CN109774988B - 一种驱动磁重联的等离子体装置 - Google Patents

Abstract

一种驱动磁重联的等离子体装置，属于低温等离子体的应用技术领域。解决了现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究空间中三维磁重联过程的问题。本发明可实现磁层顶磁重联和磁尾磁重联；实现磁层顶磁重联时，通过偶极磁场线圈模拟地球磁场位形，通过磁镜场线圈模拟行星际磁场位形，通过等离子体枪喷射的等离子束流使地球磁场位形上形成的磁层侧等离子体和星际磁场位形上形成的磁层顶磁鞘侧等离子体在磁零点位置实现重联；实现磁尾磁重联时，偶极磁场线圈通电后模拟地球磁场位形，磁镜场线圈均用于模拟地球磁尾磁场位形，通过等离子体枪喷射的等离子束流使地球磁尾南、北侧等离子体在磁零点位置实现重联。本发明主要用于驱动磁重联过程发生。

Description

一种驱动磁重联的等离子体装置

技术领域

本发明属于低温等离子体的应用技术领域，具体涉及一种可用于驱动磁重联过程发生的空间等离子体装置。

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(例如磁层顶重联、磁尾重联过程的影响等)、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。

根据磁场重联产生的原因，可以分为自发重联和受迫重联，受迫重联主要由外部条件驱动，提供足够的磁能及不稳定条件，才能引发重联。现有磁重联研究装置多通过快速变化线圈的电流，产生强的感应电场，驱动磁场重联的发生。而现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究空间中三维磁重联过程，因此以上问题亟需解决。

发明内容

本发明是为了解决现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究空间中三维磁重联过程的问题，本发明提供了一种驱动磁重联的等离子体装置。

方案一：一种驱动磁重联的等离子体装置可实现磁层顶磁重联

一种驱动磁重联的等离子体装置，包括电子回旋共振等离子体源、真空腔室、以及设置在真空腔室内的偶极磁场线圈、上磁镜场线圈、下磁镜场线圈、上LaB₆等离子体源和等离子体枪；

真空腔室内含有工作气体；

偶极磁场线圈通电后产生模拟地球磁场位形的磁场；

电子回旋共振等离子体源设置在真空腔室外部,且电子回旋共振等离子体源在地球磁场位形的磁场下产生磁层顶地球侧等离子体；

上磁镜场线圈和下磁镜场线圈在竖直方向上相对设置，且二者产生的磁场用于模拟行星际磁场位形，行星际磁场位形的磁场与地球磁场位形的磁场之间存在磁零点；

上LaB₆等离子体源位于上磁镜场线圈的上方，并用于产生模拟磁层顶磁鞘侧等离子体；

等离子体枪位于上磁镜场线圈和下磁镜场线圈之间，通过等离子体枪喷射的等离子束流驱动磁层顶磁鞘侧等离子体与磁层顶地球侧等离子体在磁零点的位置产生磁层顶磁重联。

优选的是，所述上磁镜场线圈的横截面为圆形或矩形的椭圆环状线圈，且横截面的长径比大于或等于1.5。

优选的是，所述电子回旋共振等离子体源产生的磁层顶地球侧等离子体的密度约为10¹¹cm^-3-10¹²cm^-3。

优选的是，所述上LaB₆等离子体源产生的磁层顶磁鞘侧等离子体的密度约为10¹²cm^-3-10¹³cm^-3。

优选的是，电子回旋共振等离子体源的工作频率为2.45GHz和6.4GHz。

优选的是，所述偶极磁场线圈的横截面为圆形或矩形的环状线圈。

优选的是，所述工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。

优选的是，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈中间的平面与偶极磁场线圈所在的平面为同一平面。

优选的是，等离子体枪出射的等离子束流速度大于80km/s，密度为10¹³cm^-3至10¹⁵cm^-3，且等离子束流中的电子温度达到10eV至100eV，等离子束流中的离子温度为1eV至10eV。

优选的是，所述的真空腔室的极限真空度为1×10^-4Pa、工作真空度为10^-2Pa、罐体材料为不锈钢。

方案二：一种驱动磁重联的等离子体装置可实现磁尾磁重联

一种驱动磁重联的等离子体装置，包括真空腔室、以及设置在真空腔室内的偶极磁场线圈、上磁镜场线圈、下磁镜场线圈、上LaB₆等离子体源、下LaB₆等离子体源和等离子体枪；

真空腔室内含有工作气体；

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在竖直方向上相对设置，且二者产生的磁场用于模拟地球磁尾位形，地球磁尾位形的磁场与地球磁场位形的磁场之间存在磁零点；

上LaB₆等离子体源和下LaB₆等离子体源相对设置，上LaB₆等离子体源位于上磁镜场线圈的上方，并用于产生模拟地球磁尾北侧等离子体，下LaB₆等离子体源位于下磁镜场线圈的下方，并用于产生模拟地球磁尾南侧等离子体；

等离子体枪位于上磁镜场线圈和下磁镜场线圈之间，通过等离子体枪喷射的等离子束流驱动地球磁尾北侧等离子体与地球磁尾南侧等离子体在磁零点的位置产生磁尾磁重联。

优选的是，所述上磁镜场线圈和下磁镜场线圈的横截面均为圆形或矩形的椭圆环状线圈，且二者横截面的长径比均大于或等于1.5。

优选的是，所述偶极磁场线圈的横截面为圆形或矩形的环状线圈。

优选的是，所述工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。

优选的是，上磁镜场线圈和下磁镜场线圈中间的平面与偶极磁场线圈所在的平面为同一平面。

优选的是，等离子体枪出射的等离子束流速度大于80km/s，密度为10¹³cm^-3至10¹⁵cm^-3，且等离子束流中的电子温度达到10eV至100eV，等离子束流中的离子温度为1eV至10eV。

优选的是，所述的真空腔室的极限真空度为1×10^-4Pa、工作真空度为10^-2Pa、罐体材料为不锈钢。

本发明带来的有益效果是，通过调节等离子体枪的放电参数在地面磁重联等离子体装置中可实现磁层顶磁重联的驱动和磁尾重联的驱动：在空间环境地面模拟装置中实现地球磁层顶和磁尾磁重联的模拟研究，解决现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究空间中三维磁重联过程研究的问题。

(1)偶极磁场线圈产生的磁场用于模拟地球磁场，并利用电子回旋共振等离子体源在产生的偶极磁场位形中产生模拟空间磁层顶地球侧等离子体。这与空间中的磁场磁拓扑结构以及等离子体分布都具有较高的相似性，并且可以通过调节偶极磁场线圈中电流的大小，或改变电子回旋共振等离子体源的频率和功率调节磁场和等离子体的分布；

(2)利用参数可调、位置关系可调的磁镜场线圈模拟不同行星际磁场，能够实现不同实际情况中行星际磁场对地球磁场的作用效果；

(3)通过调节LaB₆等离子体源在磁镜场线圈中的不同位置，研究磁镜场线圈与偶极磁场线圈组合产生的不同位形、强度、以及等离子体分布对磁重联过程的影响效果，实现磁层顶重联或磁尾重联的模拟研究；

(4)通过改变等离子体枪的放电参数以及注入位置，可以研究不同驱动条件下对磁重联效果的影响，如重联率等。

附图说明

图1为偶极磁场线圈、两个磁镜场线圈以及等离子体枪的相对位置关系图；

图2为方案一的原理图，该图表现的是磁层顶磁重联过程；其中，图中的水平方向表示真空腔室轴向方向，竖直方向表示真空腔室径向方向。

图3为方案二的原理图，该图表现的是磁尾磁重联程；其中，图中的水平方向表示真空腔室轴向方向，竖直方向表示真空腔室径向方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明可实现磁层顶磁重联和磁尾磁重联，实现磁层顶磁重联的方案如实施例一，实现磁尾磁重联的方案如实施例二。

实施例一：

参见图2说明本实施例，本实施例所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，包括电子回旋共振等离子体源、真空腔室1、以及设置在真空腔室1内的偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3、下磁镜场线圈4、上LaB₆等离子体源5和等离子体枪7；

真空腔室1内含有工作气体；

偶极磁场线圈2通电后产生模拟地球磁场位形的磁场；

电子回旋共振等离子体源设置在真空腔室1外部,且电子回旋共振等离子体源在地球磁场位形的磁场下产生磁层顶地球侧等离子体8；

上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4在竖直方向上相对设置，且二者产生的磁场用于模拟行星际磁场位形，行星际磁场位形的磁场与地球磁场位形的磁场之间存在磁零点9；

上LaB₆等离子体源5位于上磁镜场线圈3的上方，并用于产生模拟磁层顶磁鞘侧等离子体5-1；

等离子体枪7位于上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间，通过等离子体枪7喷射的等离子束流7-1驱动磁层顶磁鞘侧等离子体5-1与磁层顶地球侧等离子体8在磁零点9的位置产生磁层顶磁重联。

本发明在具体应用时，等离子体枪7其放电腔尺寸不小于20cm，产生尺寸不小于20cm的等离子体束流7-1，所述的真空腔室1的极限真空度为1×10^-4Pa、工作真空度为10^{- 2}Pa、罐体材料为不锈钢，所述工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。

偶极磁场线圈2通电后产生模拟地球磁场位形的磁场，可在磁重联区域产生约200G的磁场强度。磁层顶磁鞘侧等离子体5-1在磁镜场线圈产生的磁力线的引导下输运至上下磁镜场线圈中心。本发明在多组线圈和等离子体源的基本条件下，利用产生大尺寸、高速度等离子体的等离子体枪，实现磁场重联的驱动。

等离子体枪7可产生高密度、高能量密度、高速喷射的等离子体，所产生的等离子体密度可以达到10¹³-10¹⁵cm^-3，且通常电子温度可以达到10eV-100eV，离子温度几个eV。在洛伦兹力的加速作用下，等离子体的定向运动速度可以达到10km/s-100km/s，因此具有很大的动能，所以喷射的等离子体团携带非常高的能量，能流密度可以达到0.1-30MJ/m²，等离子体在强洛伦兹力作用下加速喷射出放电腔时，会形成磁冻结，即等离子体离开强磁环境时，会携带着磁场，所以等离子体枪7喷射出的等离子体具有强磁特性，拥有强的磁能，能够提供足够的磁能和不稳定条件，驱动磁场重联过程的发生。

本发明通过调节等离子体枪7的放电参数，可在空间环境地面模拟装置中实现地球磁层顶和磁尾磁重联的模拟研究，解决现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究空间中三维磁重联过程研究的问题。

优选的实施方式为：所述偶极磁场线圈2的横截面为圆形或矩形的环状线圈。

这种设置方式的效果为：产生模拟地球磁场位形的磁场结构，偶极磁场线圈2的横截面为圆形或矩形的环状线圈模拟的模拟地球磁场位形，更加贴近真实的地球磁场位形，模拟程度高。

优选的实施方式为：所述上磁镜场线圈3的横截面为圆形或矩形的椭圆环状线圈，且横截面的长径比大于或等于1.5。椭圆环状线圈长轴长度不低于2m。

这种设置方式可以产生大尺度相对均匀磁场模拟行星际磁场结构。

优选的实施方式为：所述电子回旋共振等离子体源产生的磁层顶地球侧等离子体8的密度约为10¹¹cm^-3-10¹²cm^-3。

这种设置方式的效果为：产生模拟空间磁层顶地球侧等离子体，该种设置更加贴近实际，真实度高。

优选的实施方式为：所述上LaB₆等离子体源5产生的磁层顶磁鞘侧等离子体5-1的密度约为10¹²cm^-3-10¹³cm^-3。

这种设置方式的效果为：可以产生大尺度磁层顶磁鞘侧等离子体。

优选的实施方式为：上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4中间的平面与偶极磁场线圈2所在的平面为同一平面。

优选的实施方式为：等离子体枪7出射的等离子束流7-1速度大于80km/s，密度为10¹³cm^-3至10¹⁵cm^-3，且等离子束流7-1中的电子温度达到10eV至100eV，等离子束流7-1中的离子温度为1eV至10eV。

这种设置方式的效果为：提供足够的磁能和不稳定条件，驱动磁场重联过程的发生。

优选的实施方式为：电子回旋共振等离子体源的工作频率为2.45GHz和6.4GHz。

实施例二：

参见图1和图3说明本实施例，本实施例所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，包括真空腔室1、以及设置在真空腔室1内的偶极磁场线圈2、上磁镜场线圈3、下磁镜场线圈4、上LaB₆等离子体源5、下LaB₆等离子体源6和等离子体枪7；

真空腔室1内含有工作气体；

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在竖直方向上相对设置，且二者产生的磁场用于模拟地球磁尾位形，地球磁尾位形的磁场与地球磁场位形的磁场之间存在磁零点9；

上LaB₆等离子体源5和下LaB₆等离子体源6相对设置，上LaB₆等离子体源5位于上磁镜场线圈3的上方，并用于产生模拟地球磁尾北侧等离子体5-1，下LaB₆等离子体源6位于下磁镜场线圈4的下方，并用于产生模拟地球磁尾南侧等离子体6-1；

等离子体枪7位于上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间，通过等离子体枪7喷射的等离子束流7-1驱动地球磁尾北侧等离子体5-1与地球磁尾南侧等离子体6-1在磁零点9的位置产生磁尾磁重联。

原理分析：所述磁镜场线圈与偶极磁场线圈共同作用产生模拟地球磁尾重联的磁场位形。所述的上下LaB₆等离子体源相对于磁镜场线圈偏心放置，其所覆盖的磁力线最右端经过磁尾重联点，LaB₆等离子体源可上下移动，且可向左移动。通过所述的上下LaB₆等离子体源产生模拟磁尾的南北侧等离子体，通过调节LaB₆等离子体源的功率调节等离子体密度和温度。南北侧等离子体通过所述的等离子体枪驱动，产生三维磁尾磁重联过程的模拟研究。

本发明在具体应用时，真空腔室内充有工作气体，所述工作气体为氢气、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。

产生模拟地球磁场位形的偶极磁场线圈，可在磁尾重联区域产生约200G的磁场。

本发明在多组线圈和等离子体源的基本条件下，利用产生大尺寸、高速度等离子体的等离子体枪，实现磁场重联的驱动。

等离子体枪7可产生高密度、高能量密度、高速喷射的等离子体，所产生的等离子体密度可以达到10¹³-10¹⁵cm^-3，且通常电子温度可以达到10-100eV，离子温度几个eV。在洛伦兹力的加速作用下，等离子体的定向运动速度可以达到10-100km/s，因此具有很大的动能，所以喷射的等离子体团携带非常高的能量，能流密度可以达到0.1-30MJ/m²，等离子体在强洛伦兹力作用下加速喷射出放电腔时，会形成磁冻结，即等离子体离开强磁环境时，会携带着磁场，所以等离子体枪7喷射出的等离子体具有强磁特性，拥有强的磁能，能够提供足够的磁能和不稳定条件，驱动磁场重联过程的发生。

本发明通过调节等离子体枪7放电参数，可在空间环境地面模拟装置中实现地球磁层顶和磁尾磁重联的模拟研究，解决现有的空间等离子体地面模拟装置无法真实研究空间中三维磁重联过程研究的问题。

优选的实施方式为：所述上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的横截面均为圆形或矩形的椭圆环状线圈，且二者横截面的长径比均大于或等于1.5。进一步优选的是，椭圆环状线圈长轴长度不低于2m。

这种设置方式的效果为：横截面的长径比均大于或等于1.5，使得上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4可模拟大尺度相对均匀的地球磁尾位形磁场。

优选的实施方式为：所述偶极磁场线圈2的横截面为圆形或矩形的环状线圈。

本优选的实施方式中，偶极磁场线圈2的横截面为圆形或矩形的环状线圈，使得偶极磁场线圈2模拟的地球磁场位形，所模拟的地球磁场位形更加贴近真实的地球磁场位形，模拟程度高。

优选的实施方式为：上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4中间的平面与偶极磁场线圈2所在的平面为同一平面。

优选的实施方式为：等离子体枪7出射的等离子束流7-1速度大于80km/s，密度为10¹³cm^-3至10¹⁵cm^-3，且等离子束流7-1中的电子温度达到10eV至100eV，等离子束流7-1中的离子温度为1eV至10eV。

这种设置方式的效果为：提供足够的磁能和不稳定条件，驱动磁场重联过程的发生。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (7)

1.一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，包括真空腔室(1)、以及设置在真空腔室(1)内的偶极磁场线圈(2)、上磁镜场线圈(3)、下磁镜场线圈(4)、上LaB₆等离子体源(5)、下LaB₆等离子体源(6)和等离子体枪(7)；

真空腔室(1)内含有工作气体；

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)在竖直方向上相对设置，且二者产生的磁场用于模拟地球磁尾位形，地球磁尾位形的磁场与地球磁场位形的磁场之间存在磁零点(9)；

上LaB₆等离子体源(5)和下LaB₆等离子体源(6)相对设置，上LaB₆等离子体源(5)位于上磁镜场线圈(3)的上方，并用于产生模拟地球磁尾北侧等离子体(5-1)，下LaB₆等离子体源(6)位于下磁镜场线圈(4)的下方，并用于产生模拟地球磁尾南侧等离子体(6-1)；

所述的上下LaB₆等离子体源相对于磁镜场线圈偏心放置，其所覆盖的磁力线最右端经过磁尾重联点；

等离子体枪(7)位于上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)之间，通过等离子体枪(7)喷射的等离子束流(7-1)驱动地球磁尾北侧等离子体(5-1)与地球磁尾南侧等离子体(6-1)在磁零点(9)的位置产生磁尾磁重联。

2.根据权利要求1所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，所述上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)的横截面均为圆形或矩形的椭圆环状线圈，且二者横截面的长径比均大于或等于1.5。

3.根据权利要求1所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，所述偶极磁场线圈(2)的横截面为圆形或矩形的环状线圈。

4.根据权利要求1所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，所述工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。

5.根据权利要求1所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，上磁镜场线圈(3)和下磁镜场线圈(4)中间的平面与偶极磁场线圈(2)所在的平面为同一平面。

6.根据权利要求1所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，等离子体枪(7)出射的等离子束流(7-1)速度大于80km/s，密度为10¹³cm^-3至10¹⁵cm^-3，且等离子束流(7-1)中的电子温度达到10eV至100eV，等离子束流(7-1)中的离子温度为1eV至10eV。

7.根据权利要求1所述的一种驱动磁重联的等离子体装置，其特征在于，所述的真空腔室(1)的极限真空度为1×10^-4Pa、工作真空度为10^-2Pa、罐体材料为不锈钢。

Images