地球环电流效应空间等离子体地面模拟装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及空间等离子体地面模拟装置。
【背景技术】
[0002]空间探测是研究空间等离子体环境及其与航天器(包括本体、有效载荷及通信、控制过程等)作用最直接的手段。多年来通过大量的卫星观测，人们已经在研究空间等离子体环境及其物理过程方面取得了巨大成就。然而，单纯采用空间探测的研究方式在发展过程中也体现出了一定的局限性，例如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，建立适当的地面模拟装置，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。由于空间等离子体环境的的地面模拟实验具有过程/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，因此在理解空间等空间等离子体中各类物理过程(例如地球环电流对内磁层的影响等)，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。
[0003]我国在“十二五”期间重点规划建设“空间环境地面模拟装置”国家重大科技基础设施。该设施由哈尔滨工业大学作为牵头单位，中国航天科技集团公司作为共建单位开展建设(发改高技〔2015〕2151号)，以揭示空间环境条件下物质结构演化规律和各种环境耦合效应的物理本质为建设目标。设施作为国务院加强东北地区创新基础条件建设的具体措施，写入国务院发布的“关于近期支持东北振兴若干重大政策举措的意见”(国发〔2014〕28号)。根据国家发改委的批复文件，“空间环境地面模拟装置”国家重大科技基础设施将建设高能粒子在磁层等离子体环境中加速、空间等离子体基本物理过程的时空演化规律研究等条件平台。该平台建成后，将是国际上功能用途最完备、诊断精度最高的空间等离子体研究设施。依据磁流体力学的相似定标关系，在圆柱形真空罐内可模拟宏观大尺度(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、环电流和磁尾等磁场位形和宽范围的磁场强度(10?14Gs),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。
[0004]对于内磁层的相关地面模拟装置研究始于20世纪50年代，典型装置如中国科学院空间科学与应用研究中心建的在偶极磁场中形成人工辐射带的装置，北京大学建的人工形成极光和超短波天线在电离气体中阻抗变化的实验，哥伦比亚大学Mauel教授研究团队设计建设的CTX(Collis1nless Terrella experiment)装置等。CTX装置可以研究偶极磁场下的等离子体基本动力学过程，该装置通过产生模拟地球偶极磁场和目标等离子体的方式可以研究内磁层等离子体基本问题。麻省理工学院参考哥伦比亚大学CTX装置建设的大尺寸全超导LDX(Levitated Dipole experiment)装置(直径5m、高3m)。它相比CTX装置能实现更高的β值，并且在内磁层中高能电子的形成机制方面具有很好的研究条件。东京大学的RT-1装置与LDX较为相似，也采用了超导线圈，直径3.5m、高5m，主要用于电子能量>lkeV的高β值约束以及相关的不稳定性研究。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装置只能提供单纯偶极磁场位形和背景等离子体，不具备研究地球环电流效应对内磁层空间等离子体影响的功能。
[0005]地球环电流是影响近地空间等离子体的关键因素，环电流效应将引发地球磁场的全局性变化，形成地磁暴。强的环电流效应引发的磁暴可以对无线电通信等造成严重的影响，因此研究环电流效应对空间等离子体的影响具有重要的意义。根据“空间环境地面模拟装置”国家重大科技基础设施的功能定位，该设施需要具有能够研究地球环电流效应对空间等离子体影响作用的装置，从而为建设具有先进研究功能的空间环境地面模拟装置奠定基础。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种可用于研究地球环电流效应对于空间等离子体影响的地面模拟研究装置，而提出地球环电流效应空间等离子体地面模拟装置。
[0007]上述的发明目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]地球环电流效应空间等离子体地面模拟装置包括真空腔体、偶极磁场线圈、磁扰动线圈、电子回旋共振等离子体源、石英窗口、观察窗；
[0009]真空腔体为圆柱形，真空腔体顶盖设置电子回旋共振等离子体源和石英窗口；其中，
[0010]电子回旋共振等离子体源和石英窗口同轴设置；
[0011]真空腔体外壁对称设置个观察窗；
[0012]真空腔体内设置偶极磁场线圈、磁扰动线圈；
[0013]其中，磁扰动线圈与偶极磁场线圈的几何中心重合。
[0014]发明效果
[0015]本发明的主要效果和益处体现在(I)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；(2)采用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功率在一定范围内调节等离子体的数密度；(3)采用磁扰动线圈模拟地球环电流效应对背景磁场的影响情况，通过调节磁扰动线圈中的电流波形和电流大小，能够实现不同磁暴情况下地球环电流效应对地球磁场的扰动效果；(4)通过磁扰动线圈产生扰动磁场的时间控制，装置可以研究环电流特征时间对于空间等离子体的影响效果；(5)通过改变磁扰动线圈的直径，可以研究多种情况下地球环电流效应对空间等离子体的影响。本发明属于低温等离子体的应用技术领域，涉及一种可用于模拟地球环电流效应对内磁层空间等离子体影响的地面实验研究装置。
【附图说明】
[0016]图1为本发明装置图，图中，I为真空罐体，2为偶极磁场线圈，3为磁扰动线圈，4为电子回旋共振等离子体源，5为石英窗口，6是产生的模拟空间等离子体，7是观察窗；
[0017]图2为典型工况下偶极磁场线圈与环电流线圈位置关系俯视图；
[0018]图3为偶极磁场线圈与环电流线圈的同轴位置关系正视图；
[0019]图4为偶极磁场线圈与环电流线圈中心轴线互成一定角度的位置关系正视图；
[0020]图5为磁扰动线圈对模拟地球磁场的扰动效果示意图，T为特斯拉单位，用符号B表示；
[0021 ]图6为包含真空抽气系统8的地球环电流效应空间等离子体地面模拟研究装置图。
【具体实施方式】
[0022]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式的地球环电流效应空间等离子体地面模拟装置，其特征在于，所述地球环电流效应空间等离子体地面模拟装置(是一种多组线圈加电子回旋共振等离子体源，实现地球环电流效应对空间等离子体影响研究的地面模拟研究装置，)包括真空腔体1、偶极磁场线圈2、磁扰动线圈3、电子回旋共振等离子体源4、石英窗口 5、观察窗7;
[0023]真空腔体I为圆柱形，真空腔体I顶盖设置电子回旋共振等离子体源4和石英窗口5；
[0024]其中，电子回旋共振等离子体源4和石英窗口5同轴设置；
[0025]真空腔体I外壁对称设置2个观察窗7;
[0026]真空腔体I内设置偶极磁场线圈2、磁扰动线圈3;
[0027 ]所述磁扰动线圈3与偶极磁场线圈2的几何中心重合;如图2、图3所示。
[0028]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述的电子回旋共振等离子体源4的半径为ri，石英窗口5的半径为K，且?-η > Γ3；
[0029]所述r3的取值范围为5?20cm。
[0030]其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
[0031]【具体实施方式】三:结合图6说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述真空腔体I包含真空抽气系统8，用于产生地球环电流效应空间等离子体地面模拟研究装置运行所需的真空环境，工作真空度为10—2Pa,极限真空为10—5Pa。
[0032]其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0033]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:所述真空腔体I中的气体为氢气、氦气、氩气或氮气中的一种或多种，真空腔体I罐体材料为不锈钢。
[0034]其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0035]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:所述偶极磁场线圈2材质为金属；
[0036]所述偶极磁场线圈2横截面为矩形；
[0037]所述偶极磁场线圈2每匝绕线均含水冷管道；
[0038]所述偶极磁场线圈2中心磁场强度为1-2T；
[0039]所述偶极磁场线圈2与偶极磁场线圈2供电电源相连接；
[0040]所述供电电源波形采用梯形波，上升沿lms，平台期1ms — 100ms。
[0041 ]其它步骤及参数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0042]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:所述磁扰动线圈3材质为金属；
[0043]所述磁扰动线圈3横截面为矩形；
[0044]所述磁扰动线圈3每匝绕线均含水冷管道；
[0045]所述磁扰动线圈3的半径为Γ4，偶极磁场线圈2的半径为Γ5，且Γ4-Γ5 > Γ6；
[0046]所述Γ6的取值范围为20?80cm。
[0047]其它步骤及参数与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0048]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一不同的是:所述电子回旋共振等离子体源4由电子回旋共振天线和共振磁场组成；
[0049]所述电子回旋共振等离子体源4用于产生模拟空间等离子体6;
[0050]所述模拟空间等离子体6密度约101()Cm—3;
[0051]所述电子回旋共振等离子体源产生的等离子体的电子温度为1-1OOeV;
[0052 ]所述共振磁场由偶极磁场线圈提供。
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