磁暴是空间天气与空间物理学研究的中心话题之一,环电流的增强扰动是磁暴标志性特征的高空源。暴时环电流动力学过程涉及复杂的太阳风-磁层-电离层/热层耦合过程。人们普遍认为环电流粒子源自太阳风和电离层,但这两种源的具体贡献还没完全弄清楚。近期人们发现环电流中的质子同时来自太阳风和电离层,但是氧离子来自电离层,因此氧离子示踪对解释电离层在磁暴期间的作用具有重要意义。环电流粒子存在多种损失机制,如环电流粒子与地冕氢发生电荷交换可生成不受电磁场控制的高能中性原子（ENA）,这使得人们可以通过中性原子遥测成像技术从环电流外部对其全球分布进行观测。TWINS卫星搭载了先进的ENA成像仪,飞行在几乎正交的两个莫尔尼亚高轨道上,从有利位置对磁层进行立体观测,为重建环电流离子能谱的三维空间分布提供了有利条件。本文提出了磁层ENA发射CT的概念,将体像素CT方法应用于卫星高能中性原子成像数据,重建环电流离子通量强度的三维空间分布与能谱；为了克服多颗卫星成像可能存在的仪器偏差的互不一致性造成反演误差增大甚至迭代发散的问题,发展了差分ENA体像素CT反演方法。采用环电流离子分布模型和实际卫星观测几何构形进行数值模拟检验,证明了该方法的可靠性和优越性。为了消除沉降离子与较浓密大气层相互作用产生的低高度ENA发射的影响,利用基于光学厚目标近似所得的经验公式,发展了适用于CT反演的对LAE进行修正的方法。利用上述方法分析2012年年7月一次大磁暴主相期间TWINS两颗卫星的实测ENA数据（能量范围4 keV-50 keV）,反演得到环电流离子微分通量强度（各向同性微分通量）随L值/纬度/地方时的三维分布与能谱；将反演得到的磁午夜后赤道区环电流离子通量能谱,与THEMIS卫星当地测量得到的此区域同时的能谱作比较,两者符合得很好,说明本文发展的差分体像素CT是由多卫星ENA二维图像重建暴时环电流离子分布的有效方法。所得离子通量全球分布呈现显著不对称的部分环电流特征,主要分布在低纬-赤道区磁午夜前后至黎明前数小时,L值约3.5～6.5的区域；随L值的分布在某些地方时呈多峰分布；赤道区夜晚同步轨道附近的离子通量峰值所在的地方时,随着能量的升高而逐渐从午夜后向午夜（即由东向西）移动。分析反演2011年10月大磁暴事件中TWINSENA成像数据,给出了磁静时、亚暴膨胀相增长期和亚暴膨胀相极大三个时期内,环电流局部离子通量强度和能谱的演化过程。为了获得环电流中氧离子分布的信息,本文还研究了从中能段ENA成像仪测量数据中,将氢原子（H-ENA）和氧原子（O-ENA）分离的方法；为此,在深入探讨仪器内部结构和测量原理的基础上,研制了分析处理卫星零级（Level-0）原始数据的程序,能计算任意能量段上、任意个成像扫描周期期间、各个扫描视线方向上的ENA数通量,并提取出ENA粒子撞击在碳膜上激发的次生电子加速到达多通道板检测器所产生的“初始脉冲”分布信息；借助这些数据以及不同成分粒子初始脉冲的标定数据,采用统计学拟合方法把H-O ENA分离开来。将该方法用于中等磁暴与强磁暴事件不同暴相的分析,结果显示磁暴主相期间O通量所占比例大大增强,氢与氧通量的比值随空间呈比较复杂的分布,这其间蕴含有氧离子进入环电流可能途径与加速的信息。对研究氧离子在磁暴发生／演化动力学过程中的行为与作用具有重要意义。