使用EMCCD相机研究闪烁极光

图1:这个图显示了一个高频极光事件的例子。从上至下依次为(a)南北分量动态谱，(b)极低频磁场数据东西分量动态谱，(c)中心平均16像素电子倍增CCD图像数据动态谱，(d)南北方向电子倍增CCD全息图，(e)南北和(f)东西方向2DFFT动态谱。

图片由美国地球物理联盟授权，由Ayumi Yaegashi等人提供，高速EMCCD成像观测看到的闪烁极光的时空特征，第116卷，A00K04。

当高能带电粒子与大气高海拔地区的原子相撞时，这种美丽的极光就会出现。一种被称为闪烁极光的极光以一种类似于蜡烛火焰对突然气流的反应的方式迅速波动。

日本东北大学的研究人员使用了一种电子倍增CCD (EMCCD)，天文学的相机了解更多关于闪烁极光的知识。这种类型的极光只发生在极光分裂的时候，也就是光弧迅速变亮并扭曲成扭曲的形状横扫天空的时候。

科学家们认为，闪烁极光的产生与极光粒子加速和波粒相互作用有关，这种相互作用发生在地球磁层和电离层相遇的区域。磁层是由地球磁场与来自太阳的带电粒子相互作用和偏转而形成的，电离层是地球大气层的上部，被太阳辐射电离。

研究人员试图更好地描述闪烁极光的时空特征。研究小组成员Takeshi Sakanoi说:“存在于数千公里高度范围内的场对齐加速过程在极光的产生中起着至关重要的作用。”“了解这些过程是我们研究领域——磁层-电离层物理学——以及用于等离子体聚变的基础等离子体物理学中最重要的问题之一。”

然而，闪烁的极光很难研究，因为它们的调制速度非常快，而且强度很弱。因此，由冈野昭一(Shoichi Okano)领导的研究人员求助于安铎科技公司(Andor Technology)的iXon EMCCD天文相机，以便观察闪烁的极光。“安多相机对我们的实验很重要，因为iXon的电子倍增和分组能力使我们能够以有效的速度操作并获得空间信息。相机的功能使我们能够发现新的，以前未观察到的闪烁极光类型。”Sakanoi说。

研究人员在冬季期间在阿拉斯加的Toolik野外站和Poker Flat研究范围进行了观察。他们使用了iXon EMCCD天文相机，配有一个50毫米F1.2镜头和一个670纳米滤波器，以100赫兹的采样率测量N2第一正波段的允许跃迁辐射。视场为9.3°X 9.3°，在100公里高度约为16 X 16公里。他们以64 X 64像素模式操作EMCCD(整个512 X 512像素为8 X 8像素)。

利用EMCCD，研究人员能够获得一些新型闪烁极光的图像。他们观察到高频事件(大于~15赫兹，见图)，低频事件(小于~15赫兹)具有旋转特征和闪烁条纹。他们发现，许多闪烁的极光事件都在高频范围内。

Sakanoi说:“利用先进的电子倍增CCD技术，我们可以获得高时间分辨率的极光图像。”“结果，我们发现闪烁的极光变化在一个非常高的频率范围内。这一特征必然与加速过程密切相关，应该有助于理解加速过程。