. Kazushi Asamura合作,已著手設計與組成元件。Prof. Hirahara是ERG任務所有粒子儀器計畫的主持人。LEPe的結構已經完成設計(如圖I-9),粒子運動的模擬也顯示儀器設計能滿足衛星任務的效能要求。在儀器設計階段完成後,粒子儀器的原型將使用我們的太空儀器組裝、測試與校正(FT&C)系統進行製造測試,LEPe將是台灣第一個安裝於國外衛星任務的自製高精密度太空粒子儀器。
圖I-9 頂帽型靜電電子能量感測器LEPe,可量測10 eV~20 keV電子能量範圍
圖I-8 福爾摩沙6號衛星E-VAC光學影像儀
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