近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置

摘要

本发明公开了一种近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置，包括真空泵、真空腔体、电磁波发射机构、可调谐激光器和探测器；真空泵用于调节真空腔体内的真空度；真空腔体内部设有励磁线圈和等离子体产生机构，励磁线圈产生强度可调控的磁场，等离子体产生机构产生等离子体并输送至磁场内；电磁波发射机构设于真空腔体外，电磁波发射机构具有频率和功率可调的功能，电磁波发射机构发送电磁波穿过真空腔体的石英窗送至磁场内；可调谐激光器为照射角度可调结构，探测器为接收角度可调结构，可调谐激光器发送激光穿过磁场与等离子体送至探测器；此装置能够实现多种参数的模拟调节，从而切实解决了现有技术研究功能单一的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体与激光相互作用模拟的技术领域，特别涉及一种近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置。

背景技术

等离子体是一种特殊色散电磁介质，具有高含能(所含自由能密度远远高于其它物质)和多尺度能量动量输运等特性，其与激光、电磁波等物质的相互作用研究对于国民经济和科学技术进步具有重要影响。

空间实验是研究近地空间等离子体环境与激光相互作用最直接的手段，然而，单纯采用空间实验的研究方式开展近地空间等离子体环境与激光相互作用方面的研究在发展过程中也体现出了一定的局限性，例如空间卫星探测花费高昂，同时很难获得全局性的多点观测数据等。

因此，在广泛开展空间在轨实验的同时，建立适当的地面模拟研究装置，开展相关空间科学实验的地面模拟研究，对科学前沿进展和国家重大需求来说都具有重要的科学价值和紧迫的现实意义。由于近地空间等离子体环境与激光相互作用的地面模拟实验具有过程/参数可控、整体演化过程可重复进行、可多点同时测量等优点，因此在理解近地空间等离子体中激光传输的物理过程，提高人类探究近地空间环境演化规律的能力，提升对近地空间等离子体与激光相互作用的认识水平方面具有重要意义。

但是目前国内外设计和建造的近地空间等离子体研究装置只能提供单纯偶极磁场位形和背景等离子体，不具备多种工作条件下近地空间等离子体与激光相互作用的研究功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置，以解决现有技术研究功能单一的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置，包括真空泵、真空腔体、电磁波发射机构、可调谐激光器和探测器；所述真空泵与所述真空腔体的内部连接导通，所述真空泵用于调节所述真空腔体内的真空度；所述真空腔体内部设有励磁线圈和等离子体产生机构，所述励磁线圈与所述等离子体产生机构在竖直方向上相对布置，所述励磁线圈用于产生强度可调控的磁场，所述等离子体产生机构用于产生等离子体输送至所述磁场内；所述真空腔体的侧壁设有石英窗，所述石英窗与所述磁场的位置相对；所述电磁波发射机构设于所述真空腔体外，所述电磁波发射机构具有频率和功率可调的功能，所述电磁波发射机构与所述石英窗相对布置，所述电磁波发射机构用于发送电磁波穿过所述石英窗送至所述磁场内；所述可调谐激光器为照射角度可调结构，所述探测器为接收角度可调结构，所述可调谐激光器和所述探测器均设于所述真空腔体内，所述可调谐激光器和所述探测器分别设于所述磁场相对的两侧外，所述可调谐激光器用于发送激光穿过所述磁场与所述等离子体送至所述探测器。

在其中一个实施例中，所述真空腔体内设有第一支撑架和第二支撑架；所述可调谐激光器与所述第一支撑架之间为转动连接，所述可调谐激光器的转动用于调节对所述磁场的照射角度；所述探测器与所述第二支撑架之间为转动连接，所述探测器的转动用于调节对所述磁场的照射角度。

在其中一个实施例中，所述真空泵用于控制所述真空腔体内的工作真空度为10

在其中一个实施例中，所述励磁线圈用于产生中心强度为1～2T、目标区域强度为100～1000Gs的所述磁场。

在其中一个实施例中，所述等离子体产生机构包括阴极电子发射源和阳极栅网，在从下往上的方向上，所述阴极电子发射源、所述阳极栅网和所述励磁线圈依次排列布置。

在其中一个实施例中，所述等离子体产生机构用于生成密度为10

在其中一个实施例中，所述电磁波发射机构包括天线电源和电子回旋共振天线，所述天线电源与所述电子回旋共振天线供电连接，所述电子回旋共振天线与所述石英窗相对布置。

在其中一个实施例中，所述电子回旋共振天线的频率调节范围为1～20GHz，所述电子回旋共振天线的功率调节范围为1～50kW。

在其中一个实施例中，所述励磁线圈表面覆盖有绝缘涂层。

本发明的有益效果如下：

1、由于所述励磁线圈用于产生强度可调控的磁场，所以励磁线圈能够用于模拟近地空间的地球磁场，与近地空间地球偶极磁场在磁拓扑结构上具有很高的相似度；

2、由于所述电磁波发射机构具有频率和功率可调的功能，所以能够获得在一定范围内可调节的模拟近地空间等离子体；

3、采用可调谐激光器作为激光束的产生装置，获得在一定范围内可以连续改变输出波长的激光束，激光束穿越等离子体产生相位、波前等物理信息的变化，用于不同条件下的地面实验模拟研究；

4、由于所述可调谐激光器为照射角度可调结构，所述探测器为接收角度可调结构，所以通过改变可调谐激光器及探测器的空间位置，可以获得不同传输路径下激光束在模拟近地空间等离子体中的传输特性，用于研究传输路径对激光与近地空间等离子体相互作用的影响规律；

5、由于所述真空泵用于调节所述真空腔体内的真空度，所以根据空间-地面实验的相似性定标关系，通过改变真空腔内的背景气体压强、气体组分等参数，可以研究气压、气体组分等参数对于激光与近地空间等离子体相互作用的影响规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置实施例提供的结构示意图。

附图标记如下：

10、真空泵；

20、真空腔体；21、励磁线圈；22、等离子体产生机构；221、阴极电子发射源；222、阳极栅网；223、等离子体；23、磁场；24、石英窗；251、第一支撑架；252、第二支撑架；

30、电磁波发射机构；31、天线电源；32、电子回旋共振天线；

40、可调谐激光器；

50、探测器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供了一种近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置，其实施例如图1所示，包括真空泵10、真空腔体20、电磁波发射机构30、可调谐激光器40和探测器50；真空泵10与真空腔体20的内部连接导通，真空泵10用于调节真空腔体20内的真空度；真空腔体20内部设有励磁线圈21和等离子体产生机构22，励磁线圈21与等离子体产生机构22在竖直方向上相对布置，励磁线圈21用于产生强度可调控的磁场23，等离子体产生机构22用于产生等离子体223输送至磁场23内；真空腔体20的侧壁设有石英窗24，石英窗24与磁场23的位置相对；电磁波发射机构30设于真空腔体20外，电磁波发射机构30具有频率和功率可调的功能，电磁波发射机构30与石英窗24相对布置，电磁波发射机构30用于发送电磁波穿过石英窗24送至磁场23内；可调谐激光器40为照射角度可调结构，探测器50为接收角度可调结构，可调谐激光器40和探测器50均设于真空腔体20内，可调谐激光器40和探测器50分别设于磁场23相对的两侧外，可调谐激光器40用于发送激光穿过磁场23与等离子体223送至探测器50。

工作时先根据空间与地面实验的相似性定标关系确定磁场23强度、等离子体223密度、激光波长等关键参数，然后给励磁线圈21通电，产生磁场23大小满足实验需求的模拟近地空间地球磁场位形。之后打开电磁波发射机构30，透过石英窗24将电磁波发射到磁场23中，对磁场23中产生的模拟近地空间的等离子体223密度进行调节。此后，设置好可调谐激光器40的配置参数，调节好可调谐激光器40和探测器50的空间位置并打开可调谐激光器40，获得波长满足实验要求的激光束，并使其通过目标等离子体223区域。采用探测器50接收该激光束，并对结果进行分析处理，从而获得近地空间等离子体223与激光相互作用的研究规律。

综上可知，此方案至少具备以下有益效果：

1、励磁线圈21能够用于模拟近地空间的地球磁场，与近地空间地球偶极磁场在磁拓扑结构上具有很高的相似度；

2、能够获得在一定范围内可调节的模拟近地空间等离子体223；

3、采用可调谐激光器40作为激光束的产生装置，获得在一定范围内可以连续改变输出波长的激光束，激光束穿越等离子体223产生相位、波前等物理信息的变化，用于不同条件下的地面实验模拟研究；

4、通过改变可调谐激光器40及探测器50的空间位置，可以获得不同传输路径下激光束在模拟近地空间等离子体223中的传输特性，用于研究传输路径对激光与近地空间等离子体223相互作用的影响规律；

5、根据空间-地面实验的相似性定标关系，通过改变真空腔内的背景气体压强、气体组分等参数，可以研究气压、气体组分等参数对于激光与近地空间等离子体223相互作用的影响规律；其中，工作气体可以是氢气、氦气、氩气，或它们的混合气体。

如图1所示，真空腔体20内设有第一支撑架251和第二支撑架252；可调谐激光器40与第一支撑架251之间为转动连接，可调谐激光器40的转动用于调节对磁场23的照射角度；探测器50与第二支撑架252之间为转动连接，探测器50的转动用于调节对磁场23的照射角度。

从图示可知，此时第一支撑架251设于真空腔体20的左上方，第一支撑架251的右端与可调谐激光器40转动连接，第二支撑架252设于真空腔体20的右下方，第二支架的上方与探测器50转动连接，转动连接的方式可以是铰接、转轴连接、或利用万向转动件等实现，所以在进行应用的过程中，只需相应调节可调谐激光器40和探测器50的转动角度，便可实现各种路径的模拟。

优选的，此实施例的真空泵10用于控制真空腔体20内的工作真空度为10

在采用此设置方式后，使得真空腔体20内能够实现较广范围的真空度调节，以满足不同的实验需求。

优选的，此实施例的励磁线圈21用于产生中心强度为1～2T、目标区域强度为100～1000Gs的磁场23。

在采用此设置方式后，使得磁场23能够实现较广范围的磁场23强度调节，以满足不同的实验需求。

如图1所示，等离子体产生机构22包括阴极电子发射源221和阳极栅网222，在从下往上的方向上，阴极电子发射源221、阳极栅网222和励磁线圈21依次排列布置。

在进行应用时，通过加热阴极电子发射源221发射热电子，热电子通过阳极栅网222的电场加速后进入磁场23内，然后热电子与工作气体(如氢气、氦气、氩气，或它们的混合气体)碰撞电离产生沿磁力线运动的等离子体223。

其中，此时可优选控制等离子体产生机构22用于生成密度为10

如图1所示，电磁波发射机构30包括天线电源31和电子回旋共振天线32，天线电源31与电子回旋共振天线32供电连接，电子回旋共振天线32与石英窗24相对布置。

在进行应用时，所述电磁波发射机构30通过石英窗24将电磁波注入磁场23内，电子回旋共振电磁波在共振磁场23处电离工作气体(氢气、氦气、氩气，或它们的混合气体)产生模拟近地空间等离子体223，且可优选设置电子回旋共振天线32的频率调节范围为1～20GHz，电子回旋共振天线32的功率调节范围为1～50kW，用于通过电磁扰动在不同共振面位置处产生等离子体223密度扰动。

优选的，此实施例还在励磁线圈21表面覆盖有绝缘涂层，以提高励磁线圈21的使用寿命，而且也可以设置励磁线圈21每匝绕线均包含水冷通道，以避免励磁线圈21长期处于高温的工作状态中。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。