CN109677645B - 模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置及其实现方法，属于空间环境地面模拟技术领域，本发明为解决现有磁层空间等离子体研究模拟装置只能提供近似的三维重联结构，且通常所采用的用于重联的等离子体呈对称结构，并不能真实反映非对称磁层顶重联的结构特点的问题。本发明偶极磁场线圈通电后产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈产生模拟磁镜场位形的磁场；电子回旋共振等离子体源在模拟地球磁场位形侧产生电子回旋共振等离子体；六硼化镧等离子体源在磁镜场磁场位形侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体；等离子体枪驱动磁层顶磁鞘侧等离子体，使其与电子回旋共振等离子体在磁零点处发生三维非对称磁重联。用于对空间环境的地面模拟。

Description

模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置及其实现方法，属于空间环境地面模拟技术领域。
背景技术
“空间环境地面模拟装置”是重大科技基础设施，其中包括空间等离子体环境模拟与研究系统，是提供三维非对称磁层顶磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。现在已经有多个实验装置对空间等离子体磁重联现象进行了实验室模拟研究，在地面装置上开展磁重联过程的实验室模拟研究，与空间观测、理论分析及数值模拟相结合，已取得了一些突破性的进展，使得人们对磁重联等物理过程有了较为深入的了解。但是，仍然有许多重要物理问题有待解决，例如：磁重联的三维过程、非对称电流片中的磁重联过程等。根据现有文献和研究结果，目前设计和建造的磁层空间等离子体研究模拟装置只能提供近似的三维重联结构，且通常所采用的用于重联的等离子体呈对称结构，并不能真实反映非对称磁层顶重联的结构特点。
发明内容
本发明目的是为了解决现有磁层空间等离子体研究模拟装置只能提供近似的三维重联结构，且通常所采用的用于重联的等离子体呈对称结构，并不能真实反映非对称磁层顶重联的结构特点的问题，提供了一种模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置及其实现方法。
本发明所述模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，它包括真空腔室、偶极磁场线圈、上磁镜场线圈、下磁镜场线圈、电子回旋共振等离子体源、六硼化镧等离子体源和等离子体枪；
真空腔室与真空抽气装置相连通，偶极磁场线圈、上磁镜场线圈和下磁镜场线圈放置在真空腔室内，偶极磁场线圈是截面为圆形或矩形的环形线圈，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈是横截面为圆形或矩形的椭圆形线圈，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈之间的间距可调，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈相对偶极磁场线圈对称，且上磁镜场线圈和下磁镜场线圈的中心点连线与偶极磁场线圈的距离可调；
偶极磁场线圈通电后产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈产生模拟磁镜场位形的磁场；
电子回旋共振等离子体源放置在真空腔室的外部，通过石英玻璃窗口将电磁波注入共振磁场区域，在模拟地球磁场位形侧产生电子回旋共振等离子体；
六硼化镧等离子体源放置于上磁镜场线圈的上部，且长度方向设置为沿上磁镜场线圈的长轴方向，在磁镜场磁场位形侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体；
等离子体枪驱动磁层顶磁鞘侧等离子体，使其与电子回旋共振等离子体在磁零点处发生三维非对称磁重联。
优选的，所述真空腔室内充有工作气体，为氢气、氦气、氩气或氮气，真空腔室的极限真空为1×10-4Pa，工作真空为10-2Pa。
优选的，电子回旋共振等离子体源产生的电子回旋共振等离子体的频率为2.45GHz和6.4GHz，密度为1011-1012cm-3；电子回旋共振等离子体密度和电子温度通过调节电子回旋共振等离子体源的频率和功率实现。
优选的，六硼化镧等离子体源产生的磁层顶磁鞘侧等离子体的密度为1012-1013cm-3，磁层顶磁鞘侧等离子体的密度和电子温度通过调节六硼化镧等离子体源的功率实现。
优选的，六硼化镧等离子体源为大尺寸等离子体源，尺寸为沿上磁镜场线圈的长轴方向不小于30cm。
本发明所述模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，该实现方法的具体过程为：
S1、向真空腔室内充入工作气体；
S2、偶极磁场线圈、上磁镜场线圈和下磁镜场线圈通电，偶极磁场线圈产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈产生模拟磁镜场位形的磁场，模拟磁鞘侧行星际磁场；
S3、打开电子回旋共振等离子体源和六硼化镧等离子体源，电子回旋共振等离子体源在模拟地球侧产生电子回旋共振等离子体，六硼化镧等离子体源在模拟磁鞘侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体；
S4、打开等离子体枪，驱动磁层顶磁鞘侧等离子体，使其与电子回旋共振等离子体在磁零点处发生三维非对称磁重联。
优选的，改变偶极磁场线圈中的电流，实现电子回旋共振等离子体的密度剖面的控制。
优选的，改变电子回旋共振等离子体源的电磁波频率和功率，实现电子回旋共振等离子体的密度剖面的控制。
优选的，通过改变上磁镜场线圈和下磁镜场线圈中的电流，改变磁层顶磁鞘侧等离子体的等离子体分布，实现模拟地球磁场位形的磁场和模拟磁镜场位形的磁场在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节。
优选的，通过改变上磁镜场线圈和下磁镜场线圈之间的距离，改变磁层顶磁鞘侧等离子体的等离子体分布，实现模拟地球磁场位形的磁场和模拟磁镜场位形的磁场在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节。
本发明的优点：本发明通过两个非对称的等离子体源，电子回旋共振等离子体源(低密度)和大范围均匀六硼化镧等离子体源(高密度)产生三维非对称磁层顶磁重联过程，完成非对称三维磁层顶磁重联过程的研究。本发明采用大尺寸的六硼化镧等离子体源在相对均匀的磁镜场线圈的磁场下，产生高密度等离子体模拟地球磁层顶磁鞘侧相对均匀的等离子体，电子回旋共振等离子体源产生模拟磁层顶地球侧等离子体，从而更准确地模拟空间中三维非对称磁层顶重联过程。通过改变六硼化镧等离子体源的注入功率和尺寸大小，通过调节上磁镜场线圈和下磁镜场线圈中的电流波形和电流大小，或调节上磁镜场线圈和下磁镜场线圈之间的距离，可以研究不同位形和强度的等离子体分布特性对磁重联过程的影响效果。
附图说明
图1是本发明所述模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的原理图；
图2是本发明所述模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的结构示意，是图1的俯视角度。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，它包括真空腔室1、偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3、下磁镜场线圈4、电子回旋共振等离子体源、六硼化镧等离子体源6和等离子体枪8；
真空腔室1与真空抽气装置相连通，偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4放置在真空腔室1内，偶极磁场线圈2是截面为圆形或矩形的环形线圈，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4是横截面为圆形或矩形的椭圆形线圈，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间的间距可调，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4相对偶极磁场线圈2对称，且上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的中心点连线与偶极磁场线圈2的距离可调；
偶极磁场线圈2通电后产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4产生模拟磁镜场位形的磁场；
电子回旋共振等离子体源放置在真空腔室1的外部，通过石英玻璃窗口将电磁波注入共振磁场区域，在模拟地球磁场位形侧产生电子回旋共振等离子体5；
六硼化镧等离子体源6放置于上磁镜场线圈3的上部，且长度方向设置为沿上磁镜场线圈3的长轴方向，在磁镜场磁场位形侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体7；
等离子体枪8驱动磁层顶磁鞘侧等离子体7，使其与电子回旋共振等离子体5在磁零点(9)处发生三维非对称磁重联。
本实施方式中，真空腔室1采用不锈钢金属材料制成，与真空抽气装置相连通。
本实施方式中，偶极磁场线圈2产生模拟地球磁场位形的磁场在磁重联区域强度为200G。
本实施方式中，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的长径比约1.5。上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的中心线与偶极磁场线圈2的距离可调，能够实现不同磁零点位置磁重联的研究。
具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述真空腔室1内充有工作气体，为氢气、氦气、氩气或氮气，真空腔室1的极限真空为1×10-4Pa，工作真空为10-2Pa。
具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，电子回旋共振等离子体源产生的电子回旋共振等离子体5的频率为2.45GHz和6.4GHz，密度为1011-1012cm-3；电子回旋共振等离子体5密度和电子温度通过调节电子回旋共振等离子体源的频率和功率实现。
具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，六硼化镧等离子体源6产生的磁层顶磁鞘侧等离子体7的密度为1012-1013cm-3，磁层顶磁鞘侧等离子体7的密度和电子温度通过调节六硼化镧等离子体源6的功率实现。
具体实施方式五：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，六硼化镧等离子体源6为大尺寸等离子体源，尺寸为沿上磁镜场线圈3的长轴方向不小于30cm。
本实施方式中，大尺寸的六硼化镧等离子体源6实现了大尺度的磁层顶重联模拟。
具体实施方式六：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，该实现方法的具体过程为：
S1、向真空腔室1内充入工作气体；
S2、偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4通电，偶极磁场线圈2产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4产生模拟磁镜场位形的磁场，模拟磁鞘侧行星际磁场；
S3、打开电子回旋共振等离子体源和六硼化镧等离子体源6，电子回旋共振等离子体源在模拟地球侧产生电子回旋共振等离子体5，六硼化镧等离子体源6在模拟磁鞘侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体7；
S4、打开等离子体枪8，驱动磁层顶磁鞘侧等离子体7，使其与电子回旋共振等离子体5在磁零点(9)处发生三维非对称磁重联。
具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，改变偶极磁场线圈2中的电流，实现电子回旋共振等离子体5的密度剖面的控制。
具体实施方式八：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，改变电子回旋共振等离子体源的电磁波频率和功率，实现电子回旋共振等离子体5的密度剖面的控制。
具体实施方式九：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，通过改变上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4中的电流，改变磁层顶磁鞘侧等离子体7的等离子体分布，实现模拟地球磁场位形的磁场和模拟磁镜场位形的磁场在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节。
具体实施方式十：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，通过改变上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间的距离，改变磁层顶磁鞘侧等离子体7的等离子体分布，实现模拟地球磁场位形的磁场和模拟磁镜场位形的磁场在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节。
本实施方式中，通过模拟地球侧和模拟磁鞘侧在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节，实现更全面地模拟真实情况下不同条件磁层顶磁重联物理过程的研究，解决现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究磁层顶重联过程的问题。
本发明中，通过偶极磁场线圈2通电产生不同的磁面，利用电子回旋共振等离子体源产生模拟地球侧等离子体。通过椭圆形的上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4产生大尺度均匀磁场，六硼化镧等离子体源放置在上磁镜场线圈3的上部，沿均匀磁场产生等离子体，模拟磁鞘侧大范围均匀等离子体，地球侧等离子体和磁鞘侧等离子体在等离子体枪的驱动下模拟研究三维非对称磁层顶磁重联过程。
本发明采用大尺度的热阴极六硼化镧等离子体源6，在椭圆形磁镜场线圈产生的磁场位形下形成模拟“磁鞘侧”等离子体，与电子回旋共振等离子体源在偶极磁场线圈2产生的磁场下形成的地球侧等离子体，在等离子体枪8的驱动下，产生大尺度磁重联，模拟研究三维非对称磁层顶磁重联过程。

Claims (10)

1.模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，其特征在于，它包括真空腔室(1)、偶极磁场线圈(2)、上磁镜场线圈(3)、下磁镜场线圈(4)、电子回旋共振等离子体源、六硼化镧等离子体源(6)和等离子体枪(8)；
真空腔室(1)与真空抽气装置相连通，偶极磁场线圈(2)、上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)放置在真空腔室(1)内，偶极磁场线圈(2)是截面为圆形或矩形的环形线圈，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)是横截面为圆形或矩形的椭圆形线圈，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)之间的间距可调，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)相对偶极磁场线圈(2)对称，且上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)的中心点连线与偶极磁场线圈(2)的距离可调；
偶极磁场线圈(2)通电后产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)产生模拟磁镜场位形的磁场；
电子回旋共振等离子体源放置在真空腔室(1)的外部，通过石英玻璃窗口将电磁波注入共振磁场区域，在模拟地球磁场位形侧产生电子回旋共振等离子体(5)；
六硼化镧等离子体源(6)放置于上磁镜场线圈(3)的上部，且长度方向设置为沿上磁镜场线圈(3)的长轴方向，在磁镜场磁场位形侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体(7)；
等离子体枪(8)驱动磁层顶磁鞘侧等离子体(7)，使其与电子回旋共振等离子体(5)在磁零点(9)处发生三维非对称磁重联；
通过两个非对称的等离子体源电子回旋共振等离子体源和六硼化镧等离子体源(6)产生三维非对称磁层顶磁重联过程。
2.根据权利要求1所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，其特征在于，所述真空腔室(1)内充有工作气体，为氢气、氦气、氩气或氮气，真空腔室(1)的极限真空为1×10-4Pa，工作真空为10-2Pa。
3.根据权利要求1所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，其特征在于，电子回旋共振等离子体源产生的电子回旋共振等离子体(5)的频率为2.45GHz和6.4GHz，密度为1011-1012cm-3；电子回旋共振等离子体(5)密度和电子温度通过调节电子回旋共振等离子体源的频率和功率实现。
4.根据权利要求1所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，其特征在于，六硼化镧等离子体源(6)产生的磁层顶磁鞘侧等离子体(7)的密度为1012-1013cm-3，磁层顶磁鞘侧等离子体(7)的密度和电子温度通过调节六硼化镧等离子体源(6)的功率实现。
5.根据权利要求1所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置，其特征在于，六硼化镧等离子体源(6)为大尺寸等离子体源，尺寸为沿上磁镜场线圈(3)的长轴方向不小于30cm。
6.模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，其特征在于，该实现方法的具体过程为：
S1、向真空腔室(1)内充入工作气体；
S2、偶极磁场线圈(2)、上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)通电，偶极磁场线圈(2)产生模拟地球磁场位形的磁场，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)产生模拟磁镜场位形的磁场，模拟磁鞘侧行星际磁场；
S3、打开电子回旋共振等离子体源和六硼化镧等离子体源(6)，电子回旋共振等离子体源在模拟地球侧产生电子回旋共振等离子体(5)，六硼化镧等离子体源(6)在模拟磁鞘侧产生磁层顶磁鞘侧等离子体(7)；
S4、打开等离子体枪(8)，驱动磁层顶磁鞘侧等离子体(7)，使其与电子回旋共振等离子体(5)在磁零点(9)处发生三维非对称磁重联。
7.根据权利要求6所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，其特征在于，改变偶极磁场线圈(2)中的电流，实现电子回旋共振等离子体(5)的密度剖面的控制。
8.根据权利要求6所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，其特征在于，改变电子回旋共振等离子体源的电磁波频率和功率，实现电子回旋共振等离子体(5)的密度剖面的控制。
9.根据权利要求6所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，其特征在于，通过改变上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)中的电流，改变磁层顶磁鞘侧等离子体(7)的等离子体分布，实现模拟地球磁场位形的磁场和模拟磁镜场位形的磁场在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节。
10.根据权利要求6所述的模拟三维非对称磁重联的等离子体模拟装置的实现方法，其特征在于，通过改变上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)之间的距离，改变磁层顶磁鞘侧等离子体(7)的等离子体分布，实现模拟地球磁场位形的磁场和模拟磁镜场位形的磁场在不同等离子体密度条件下三维非对称磁重联的调节。
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