一种用于等离子体环境模拟实验的磁场模拟系统

摘要

本发明提供一种用于等离子体环境模拟实验的磁场模拟系统，所述磁场模拟系统包括实验舱、两组亥姆霍兹磁场线圈、磁通门磁力仪、线圈电源模块及控制器；其中，所述实验舱的轴向与所述磁场模拟系统所处地磁场的水平分量方向一致；两组亥姆霍兹磁场线圈中的每一组都包含多个线圈，其中一组包含的多个线圈环绕于实验舱的外侧，且线圈中心位于实验舱的轴线上，另一组包含的多个线圈分别位于实验舱的上方和下方，且线圈中心与实验舱中心在同一竖直方向上；所述亥姆霍兹磁场线圈由若干金属板构成多边形结构，相邻金属板之间设有绝缘隔板。本发明为等离子体环境模拟系统提供大小和方向可控的磁场信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于等离子体环境模拟实验的磁场模拟系统，属于空间环 境模拟技术领域。

背景技术

地球电离层是由等离子体构成的，从六十公里延伸至几千公里，是地球卫 星所处的重要轨道环境，空间电离层等离子体会对卫星通信产生重要影响，还 会对卫星表面产生充电效应，对空间电离层等离子体特性的研究是宇航技术的 一项重要研究内容。太阳磁暴，剧烈的地球地质活动(如地震、火山爆发等) 产生的电磁波传播到电离层会引起等离子体的电子密度、离子密度、电子温度、 悬浮电位等参数的变化，磁场的存在会引起等离子体中带电粒子产生定向运动， 而影响到等离子体的分布。另外，由于带电粒子的运动切割磁力线会产 生一个造成类似偶极子的虚假电场，影响空间电场探测仪等设备对空间电离层 等离子体电场的测量。

在地面建设等离子体环境模拟实验系统是研究空间等离子体特性的重要设 备，而对穿过实验舱内部的地磁场进行充分补偿，使舱内环境近似“零”磁场， 以减少磁场对等离子体分布的影响获得均匀的等离子体，或者根据需要产生大 小和方向可控的磁场信号以研究等离子体与磁场的相互作用，这些是建设等离 子体环境模拟实验系统必须考虑的重要内容。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为克服已有技术中的缺陷，为等离子体环境模 拟系统提供大小和方向可控的磁场信号，为研究分析等离子体与磁场的相互作 用机理提供实验条件，提出一种用于等离子体环境模拟实验的磁场模拟系统。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于等离子体环境模拟实验的磁场模拟系统，所述磁场模拟系统包括 实验舱、两组亥姆霍兹磁场线圈、磁通门磁力仪、线圈电源模块及控制器；其 中，所述实验舱的轴向与所述磁场模拟系统所处地磁场的水平分量方向一致； 两组亥姆霍兹磁场线圈中的每一组都包含多个线圈，其中一组包含的多个线圈 环绕于实验舱的外侧，且线圈中心位于实验舱的轴线上，另一组包含的多个线 圈分别位于实验舱的上方和下方，且线圈中心与实验舱中心在同一竖直方向上； 所述亥姆霍兹磁场线圈由若干个多边形结构的金属板构成，相邻金属板之间设 有绝缘隔板；所述磁力仪设置于实验舱的内部，控制器与所述磁力仪和线圈电 源模块分别相连；

磁力仪，用于测量实验舱内磁场的大小，并将测量结果传输给控制器；

控制器，将测量结果与所需磁场大小进行比较，生成控制信号传输给线圈 电源模块；

线圈电源模块，根据所述控制信号调整输出两组亥姆霍兹磁场线圈电流的 大小。

进一步地，本发明所述多边形结构为八边形、十边形或十二边形。

进一步地，本发明环绕于实验舱外侧的线圈为4个，位于实验舱的上方和 下方的线圈为2个。

进一步地，本发明所述金属导体板为铝板。

附图说明

图1为本发明离子体环境模拟实验系统的示意图。

图2为本发明离子体环境模拟实验系统的磁场控制方法的示意图。

图3为本发明多边形亥姆霍兹线圈的连接示意图。

图1中，1-实验舱上离子源输入口，2-水平轴向磁场线圈，3-垂直方向磁场 线圈，4-实验舱，5-导体板，6-绝缘板，7-固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明一种用于等离子体环境模拟实验的磁场模拟系统，所 述磁场模拟系统包括实验舱、两组亥姆霍兹磁场线圈、磁通门磁力仪、线圈电 源模块及控制器；其中，所述实验舱的轴向与所述磁场模拟系统所处地磁场的 水平分量方向一致；两组亥姆霍兹磁场线圈中的每一组都包含多个线圈，其中 一组所包含的多个线圈环绕于实验舱的外侧，且线圈中心位于实验舱的轴线上， 另一组所包含的多个线圈分别位于实验舱的上方和下方，且线圈中心与实验舱 中心在同一竖直方向上；所述亥姆霍兹磁场线圈由若干个多边形结构的金属板 构成，相邻金属板之间设有绝缘隔板；所述磁力仪设置于实验舱的内部，控制 器与所述磁力仪和线圈电源模块分别相连；

磁力仪，用于测量实验舱内磁场的大小，并将测量结果传输给控制器；

控制器，将测量结果与所需磁场大小进行比较，生成控制信号传输给线圈 电源模块；

线圈电源模块，根据所述控制信号调整输出至两组亥姆霍兹磁场线圈电流 的大小。

本发明通过使磁场模拟系统的实验舱轴向与该系统所处地磁场的水平分量 方向一致，即地磁场的水平分量在Y方向一致(在图1中，坐标原点0与实验 舱中心重合，Y轴对应圆柱形实验舱的轴线，X轴和Z轴分别对应侧向和垂直 方向)，这样可以将地磁场的水平方向分量简化为一维控制，并通过分别设置在 与实验舱同轴方向上及实验舱上下方的两组亥姆霍兹磁场线圈，产生水平轴向 (对应Y轴)和垂直方向(对应Z轴)的磁场信号，轴向线圈的中心位于实验 舱的轴线上，垂直方向线圈的中心均与实验舱中心在同一竖直方向上，这样便 可在实验舱中心位置产生均匀的磁场。

为了实现对磁场的主动控制，通过磁通门磁力仪、亥姆霍兹线圈、线圈电 源模块、控制器形成磁场闭环控制系统，如图2所示，本系统通过磁通门磁力 仪实际测量试验舱内的磁场大小，并将磁场测量信号输入控制器与设定的所需 磁场大小比较，由控制器给电源输出相应的控制信号，控制电源输出电流的大 小，从而实现对磁场的主动控制。

本发明针对大尺寸圆形亥姆霍兹磁场线圈制作、运输和安装困难，而矩形 线圈产生的磁场均匀性又相对较差，为了保证大型磁场模拟系统舱内磁场的均 匀性要求，设计采用多边形结构形式的亥姆霍兹线圈，如图3所示。该种结构 相比矩形线圈产生的磁场均匀性大幅提高，而相比圆形线圈易于制作、运输和 安装，导线采用金属导体板代替如铝板，导体板之间采用绝缘板隔离，各边组 用螺栓连接固定，组装后再做整个线圈的外部绝缘。这种多边形线圈结构制造 方式，导体板同时起到结构骨架作用，既牢固又减少了线圈的发热，能够保证 线圈连续不间断的工作，特别适合于强磁场的大型线圈制造。

本发明方案设计采用直流/交流两种电源供电方式，其中直流电源主要用于 对地磁场进行补偿抵消，在实验舱内实现“零”磁环境，或者根据需要产生固 定大小的磁场信号，而交流电源主要用于根据实验需要产生特定变化的磁场信 号，用以研究磁场与等离子体的相互作用。

本发明磁场模拟系统的主要设计步骤包括：

1)确定实验的磁场需求，如是否需要抵消地磁场，抵消程度，需要产生的 特定磁场强度和形式，实验空间范围和均匀区大小等指标。

2)根据等离子体环境模拟系统实验舱的大小、磁场强度和均匀区范围等指 标，确定水平轴向和垂直方向亥姆霍兹线圈的尺寸和数量。

3)根据毕奥-萨伐尔定律，一对亥姆霍兹线圈在轴向中心产生的磁场大小为： B＝(4/5)^3/2μ₀NIR，其中，μ₀为真空磁导率，N为线圈匝数，I为线圈电流，R 为线圈半径，由该公式计算产生所需磁场的安匝数(电流I与线圈匝数N的乘 积)。

4)选择确定制作亥姆霍兹线圈的材料，根据实际情况确定线圈匝数，由上 步确定的安匝数计算所需要的电流，并计算线圈电阻，选择合适的线圈电源模 块。

5)根据等离子体环境模拟实验舱内所需要测量的磁场强度、分辨率和频率 等指标选择确定合适的磁力仪。

6)利用磁力仪测量当地的磁场大小和方向，确定等离子体环境模拟实验舱 的摆放位置和方向。

7)构建完整的磁场主动控制装置，包括两组亥姆霍兹线圈(水平轴向和垂 直方向)、磁通门磁力仪、线圈电源模块及控制器。

8)根据试验需要给控制器输入磁场强度值B，磁力仪实际测量的磁场强度 为B′反馈给控制器，两个磁场强度之差ΔB作为控制量，由控制器给电源施加 一个控制信号，调节电源输出电流的大小，使磁力仪测得的磁场强度B′与所需 磁场强度B之差为“零”，此时电源输出保持恒定，从而实现对磁场的主动控制。

实例1

以北京当地磁场为例，垂直方向磁场大小为0.4618Gs，水平方向磁场大小 为0.2962Gs，与地理经线南北方向的夹角为5°59′(偏东)，为了在一个尺寸为Φ 1.8m×5m的等离子体环境模拟试验系统实验舱中心产生最大1Gs的磁场，频率： DC～1kHz，下面对此方案进行设计：

(一)根据离子体环境模拟试验系统Φ1.8m×5m的基本尺寸，水平轴向磁 场线圈的直径必须大于1.8m，另外根据亥姆霍兹线圈的基本原理要求(两个线圈 间距等于线圈半径)，在实验舱水平轴向上均匀设置四个内切直径为2.5m的十二 边形线圈，两个线圈间距1.25m，四个线圈两两构成亥姆霍兹线圈结构，有利于 在实验舱轴向中心产生更加均匀的磁场。垂直方向上由于实验舱结构限制只能 布置两个内切直径为5m的十二边形亥姆霍兹线圈，相距2.5m；

(二)按照1Gs的最大磁场设计和确定的磁场线圈尺寸，由毕奥-萨伐尔定 律计算得到水平轴向线圈的安匝数约为50，垂直方向线圈的安匝数约为25；

(三)水平轴向线圈和垂直方向线圈各设计5匝，导线选用截面为 8mm×80mm的铝合金板，组成十二边结构线圈，根据上步给出的线圈安匝数参 数设计，计算水平轴向线圈电流为10A，垂直方向线圈电流为5A。

(四)选择输出电流不小于10A的电源，为安全考虑，输出电源电压不超 过30V；

(五)选择磁场强度测量范围不小于1Gs，响应频率不小于1kHz的三轴磁 通门磁力仪用于测量实验舱内磁场强度的传感器；

(六)设计控制器及软件，用于磁场的主动控制；

(七)将实验舱轴向调整至水平，并且轴线与地理南北方向夹角成5°59′(偏 东方向)，水平轴向线圈和垂直方向线圈的中心与实验舱中心重合；

(八)以抵消地磁场为例，设定控制器水平轴向磁场和垂直方向磁场均为 “零”，则水平轴向线圈和垂直方向线圈分别要产生0.2962Gs和0.4618Gs的磁场， 以抵消当地地磁场，磁通门磁力仪将实时测得的实验舱内的磁场数据反馈给控 制，由控制器控制电源的输出电流大小产生合适的磁场抵消对应方向的地磁场 分量在实验舱中心创造一个近似“零”磁环境。