近日，歐洲航天局的羅塞塔號彗星探測器給科學界帶來了一個驚喜：太空飛行器上儀器的數據首次向人們揭示了一顆彗星周圍遠紫外線中的極光輻射。
在地球上，當來自太陽的帶電粒子沿著地球磁場線到達南極和北極時，就會形成極光。太陽粒子撞擊地球大氣層中的原子和分子，在高緯度的天空中製造出閃爍的彩色光幕。
「來自太陽的帶電粒子在太陽風中流向彗星，與圍繞在彗星冰冷、多塵的核心周圍的氣體相互作用，形成了極光，」SwRI副主席Jim Burch博士說，他領導著科學研究。
這一發現有賴於太空飛行器上來自美國西南研究院(SwRI)的儀器：愛麗絲遠紫外(FUV)光譜儀和離子電子傳感器(IES)。
愛麗絲遠紫外光譜儀(ALICE)
ALICE是一種輕型、低功耗和低成本的成像光譜儀，這是第一個近距離研究彗星的紫外光譜儀。其全名為「Alice far-ultraviolet (FUV) spectrograph」。
愛麗絲紫外光譜儀被設計用於在700至2050°之間的極端(EUV)和遠紫外(FUV)波長下對行星大氣和表面進行光譜研究，它已針對羅塞塔彗星科學進行了優化，具有高靈敏度、大瞬時視野和寬波長覆蓋範圍。
在羅塞塔軌道飛行器對67P/Churyumov-Gerasimenko彗星(67P/CG)的遙感調查中，愛麗絲將尋找諸如Ne和Ar等稀有氣體;測量產生大部分彗星活動的H2O、CO和CO2分子的產生速率、變率和結構;測量彗星彗發中基本元素C、H、O和N的豐度和可變性;測量彗星尾部的原子離子豐度。
此外，愛麗絲還將對彗星核本身和彗星彗尾中夾帶的固體顆粒的FUV光度特性進行研究。
作為一種紫外儀器，愛麗絲在羅塞塔號的遙感調查中是獨一無二的，它能夠探測彗星大氣中的原子。彗星中最重要的原子種類有C、H、O和N。
作為一種遙感儀器，愛麗絲的優勢在於，它可以在羅塞塔的長距離彗星交會期間獲得這種測量結果，而不受太空飛行器軌道位置的影響。
憑藉其固有的長狹縫成像能力，愛麗絲可以以500/R50米的解析度獲得彗星的多光譜或單色圖像，其中R50是彗星軌道飛行器的射程，單位為50公裡。
儀器概述
愛麗絲的光學機械布局如圖所示：
光線通過一個40×40平方毫米的入口光闌進入望遠鏡部分，然後由一個f/3離軸拋物面鏡(OAP)收集並聚焦到入口狹縫上，然後聚焦到環形全息光柵上，在那裡它被分散到使用雙延遲線(DDL)讀出方案的微通道板(MCP)探測器上。
在2D(1024x32)像素格式，MCP探測器使用雙並排的太陽盲區光電陰極：溴化鉀(KBr)和碘化銫(CsI)。對於填充由入口狹縫尺寸定義的瞬時視野(IFOV)的擴展光源，測得的ALICE光譜解析度(λ/∆λ)在70170範圍內。
ALICE由sa3865微處理器控制，採用輕巧、緊湊、表面貼裝的電子設備來支持科學探測器，以及儀器支持和接口電子設備。
下圖顯示了ALICE的3D外部視圖：
光學設計
OAP反射鏡的淨孔徑為41 x 65 mm2，安裝在儀器的望遠鏡部分。OAP的反射光進入光譜儀部分，其中包含全息光柵和MCP探測器。狹縫、光柵和探測器都布置在直徑0.15米的正入射羅蘭圓攝譜儀上。
光譜儀利用了700-2050琴譜帶的一級衍射階。一階波長覆蓋(700-1025 Å)的下半部分也在1400至2050 Å的一階波長之間以二階出現。
OAP和光柵，以及它們的安裝夾具，都是由整體鋁片構成，塗有化學鍍鎳，並使用低散射拋光技術拋光。
OAP和光柵光學表面被濺射SiC覆蓋。內部雜散光的控制是通過一個良好的光學腔和一個全息衍射光柵實現的，該光柵具有低散射和近零線的鬼像問題。
為了控制汙染，加熱器安裝在OAP反射鏡和格柵的背面，以防止汙染物在飛行過程中被冷捕獲。在地面操作、儀器集成和任務的早期階段，保護敏感光電陰極和MCP表面不受溼氣和其他有害汙染物的影響，探測器管體組件封閉在真空室中，前門在飛行的早期調試階段成功(永久)打開。
為了在飛行過程中保護光學元件和探測器不受微粒汙染，包括一個前入口孔門，當灰塵和氣體水平過高而無法安全操作和暴露時(即當羅塞塔軌道飛行器靠近彗星核時)，它可以關閉。望遠鏡的擋板葉片也有助於保護OAP反射鏡免受可能進入望遠鏡入口孔徑的小粒子的轟擊。
入口狹縫設計
攝譜儀入口狹縫組件設計如下圖所示。狹縫由三部分組成，外加一個針孔面罩。狹縫的中心部分提供了~8-12ÅFWHM的高光譜解析度，IFOV為0.05°x2.0°。圍繞中心狹縫部分的是兩個外部部分，IFOV分別為0.10°x 2.0°和0.10°x 1.53°。
針孔掩模位於第二個外部部分的IFOV邊緣，它為光譜儀提供了有限的光傳輸量，用於對CG的彗差進行恆星掩星研究時使用的亮點源目標(例如熱的紫外恆星)。
探測器和探測器電子設備
位於光譜儀部分的2-D成像光子計數探測器利用MCP Z-stack為DDL讀出陣列供電。Z-stack的輸入表面塗有KBr(700-1200ï)和CsI(1230-2050ï)的不透明光電陰極。探測器管體是一種定製設計，由輕質釺焊氧化鋁可伐結構製成，該結構焊接到支撐DDL陽極陣列的外殼上。
(ALICE DDL探測器真空室外殼示意圖。)
為了捕捉整個700-2050 Å和6°空間視場，探測器的活動區域大小為35 mm(在色散方向)x 20 mm(在空間維度上)，像素格式為(1024 x 32)-像素。6°斜射光被成像到探測器32個空間通道的中央20個;其餘光譜通道用於暗計數監測。像素格式允許Nyquist採樣，光譜解析度為~3.4 Å，空間像素解析度為0.3°。
MCP Z-stack由三個80:1長徑(L/D)MCP組成，這些MCP均為圓柱彎曲，其曲率半徑為75mm，以匹配羅蘭圓攝譜儀，以在整個光譜通帶上獲得最佳聚焦。
室溫下的Z-stack電阻總計為~500 MΩ。MCP為矩形(46 x 30 mm2)，中心為12µm直徑的孔。MCP Z-stack上方是一個排斥柵，其偏置電壓比MCP Z-stack頂部負電壓高出1000伏。該退柵反射了MCP間隙區釋放的電子，並返回MCP輸入表面，從而提高探測器的探測量子效率。
探測器管體周圍是由鋁和不鏽鋼製成的真空室外殼。如上所述，該真空室保護KBr和CsI光電陰極不受地面處理期間溼氣暴露和飛行早期放氣成分的損壞。它還允許探測器在地面操作、測試和搬運以及運輸過程中保持真空(<10-5託)。
光通過一個可打開的門進入探測器真空室，該門包含一個內置的MgF2窗口埠，可傳輸波長大於1200°的紫外光。該窗口允許在門關閉的情況下對探測器進行測試，並在飛行期間提供冗餘，如果門機構未能打開。
探測器真空室的門設計為在飛行中打開一次，使用由雙冗餘煙火執行器(凹坑電機)釋放的扭轉彈簧。在儀器集成和測試(I&T)過程中，門多次成功打開並手動復位。
探測器電子設備包括前置放大器電路、時間-數字轉換器電路(TDC)和脈衝對分析儀(電荷分析)電路(PPA)。所有這些電子元件封裝在三塊64 x 76 mm2的板中。這三塊板安裝在一個單獨的封閉式鎂外殼內，該外殼安裝在攝譜儀部分的後部(就在探測器真空室後面)。探測器電子設備需要±5伏直流電，並消耗~1.1瓦。
電氣設計
ALICE上的儀表支持電子設備包括電源控制器電子設備(PCE)、C&DH電子設備、遙測/命令接口電子設備、去汙加熱器系統和探測器高壓電源(HVPS)。所有這些系統都由Sandia Associates提供的rad加固的SA 3865微處理器控制，該微處理器具有32 KB的本地程序RAM和64 KB的採集RAM，以及32 KB的程序ROM和128 KB的EEPROM。
愛麗絲已經成功地完成了一些飛行中的調試活動，包括對幾顆紫外恆星的在軌校準觀測、2004年4月和5月對C/2002 T7(線性)彗星的觀測以及2005年7月在深撞擊中對9P/Tempel 1號彗星的觀測。
編譯/前瞻高端裝備研究組
參考資料：
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
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