[发明专利]一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置及方法

说明书

一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置及方法，涉及低温等离子体应用领域。本发明是为了解决磁尾等离子体不能模拟真实三维磁尾重联结构的问题。一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，两个磁镜场线圈镜像对称，偶极磁场线圈位于两个磁镜场线圈的对称轴上，使得偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈产生磁场时能够模拟出地球磁尾磁场，两个磁镜场线圈的外侧分别设有LaB₆等离子体源，两个磁镜场线圈之间的对称轴上设有等离子体枪，当两个LaB₆等离子体源注入等离子体时，能够模拟出地球磁尾南北两侧等离子体，等离子体枪开启，能够驱动所述地球磁尾南北侧等离子体在磁零点线位置发生三维磁尾磁重联。

技术领域

本发明属于低温等离子体应用技术领域，尤其涉及将低温等离子体应用在地球磁尾三维磁重联模拟研究中。

背景技术

“空间环境地面模拟装置”包括空间等离子体环境模拟与研究系统，是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。世界上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，如磁尾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，目前国内外设计和建造的磁尾等离子体研究模拟装置只能提供二维或近似三维重联的结构，并不能真实反映三维磁尾重联的结构特点。

发明内容

本发明是为了解决目前磁尾等离子体研究模拟中，只能提供二维或近似三维重联结构，不能真实反映三维磁尾重联结构的问题，现提供一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置及方法。

一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置，包括处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈；

两个磁镜场线圈镜像对称设置，偶极磁场线圈位于两个磁镜场线圈的对称轴上、且偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈相互平行，偶极磁场线圈所在平面区域与两个磁镜场线圈所在平面区域互不重叠，使得偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈产生磁场时能够模拟出地球磁尾磁场，

两个磁镜场线圈的外侧分别设有LaB₆等离子体源，所述LaB₆等离子体源靠近偶极磁场线圈方向、且不越过磁镜场线圈的中轴线，两个磁镜场线圈之间的对称轴上设有等离子体枪，该等离子体枪的出射端朝向偶极磁场线圈，

当两个LaB₆等离子体源向地球磁尾磁场注入等离子体时，能够模拟出地球磁尾南北两侧等离子体，当等离子体枪开启时，能够驱动所述地球磁尾南北侧等离子体在磁零点线位置发生三维磁尾磁重联。

进一步的，上述一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置还包括真空腔室，所述真空腔室内部形成真空环境，该真空腔室为不锈钢罐体，真空环境的极限压强为1×10^-4Pa，真空环境的工作压强为10^-2Pa。真空环境内填充有工作气体，工作气体为氢气、氦气、氩气或氮气。

进一步的，上述偶极磁场线圈为“回”字形线圈或圆环形线圈。

进一步的，上述两个磁镜场线圈均为椭圆形线圈，该椭圆形线圈的长径比为1.5。

进一步的，上述LaB₆等离子体源的出射口为矩形，该矩形的长边至少为30cm，且该矩形的长边沿椭圆形线圈的长径方向设置。LaB₆等离子体源的出射口的尺寸为30cm×5cm。LaB₆等离子体源产生的等离子体密度为10¹²cm^-3～10¹³cm^-3。

一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟方法，该方法基于上述一种模拟地球磁尾三维磁重联的地面模拟装置实现，所述地面模拟方法为：