CN109785718B - 一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置及方法，涉及低温等离子体应用领域。本发明是为了解决磁尾等离子体不能模拟真实三维磁尾重联结构的问题。一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，两个磁镜场线圈镜像对称，偶极磁场线圈位于两个磁镜场线圈的对称轴上，使得偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈产生磁场时能够模拟出地球磁尾磁场，两个磁镜场线圈的外侧分别设有LaB6等离子体源，两个磁镜场线圈之间的对称轴上设有等离子体枪，当两个LaB6等离子体源注入等离子体时，能够模拟出地球磁尾南北两侧等离子体，等离子体枪开启，能够驱动所述地球磁尾南北侧等离子体在磁零点线位置发生三维磁尾磁重联。
Description
技术领域
本发明属于低温等离子体应用技术领域，尤其涉及将低温等离子体应用在地球磁尾三维磁重联模拟研究中。
背景技术
“空间环境地面模拟装置”包括空间等离子体环境模拟与研究系统，是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。世界上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，如磁尾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，目前国内外设计和建造的磁尾等离子体研究模拟装置只能提供二维或近似三维重联的结构，并不能真实反映三维磁尾重联的结构特点。
发明内容
本发明是为了解决目前磁尾等离子体研究模拟中，只能提供二维或近似三维重联结构，不能真实反映三维磁尾重联结构的问题，现提供一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置及方法。
一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，包括处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈；
两个磁镜场线圈镜像对称设置，偶极磁场线圈位于两个磁镜场线圈的对称轴上、且偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈相互平行，偶极磁场线圈所在平面区域与两个磁镜场线圈所在平面区域互不重叠，使得偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈产生磁场时能够模拟出地球磁尾磁场，
两个磁镜场线圈的外侧分别设有LaB6等离子体源，所述LaB6等离子体源靠近偶极磁场线圈方向、且不越过磁镜场线圈的中轴线，两个磁镜场线圈之间的对称轴上设有等离子体枪，该等离子体枪的出射端朝向偶极磁场线圈，
当两个LaB6等离子体源向地球磁尾磁场注入等离子体时，能够模拟出地球磁尾南北两侧等离子体，当等离子体枪开启时，能够驱动所述地球磁尾南北侧等离子体在磁零点线位置发生三维磁尾磁重联。
进一步的，上述一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置还包括真空腔室，所述真空腔室内部形成真空环境，该真空腔室为不锈钢罐体，真空环境的极限压强为1×10-4Pa，真空环境的工作压强为10-2Pa。真空环境内填充有工作气体，工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。
进一步的，上述偶极磁场线圈为“回”字形线圈或圆环形线圈。
进一步的，上述两个磁镜场线圈均为椭圆形线圈，该椭圆形线圈的长径比为1.5。
进一步的，上述LaB6等离子体源的出射口为矩形，该矩形的长边至少为30cm，且该矩形的长边沿椭圆形线圈的长径方向设置。LaB6等离子体源的出射口的尺寸为30cm×5cm。LaB6等离子体源产生的等离子体密度为1012cm-3～1013cm-3。
一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，该方法基于上述一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置实现，所述地面模拟方法为：
对偶极磁场线圈通电、使其模拟出地球偶极磁场，对两个磁镜场线圈通电、使其模拟出磁镜场，地球偶极磁场与磁镜场相互作用共同模拟出地球磁尾磁场；
分别在两个磁镜场线圈外侧向磁镜场线圈内注入等离子体，注入的等离子体沿地球磁尾磁场中磁力线运动，模拟出地球磁尾南北两侧等离子体；
在两个磁镜场线圈之间朝偶极磁场线圈方向注入高速等离子体流，驱动地球磁尾南北两侧等离子体在磁零点线位置发生磁重联，实现地球磁尾三维磁重联的地面模拟。
上述对偶极磁场线圈通电时，偶极磁场线圈脉冲上升沿为1ms，平台期为10ms～100ms，最大电流为1.8MA。
具体的，对偶极磁场线圈通电时，通电电流为400kA，在目标区域产生的磁场强度为100G～300G。
上述对磁镜场线圈时，磁镜场线圈脉冲上升沿为1ms，平台期为10ms～100ms，最大电流为540kA。
具体的，对磁镜场线圈时，通电电流为180kA，在目标区域产生的磁场强度为100G～300G。
具体的，利用LaB6等离子体源向磁镜场线圈内注入等离子体，利用等离子体枪注入高速等离子体流。
本发明采用两个大尺度的热阴极LaB6等离子体源，在椭圆形磁镜场线圈与偶极场线圈共同形成的地球磁尾磁场结构下，形成模拟磁尾等离子体，并在等离子体枪的驱动下，产生大尺度磁尾磁重联，模拟研究地球磁尾三维磁重联过程，真实的反映了三维磁尾磁重联结构。通过改变LaB6等离子体源的功率和位置、调节磁镜场线圈中的电流波形和电流大小、或调节上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尾磁重联过程的影响效果。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置的原理示意图；
图2为具体实施方式一所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，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、上LaB6等离子体源5、下LaB6等离子体源6和等离子体枪9。
真空腔室1为不锈钢罐体，其内部填充有氢气、氦气、氩气或氮气作为工作气体，形成真空环境，该真空环境的极限压强为1×10-4Pa，工作压强为10-2Pa，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9均位于真空腔室1内。
偶极磁场线圈2为“回”字形线圈或圆环形线圈，上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4均为椭圆形线圈，该椭圆形线圈的长径比为1.5；上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4上下镜像对称设置，偶极磁场线圈2位于上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的对称轴上、且偶极磁场线圈2与上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4相互平行，偶极磁场线圈2所在平面区域与上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4所在平面区域互不重叠，使得偶极磁场线圈2和上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4产生磁场时能够模拟出地球磁尾磁场。
如图1所示，上LaB6等离子体源5位于上磁镜场线圈3的上方，上LaB6等离子体源5靠近偶极磁场线圈2方向、并位于上磁镜场线圈3中轴线的左侧，并保证上LaB6等离子体源5的右侧边缘不越过上磁镜场线圈3的中轴线，即：上LaB6等离子体源5最右端所覆盖的磁力线不超过上磁镜场线圈3的中轴线。上LaB6等离子体源5能够上下移动，也能够向左移动。下LaB6等离子体源6位于下磁镜场线圈4的下方，下LaB6等离子体源6与下磁镜场线圈4的设置方式同理于上LaB6等离子体源5与上磁镜场线圈3的设置方式，即：上LaB6等离子体源5与下LaB6等离子体源6也呈镜像对称。
上LaB6等离子体源5和下LaB6等离子体源6的出射口均为矩形，该矩形的长边至少为30cm，且该矩形的长边沿所对应的椭圆形线圈的长径方向设置。
具体的，两个LaB6等离子体源的出射口的尺寸为30cm×5cm，产生的等离子体密度为1012cm-3～1013cm-3。当上LaB6等离子体源5与下LaB6等离子体源6分别向上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4的环内注入等离子体时，等离子体沿地球磁尾磁场中磁力线运动，分别模拟出地球磁尾北侧等离子体7和地球磁尾南侧等离子体8。
等离子体枪9位于上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间的对称轴上，该等离子体枪9的出射端朝向偶极磁场线圈2，并朝偶极磁场线圈2方向注入高速等离子体流。当等离子体枪9开启时，能够驱动地球磁尾北侧等离子体7和地球磁尾南侧等离子体8在磁零点线10位置发生三维磁尾磁重联。本实施方式在实际应用时，通过调节上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4中电流的大小及两个磁镜场线圈之间的距离，能够控制磁尾侧等离子体的分布；通过控制两个LaB6等离子体源的注入功率、进而调节等离子体密度和电子温度，能够实现南北两侧不同等离子体参数条件下三维磁重联过程，从而实现更全面地模拟真实情况下不同条件磁尾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尾重联过程的问题。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，该方法基于上述具体实施方式一所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置实现，所述地面模拟方法为：
对偶极磁场线圈2通电、使其模拟出地球偶极磁场，对上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4通电、使其模拟出磁镜场，地球偶极磁场与磁镜场相互作用共同模拟出地球磁尾磁场；
利用上LaB6等离子体源5向上磁镜场线圈3的环内注入等离子体，注入的等离子体沿地球磁尾磁场中磁力线运动，模拟出地球磁尾北侧等离子体7；
利用下LaB6等离子体源6向下磁镜场线圈4的环内注入等离子体，注入的等离子体沿地球磁尾磁场中磁力线运动，模拟出地球磁尾南侧等离子体8；
在上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4之间，利用等离子体枪9朝偶极磁场线圈2方向注入高速等离子体流，驱动地球磁尾北侧等离子体7和地球磁尾南侧等离子体8在磁零点线10位置发生磁重联，实现地球磁尾三维磁重联的地面模拟。
具体地，对偶极磁场线圈2通电时，偶极磁场线圈2脉冲上升沿为1ms，平台期为10ms～100ms，最大电流为1.8MA。进一步地，通电电流为400kA，在目标区域产生的磁场强度为100G～300G。
具体地，对磁镜场线圈时，磁镜场线圈脉冲上升沿为1ms，平台期为10ms～100ms，最大电流为540kA。进一步地，通电电流为180kA，在目标区域产生的磁场强度为100G～300G。
本实施方式在实际应用时，通过调节上磁镜场线圈3和下磁镜场线圈4中电流的大小及两个磁镜场线圈之间的距离，能够控制磁尾侧等离子体的分布；通过控制两个LaB6等离子体源的注入功率、进而调节等离子体密度和电子温度，能够实现南北两侧不同等离子体参数条件下三维磁重联过程，从而实现更全面地模拟真实情况下不同条件磁尾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尾重联过程的问题。
Claims (15)
1.一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，包括处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈；
两个磁镜场线圈镜像对称设置，偶极磁场线圈位于两个磁镜场线圈的对称轴上、且偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈相互平行，偶极磁场线圈所在平面区域与两个磁镜场线圈所在平面区域互不重叠，使得偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈产生磁场时能够模拟出地球磁尾磁场，
两个磁镜场线圈的外侧分别设有LaB6等离子体源，所述LaB6等离子体源靠近偶极磁场线圈方向、且不越过磁镜场线圈的中轴线，两个磁镜场线圈之间的对称轴上设有等离子体枪，该等离子体枪的出射端朝向偶极磁场线圈，
当两个LaB6等离子体源向地球磁尾磁场注入等离子体时，能够模拟出地球磁尾南北两侧等离子体，当等离子体枪开启时，能够驱动所述地球磁尾南北两侧等离子体在磁零点线位置发生三维磁尾磁重联；
两个磁镜场线圈均为椭圆形线圈，该椭圆形线圈的长径比为1.5。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，还包括真空腔室，所述真空腔室内部形成真空环境。
3.根据权利要求2所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，真空腔室为不锈钢罐体。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，真空环境的极限压强为1×10-4 Pa，真空环境的工作压强为10-2 Pa。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，真空环境内填充有工作气体，工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，偶极磁场线圈为“回”字形线圈或圆环形线圈。
7.根据权利要求1所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，LaB6等离子体源的出射口为矩形，该矩形的长边至少为30cm，且该矩形的长边沿椭圆形线圈的长径方向设置。
8.根据权利要求7所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，LaB6等离子体源的出射口的尺寸为30cm×5cm。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，其特征在于，LaB6等离子体源产生的等离子体密度为1012cm-3~1013cm-3。
10.一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，该方法基于处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈实现，
两个磁镜场线圈镜像对称设置，偶极磁场线圈位于两个磁镜场线圈的对称轴上、且偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈相互平行，偶极磁场线圈所在平面区域与两个磁镜场线圈所在平面区域互不重叠，
所述地面模拟方法为：
对偶极磁场线圈通电、使其模拟出地球偶极磁场，对两个磁镜场线圈通电、使其模拟出磁镜场，地球偶极磁场与磁镜场相互作用共同模拟出地球磁尾磁场；
分别在两个磁镜场线圈外侧向磁镜场线圈内注入等离子体，注入的等离子体沿地球磁尾磁场中磁力线运动，模拟出地球磁尾南北两侧等离子体；
在两个磁镜场线圈之间朝偶极磁场线圈方向注入高速等离子体流，驱动地球磁尾南北两侧等离子体在磁零点线位置发生磁重联，实现地球磁尾三维磁重联的地面模拟。
11.根据权利要求10所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，对偶极磁场线圈通电时，偶极磁场线圈脉冲上升沿为1 ms，平台期为10 ms~100 ms，最大电流为1.8 MA。
12.根据权利要求10所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，对偶极磁场线圈通电时，通电电流为400 kA，在目标区域产生的磁场强度为100 G~300G。
13.根据权利要求10所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，对磁镜场线圈时，磁镜场线圈脉冲上升沿为1 ms，平台期为10 ms~100 ms，最大电流为540 kA。
14.根据权利要求13所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，对磁镜场线圈时，通电电流为180 kA，在目标区域产生的磁场强度为100 G~300 G。
15.根据权利要求10、11、12、13或14所述的一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，其特征在于，利用LaB6等离子体源向磁镜场线圈内注入等离子体，利用等离子体枪注入高速等离子体流。
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