CN116206517A - 一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置及方法，属于空间环境的地面模拟方法。所述装置包括真空室以及真空室内设置的一组模拟行星际磁场的组件、一个模拟地球偶极磁场的线圈和模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组和下磁控线圈组，模拟地球磁层等离子体的等离子体源、模拟太阳风等离子体的等离子体源。本发明通过采用直线型或平板型的上下磁控线圈组模拟地球磁层极尖区的磁场结构，解决了现有磁层顶非对称磁重联模拟装置无法模拟磁层极尖区和等离子体沿着磁力线向极尖区运动的问题，使得对地球磁层大尺度三维结构的地面模拟更加接近真实情况。

Description

一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置及方法

技术领域

本发明属于空间环境的地面模拟方法，具体涉及一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置及方法。

背景技术

在地球的周围，地球内禀磁场在太阳风和行星际磁场的作用下形成了一个封闭区域，该区域被称为地球磁层，它是一个磁场与等离子体强耦合的体系。地球磁层是地球的屏障，保护着地球生命免受高能带电粒子和宇宙射线的损伤，同时地球磁层也是人类走向深空的窗口，99％的航天器运行在地球磁层。在太阳风的作用下，磁层中发生着许多空间等离子体的基本物理过程，使得磁层处于高度动态变化的状态，并且产生许多爆发性现象，威胁着航天器的安全。因此，研究地球磁层一方面可以促进对空间等离子体基本物理过程的理解，另一方面可以提高对空间天气的预测能力，保障航天器的安全运行。

主导磁层演化的关键物理过程之一是磁层顶重联，即当高速运动的太阳风冲击地球磁层时，在太阳风和磁层之间将形成一个边界层，在该边界层内磁力线断开并重新连接。伴随着磁场拓扑结构的改变，磁场的能量转化为等离子体的动能和内能。在磁层顶重联的作用下，部分地球磁场的一端与行星际磁场连接，另一端则延伸到极尖区。重联后的地球磁场带着高能带电粒子跟随太阳风向磁层下游对流，同时高能带电粒子通过极尖区进入地球的电离层和高层大气。受制于卫星观测的局限性，如单点、不可重复和轨道受限等，对地球磁层顶重联的研究还很不充分。随着等离子体源和磁场产生技术的发展，人们开始在地面建立实验装置，通过地面模拟对磁层现象进行研究，以弥补卫星探测的不足。

目前，在磁层的地面模拟方面，麻省理工大学的LDX(LevitatedDipoleExperiment)和哥伦比亚大学的CTX(CoillisionlessTerrellaExperiment)装置都使用了一个轴对称的环形线圈来模拟地球偶极磁场，研究等离子体在偶极磁场位形中的约束和输运特性。但是，LDX和CTX都无法模拟磁层的三维结构，并开展磁重联实验。此外，国际上现有的磁重联实验装置，例如普林斯顿等离子体物理实验室的MRX(MagneticReconnection Experiment)装置都具有二维位形，在二维磁重联的研究方面取得了重大的成果，但是对于三维磁重联，目前还没有实验装置进行研究。为了克服现有磁层模拟和磁重联实验装置的局限性，哈尔滨工业大学承建的空间环境地面模拟装置建造了一个分系统——空间等离子体环境模拟与研究系统，该系统将首次在地面上实现大尺度三维磁层非对称结构的模拟。

在系统建设阶段，哈尔滨工业大学的空间等离子体环境模拟团队提出了一种模拟地球磁层顶三维非对称磁重联的装置和方法：使用一个环形线圈模拟地球偶极磁场，使用两个同轴的磁镜场线圈产生的磁镜场模拟行星际磁场，使用ECR(ElectronCyclotronResonance)等离子体源模拟磁层等离子体，使用LaB₆源模拟太阳风等离子体，通过垂直行星际磁场的等离子体枪产生的高速等离子体射流驱动磁重联。这可弥补三维非对称磁重联实验的空白，开展三维磁重联的零点结构、扩散区的物理机制与重联区的能量转换等方面的研究。然而，该装置和方法无法模拟磁层极尖区，同时国际上也没有专门的装置对极尖区进行模拟。由于磁层极尖区在太阳风和磁层的能量耦合中扮演着重要角色，因此为了更加真实地模拟磁层三维结构，有必要在磁层顶三维非对称磁重联模拟的基础上提出模拟磁层极尖区磁场结构的装置和方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的磁层顶非对称磁重联模拟装置无法模拟磁层极尖区的问题，提供一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述装置包括真空室以及真空室内设置的一组模拟行星际磁场的组件、一个模拟地球偶极磁场的线圈和模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组和下磁控线圈组，模拟地球磁层等离子体的等离子体源、模拟太阳风等离子体的等离子体源；

所述模拟行星际磁场的组件的轴线和模拟地球偶极磁场的线圈的轴线共面，并且模拟行星际磁场的组件的轴线垂直于真空室的中平面，同时模拟行星际磁场的组件关于该平面对称；在模拟地球偶极磁场的线圈未旋转时，模拟地球偶极磁场的线圈的轴线和模拟行星际磁场的组件的轴线平行，并且模拟地球偶极磁场的线圈关于真空室的中平面对称；模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组和下磁控线圈组位于模拟行星际磁场的组件和模拟地球偶极磁场的线圈之间，并关于真空室的中平面对称分布；

所述上磁控线圈组和下磁控线圈组的结构相同，呈平板型或直线型，垂直于模拟行星际磁场的组件和模拟地球偶极磁场的线圈的轴线所在的平面，并关于该平面对称。

本发明相对于现有技术的有益效果为：通过采用直线型或平板型的上下磁控线圈组模拟地球磁层极尖区的磁场结构，解决了现有磁层顶非对称磁重联模拟装置无法模拟磁层极尖区和等离子体沿着磁力线向极尖区运动的问题，使得对地球磁层大尺度三维结构的地面模拟更加接近真实情况。

附图说明

图1为实施例1的正视图；

图2为实施例1的三维图；

图3为实施例2的正视图；

图4为实施例2的三维图；

图5为实施例3的正视图；

图6为实施例3的三维图；

图7为实施例4的正视图；

图8为实施例4的三维图；

图9为实施例5的正视图；

图10为实施例5的三维图；

图11为模拟行星际磁场的线圈，模拟地球偶极磁场的线圈和磁控线圈组产生的磁场示意图；

图12为地球磁层结构示意图。

其中，1真空室，2模拟行星际磁场的线圈，3模拟太阳风等离子体的线圈，4模拟地球偶极磁场的线圈，5上磁控线圈组，6下磁控线圈组，7阳极环，8阴极栅网，9LaB₆热阴极等离子体源，10等离子体枪，11微波注入天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖再本发明的保护范围之中。

地球磁层：地球内禀磁场在太阳风和行星际磁场的作用下形成的封闭区域，形状类似彗星，其下边界距离地面800～1000公里，磁层顶侧上边界位于6～10个地球半径的位置，磁尾侧上边界可达60个地球半径。极尖区：地球磁层在地球两极处呈漏斗形状的结构区域，该区域具有开放的磁力线结构，太阳风等离子体可通过此区域进入磁层内部。磁场结构：磁场是带电粒子运动产生的一种三维矢量场，具有特定的拓扑结构。地面模拟：在地面根据相似定标关系建立实验装置，模拟空间等离子体现象。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述装置包括真空室1以及真空室1内设置的一组模拟行星际磁场的组件2、一个模拟地球偶极磁场的线圈4和模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组5和下磁控线圈组6(由于其用来调节磁重联过程中的磁场位形，被称为磁控线圈)，模拟地球磁层等离子体的等离子体源、模拟太阳风等离子体的等离子体源；

所述模拟行星际磁场的组件2的轴线和模拟地球偶极磁场的线圈4的轴线共面，并且模拟行星际磁场的组件2的轴线垂直于真空室1的中平面，同时模拟行星际磁场的组件2关于该平面对称；在模拟地球偶极磁场的线圈4未旋转时，模拟地球偶极磁场的线圈4的轴线和模拟行星际磁场的组件2的轴线平行，并且模拟地球偶极磁场的线圈4关于真空室1的中平面对称；模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组5和下磁控线圈组6位于模拟行星际磁场的组件2和模拟地球偶极磁场的线圈4之间，并关于真空室1的中平面对称分布；按如下方式定义坐标系：定义模拟地球偶极磁场的线圈4的中心为原点，当模拟地球偶极磁场的线圈4未旋转时，线圈的轴线为Z轴，X轴垂直于模拟行星际磁场的组件2的轴线和模拟地球偶极磁场的线圈4的轴线所在的平面，Y轴位于该平面上，并且垂直于Z轴。当模拟地球偶极磁场的线圈4旋转时，线圈的轴线可分别绕X轴或Y轴旋转。

所述上磁控线圈组5和下磁控线圈组6的结构相同，呈平板型或直线型，垂直于模拟行星际磁场的组件2和模拟地球偶极磁场的线圈4的轴线所在的平面，并关于该平面对称。

本发明实现地球磁层极尖区的磁场结构的模拟，以更好地模拟大尺度地球磁层三维结构。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述真空室1的极限气压小于10^-4Pa，工作气压在10^-2Pa～1Pa之间可调，等离子体的放电气体为氢气、氦气或氩气，真空室1呈圆柱形，真空室1的直径大于5m。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述模拟行星际磁场的组件2的轴线与模拟地球偶极磁场的线圈4的中心之间的距离为2.5m～3m，上磁控线圈组5和下磁控线圈组6的几何中心与模拟行星际磁场的组件2的轴线之间的距离为1.7m，上磁控线圈组5和下磁控线圈组6的几何中心与真空室中平面的距离为1m～1.5m。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述上磁控线圈组5和下磁控线圈组6在模拟行星际磁场的组件2和模拟地球偶极磁场的线圈4的轴线所在的平面和真空室中平面的交线方向上的空间尺度应大于0.9m，当上磁控线圈组5和下磁控线圈组6为直线型时，线圈导体之间的距离应小于0.3m。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述模拟地球偶极磁场的线圈4产生接近理想偶极磁场的磁场，在距离其中心1.5m处磁感应强度为200G～400G；所述模拟行星际磁场的线圈2产生南北方向(模拟地球偶极磁场的磁轴所在的方向)的极向磁场，在距离模拟地球偶极磁场的线圈4中心1.5m处的磁感应强度为100G～200G；上磁控线圈组5和下磁控线圈组6在真空室的中平面上产生大于400G的磁场。

具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，所述模拟地球磁层等离子体的等离子体源需产生密度大于10¹¹cm^-3的等离子体，所述模拟太阳风等离子体的等离子体源需产生密度大于10¹²cm^-3的等离子体。

具体实施方式七：一种利用具体实施方式一至六任一项所述装置进行地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟方法，所述方法为：使用外部驱动方式，驱动模拟的行星际磁场和太阳风向模拟的地球偶极磁场及其约束的等离子体运动，在磁零点处发生磁重联，在磁重联的过程中，封闭的地球偶极磁场被打开，一端与行星际磁场相连，一端连接到磁层极尖区，重联后的等离子体沿着磁力线向极尖区运动。

实施例1：

如图1和2所示，在真空室1中，采用多个同轴的圆环形线圈模拟行星际磁场，使用圆环形的线圈模拟地球偶极磁场，采用上磁控线圈组5和下磁控线圈组6模拟磁层极尖区的磁场结构，上磁控线圈组5和下磁控线圈组6由多根直线型的导体组成。模拟行星际磁场的线圈、模拟地球偶极磁场的线圈4、上磁控线圈组5和下磁控线圈组6都使用脉冲电流源激励以产生相应的磁场。模拟太阳风的等离子体由套在模拟行星际磁场的圆环形线圈外侧的螺旋形线圈的电磁感应耦合产生，模拟地球磁层的等离子体使用冷阴极等离子体源产生，冷阴极等离子体源位于模拟地球偶极磁场的线圈4的上方，由阳极环7和阴极栅网8组成。套在模拟行星际磁场的圆环形线圈外侧的螺旋形线圈使用脉冲电流源激励，冷阴极等离子体源使用脉冲高压电源激励。磁重联的外部驱动方式如下：先使用脉冲高压电源建立模拟地球偶极磁场及其约束的等离子体，然后使用脉冲电流源激励模拟行星际磁场的线圈、模拟磁层极尖区的上磁控线圈组5和下磁控线圈组6和模拟太阳风等离子体的线圈，随着脉冲电流的上升，模拟太阳风等离子体的线圈的环形磁场产生的感应电场使气体电离产生等离子体，并且模拟行星际磁场推动其约束的等离子体向模拟地球磁层运动，发生磁场重联。

实施例2：

如图3和4所示，可将实施例1中上磁控线圈组5和下磁控线圈组6替换为平板结构。

实施例3：

如图5和6所示，本实施例与实施例1不同的是，模拟行星际磁场的线圈由两个对称的线圈产生，同时模拟太阳风的等离子体可使用LaB₆热阴极等离子体源9产生，安装在真空室1上的LaB₆热阴极等离子体源9位于模拟行星际磁场的线圈的轴线上，产生的等离子体通过扩散沿着磁力线运动到两个模拟行星际磁场线圈的中心区域，使用垂直于磁场方向的等离子体射流驱动磁重联发生。等离子体枪产生等离子体射流，驱动磁重联发生。只有在等离子体枪的驱动下，模拟行星际磁场才会与地球磁场发生磁重联。同时，磁重联只有在磁场中存在等离子体的条件下才能发生，行星际磁场中的等离子体为太阳风等离子体，地球磁场中的等离子体为地球磁层等离子体。LaB₆等离子体源用于产生模拟太阳风等离子体。

实施例4：

如图7和8所示，本实施例与实施例1不同的是，模拟地球磁层的等离子体可使用ECR(ElectronCyclotronResonance)等离子体源产生，ECR等离子体源通过微波注入天线11将微波注入到模拟地球偶极磁场的线圈4产生的偶极磁场位形中，在电子回旋共振面处产生等离子体。

实施例5：

如图9和10所示，可使用一组堆叠的圆环形线圈模拟产生行星际磁场，同时使用该线圈组模拟太阳风，使用脉冲电流激励这组线圈，脉冲磁场将在线圈周围感应出电场，使得气体电离产生等离子体。等离子体被约束在堆叠圆环形线圈产生的磁场中，并随着脉冲电流的上升跟随模拟行星际磁场朝模拟地球磁层的方向运动，使得模拟行星际磁场和模拟地球偶极磁场发生磁重联。

模拟行星际磁场的线圈：在实施例1和2中，模拟行星际磁场的线圈固定到支撑腿上，支撑腿与线圈轴线平行，穿出真空室，固定在与真空室相连的支架上。通过使支撑腿上下运动实现模拟行星际磁场的线圈的上下运动。在实施例3～5中，模拟行星际磁场的线圈堆叠在一起，线圈底部固定在一个底座上，底座穿过真空室固定在地基上。在实施例3～5中，模拟行星际磁场的线圈不运动。

模拟地球磁场的线圈：模拟地球偶极磁场的线圈通过十字型支撑架与球铰相连，球铰固定在立柱上，立柱固定在滑轨上，滑轨沿着真空室的轴线放置，滑轨固定在底座上，底座穿过真空室固定在地基上。模拟地球磁场的线圈通过球铰进行旋转，同时线圈可以跟着立柱在滑轨上沿真空室轴线方向移动。

上磁控线圈组和下磁控线圈组：磁控线圈固定到支撑腿上，支撑腿垂直于线圈所在的平面，穿出真空室，固定在与真空室相连的支架上。通过使支撑腿上下运动实现磁控线圈的上下运动。

阴极栅网和阳极环与天线在装置上的位置不同，可以同时安装在装置上，当其中一个工作时，另一个处于断电状态，可以不用拆卸，更换操作方便实现。

Claims (7)

1.一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，其特征在于：所述装置包括真空室(1)以及真空室(1)内设置的一组模拟行星际磁场的组件(2)、一个模拟地球偶极磁场的线圈(4)和模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)，模拟地球磁层等离子体的等离子体源、模拟太阳风等离子体的等离子体源；

所述模拟行星际磁场的组件(2)的轴线和模拟地球偶极磁场的线圈(4)的轴线共面，并且模拟行星际磁场的组件(2)的轴线垂直于真空室(1)的中平面，同时模拟行星际磁场的组件(2)关于该平面对称；在模拟地球偶极磁场的线圈(4)未旋转时，模拟地球偶极磁场的线圈(4)的轴线和模拟行星际磁场的组件(2)的轴线平行，并且模拟地球偶极磁场的线圈(4)关于真空室(1)的中平面对称；模拟地球磁层极尖区磁场的上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)位于模拟行星际磁场的组件(2)和模拟地球偶极磁场的线圈(4)之间，并关于真空室(1)的中平面对称分布；

所述上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)的结构相同，呈平板型或直线型，垂直于模拟行星际磁场的组件(2)和模拟地球偶极磁场的线圈(4)的轴线所在的平面，并关于该平面对称。

2.根据权利要求1所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，其特征在于：所述真空室(1)的极限气压小于10^-4Pa，工作气压在10^-2Pa～1Pa之间可调，等离子体的放电气体为氢气、氦气或氩气，真空室(1)呈圆柱形，真空室(1)的直径大于5m。

3.根据权利要求1所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，其特征在于：所述模拟行星际磁场的组件(2)的轴线与模拟地球偶极磁场的线圈(4)的中心之间的距离为2.5m～3m，上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)的几何中心与模拟行星际磁场的组件(2)的轴线之间的距离为1.7m，上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)的几何中心与真空室中平面的距离为1m～1.5m。

4.根据权利要求1所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，其特征在于：所述上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)在模拟行星际磁场的组件(2)和模拟地球偶极磁场的线圈(4)的轴线所在的平面和真空室中平面的交线方向上的空间尺度应大于0.9m，当上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)为直线型时，线圈导体之间的距离应小于0.3m。

5.根据权利要求1所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，其特征在于：所述模拟地球偶极磁场的线圈(4)产生接近理想偶极磁场的磁场，在距离其中心1.5m处磁感应强度为200G～400G；所述模拟行星际磁场的线圈(2)产生南北方向(模拟地球偶极磁场的磁轴所在的方向)的极向磁场，在距离模拟地球偶极磁场的线圈(4)中心1.5m处的磁感应强度为100G～200G；上磁控线圈组(5)和下磁控线圈组(6)在真空室的中平面上产生大于400G的磁场。

6.根据权利要求1所述的一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置，其特征在于：所述模拟地球磁层等离子体的等离子体源需产生密度大于10¹¹cm^-3的等离子体，所述模拟太阳风等离子体的等离子体源需产生密度大于10¹²cm^-3的等离子体。

7.一种利用权利要求1～6任一项所述装置进行地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟方法，其特征在于：所述方法为：使用外部驱动方式，驱动模拟的行星际磁场和太阳风向模拟的地球偶极磁场及其约束的等离子体运动，在磁零点处发生磁重联，在磁重联的过程中，封闭的地球偶极磁场被打开，一端与行星际磁场相连，一端连接到磁层极尖区，重联后的等离子体沿着磁力线向极尖区运动。

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