《Advances in Space Research》：Can acoustic resonances in metals be excited by excitations of a bounded plasma? - First experiments
编辑推荐：
研究卫星加速度计受干扰的可能机制，地面实验发现等离子体激励可引起金属屏蔽机械共振。
安雅·施利希特（Anja Schlicht）|扬·科代特（Jan Kodet）|马里奥·汉内曼（Mario Hannemann）|鲍里斯·斯特列尔尼科夫（Boris Strelnikov）
慕尼黑工业大学，Arcisstr. 21，80333 慕尼黑
摘要
安装在卫星上的加速度计会受到来源不明的强烈干扰。尽管其具体机制尚不清楚，但我们在最近的一篇论文中提出，GRACE加速度计上的一些干扰与电离层中的啸叫声波（whistler mode waves）有关。一种可能的解释是这些波直接耦合到了传感器头部，因为加速度计主要在波的传播方向上产生响应。因此，我们推测等离子体激发可能在机械或电学上影响了加速度计的金属屏蔽层，因为电离层中啸叫声波的频率与金属和绝缘体的机械共振频率相当。其他干扰则与卫星上未屏蔽加热器的开关操作有关。这引发了一些问题：加热器的开关操作是否会在卫星内部引起等离子体激发？如果是的话，具体是哪些类型的激发？同样的机制是否也适用于啸叫声波？金属屏蔽层是否可能因等离子体响应而被激发？这些问题促使我们在等离子体室中进行地面实验，以研究金属在等离子体环境中的行为。我们在类似电离层的等离子体环境中安装了发射和接收天线。主要观察到的现象是在等离子体频率下发生的等离子体激发；当等离子体密度降低时，还会出现次级等离子体激发。我们将这种等离子体响应归因于由圆柱形等离子体管和朗缪尔探针（Langmuir probe）屏蔽层共同构成的波导中的空间电荷波（space charge wave）的激发。从相同的等离子体密度开始（对应于25MHz的等离子体频率），我们观察到了可能与朗缪尔探针屏蔽层的声学激发相关的共振现象。电场通常无法激发机械共振，除非涉及的电子和离子产生的电流数量不等，或者这些电荷载体之间的散射受到限制。在我们的实验中，我们认为仅由电子产生的等离子体放电电流导致了这种不对称性。
引言
卫星上空间加速度计输出信号出现的干扰现象促使我们进行了这项实验。由于GRACE和GRACE-FO的SuperSTAR加速度计都安装在金属笼内，该笼子可以屏蔽加速度计头部，据我们所知，没有考虑过电磁波对加速度计头部的直接影响。
CHAMP任务中已经描述过类似的干扰现象（Gruenwaldt等人，2000年；Gruenwaldt等人，2003年）。Flury等人（2008年）指出，加热器的开关操作也会引起干扰（见图1）。后来，Peterseim等人（2012年）和Peterseim（2014年）分别指出，姿态控制用的磁力矩器（magnetic torquers）的开关操作以及卫星表面的放电也会导致这些空间仪器的方向性干扰。Schlicht（2022年）分析了GRACE任务中加速度计上的“颤动”现象，并发现这些振荡与对流层中闪电产生的啸叫声波有关。三个轴加速度计的主要响应方向与这些啸叫声波的传播方向一致。干扰的方向依赖性表明，电磁波在等离子体中的传播可能会影响加速度计的读数。我们的目标是寻找可能导致这些干扰的机制，这些干扰与作用在卫星整体或其部分上的非重力因素无关。
这些不必要的信号对重力场测定的影响尚未得到证实（参见Peterseim，2014年的研究）。MICROSCOPE任务中的情况更为复杂，那里被称为“故障”（glitches）的干扰现象使得频率分析变得困难（Berge等人，2022年）。Swarm和GRACE-FO任务中的加速度计还经历了由于突然的偏置跳变而产生的干扰，除了尖峰和故障现象外。数据的校准和校正是一个巨大的挑战，限制了这些任务的科学成果（例如，参见Siemes等人关于Swarm的任务，以及Behzadpour等人关于GRACE-FO的任务的研究）。
关于干扰如何耦合到加速度计中的机制，相关研究很少。Siemes等人（2016年）提出了两种假设来解释Swarm加速度计中的偏置步骤：传感器头部的热机械应力或电气组件的辐射效应。Rodriguez（2022年）提到，MLI（多层绝缘）薄膜的裂纹可能是MICROSCOPE加速度计出现故障的原因之一。后者也被用来解释加速度计上的颤动现象，其中特氟龙薄膜的裂纹被认为是造成颤动的原因。
我们的下一步是在地面等离子体室中进行实验。这些实验将帮助我们分析受限等离子体对天线电压切换（代表卫星上加热器的开关操作）的响应，并研究等离子体与金属之间的可能相互作用。这些实验有望帮助我们了解卫星上仪器所处的环境，并探讨开关过程、等离子体与仪器之间的相互作用。
接下来，我们在第2章描述了静电加速度计的结构和测量原理。第3章讨论了金属在远低于其电子等离子体频率的电磁波作用下的行为。第4章探讨了受限等离子体的激发现象，第5章介绍了我们在余辉等离子体室中的首次实验设置，描述了等离子体及其激发情况，并展示了电学测量结果。第6章将实验结果与前面章节讨论的机制进行了对比。最后我们总结了实验结果并展望了未来的研究方向。
章节片段
静电空间加速度计
这里以GRACE任务的静电加速度计为例进行讨论（Bertin等人，2000年）。这种加速度计的机械结构适用于迄今为止所有用于重力场任务的ONERA空间加速度计。加速度计的核心是一个4厘米×4厘米×1厘米的镀铬钛合金块。该质量块自由漂浮在超低膨胀（ULE）玻璃制成的笼子中，笼子的内壁镀有黄金。黄金电极形成了电容器。
金属与电磁场
接下来，我们讨论金属在远低于其电子等离子体频率（约10^16 Hz）的电磁波和静电场作用下的行为。我们的目标是分析金属内部电子和离子的行为，特别是在电磁波在等离子体中传播的情况下。
如果波的频率足够高，横向电磁波可以以衰减的形式穿透金属。
等离子体激发
卫星周围的环境是等离子体。等离子体中的电子和离子可以被静电和电磁方式激发。由于地球磁场的存在，所谓的啸叫声波（部分属于静电和电磁波）也可以被激发。Schlicht（2022年）已经讨论了电离层的多种可能的激发机制。由于卫星内部也存在等离子体，我们还需要讨论等离子体的激发现象。
实验
我们将本章分为5个小节，以便更好地说明不同的实验及其结果。第一小节描述了实验装置。接下来的小节介绍了在真空环境和等离子体环境中进行的实验。通过分析接收器对发射器电压脉冲的响应，我们确定了会导致进一步干扰的频率。
干扰
由于观察到约80MHz的频率梳状现象，我们讨论了所有高达100MHz的频率。我们首先在真空环境中进行观察，然后将其与等离子体环境中的现象进行对比。在真空环境中，我们观察到100MHz、87MHz和67MHz的干扰信号，这些信号的幅度在重新定位接收天线后没有显著变化。这些频率的波长大于等离子体管的尺寸，因此不会随距离变化而变化。
结论
自CHAMP任务以来，重力场卫星任务一直存在与卫星内部开关操作直接或间接相关的干扰现象。其中最显著的是加热器的开关操作。这些干扰尚未对重力场测定或热层的特性分析产生影响。像MICROSCOPE和LISA Pathfinder这样的基础物理任务则受到数据中尖峰分布的影响，因为数据处理依赖于傅里叶分析。
未引用的参考文献
Bergé等人，2022年；Fisher和Gold，1969年；Gruenwaldt和Meehan，2003年；Gruenwaldt和Bock，2000年；Kopasov，1986年；Peterseim等人，2014年。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
该项目由DFG资助，项目编号为AOBJ 649679。
前两位作者想要感谢Ladislav Kalvoda和Petr Setlak进行的深入讨论。
