CN105836165A - 空间环境地面模拟等离子体产生装置及采用该装置实现的等离子体产生方法 - Google Patents

Abstract

空间环境地面模拟等离子体产生装置及采用该装置实现的等离子体产生方法，涉及低温等离子体的应用技术领域。本发明是为了解决现有的模拟空间等离子体的装置及方法缺少可靠的控制等离子体密度分布的问题。真空腔室为卧式圆柱形结构，以真空腔室的中心位置为圆心设置偶极场线圈，偶极场线圈用于产生模拟地球偶极场位型磁场，为ECR系统提供共振磁场结构，在真空腔室外圆柱形上设有两个相对的窗口，且该两个窗口与偶极场线圈的轴线垂直，ECR天线为微波馈入系统，用于将外部ECR源通过两个窗口馈入到真空腔室中，对指定区域气体电离，产生以偶极场线圈为中心，且产生于偶极场线圈的外部的ECR等离子体。它用于产生可控的等离子体。

Description

空间环境地面模拟等离子体产生装置及采用该装置实现的等离子体产生方法

技术领域

本发明涉及一种可用于模拟空间等离子体环境的地面等离子体产生位置及装置实现的等离子体产生方法。属于低温等离子体的应用技术领域。

背景技术

目前在轨的大部分卫星运行在包含磁暴、亚暴等灾害性爆发现象的区域，相应的空间等离子体极端环境严重威胁航天器的安全。对于种子电子加速成为杀手电子能量为500keV到几MeV的相对论电子的加速机制均难以直接通过卫星观测和目前的数值模拟条件加以解答。近二三十年，随着等离子体物理的成熟，等离子体源、诊断等技术的发展，实验室地面模拟手段日趋成熟，可以很方便地改变参数和边界条件，对特定研究对象重复检验，很大程度上指导了理论模型的完善和空间探测任务的规划，极大地丰富了空间科学的研究手段。如哥伦比亚大学Mauel教授研究团队设计建设的CTX Collisionless Terrella eXperiment装置主要研究在偶极磁场下的等离子体基本动力学过程。该装置通过电子回旋共振加热ECR产生高能电子，从而形成“人工辐射带”，在其中观测到多种漂移共振波drift-resonantwave以及波动所致的径向粒子随机输运过程。麻省理工学院的大尺寸全超导LDX装置直径5m、高3m参考哥伦比亚大学CTX装置建设，相比CTX装置能实现更高的β值，并且在辐射带中高能电子的形成机制方面具有更好的研究条件。东京大学的RT-1装置与LDX较为相似，也采用了超导线圈，主要用于电子能量>1keV的高β值约束以及相关的不稳定性研究。

哈尔滨工业大学拟建立的国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置(SESRI)”中一个重要组成部分为“空间等离子体环境模拟与研究装置SPERF”，拟通过构建空间等离子体基本物理过程的时空演化规律研究、高能粒子在磁层等离子体环境中的加速过程研究平台，系统研究相关空间基础和应用科学问题，以空间等离子体基本过程、极端过程和若干关键基础物理问题研究成果为支撑，建立科学理论体系，为保障航天器可靠活动和通信安全提供重要的理论依据及技术支持。

SPERF主要包括空间等离子体极端环境研究区(HDX)和空间基本等离子体物理问题研究区(HRX)两个功能区，其中HDX主要研究地球偶极磁场位形下VLF、ULF等波模对辐射带高能粒子起源、加速、损失和输运机制等研究。由于地面实验过程可控、参数可控、整体演化过程可重复进行，因此在理解高能带电粒子的起源、加速和损失机制方面有着独特的优势。但是，由于地面实验室的空间尺度、时间尺度、各种等离子体参数方面与实际空间环境有巨大差异，因此在地面装置中对近地空间的极端等离子体过程中的关键物理问题进行模拟实验时，需将实验结果与卫星观测、理论分析与数值模拟等各种研究结果紧密结合，才能正确理解空间等离子体极端环境，保障航天活动安全。基于此，HDX依据磁流体相似定标关系对地球同步轨道高度的实际等离子体参数进行定标，在磁流体力学尺度上研究与空间中相关尺度对应的关键科学问题。

为了更好模拟空间中等离子体的特性，空间环境地面模拟装置拟采用电子回旋共振ECR产生等离子体。当微波频率与电子在磁场中的回旋频率相等时则发生共振，电子从微波中获得能量，实现对气体的电离。电子的回旋频率与磁场成正比，如式1

${\mathrm{\Ω}}_{ce}=\frac{qB}{{\mathrm{cm}}_e}---1$

对于2.45GHz微波源，共振面磁场大小为875G，在共振面位置上注入微波，则会由于电子回旋共振产生等离子体。在磁场比较强时，产生的等离子体会被磁场约束，沿着磁力线运动。关于ECR技术本身，有一些相关报道，如专利CN1647593A，利用ECR产生类似矩形均匀的等离子体，专利CN101517691A利用ECR进行低气压下表面处理，利用真空法兰和天线头底面环形缝隙的高度和径向长度，克服放电室内涂层需经常清洗维护的缺点，并且平行地布置很多单独的ECR源，实现大面积等离子体处理；专利CN102376521A通过在基板载置台施加电压实现等离子体分布的控制，并能够实现处理室内等离子体密度均匀化，实现对基板均匀的等离子体处理，以上专利主要针对ECR等离子体处理工艺的优化，并且等离子体的磁场结构基本固定。专利CN103415134A介绍了一种利用双源ECR产生等离子体模拟空间等离子体环境，更好实现空间等离子体探测，但是两个ECR采用的同一套频率，因此产生的等离子体密度也基本相同。几个典型的偶极场位形装置CTX、LDX以及RT-1也主要采用电子回旋共振加热产生等离子体，它们主要利用在装置中固定位置通过固定方向注入微波从而产生一定位型的等离子体，或者通过调节磁场线圈电流和微波源的频率2.45GHz，6.4GHz等实现对等离子体密度分布的控制。然而，通过调节磁场线圈电流，整体磁场大小发生改变，但是微波注入位置以及产生等离子体位型基本不变，改变微波源的频率，只能通过改变特定位置由共振面位置决定密度来调节等离子体的分布，并不易实现等离子体密度分布的可靠控制。

针对模拟空间等离子体的等离子体分布特性控制，即在特定位置产生满足磁流体定标关系条件下的等离子体参数，需要调节ECR在偶极场位置下产生的等离子体位置，本发明的目的在于，对于一定的偶极场磁场位型下，调节ECR的注入位置实现特定位置下产生满足定标关系的辐射带位型等离子体，为HDX的科学目标的实现提供基本保障。

发明内容

本发明是为了解决现有的模拟空间等离子体的装置及方法缺少可靠的控制等离子体密度分布的问题。现提供空间环境地面模拟等离子体产生装置及采用该装置实现的等离子体产生方法。

空间环境地面模拟等离子体产生装置，它包括真空腔室、偶极场线圈、窗口和ECR天线，

真空腔室为卧式圆柱形结构，在真空腔室的内部以真空腔室的中心位置为圆心设置偶极场线圈，偶极场线圈用于产生模拟地球偶极场位型的磁场，同时为ECR系统提供共振磁场结构，

在真空腔室的外圆柱形上设置有两个相对的窗口，且该两个窗口与偶极场线圈的轴线垂直，

ECR天线为微波馈入系统，ECR天线用于将外部ECR源通过两个窗口馈入到真空腔室中，对指定区域气体电离，产生ECR等离子体，产生的ECR等离子体以偶极场线圈为中心，产生于偶极场线圈的外部。

根据空间环境地面模拟等离子体产生装置实现的等离子体产生方法，它包括以下内容：

首先，通过磁场仿真软件获得偶极场线圈在通以电流下的真空磁场分布，该真空磁场分布包括多个微波频率共振面的位置，其中，每一个微波频率M₁对应一个共振面的位置B₁，

其次，根据磁流体定标关系，确定目标区域磁场B₀，根据目标区域磁场B₀与偶极场线圈产生真空磁场分布的赤道面的交点确定产生等离子体的目标区域a₀，从而获得赤道面上磁场B₀所在磁力线，该磁力线和其他共振面的位置B₁相交的位置为ECR天线需要将相应频率的微波注入的位置(a₁,b₁)，将ECR天线调节至对准该位置(a₁,b₁)，

再次，开启偶极场线圈的电源，产生偶极磁场，

最后，开启微波系统，实现对位置(a₁,b₁)处的气体电离，产生初始ECR等离子体，ECR等离子体将从产生的位置(a₁,b₁)沿着磁力线到达赤道面上相应的目标位置(a₀,0)，从而实现在不同目标区域产生不同空间分布的等离子体。

本发明的有益效果为：本发明主要设计了一种在空间环境地面模拟装置中偶极场位型下特定位置产生等离子体的方法和装置，通过磁场仿真软件获得偶极场线圈在通以电流下的真空磁场分布，每一个微波频率M₁对应一个共振面的位置B₁，该磁场的结构是仿地球的，真空磁场分布中心的面称为地球的赤道面，根据磁流体定标关系，确定研究目标区域磁场B₀，根据赤道面上磁场B₀的位置，获得磁场B₀所在磁力线，该磁力线和其他共振面的位置B₁相交的位置为ECR天线需要将相应频率的微波注入的位置(a₁,b₁)，开启微波系统，实现对该位置(a₁,b₁)处的气体的电离，产生的ECR等离子体将从位置(a₁,b₁)沿着磁力线到达赤道面上相应的目标位置(a₀,0)，从而实现在不同目标区域产生不同空间分布的等离子体。采用该装置能够调节ECR注入的角度，实现不同区域产生共振等离子体，能够对产生的等离子体的密度分布进行可靠控制。

采用通过多个微波源频率实现等离子体密度的控制，该方法克服了利用ECR产生等离子体位置固定的缺点，具有更多的灵活性，能够实现指定研究目标区域等离子体的控制。针对模拟空间等离子体的等离子体分布特性控制，即在特定位置产生满足磁流体定标关系条件下的等离子体参数，需要调节ECR在偶极场位置下产生的等离子体位置，对于一定的偶极场磁场位型下，调节ECR的注入位置实现特定位置下产生满足定标关系的辐射带位型等离子体，为HDX的科学目标的实现提供基本保障。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的空间环境地面模拟等离子体产生装置的结构图；

图2为空间环境地面模拟等离子体产生装置的原理图，附图标记6表示磁力线，附图标记7表示等磁面；附图标记8表示赤道面；

图3为2.45GHz的ECR等离子体天线和等离子体位置正视图；

图4为图3的俯视图；

图5为6.4GHz的ECR等离子体天线和等离子体位置正视图；

图6为图5的俯视图；

图7为2.45GHz等离子体不同天线位置示意图；

图8为6.4GHz等离子体不同天线位置示意图

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的空间环境地面模拟等离子体产生装置，它包括真空腔室1、偶极场线圈2、窗口3和ECR天线4，

真空腔室1为卧式圆柱形结构，在真空腔室1的内部以真空腔室1的中心位置为圆心设置偶极场线圈2，偶极场线圈2用于产生模拟地球偶极场位型的磁场，同时为ECR系统提供共振磁场结构，

在真空腔室1的外圆柱形上设置有两个相对的窗口3，且该两个窗口3与偶极场线圈2的轴线垂直，

ECR天线4为微波馈入系统，ECR天线4用于将外部ECR源通过两个窗口3馈入到真空腔室1中，对指定区域气体电离，产生ECR等离子体5，产生的ECR等离子体5以偶极场线圈2为中心，产生于偶极场线圈2的外部。

本实施方式中，所述的真空腔室为卧式圆柱形结构，为实验提供真空环境保障。磁场线圈模拟产生地球偶极场位型磁场，同时为ECR系统提供共振磁场结构，真空窗口为微波源的注入提供空间，并且为等离子体的诊断提供条件。ECR天线则为微波馈入系统，将外部ECR源馈入到真空腔室中，本发明的关键在于调节ECR注入的角度，实现不同区域产生共振等离子体。

本实施方式中，偶极场线圈2在通以电流下，形成由多个微波频率共振面的位置组成的真空磁场分布，从偶极场线圈2产生真空磁场分布的赤道面8上获得与目标区域磁场B₀的交点，作为产生等离子体的目标区域a₀，即指定区域。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的空间环境地面模拟等离子体产生装置作进一步说明，本实施方式中，偶极场线圈2的表面做低放气率及绝缘处理。

具体实施方式三：参照图2至图6具体说明本实施方式，根据具体实施方式一所述的空间环境地面模拟等离子体产生装置实现的等离子体产生方法，本实施方式中，它包括以下内容：

首先，通过磁场仿真软件获得偶极场线圈2在通以电流下的真空磁场分布，该真空磁场分布包括多个微波频率共振面的位置，其中，每一个微波频率M₁对应一个共振面的位置B₁，

其次，根据磁流体定标关系，确定目标区域磁场B₀，根据目标区域磁场B₀与偶极场线圈2产生真空磁场分布的赤道面8的交点确定产生等离子体的目标区域a₀，从而获得赤道面上磁场B₀所在磁力线6，该磁力线6和其他共振面的位置B₁相交的位置为ECR天线4需要将相应频率的微波注入的位置(a₁,b₁)，将ECR天线4调节至对准该位置(a₁,b₁)，

再次，开启偶极场线圈2的电源，产生偶极磁场，

最后，开启微波系统，实现对位置(a₁,b₁)处的气体电离，产生初始ECR等离子体5，ECR等离子体5将从产生的位置(a₁,b₁)沿着磁力线6到达赤道面上相应的目标位置(a₀,0)，从而实现在不同目标区域产生不同空间分布的等离子体。

本实施方式中，如图2所示，首先获得磁场结构，通过磁场仿真软件计算获得偶极场线圈在通以特定电流下的真空磁场分布，包括几个典型微波频率M₁，M₂共振面的位置B₁和B₂，其次根据磁流体定标关系，确定研究的磁场大小B₀，并根据磁场计算结果在赤道面上找到磁场B₀的目标研究区域的位置a₀，或者根据定标关系先直接确定赤道面上的研究区域的位置a₀，根据磁场计算结果确定磁场的大小B₀，然后找到赤道面上该磁场大小所在的磁力线，该磁力线和共振面B₁和B₂相交的位置(a₁,b₁)和(a₂,b₂)即为ECR天线所需要将微波M₁和M₂注入的位置，将微波M₁、M₂的天线分别调节至对准位置(a₁,b₁)和(a₂,b₂)，其次，开启磁场线圈电源，产生偶极磁场位型，最后开启微波系统，实现对该区域等离子体的电离，产生的等离子体将沿着磁力线到达赤道面上相应的目标区域。

本实施方式中，每一个微波频率对应一个共振磁场，根据这种磁流体定标关系确定选取一个需要研究的磁场大小B0。

实施例：

如图2所示，真空腔室1，极限压强为10^-5Pa，工作气体为H₂，工作气压为10^-2Pa，对偶极场线圈2的表面做低放气率以及绝缘处理，工作模式为脉冲式，通过电流为1MA，图中带箭头的线是通过软件计算获得的磁力线结构，根据计算结果，绘制出三个等磁面磁场强度分别为500G，875G，2236G的位置。设B₀＝500G是根据磁流体定标关系确定的目标区域的磁场，采用2.45GHz和6.4GHz进行微波共振产生等离子体，其中B₁＝875G、B₂＝2236G分别为上述两种微波的共振磁场等磁面。500G在赤道面上位置为(a₀,0)，它所在的磁力线由图中虚线表示，而(a₁,b₁)(a₂,b₂)分别为875G共振面与赤道面上500G磁场所在磁力线的交点和2236G共振面与赤道面上500G磁场所在磁力线的交点。

图3是2.45GHz的ECR等离子体天线和等离子体位置正视图，对于2.45GHz微波天线，将其对准位置(a₁,b₁)，则它将实现对(a₁,b₁)处气体电离，产生的等离子体将沿着500G所在磁力线到达赤道面(a₀,0)位置，相应的俯视图如图4所示；对于6.4GHz微波天线，将其对准位置(a₂,b₂)，则它将实现对(a₂,b₂)处气体电离，产生的等离子体将同样沿着500G所在磁力线到达赤道面(a₀,0)位置，如图5和图6所示。2.45GHz和6.4GHz产生的等离子体密度可以分别控制，以实现不同等离子体密度的需求。

此外，还可以将天线放置不同的位置，实现不同模式下对等离子体的电离，如图7和图8所示。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的空间环境地面模拟等离子体装置实现的等离子体产生方法作进一步说明，多个微波频率包括2.45GHz和6.4GHz。

Claims (4)

1.空间环境地面模拟等离子体产生装置，其特征在于，它包括真空腔室(1)、偶极场线圈(2)、窗口(3)和ECR天线(4)，

真空腔室(1)为卧式圆柱形结构，在真空腔室(1)的内部以真空腔室(1)的中心位置为圆心设置偶极场线圈(2)，偶极场线圈(2)用于产生模拟地球偶极场位型的磁场，同时为ECR系统提供共振磁场结构，

在真空腔室(1)的外圆柱形上设置有两个相对的窗口(3)，且该两个窗口(3)与偶极场线圈(2)的轴线垂直，

ECR天线(4)为微波馈入系统，ECR天线(4)用于将外部ECR源通过两个窗口(3)馈入到真空腔室(1)中，对指定区域气体电离，产生ECR等离子体(5)，产生的ECR等离子体(5)以偶极场线圈(2)为中心，产生于偶极场线圈(2)的外部。

2.根据权利要求1所述的空间环境地面模拟等离子体产生装置，其特征在于，偶极场线圈(2)的表面做低放气率及绝缘处理。

3.根据权利要求1所述的空间环境地面模拟等离子体产生装置实现的等离子体产生方法，其特征在于，它包括以下内容：

首先，通过磁场仿真软件获得偶极场线圈(2)在通以电流下的真空磁场分布，该真空磁场分布包括多个微波频率共振面的位置，其中，每一个微波频率M₁对应一个共振面的位置B₁，

其次，根据磁流体定标关系，确定目标区域磁场B₀，根据目标区域磁场B₀与偶极场线圈(2)产生真空磁场分布的赤道面(8)的交点确定产生等离子体的目标区域a₀，从而获得赤道面上磁场B₀所在磁力线(6)，该磁力线(6)和其他共振面的位置B₁相交的位置为ECR天线(4)需要将相应频率的微波注入的位置(a₁,b₁)，将ECR天线(4)调节至对准该位置(a₁,b₁)，

再次，开启偶极场线圈(2)的电源，产生偶极磁场，

最后，开启微波系统，实现对位置(a₁,b₁)处的气体电离，产生初始ECR等离子体(5)，ECR等离子体(5)将从产生的位置(a₁,b₁)沿着磁力线(6)到达赤道面上相应的目标位置(a₀,0)，从而实现在不同目标区域产生不同空间分布的等离子体。

4.根据权利要求3所述的空间环境地面模拟等离子体装置实现的等离子体产生方法，其特征在于，多个微波频率包括2.45GHz和6.4GHz。