[发明专利]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

说明书

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。

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。