一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)艙、兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈、磁通門磁力儀、線圈電源模塊及控制器；其中，所述實(shí)驗(yàn)艙的軸向與所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)所處地磁場(chǎng)的水平分量方向一致；兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈中的每一組都包含多個(gè)線圈，其中一組包含的多個(gè)線圈環(huán)繞于實(shí)驗(yàn)艙的外側(cè)，且線圈中心位于實(shí)驗(yàn)艙的軸線上，另一組包含的多個(gè)線圈分別位于實(shí)驗(yàn)艙的上方和下方，且線圈中心與實(shí)驗(yàn)艙中心在同一豎直方向上；所述亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈由若干金屬板構(gòu)成多邊形結(jié)構(gòu)，相鄰金屬板之間設(shè)有絕緣隔板。本發(fā)明為等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)提供大小和方向可控的磁場(chǎng)信號(hào)。
【專利說(shuō)明】一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，屬于空間環(huán)境模擬

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 地球電離層是由等離子體構(gòu)成的，從六十公里延伸至幾千公里，是地球衛(wèi)星所處 的重要軌道環(huán)境，空間電離層等離子體會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信產(chǎn)生重要影響，還會(huì)對(duì)衛(wèi)星表面產(chǎn)生 充電效應(yīng)，對(duì)空間電離層等離子體特性的研究是宇航技術(shù)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。太陽(yáng)磁暴， 劇烈的地球地質(zhì)活動(dòng)（如地震、火山爆發(fā)等）產(chǎn)生的電磁波傳播到電離層會(huì)引起等離子體 的電子密度、離子密度、電子溫度、懸浮電位等參數(shù)的變化，磁場(chǎng)的存在會(huì)引起等離子體中 帶電粒子產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，而影響到等離子體的分布。另外，由于帶電粒子的運(yùn)動(dòng)切割磁力線 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)造成類似偶極子的虛假電場(chǎng)，影響空間電場(chǎng)探測(cè)儀等設(shè)備對(duì)空間電離 層等離子體電場(chǎng)的測(cè)量。
[0003] 在地面建設(shè)等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是研究空間等離子體特性的重要設(shè)備，而 對(duì)穿過(guò)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的地磁場(chǎng)進(jìn)行充分補(bǔ)償，使艙內(nèi)環(huán)境近似"零"磁場(chǎng)，以減少磁場(chǎng)對(duì)等離 子體分布的影響獲得均勻的等離子體，或者根據(jù)需要產(chǎn)生大小和方向可控的磁場(chǎng)信號(hào)以研 究等離子體與磁場(chǎng)的相互作用，這些是建設(shè)等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須考慮的重要內(nèi) 容。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)中的缺陷，為等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng) 提供大小和方向可控的磁場(chǎng)信號(hào)，為研究分析等離子體與磁場(chǎng)的相互作用機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)條 件，提出一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn) 艙、兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈、磁通門磁力儀、線圈電源模塊及控制器；其中，所述實(shí)驗(yàn)艙的軸 向與所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)所處地磁場(chǎng)的水平分量方向一致；兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈中的每一 組都包含多個(gè)線圈，其中一組包含的多個(gè)線圈環(huán)繞于實(shí)驗(yàn)艙的外側(cè)，且線圈中心位于實(shí)驗(yàn) 艙的軸線上，另一組包含的多個(gè)線圈分別位于實(shí)驗(yàn)艙的上方和下方，且線圈中心與實(shí)驗(yàn)艙 中心在同一堅(jiān)直方向上；所述亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈由若干個(gè)多邊形結(jié)構(gòu)的金屬板構(gòu)成，相鄰 金屬板之間設(shè)有絕緣隔板；所述磁力儀設(shè)置于實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部，控制器與所述磁力儀和線圈 電源模塊分別相連；
[0007] 磁力儀，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)磁場(chǎng)的大小，并將測(cè)量結(jié)果傳輸給控制器；
[0008] 控制器，將測(cè)量結(jié)果與所需磁場(chǎng)大小進(jìn)行比較，生成控制信號(hào)傳輸給線圈電源模 塊；
[0009] 線圈電源模塊，根據(jù)所述控制信號(hào)調(diào)整輸出兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈電流的大小。
[0010] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述多邊形結(jié)構(gòu)為八邊形、十邊形或十二邊形。
[0011] 進(jìn)一步地，本發(fā)明環(huán)繞于實(shí)驗(yàn)艙外側(cè)的線圈為4個(gè)，位于實(shí)驗(yàn)艙的上方和下方的 線圈為2個(gè)。
[0012] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述金屬導(dǎo)體板為鋁板。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的磁場(chǎng)控制方法的示意圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明多邊形亥姆霍茲線圈的連接示意圖。
[0016] 圖1中，1-實(shí)驗(yàn)艙上離子源輸入口，2_水平軸向磁場(chǎng)線圈，3_垂直方向磁場(chǎng)線圈， 4_實(shí)驗(yàn)艙，5-導(dǎo)體板，6-絕緣板，7-固定螺栓。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，所述磁場(chǎng) 模擬系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)艙、兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈、磁通門磁力儀、線圈電源模塊及控制器；其 中，所述實(shí)驗(yàn)艙的軸向與所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)所處地磁場(chǎng)的水平分量方向一致；兩組亥姆霍 茲磁場(chǎng)線圈中的每一組都包含多個(gè)線圈，其中一組所包含的多個(gè)線圈環(huán)繞于實(shí)驗(yàn)艙的外 偵牝且線圈中心位于實(shí)驗(yàn)艙的軸線上，另一組所包含的多個(gè)線圈分別位于實(shí)驗(yàn)艙的上方和 下方，且線圈中心與實(shí)驗(yàn)艙中心在同一堅(jiān)直方向上；所述亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈由若干個(gè)多邊 形結(jié)構(gòu)的金屬板構(gòu)成，相鄰金屬板之間設(shè)有絕緣隔板；所述磁力儀設(shè)置于實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部，控 制器與所述磁力儀和線圈電源模塊分別相連；
[0019] 磁力儀，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)磁場(chǎng)的大小，并將測(cè)量結(jié)果傳輸給控制器；
[0020] 控制器，將測(cè)量結(jié)果與所需磁場(chǎng)大小進(jìn)行比較，生成控制信號(hào)傳輸給線圈電源模 塊；
[0021] 線圈電源模塊，根據(jù)所述控制信號(hào)調(diào)整輸出至兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈電流的大 小。
[0022] 本發(fā)明通過(guò)使磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)艙軸向與該系統(tǒng)所處地磁場(chǎng)的水平分量方向 一致，即地磁場(chǎng)的水平分量在Y方向一致（在圖1中，坐標(biāo)原點(diǎn)0與實(shí)驗(yàn)艙中心重合，Y軸 對(duì)應(yīng)圓柱形實(shí)驗(yàn)艙的軸線，X軸和Z軸分別對(duì)應(yīng)側(cè)向和垂直方向），這樣可以將地磁場(chǎng)的水 平方向分量簡(jiǎn)化為一維控制，并通過(guò)分別設(shè)置在與實(shí)驗(yàn)艙同軸方向上及實(shí)驗(yàn)艙上下方的兩 組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈，產(chǎn)生水平軸向（對(duì)應(yīng)Y軸）和垂直方向（對(duì)應(yīng)Z軸）的磁場(chǎng)信號(hào)，軸 向線圈的中心位于實(shí)驗(yàn)艙的軸線上，垂直方向線圈的中心均與實(shí)驗(yàn)艙中心在同一堅(jiān)直方向 上，這樣便可在實(shí)驗(yàn)艙中心位置產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)。
[0023] 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的主動(dòng)控制，通過(guò)磁通門磁力儀、亥姆霍茲線圈、線圈電源模塊、 控制器形成磁場(chǎng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示，本系統(tǒng)通過(guò)磁通門磁力儀實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)艙內(nèi) 的磁場(chǎng)大小，并將磁場(chǎng)測(cè)量信號(hào)輸入控制器與設(shè)定的所需磁場(chǎng)大小比較，由控制器給電源 輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電源輸出電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的主動(dòng)控制。
[0024] 本發(fā)明針對(duì)大尺寸圓形亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈制作、運(yùn)輸和安裝困難，而矩形線圈產(chǎn) 生的磁場(chǎng)均勻性又相對(duì)較差，為了保證大型磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)艙內(nèi)磁場(chǎng)的均勻性要求，設(shè)計(jì)采 用多邊形結(jié)構(gòu)形式的亥姆霍茲線圈，如圖3所示。該種結(jié)構(gòu)相比矩形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻 性大幅提高，而相比圓形線圈易于制作、運(yùn)輸和安裝，導(dǎo)線采用金屬導(dǎo)體板代替如鋁板，導(dǎo) 體板之間采用絕緣板隔離，各邊組用螺栓連接固定，組裝后再做整個(gè)線圈的外部絕緣。這種 多邊形線圈結(jié)構(gòu)制造方式，導(dǎo)體板同時(shí)起到結(jié)構(gòu)骨架作用，既牢固又減少了線圈的發(fā)熱，能 夠保證線圈連續(xù)不間斷的工作，特別適合于強(qiáng)磁場(chǎng)的大型線圈制造。
[0025] 本發(fā)明方案設(shè)計(jì)采用直流/交流兩種電源供電方式，其中直流電源主要用于對(duì)地 磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)窒趯?shí)驗(yàn)艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)"零"磁環(huán)境，或者根據(jù)需要產(chǎn)生固定大小的磁場(chǎng)信號(hào)， 而交流電源主要用于根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要產(chǎn)生特定變化的磁場(chǎng)信號(hào)，用以研究磁場(chǎng)與等離子體的 相互作用。
[0026] 本發(fā)明磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)步驟包括：
[0027] 1)確定實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)需求，如是否需要抵消地磁場(chǎng)，抵消程度，需要產(chǎn)生的特定磁場(chǎng) 強(qiáng)度和形式，實(shí)驗(yàn)空間范圍和均勻區(qū)大小等指標(biāo)。
[0028] 2)根據(jù)等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)艙的大小、磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻區(qū)范圍等指標(biāo)，確 定水平軸向和垂直方向亥姆霍茲線圈的尺寸和數(shù)量。
[0029] 3)根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，一對(duì)亥姆霍茲線圈在軸向中心產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小為：B = (4/5)3/2y(lNIR，其中，為真空磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，I為線圈電流，R為線圈半徑，由該 公式計(jì)算產(chǎn)生所需磁場(chǎng)的安匝數(shù)（電流I與線圈匝數(shù)N的乘積）。
[0030] 4)選擇確定制作亥姆霍茲線圈的材料，根據(jù)實(shí)際情況確定線圈阻數(shù)，由上步確定 的安匝數(shù)計(jì)算所需要的電流，并計(jì)算線圈電阻，選擇合適的線圈電源模塊。
[0031] 5)根據(jù)等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)所需要測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度、分辨率和頻率等指標(biāo) 選擇確定合適的磁力儀。
[0032] 6)利用磁力儀測(cè)量當(dāng)?shù)氐拇艌?chǎng)大小和方向，確定等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙的擺放 位置和方向。
[0033] 7)構(gòu)建完整的磁場(chǎng)主動(dòng)控制裝置，包括兩組亥姆霍茲線圈（水平軸向和垂直方 向）、磁通門磁力儀、線圈電源模塊及控制器。
[0034] 8)根據(jù)試驗(yàn)需要給控制器輸入磁場(chǎng)強(qiáng)度值B，磁力儀實(shí)際測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度為B' 反饋給控制器，兩個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度之差△ B作為控制量，由控制器給電源施加一個(gè)控制信號(hào)，調(diào) 節(jié)電源輸出電流的大小，使磁力儀測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度B'與所需磁場(chǎng)強(qiáng)度B之差為"零"，此時(shí) 電源輸出保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的主動(dòng)控制。
[0035] 實(shí)例 1
[0036] 以北京當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)為例，垂直方向磁場(chǎng)大小為0. 4618Gs，水平方向磁場(chǎng)大小為 0. 2962Gs，與地理經(jīng)線南北方向的夾角為5° 5Y (偏東），為了在一個(gè)尺寸為Φ1.8ι?Χ5πι 的等離子體環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)艙中心產(chǎn)生最大IGs的磁場(chǎng)，頻率：DC?1kHz，下面對(duì)此 方案進(jìn)行設(shè)計(jì)：
[0037] (一）根據(jù)離子體環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Φ1·8πιΧ5πι的基本尺寸，水平軸向磁場(chǎng)線圈 的直徑必須大于1.8m，另外根據(jù)亥姆霍茲線圈的基本原理要求（兩個(gè)線圈間距等于線圈半 徑），在實(shí)驗(yàn)艙水平軸向上均勻設(shè)置四個(gè)內(nèi)切直徑為2. 5m的十二邊形線圈，兩個(gè)線圈間距 1. 25m，四個(gè)線圈兩兩構(gòu)成亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)，有利于在實(shí)驗(yàn)艙軸向中心產(chǎn)生更加均勻的磁 場(chǎng)。垂直方向上由于實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)限制只能布置兩個(gè)內(nèi)切直徑為5m的十二邊形亥姆霍茲線 圈，相距2. 5m ;
[0038] (二）按照IGs的最大磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和確定的磁場(chǎng)線圈尺寸，由畢奧-薩伐爾定律計(jì)算 得到水平軸向線圈的安匝數(shù)約為50,垂直方向線圈的安匝數(shù)約為25 ;
[0039] (三）水平軸向線圈和垂直方向線圈各設(shè)計(jì)5 0L導(dǎo)線選用截面為8mmX80mm的錯(cuò) 合金板，組成十二邊結(jié)構(gòu)線圈，根據(jù)上步給出的線圈安匝數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)，計(jì)算水平軸向線圈電 流為10A，垂直方向線圈電流為5A。
[0040] (四）選擇輸出電流不小于IOA的電源，為安全考慮，輸出電源電壓不超過(guò)30V ;
[0041] (五）選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量范圍不小于lGs，響應(yīng)頻率不小于IkHz的三軸磁通門磁 力儀用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的傳感器；
[0042](六）設(shè)計(jì)控制器及軟件，用于磁場(chǎng)的主動(dòng)控制；
[0043](七）將實(shí)驗(yàn)艙軸向調(diào)整至水平，并且軸線與地理南北方向夾角成5° 59'(偏東 方向），水平軸向線圈和垂直方向線圈的中心與實(shí)驗(yàn)艙中心重合；
[0044](八）以抵消地磁場(chǎng)為例，設(shè)定控制器水平軸向磁場(chǎng)和垂直方向磁場(chǎng)均為"零"，則 水平軸向線圈和垂直方向線圈分別要產(chǎn)生〇. 2962GS和0. 4618GS的磁場(chǎng)，以抵消當(dāng)?shù)氐卮?場(chǎng)，磁通門磁力儀將實(shí)時(shí)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)反饋給控制，由控制器控制電源的輸 出電流大小產(chǎn)生合適的磁場(chǎng)抵消對(duì)應(yīng)方向的地磁場(chǎng)分量在實(shí)驗(yàn)艙中心創(chuàng)造一個(gè)近似"零" 磁環(huán)境。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng) 包括實(shí)驗(yàn)艙、兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈、磁通門磁力儀、線圈電源模塊及控制器；其中，所述實(shí) 驗(yàn)艙的軸向與所述磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)所處地磁場(chǎng)的水平分量方向一致；兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈 中的每一組都包含多個(gè)線圈，其中一組包含的多個(gè)線圈環(huán)繞于實(shí)驗(yàn)艙的外側(cè)，且線圈中心 位于實(shí)驗(yàn)艙的軸線上，另一組包含的多個(gè)線圈分別位于實(shí)驗(yàn)艙的上方和下方，且線圈中心 與實(shí)驗(yàn)艙中心在同一堅(jiān)直方向上；所述亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈為若干金屬導(dǎo)體板構(gòu)成的多邊形 結(jié)構(gòu)，相鄰金屬導(dǎo)體板之間設(shè)有絕緣隔板；所述磁力儀設(shè)置于實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部，控制器與所述 磁力儀和線圈電源模塊分別相連； 磁力儀，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)磁場(chǎng)的大小，并將測(cè)量結(jié)果傳輸給控制器； 控制器，將測(cè)量結(jié)果與所需磁場(chǎng)大小進(jìn)行比較，生成控制信號(hào)傳輸給線圈電源模塊； 線圈電源模塊，根據(jù)所述控制信號(hào)調(diào)整輸出兩組亥姆霍茲磁場(chǎng)線圈電流的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，其特征在于，所 述多邊形結(jié)構(gòu)為八邊形、十邊形或十二邊形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，其特征在于，環(huán) 繞于實(shí)驗(yàn)艙外側(cè)的線圈為4個(gè)，位于實(shí)驗(yàn)艙的上方和下方的線圈為2個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的磁場(chǎng)模擬系統(tǒng)，其特征在于，所 述金屬導(dǎo)體板為鋁板。
【文檔編號(hào)】B64G7/00GK104260907SQ201410448659
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】王佐磊, 陳燾, 高青松, 雷軍剛, 趙偉 申請(qǐng)人:蘭州空間技術(shù)物理研究所