空间等离子体磁场重联过程地面实验装置及实验研究概述

2020-01-02范费彬谢锦林陆全明张乔枫丁卫星桑龙龙

航天器环境工程 2019年6期

范费彬，谢锦林，陆全明，张乔枫，丁卫星，桑龙龙，孙玄，郑坚

（1.中国科学技术大学地球和空间科学学院，中国科学院近地空间环境重点实验室；2.中国科学院比较行星学卓越创新中心；3.中国科学技术大学物理学院，中国科学院近地空间环境重点实验室：合肥230026）

0 引言

空间环境中充满等离子体，其中发生的物理过程所产生的高能带电粒子可能对航天器安全造成重要影响。磁场重联是空间等离子体中的基本物理过程，重联发生时相互反向的磁力线彼此靠近，随后磁力线的拓扑位形发生改变，并伴随着磁能向等离子体热能和动能的转化。磁场重联作为重要的磁能转化机制，在太阳耀斑、日冕物质抛射以及磁层亚暴等爆发性空间现象中都扮演着非常重要的角色[1]。太阳耀斑能在几分钟到几十分钟的时间内释放出高达1026J 的能量，引起等离子体的加热加速及各种电磁和粒子辐射的突然增强。日冕物质抛射可向行星际空间抛射出1011～1013kg 的物质，释放1023～1025J 的能量[2-3]。磁层亚暴发生在地球磁层中，可以引起整个磁层系统的剧烈变化，一次典型的磁层亚暴期间释放大约1015J 的磁能[4]。这些爆发现象常常伴随着高能粒子及辐射的产生，能够诱发灾害性空间环境事件，导致卫星故障、通信中断等事故[5]。对磁场重联的深入研究，有助于我们进一步理解这些爆发现象，对空间灾害预报以及各种空间探测活动都有重要意义。

1 磁场重联模型

磁场重联的概念最初来源于对太阳耀斑的研究，由Giovanelli于1946年提出[6]。随后，由Sweet[7]和Parker[8]发展出了第一个定量的稳态磁场重联模型，将磁场重联近似为一个二维不可压缩磁流体动力学（MHD）问题，并提出其本质为边界层问题；通过边界层分析估算出了重联的速率。在Sweet-Parker 模型中，两侧等离子体携带反向磁力线由入流区向中间区域运动，形成长薄电流片；重联发生后磁能通过欧姆加热耗散，转化为等离子体的热能和动能；被加热加速的等离子体随后向出流区流出，离开扩散区。Sweet-Parker 模型给出了重联速率R与Lundquist 数S=μ0VAL/η（其中，VA为阿尔芬速率，L为重联特征尺寸——电流片宽度，η为等离子体电阻率）之间的关系R=1/。但在大多数空间等离子体物理过程中，Lunquist 数都是一个很大的值，对应的重联速率非常小，不足以解释空间中的爆发现象。

为了解决Sweet-Parker 模型重联过慢的问题，Petschek[9]在1964年提出了一个修正后的重联模型。在这一模型中：扩散区长度被缩短，局限在一个很小的区域中，入流区与出流区被X 型分离线分隔，在出流区边界及两侧分离线上存在2对楔形慢激波；等离子体不再局限于通过扩散区的欧姆加热获得能量，也可以直接通过激波得到加速并进入出流区，重联速率极大提高，达到了R=1/lnS。

在上面介绍的2个模型中，能量的耗散主要依靠欧姆定律中的电阻项 ηj，其中等离子体电阻率η正比于碰撞频率vei。在绝大部分空间等离子体区域中，等离子体都非常稀薄，其平均自由程远大于等离子体区域的特征尺度，碰撞频率远小于区域中的等离子体频率，因此可以视为无碰撞等离子体。在这种情况下，电阻项通常会变得很小，不足以提供解释空间环境中爆发现象所要求的重联电场，因此发展出无碰撞磁场重联模型。

在无碰撞磁场重联模型中，将等离子体看成由电子流体和离子流体2种成分组成，分别讨论它们各自的运动以及两者之间的耦合。图1为无碰撞磁场重联模型示意：由于电子和离子的质量不同，它们会在不同尺度上与磁场解耦，形成一个双层扩散区结构。灰色区域为尺度较大的离子扩散区，其大小通常与离子惯性长度di=c/ωPi（其中，c为光速，ωPi为离子等离子体频率）相当。在离子扩散区内，离子先行与磁场解耦，不再与磁力线冻结，运动方向由上下两侧向内的入流转为向左右两侧的出流；而电子在该区域中仍受磁力线影响，沿分离线外侧磁力线向X 点方向入流。当电子进入尺度更小的电子扩散区（蓝色区域，大小约为电子惯性长度de=c/ωPe，其中ωPe为电子等离子体频率。）后，将与磁场解耦并被加速，然后沿分离线内侧磁力线流出。在离子扩散区中，由于电子和离子的分离运动，会发生电荷分离，产生Hall电流，形成一个四极结构的面外磁场[10]。

图1 无碰撞磁场重联模型Fig.1 Collisionless magnetic reconnection model

2 磁场重联的地面实验研究

卫星观测、数值模拟和地面实验是目前研究磁场重联的主要手段。卫星观测通过分析星载仪器测量到的物理参数，来研究真实发生在空间中的磁场重联。数值模拟则借助计算机，通过一定的算法自洽地得到物理量的演化，来研究磁场重联。这2种研究方法各有其优势，但也都有一定的限制：卫星观测只能对卫星轨道上的物理量进行测量，无法对重联的空间结构进行全面、细致的研究，并且具有随机性，无法保证卫星轨道能够穿过重联区域；数值模拟受制于计算机的性能，目前还无法对磁重联所包含的微观和宏观物理过程的全貌同时进行研究，模拟过程与真实的重联过程间尚有差距。而磁场重联的地面实验由于可以在等离子体装置中产生真实的磁场重联，并且其测量具有全面性、主动性、多点同时及高精度等优点，已经成为磁场重联研究的一种重要手段，越来越受到重视。

磁场重联的地面实验研究从20世纪70年代开始兴起，已有近50年的历史。现在国际上已有多个用于磁场重联研究的成熟实验装置。它们各有特点，产生等离子体的方式以及构造重联位型并驱动重联发生的方法各不相同，所关注的物理问题也各有侧重。加州大学洛杉矶分校的LCD（Large Cathode Device）装置和普林斯顿等离子体物理国家实验室的MRX（Magnetic Reconnection eXperiment）装置为其中最有代表性的装置。

LCD装置是最早对磁场重联进行系统性研究的实验装置之一[11]。它是一个线性等离子体装置，通过氧化物阴极源产生一个大尺度（直径1 m、长度2 m）的均匀等离子体柱，等离子体密度ne约为1018m-3，电子温度Te约为10 eV。装置周围有线圈产生12～100 G 的轴向磁场用于约束等离子体柱，并在重联中作为引导场。其重联磁场位型的构建是通过在2块平行导体板上通同向电流，在导体板之间产生反向磁力线（如图2所示）；导体板上所通电流为脉冲电流，其上升沿和下降沿阶段会使磁力线向内挤压或向外拖曳，进而驱动重联的发生。

20世纪80年代初期，Stenzel 和Gekelman 等在LCD装置上对磁场重联进行了一系列系统性研究，对重联中的各项参数进行了细致的测量和分析[12]。如图3(a)所示，他们研究了长薄电流片的快速形成，发现电流片的厚度与轴向磁场的大小成反比，进一步实验还发现在引导场重联中电流片会被撕裂为多个磁岛[13-14]。在电流片两端电子温度显著升高（见图3(b)），证明电子加热主要发生在电流片边界处[13]。图3(c)展示了实验中离子的速度分布，通过分析离子的运动以及受力，发现等离子体中的波动对离子的加速有很大的影响[15]。此外，他们还对重联中电阻率、能量转换、电流分布等许多问题进行了详细研究[16-17]。

图2 LCD装置重联位型构建示意[11]Fig.2 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in LCD

图3 LCD装置上的磁场重联研究结果示例[12-14]Fig.3 Experimental results of magnetic reconnection in LCD

MRX 装置（如图4(a)所示）从20世纪90年代初建成以来，对磁场重联进行了大量研究，得到了很多重要结果，是最成熟的重联实验装置之一。其为环型装置，中心有2个相互平行的线圈环，上面同时缠绕着4匝极向场（PF）线圈以及36匝环向场（TF）线圈。TF线圈围绕环截面螺线缠绕，通上脉冲电流后可在周围通过感生电场电离出等离子体，产生实验所需等离子体背景[18-19]。PF线圈沿大环缠绕，中心轴为z轴，通上同向电流之后可以产生2个环之间的重联反向磁场位型（如图4(b)所示）。通过改变PF线圈中所通电流，可以实现对重联驱动的控制。通过改变参数调节等离子体平均自由程，实验发现中性片形状随碰撞强度发生变化，反常电阻率与经典电阻率之比也会随着碰撞减弱而增大[20]。实验中还首次观测到无碰撞重联中四极结构的面外磁场，证明了重联中Hall 效应的存在[21]。

图4 MRX 装置及其重联位型示意Fig.4 MRX device and illustration of magnetic reconnection

除LCD和MRX 之外，进行磁场重联实验研究的装置还有TS-3[22]（Todai Spheromak 3）及SSX[23]（Swarthmore Spheromak eXperiment）球马克装置、俄罗斯的CS-3D（Current Sheet-3D）装置[24]、麻省理工学院的VTF（Versatile Toroidal Facility）装置[25]、洛斯阿拉莫斯国家实验室的RSX（Reconnection Scaling eXperiment）装置[26]以及威斯康星大学的TREX（new Terrestrial Reconnection EXperiment）装置[27]等。这些装置都各有特点，并取得了较好的研究结果。

3 国内磁场重联实验研究现状

国内的磁场重联地面实验研究起步较晚，但近年来越来越受到重视。2003年起，张寿彪等基于中国科学技术大学的线性磁化等离子体装置（KLMP），开始磁场重联地面实验探索。经过10多年的发展，现已搭建起较为完善的实验平台。

KLMP为线性装置，其基本结构如图5所示。装置主真空室为长度2 m、直径25.5 cm 的圆筒，其上每间隔20 cm 开有4个法兰，以方便实验的诊断。等离子体由装置右侧氧化物阴极源产生。氧化物阴极源为直径15 cm 的面源，由氧化钡、氧化锶和氧化钙粉末混合喷涂而成。通过在阴极和邻近的阳极之间施加约40 V 的偏压，可以从阴极表面发射约2 A/cm2的高能电子流，高能电子电离背景气体Ar 气后产生等离子体。装置工作在脉冲模式下，每秒放电1次，产生1个持续20 ms的柱形等离子体。等离子体参数为：密度1017～1019m-3，电子温度3～10 eV，离子温度约0.5 eV。装置周围有12匝线圈，可以产生0～1000 G 的轴向磁场，用于约束并引导等离子体由源区向后端扩散，并可作磁场重联实验中的引导场。

KLMP装置中磁场重联位型由2 根沿轴向相互平行的导体棒实现，如图6所示。导体棒之间间距10 cm，在通上同向脉冲电流后会在中间区域产生反向磁场，形成重联磁场位型。脉冲电流波形如图7所示，在上升沿，导体棒中产生的磁场会向中间区域挤压，驱动重联发生。驱动电流的电源为专门研制，为研究重联触发以及驱动强度对重联的影响提供保障，可以分别调节上升沿的斜率及持续时间，总电流最大可以达到10 kA。

图6 KLMP的磁场重联位型构建示意Fig.6 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in KLMP

图7 KLMP 的磁场重联驱动脉冲电流波形Fig.7 Waveform of the pulsed magnetic reconnection drive current in KLMP

实验中主要诊断手段是搭载有磁探针和静电探针的二维移动探针平台。磁探针由2个相互垂直的磁线圈组成，用于测量重联截面内水平和垂直方向的磁场。静电探针由4个探针头组成探针组，用于测量等离子体密度、电子温度以及悬浮电位。这2种探针集成在一个可移动基座上，通过步进电机驱动实现截面内二维移动。由于装置提供脉冲放电，且重复性很好，可以通过逐点扫描重构出整个截面的参数分布。此外，实验中还使用回路电场探针和罗戈夫斯基线圈测量了面外电场及面外电流，用Phantom v12.1高速相机采集了等离子体的可见光分布。

图8为最近磁场重联实验中测量到的离子饱和流、等离子体悬浮电位及磁场拓扑位型随时间的演化，图中黑色实线为磁场拓扑位型。离子饱和流正比于等离子体密度，其分布可以看作等离子体密度分布。由图8可见：随着重联驱动电流的爬升，磁力线形成了一个典型的重联X 点型分布；等离子体密度明显增加，并且由初始的均匀圆形分布演化为略微倾斜的扁长型分布，之后等离子体向两侧流出，中心处等离子体逐渐排空。

图8 实验测得的离子饱和流、等离子体悬浮电位及磁场拓扑位型随时间的演化Fig.8 Time evolution of ion saturation current,floating voltageand magnetic field topology

图9为高速相机拍摄的等离子体可见光随时间的演化。等离子体可见光强度与等离子体密度以及电子温度有关，在一定程度上可以表征密度演化。从图9可以看到，光强的演化趋势与密度演化非常相似。这些结果都和磁场重联的理论符合[28]。

图9 等离子体可见光随时间的演化Fig.9 Time evolution of visiblelight from plasma

通过磁场拓扑位型的演化，结合面外电流以及重联中磁通量随时间的变化，已经证明在KLMP装置中实现了磁场重联[29]。在最新的实验中，还进一步研究了反常电阻随重联驱动的变化以及重联X 点附近的广义欧姆定律。

除了KLMP装置外，国内还有2个正在搭建中的磁场重联实验装置，分别为中国科学技术大学的KRX（Keda magnetic Reconncion eXperiment）装置以及哈尔滨工业大学的AREX（Asymmetric REconnection eXperiment）装置[30]。

KRX 装置的设计基于KLMP装置的经验摸索，同样为线性装置，其结构如图10所示。装置主体真空室长10 m、直径3 m，装置内2块平行导体板通上电流后可在中心产生磁场重联。等离子体密度预计为1016～1019m-3，电子温度5～100 eV，对应Lundquist 数最高可达到105。KRX 中，重联实验区大小可达到2.5 m×1 m，尺度超过了10di，因此在KRX 装置中可以同时研究重联中电子尺度和离子尺度的物理过程；同时，大尺度的真空室极大减小了边界效应的影响。KRX 装置中除了常用的探针诊断外，还将使用一些微波和主动光学诊断，如：通过平面激光诱导荧光（PLIF）诊断获取高时间分辨率的等离子体密度分布以及离子速度分布；基于太赫兹固体源的微波干涉/极化仪可以提供亚毫米空间分辨率的密度和磁场数据；汤姆孙散射可以进行高精度的电子温度测量。这些先进的诊断方法将帮助KRX 装置获得更加可靠、详细、高精度的重联相关数据，使其能够对磁场重联进行更加精细的研究。