CN109747873B - 一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法 - Google Patents

一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法，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缺少能直接反映行星际磁场的结构特点的装置的问题。位于同一竖直方向上的上磁镜场线圈和下磁镜场线圈的结构相同，且为椭圆形线圈，椭圆长径比大于或等于1.5，电子回旋共振等离子体源，用于向偶极磁场注入电磁波，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离真空腔室内的工作气体产生模拟空间的等离子体，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈，用于产生磁镜场磁场，模拟均匀的行星际磁场，在偶极磁场线圈和上、下磁镜场磁场之间存在磁零点。它用于模拟磁层顶重联过程。

Description

一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可用于模拟大尺度磁层顶磁重联的空间等离子体地面模拟装置及方法。属于低温等离子体的应用技术领域。
背景技术
对空间等离子体环境及其与航天器作用研究最直接的手段是采用空间探测。通过大量的卫星观测，人们在研究空间等离子体环境及其物理过程研究方面已经取得了巨大成就。然而空间卫星探测很难同时获得全局性的观测数据等。因此，在广泛开展空间探测和在轨实验的同时，建立地面模拟装置，开展空间科学实验的地面模拟研究，对科学前沿进展和国家重大需求来说都具有重要的科学价值和紧迫的现实意义。地面模拟装置具有过程/参数可控、整体演化过程可重复进行、可多点同时测量等优点，在理解空间等离子体中各类物理过程(例如磁层顶磁重联过程的影响等)、提高人类探究空间环境演化规律的能力、提升对空间等离子体环境的认识水平具有重要意义，也日益受到国家的重视。
哈尔滨工业大学牵头建设的“空间环境地面模拟装置”国家重大科技基础设施将建设空间等离子体基本物理过程(磁重联过程等)的时空演化规律研究的平台。依据磁流体力学的相似定标关系，在圆柱形真空腔室内模拟宏观大尺度(数个地球半径)到微观小尺度(电子惯性区以内)的多种空间等离子体环境。系统中利用各种励磁源可以分别实现地磁场、磁层和磁尾等磁场位形和宽范围的磁场强度(10～104G)，将实现跨尺度的地球磁层环境整体结构模拟，可以对空间等离子体的多种物理过程进行系统、深层次的研究。
迄今为止，已经有多个实验装置对空间等离子体快磁重联现象进行了实验室模拟研究，按照装置的磁场位形，可以分为：线形装置(加州大学洛杉矶分校LAPD装置、洛斯阿拉莫斯国家实验室RSX装置、俄罗斯科学院的CS-3D装置、中国科学技术大学LMP装置)，球马克装置(东京大学TS-4装置、美国斯沃斯莫尔大学SSX装置)，环形装置(普林斯顿等离子物理实验室MRX装置、麻省理工学院VTF装置)。总的来看，自上世纪70年代起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：比如无碰撞重联率、Hall四极场分布、局域等离子体参数对重联过程的影响、电子扩散区尺度的实验测量等。这些研究使得人们对磁重联等物理过程有了较为深入的了解。但依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，电子扩散区的物理过程、各种边界条件对重联的影响，等等。根据现有文献和研究结果，目前国内外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，并不能真实反映行星际磁场的结构特点。
发明内容
本发明是为了解决现有缺少能直接反映行星际磁场的结构特点的装置的问题。现提供一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置及方法。
一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，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、热阴极等离子体源和等离子体枪8，
偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3、下磁镜场线圈4和热阴极等离子体源7均位于真空腔室1内，电子回旋共振等离子体源位于真空腔室1外，真空腔室1内设置有工作气体，
位于同一竖直方向上的上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的结构相同，且为椭圆形线圈，椭圆长径比大于或等于1.5，
上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间的中心位置与偶极磁场线圈2处于同一高度平面内，
偶极磁场线圈2，用于产生模拟地球磁场位形的偶极磁场，
电子回旋共振等离子体源，用于向偶极磁场注入电磁波，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离真空腔室1内的工作气体产生模拟空间的等离子体6，
上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4，用于产生磁镜场磁场，模拟均匀的行星际磁场，在偶极磁场线圈和上、下磁镜场磁场之间存在磁零点5，
热阴极等离子体源，用于向上、下磁镜场磁场注入电子，使电子在上、下磁镜场磁场处电离真空腔室1内的工作气体产生磁层顶磁鞘侧等离子体7，
等离子体枪8，用于驱动磁层顶磁鞘侧等离子体7向模拟磁层顶地球侧的等离子体6靠拢产生磁重联过程，实现磁层顶磁重联。
本发明的有益效果为：
本申请通过偶极磁场线圈产生的磁场模拟地球磁场，与地球偶极磁场在磁拓扑结构上具有较高的相似性；
本申请电子回旋共振等离子体源产生模拟空间等离子体，使得等离子体空间分布与地球磁层空间等离子体的分布形貌具有较高的相似性，并且可以通过调节电子回旋共振等离子体源的频率和功率调节等离子体的剖面分布；
采用磁镜场线圈模拟行星际磁场对地球偶极磁场的影响情况，通过调节磁镜场线圈中的电流波形和电流大小，能够实现不同位形行星际磁场对地球磁场的作用效果；
通过调节上下磁镜场线圈之间的距离，装置可以研究不同位形和强度的磁场对磁重联过程的影响效果；
通过改变磁镜场线圈的长径比，可以研究不同尺度磁零点线对磁重联过程的影响效果。
本申请采用椭圆形的上磁镜场线圈和下磁镜场线圈(磁鞘线圈组)以提供大尺度相对均匀的“磁鞘侧”磁场位形，与偶极场线圈形成磁层顶磁重联过程相类似的大尺度三维非对称磁重联位形结构，改变磁鞘线圈组或偶极场线圈中的电流的方向(从而改变磁层顶磁鞘区磁场或偶极场磁场的方向)，亦可模拟北向行星际磁场形成两个X点的向阳面磁层顶磁场位型进行磁重联模拟研究。
偶极场侧通过电子回旋共振产生等离子体，磁镜场侧通过热阴极等离子体源产生等离子体，两部分等离子体在等离子体枪的驱动下实现磁层顶磁重联。并通过磁镜场线圈中电流的大小及运行方式控制模拟磁场大小和分布对磁重联过程的作用，实现在地面装置中模拟三维磁重联过程的人工控制与调节。本申请解决了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。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置的结构图；
图2为图1的俯视图；
图3为具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置的原理示意图；
图4为对图1所截取的不同截面位置示意图；
图5(a)为在y轴y＝0的位置截取图4的磁场位形图；图5(b)为在y轴y＝0.5的位置截取图4的磁场位形图；图5(c)为在y轴y＝1.0的位置截取图4的磁场位形图；图5(d)为在y轴y＝1.5的位置截取图4的磁场位形图；图5(e)为在y轴y＝2.0的位置截取图4的磁场位形图；图5(f)为在y轴y＝2.5的位置截取图4的磁场位形图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，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、热阴极等离子体源和等离子体枪8，
偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3、下磁镜场线圈4和热阴极等离子体源均位于真空腔室1内，电子回旋共振等离子体源位于真空腔室1外，真空腔室1内设置有工作气体，位于同一竖直方向上的上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的结构相同，且为椭圆形线圈，椭圆长径比大于或等于1.5，
上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间的中心位置与偶极磁场线圈2处于同一高度平面内，
偶极磁场线圈2，用于产生模拟地球磁场位形的偶极磁场，
电子回旋共振等离子体源，用于向偶极磁场注入电磁波，使电磁波在偶极磁场处电离真空腔室1内的工作气体产生模拟空间磁层顶地球侧的等离子体6，
上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4，用于产生磁镜场磁场，模拟大尺度相对均匀行星际磁场，在偶极磁场和上、下磁镜场磁场之间存在磁零点5，
热阴极等离子体源，用于向上、下磁镜场磁场注入电子，使电子在上、下磁镜场磁场处电离真空腔室1内的工作气体产生磁层顶磁鞘侧等离子体7，
等离子体枪8，用于驱动磁层顶磁鞘侧等离子体7向模拟磁层顶地球侧的等离子体6靠拢产生磁重联过程，实现磁层顶磁重联。
本实施方式中，电子回旋共振等离子体源产生模拟空间磁层顶地球侧等离子体，其密度约为1010-1011cm-3，称为目标等离子体。上、下磁镜场线圈是横截面为圆形或矩形的椭圆形线圈，上磁镜场线圈的长度与径向宽度比大于或等于1.5。
通过控制上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4中电流的输入波形和上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间的间距，调控模拟不同行星际磁场的位形。
真空腔室1为罐体，罐体内含有工作气体(氢气、氦气、氩气或氮气)，极限真空度为1×10-4Pa，工作真空度为10-2Pa，罐体材料为不锈钢。
电子回旋共振等离子体源的频率为2.45和6.4GHz，用于在偶极磁场处产生等离子体。
上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4为椭圆形线圈，其长径比大于或等于1.5，可产生沿Y轴方向大尺度相对均匀的磁场，与实际空间中整个平面都是均匀的行星际磁场位形结构更相似，其和偶极磁场线圈产生的磁场可以形成一个大范围(尺度＞2m)均匀的磁零点线5，可更好得模拟空间中磁层顶磁场位形。而采用常规圆形线圈，则会产生较大曲面结构的磁场，不能真实反映空间中磁场位形，且影响后面等离子体约束及磁层顶磁重联过程研究的效果。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置作进一步说明，本实施方式中，偶极磁场线圈2的横截面为圆形或矩形的环状线圈。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置作进一步说明，本实施方式中，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的横截面均为圆形或矩形的椭圆形线圈。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置作进一步说明，本实施方式中，磁零点5区域在水平方向上的长度为大于2m。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置作进一步说明，本实施方式中，偶极磁场线圈2能够产生1.8T的磁场强度。
具体实施方式六：根据具体实施方式一所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置实现的地面模拟方法，本实施方式中，所述方法包括以下内容：
步骤一、向偶极磁场线圈2通电流，使偶极磁场线圈2产生偶极磁场，向上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4通同向电流，使上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4产生磁镜场磁场；
步骤二、打开电子回旋共振等离子体源和热阴极等离子体源，分别向偶极磁场上注入电磁波和向上、下磁镜场磁场上注入电子，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离工作气体产生模拟空间磁层顶地球侧的等离子体6，使电子在上、下磁镜场磁场处电离工作气体产生磁层顶磁鞘侧等离子体；
步骤三、打开等离子体枪8，驱动磁层顶磁鞘侧等离子体7向模拟空间磁层顶地球侧等离子体6靠拢产生磁重联过程，实现磁层顶磁重联。
实施例：
一种大尺度磁层顶磁重联的空间等离子体地面模拟装置，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、热阴极等离子体源和等离子体枪8，
真空腔室1采用不锈钢金属材料制成，与真空抽气系统相连；
电子回旋共振等离子体源置于真空腔室1外，通过石英玻璃窗口将电磁波注入偶极磁场线圈2产生的磁场区域，偶极磁场线圈中心磁场约1.8T，目标区域磁场约200G的模拟地球磁场位形，电子回旋共振电磁波在共振磁场处电离工作气体(氢气、氦气、氩气或氮气)产生模拟空间磁层顶地球侧的等离子体6，
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距离可调，所述上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4均为椭圆形线圈。
一种大尺度磁层顶磁重联的空间等离子体地面模拟方法，它包括以下内容：
首先、工作时同时打开偶极磁场线圈、上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4，偶极磁场线圈产生模拟地球磁场位形，上下磁镜场线圈通同向电流，产生磁镜场磁场位形模拟大尺度相对均匀行星际磁场，
其次、打开电子回旋共振等离子体源和热阴极等离子体源，分别在模拟磁层顶地球侧和磁鞘侧产生模拟空间等离子体，
再次、打开等离子体枪，驱动磁层顶磁鞘侧等离子体7向模拟磁层顶地球侧等离子体6靠拢产生磁重联过程，偶极磁场线圈脉冲上升沿1ms，平台期10-100ms，最大电流1.8MA，典型工况下取400kA，在目标区域产生的磁场强度约为100-300G，磁镜场线圈脉冲上升沿1ms，平台期10-100ms，最大电流540kA，典型工况下取180kA，在目标区域产生的磁场强度约为100-300G。

Claims (6)

1.一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，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、热阴极等离子体源和等离子体枪(8)，
偶极磁场线圈(2)、上磁镜场线圈(3)、下磁镜场线圈(4)和热阴极等离子体源均位于真空腔室(1)内，电子回旋共振等离子体源位于真空腔室(1)外，真空腔室(1)内设置有工作气体，
位于同一竖直方向上的上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)的结构相同，且为椭圆形线圈，椭圆的长径比大于或等于1.5，
上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)之间的中心位置与偶极磁场线圈(2)处于同一高度平面内，
偶极磁场线圈(2)，用于产生模拟地球磁场位形的偶极磁场，
电子回旋共振等离子体源，用于向偶极磁场注入电磁波，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离真空腔室(1)内的工作气体产生模拟空间磁层顶地球侧的等离子体(6)，
上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)，用于产生磁镜场磁场，模拟均匀的行星际磁场，在偶极磁场和上、下扰动磁镜场磁场之间存在磁零点(5)，
热阴极等离子体源，用于向上、下扰动磁镜场磁场注入电子，使电子在上、下扰动磁镜场磁场处电离真空腔室(1)内的工作气体产生磁层顶磁鞘侧等离子体(7)，
等离子体枪(8)，用于驱动磁层顶磁鞘侧等离子体(7)向模拟磁层顶地球侧的等离子体(6)靠拢产生磁重联过程，实现磁层顶磁重联；
改变上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)或偶极场线圈(2)中的电流的方向，模拟北向行星际磁场形成两个X点的向阳面磁层顶磁场位型进行磁重联模拟研究。
2.根据权利要求1所述一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，其特征在于，偶极磁场线圈(2)的横截面为圆形或矩形的环状线圈。
3.根据权利要求1所述一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，其特征在于，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)的横截面均为圆形或矩形的椭圆形线圈。
4.根据权利要求1所述一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，其特征在于，磁零点(5)区域在水平方向上的长度为大于2m。
5.根据权利要求1所述一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置，其特征在于，偶极磁场线圈(2)能够产生1.8T的磁场强度。
6.根据权利要求1所述的一种模拟大尺度磁层顶磁重联的地面模拟装置实现的地面模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：
步骤一、向偶极磁场线圈(2)通电流，使偶极磁场线圈(2)产生偶极磁场，向上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)通同向电流，使上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)产生磁镜场磁场；
步骤二、打开电子回旋共振等离子体源和热阴极等离子体源，分别向偶极磁场上注入电磁波和向上、下磁镜场磁场上注入电子，使电磁波在偶极磁场产生的共振磁场面处电离工作气体产生模拟空间磁层顶地球侧的等离子体(6)，使电子在上、下磁镜场磁场处电离工作气体产生磁层顶磁鞘侧等离子体(7)；
步骤三、打开等离子体枪(8)，驱动磁层顶侧等离子体(7)向模拟空间的等离子体(6)靠拢产生磁重联过程，实现磁层顶磁重联。
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