[發明專利]空間環境地面模擬等離子體產生裝置及采用該裝置實現的等離子體產生方法

有效

• 申請號: 201610293033.9
• 申請日: 2016-05-05
• 公開（公告）號: CN105836165B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 肖青梅;王志斌;鄂鵬;聶秋月
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00;H05H1/46
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 岳泉清

技術領域

本發明涉及一種可用于模擬空間等離子體環境的地面等離子體產生位置及裝置實現的等離子體產生方法。屬于低溫等離子體的應用技術領域。

背景技術

目前在軌的大部分衛星運行在包含磁暴、亞暴等災害性爆發現象的區域，相應的空間等離子體極端環境嚴重威脅航天器的安全。對于種子電子加速成為殺手電子能量為500keV到幾MeV的相對論電子的加速機制均難以直接通過衛星觀測和目前的數值模擬條件加以解答。近二三十年，隨著等離子體物理的成熟，等離子體源、診斷等技術的發展，實驗室地面模擬手段日趨成熟，可以很方便地改變參數和邊界條件，對特定研究對象重復檢驗，很大程度上指導了理論模型的完善和空間探測任務的規劃，極大地豐富了空間科學的研究手段。如哥倫比亞大學Mauel教授研究團隊設計建設的CTX Collisionless Terrella eXperiment裝置主要研究在偶極磁場下的等離子體基本動力學過程。該裝置通過電子回旋共振加熱ECR產生高能電子，從而形成“人工輻射帶”，在其中觀測到多種漂移共振波drift-resonant wave以及波動所致的徑向粒子隨機輸運過程。麻省理工學院的大尺寸全超導LDX裝置直徑5m、高3m參考哥倫比亞大學CTX裝置建設，相比CTX裝置能實現更高的β值，并且在輻射帶中高能電子的形成機制方面具有更好的研究條件。東京大學的RT-1裝置與LDX較為相似，也采用了超導線圈，主要用于電子能量>1keV的高β值約束以及相關的不穩定性研究。

哈爾濱工業大學擬建立的國家重大科技基礎設施“空間環境地面模擬裝置(SESRI)”中一個重要組成部分為“空間等離子體環境模擬與研究裝置SPERF”，擬通過構建空間等離子體基本物理過程的時空演化規律研究、高能粒子在磁層等離子體環境中的加速過程研究平臺，系統研究相關空間基礎和應用科學問題，以空間等離子體基本過程、極端過程和若干關鍵基礎物理問題研究成果為支撐，建立科學理論體系，為保障航天器可靠活動和通信安全提供重要的理論依據及技術支持。

SPERF主要包括空間等離子體極端環境研究區(HDX)和空間基本等離子體物理問題研究區(HRX)兩個功能區，其中HDX主要研究地球偶極磁場位形下VLF、ULF等波模對輻射帶高能粒子起源、加速、損失和輸運機制等研究。由于地面實驗過程可控、參數可控、整體演化過程可重復進行，因此在理解高能帶電粒子的起源、加速和損失機制方面有著獨特的優勢。但是，由于地面實驗室的空間尺度、時間尺度、各種等離子體參數方面與實際空間環境有巨大差異，因此在地面裝置中對近地空間的極端等離子體過程中的關鍵物理問題進行模擬實驗時，需將實驗結果與衛星觀測、理論分析與數值模擬等各種研究結果緊密結合，才能正確理解空間等離子體極端環境，保障航天活動安全。基于此，HDX依據磁流體相似定標關系對地球同步軌道高度的實際等離子體參數進行定標，在磁流體力學尺度上研究與空間中相關尺度對應的關鍵科學問題。

為了更好模擬空間中等離子體的特性，空間環境地面模擬裝置擬采用電子回旋共振ECR產生等離子體。當微波頻率與電子在磁場中的回旋頻率相等時則發生共振，電子從微波中獲得能量，實現對氣體的電離。電子的回旋頻率與磁場成正比，如式1