[发明专利]空间环境地面模拟等离子体产生装置及采用该装置实现的等离子体产生方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于模拟空间等离子体环境的地面等离子体产生位置及装置实现的等离子体产生方法。属于低温等离子体的应用技术领域。

背景技术

目前在轨的大部分卫星运行在包含磁暴、亚暴等灾害性爆发现象的区域，相应的空间等离子体极端环境严重威胁航天器的安全。对于种子电子加速成为杀手电子能量为500keV到几MeV的相对论电子的加速机制均难以直接通过卫星观测和目前的数值模拟条件加以解答。近二三十年，随着等离子体物理的成熟，等离子体源、诊断等技术的发展，实验室地面模拟手段日趋成熟，可以很方便地改变参数和边界条件，对特定研究对象重复检验，很大程度上指导了理论模型的完善和空间探测任务的规划，极大地丰富了空间科学的研究手段。如哥伦比亚大学Mauel教授研究团队设计建设的CTX Collisionless Terrella eXperiment装置主要研究在偶极磁场下的等离子体基本动力学过程。该装置通过电子回旋共振加热ECR产生高能电子，从而形成“人工辐射带”，在其中观测到多种漂移共振波drift-resonant wave以及波动所致的径向粒子随机输运过程。麻省理工学院的大尺寸全超导LDX装置直径5m、高3m参考哥伦比亚大学CTX装置建设，相比CTX装置能实现更高的β值，并且在辐射带中高能电子的形成机制方面具有更好的研究条件。东京大学的RT-1装置与LDX较为相似，也采用了超导线圈，主要用于电子能量>1keV的高β值约束以及相关的不稳定性研究。

哈尔滨工业大学拟建立的国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置(SESRI)”中一个重要组成部分为“空间等离子体环境模拟与研究装置SPERF”，拟通过构建空间等离子体基本物理过程的时空演化规律研究、高能粒子在磁层等离子体环境中的加速过程研究平台，系统研究相关空间基础和应用科学问题，以空间等离子体基本过程、极端过程和若干关键基础物理问题研究成果为支撑，建立科学理论体系，为保障航天器可靠活动和通信安全提供重要的理论依据及技术支持。

SPERF主要包括空间等离子体极端环境研究区(HDX)和空间基本等离子体物理问题研究区(HRX)两个功能区，其中HDX主要研究地球偶极磁场位形下VLF、ULF等波模对辐射带高能粒子起源、加速、损失和输运机制等研究。由于地面实验过程可控、参数可控、整体演化过程可重复进行，因此在理解高能带电粒子的起源、加速和损失机制方面有着独特的优势。但是，由于地面实验室的空间尺度、时间尺度、各种等离子体参数方面与实际空间环境有巨大差异，因此在地面装置中对近地空间的极端等离子体过程中的关键物理问题进行模拟实验时，需将实验结果与卫星观测、理论分析与数值模拟等各种研究结果紧密结合，才能正确理解空间等离子体极端环境，保障航天活动安全。基于此，HDX依据磁流体相似定标关系对地球同步轨道高度的实际等离子体参数进行定标，在磁流体力学尺度上研究与空间中相关尺度对应的关键科学问题。

为了更好模拟空间中等离子体的特性，空间环境地面模拟装置拟采用电子回旋共振ECR产生等离子体。当微波频率与电子在磁场中的回旋频率相等时则发生共振，电子从微波中获得能量，实现对气体的电离。电子的回旋频率与磁场成正比，如式1