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。本发明专利技术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。拟更加接近真实情况。拟更加接近真实情况。
【技术实现步骤摘要】
一种地球磁层极尖区磁场结构的地面模拟装置及方法
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
技术实现思路
[0006]本专利技术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。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]本专利技术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
[0012]图1为实施例1的正视图；
[0013]图2为实施例1的三维图；
[0014]图3为实施例2的正视图；
[0015]图4为实施例2的三维图；
[0016]图5为实施例3的正视图；
[0017]图6为实施例3的三维图；
[0018]图7为实施例4的正视图；
[0019]图8为实施例4的三维图；
[0020]图9为实施例5的正视图；
[0021]图10为实施例5的三维图；
[0022]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；
[0023]图12为地球磁层结构示意图。
[0024]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
[0025]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神范围，均应涵盖再本专利技术的保护范围之中。
[0026]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。
[0027]具体实施方式一：本实施方本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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1.7...
【专利技术属性】
技术研发人员：鄂鹏，凌文斌，金成刚，关键，朱光亮，李立毅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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