空間等離子體磁場重聯(lián)過程地面實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)研究概述

范費(fèi)彬，謝錦林，陸全明，張喬楓，丁衛(wèi)星，桑龍龍，孫 玄，鄭 堅(jiān)

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院，中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中國科學(xué)院 比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：合肥230026）

0 引言

空間環(huán)境中充滿等離子體，其中發(fā)生的物理過程所產(chǎn)生的高能帶電粒子可能對(duì)航天器安全造成重要影響。磁場重聯(lián)是空間等離子體中的基本物理過程，重聯(lián)發(fā)生時(shí)相互反向的磁力線彼此靠近，隨后磁力線的拓?fù)湮恍伟l(fā)生改變，并伴隨著磁能向等離子體熱能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。磁場重聯(lián)作為重要的磁能轉(zhuǎn)化機(jī)制，在太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射以及磁層亞暴等爆發(fā)性空間現(xiàn)象中都扮演著非常重要的角色[1]。太陽耀斑能在幾分鐘到幾十分鐘的時(shí)間內(nèi)釋放出高達(dá)1026J 的能量，引起等離子體的加熱加速及各種電磁和粒子輻射的突然增強(qiáng)。日冕物質(zhì)拋射可向行星際空間拋射出1011～1013kg 的物質(zhì)，釋放1023～1025J 的能量[2-3]。磁層亞暴發(fā)生在地球磁層中，可以引起整個(gè)磁層系統(tǒng)的劇烈變化，一次典型的磁層亞暴期間釋放大約1015J 的磁能[4]。這些爆發(fā)現(xiàn)象常常伴隨著高能粒子及輻射的產(chǎn)生，能夠誘發(fā)災(zāi)害性空間環(huán)境事件，導(dǎo)致衛(wèi)星故障、通信中斷等事故[5]。對(duì)磁場重聯(lián)的深入研究，有助于我們進(jìn)一步理解這些爆發(fā)現(xiàn)象，對(duì)空間災(zāi)害預(yù)報(bào)以及各種空間探測活動(dòng)都有重要意義。

1 磁場重聯(lián)模型

磁場重聯(lián)的概念最初來源于對(duì)太陽耀斑的研究，由Giovanelli于1946年提出[6]。隨后，由Sweet[7]和Parker[8]發(fā)展出了第一個(gè)定量的穩(wěn)態(tài)磁場重聯(lián)模型，將磁場重聯(lián)近似為一個(gè)二維不可壓縮磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）問題，并提出其本質(zhì)為邊界層問題；通過邊界層分析估算出了重聯(lián)的速率。在Sweet-Parker 模型中，兩側(cè)等離子體攜帶反向磁力線由入流區(qū)向中間區(qū)域運(yùn)動(dòng)，形成長薄電流片；重聯(lián)發(fā)生后磁能通過歐姆加熱耗散，轉(zhuǎn)化為等離子體的熱能和動(dòng)能；被加熱加速的等離子體隨后向出流區(qū)流出，離開擴(kuò)散區(qū)。Sweet-Parker 模型給出了重聯(lián)速率R與Lundquist 數(shù)S=μ0VAL/η（其中，VA為阿爾芬速率，L為重聯(lián)特征尺寸——電流片寬度，η為等離子體電阻率）之間的關(guān)系R=1/。但在大多數(shù)空間等離子體物理過程中，Lunquist 數(shù)都是一個(gè)很大的值，對(duì)應(yīng)的重聯(lián)速率非常小，不足以解釋空間中的爆發(fā)現(xiàn)象。

為了解決Sweet-Parker 模型重聯(lián)過慢的問題，Petschek[9]在1964年提出了一個(gè)修正后的重聯(lián)模型。在這一模型中：擴(kuò)散區(qū)長度被縮短，局限在一個(gè)很小的區(qū)域中，入流區(qū)與出流區(qū)被X 型分離線分隔，在出流區(qū)邊界及兩側(cè)分離線上存在2對(duì)楔形慢激波；等離子體不再局限于通過擴(kuò)散區(qū)的歐姆加熱獲得能量，也可以直接通過激波得到加速并進(jìn)入出流區(qū)，重聯(lián)速率極大提高，達(dá)到了R=1/lnS。

在上面介紹的2個(gè)模型中，能量的耗散主要依靠歐姆定律中的電阻項(xiàng) ηj，其中等離子體電阻率η正比于碰撞頻率vei。在絕大部分空間等離子體區(qū)域中，等離子體都非常稀薄，其平均自由程遠(yuǎn)大于等離子體區(qū)域的特征尺度，碰撞頻率遠(yuǎn)小于區(qū)域中的等離子體頻率，因此可以視為無碰撞等離子體。在這種情況下，電阻項(xiàng)通常會(huì)變得很小，不足以提供解釋空間環(huán)境中爆發(fā)現(xiàn)象所要求的重聯(lián)電場，因此發(fā)展出無碰撞磁場重聯(lián)模型。

在無碰撞磁場重聯(lián)模型中，將等離子體看成由電子流體和離子流體2種成分組成，分別討論它們各自的運(yùn)動(dòng)以及兩者之間的耦合。圖1為無碰撞磁場重聯(lián)模型示意：由于電子和離子的質(zhì)量不同，它們會(huì)在不同尺度上與磁場解耦，形成一個(gè)雙層擴(kuò)散區(qū)結(jié)構(gòu)?；疑珔^(qū)域?yàn)槌叨容^大的離子擴(kuò)散區(qū)，其大小通常與離子慣性長度di=c/ωPi（其中，c為光速，ωPi為離子等離子體頻率）相當(dāng)。在離子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，離子先行與磁場解耦，不再與磁力線凍結(jié)，運(yùn)動(dòng)方向由上下兩側(cè)向內(nèi)的入流轉(zhuǎn)為向左右兩側(cè)的出流；而電子在該區(qū)域中仍受磁力線影響，沿分離線外側(cè)磁力線向X 點(diǎn)方向入流。當(dāng)電子進(jìn)入尺度更小的電子擴(kuò)散區(qū)（藍(lán)色區(qū)域，大小約為電子慣性長度de=c/ωPe，其中ωPe為電子等離子體頻率。）后，將與磁場解耦并被加速，然后沿分離線內(nèi)側(cè)磁力線流出。在離子擴(kuò)散區(qū)中，由于電子和離子的分離運(yùn)動(dòng)，會(huì)發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生Hall電流，形成一個(gè)四極結(jié)構(gòu)的面外磁場[10]。

圖1 無碰撞磁場重聯(lián)模型Fig.1 Collisionless magnetic reconnection model

2 磁場重聯(lián)的地面實(shí)驗(yàn)研究

衛(wèi)星觀測、數(shù)值模擬和地面實(shí)驗(yàn)是目前研究磁場重聯(lián)的主要手段。衛(wèi)星觀測通過分析星載儀器測量到的物理參數(shù)，來研究真實(shí)發(fā)生在空間中的磁場重聯(lián)。數(shù)值模擬則借助計(jì)算機(jī)，通過一定的算法自洽地得到物理量的演化，來研究磁場重聯(lián)。這2種研究方法各有其優(yōu)勢，但也都有一定的限制：衛(wèi)星觀測只能對(duì)衛(wèi)星軌道上的物理量進(jìn)行測量，無法對(duì)重聯(lián)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面、細(xì)致的研究，并且具有隨機(jī)性，無法保證衛(wèi)星軌道能夠穿過重聯(lián)區(qū)域；數(shù)值模擬受制于計(jì)算機(jī)的性能，目前還無法對(duì)磁重聯(lián)所包含的微觀和宏觀物理過程的全貌同時(shí)進(jìn)行研究，模擬過程與真實(shí)的重聯(lián)過程間尚有差距。而磁場重聯(lián)的地面實(shí)驗(yàn)由于可以在等離子體裝置中產(chǎn)生真實(shí)的磁場重聯(lián)，并且其測量具有全面性、主動(dòng)性、多點(diǎn)同時(shí)及高精度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為磁場重聯(lián)研究的一種重要手段，越來越受到重視。

磁場重聯(lián)的地面實(shí)驗(yàn)研究從20世紀(jì)70年代開始興起，已有近50年的歷史?，F(xiàn)在國際上已有多個(gè)用于磁場重聯(lián)研究的成熟實(shí)驗(yàn)裝置。它們各有特點(diǎn)，產(chǎn)生等離子體的方式以及構(gòu)造重聯(lián)位型并驅(qū)動(dòng)重聯(lián)發(fā)生的方法各不相同，所關(guān)注的物理問題也各有側(cè)重。加州大學(xué)洛杉磯分校的LCD（Large Cathode Device）裝置和普林斯頓等離子體物理國家實(shí)驗(yàn)室的MRX（Magnetic Reconnection eXperiment）裝置為其中最有代表性的裝置。

LCD裝置是最早對(duì)磁場重聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)性研究的實(shí)驗(yàn)裝置之一[11]。它是一個(gè)線性等離子體裝置，通過氧化物陰極源產(chǎn)生一個(gè)大尺度（直徑1 m、長度2 m）的均勻等離子體柱，等離子體密度ne約為1018m-3，電子溫度Te約為10 eV。裝置周圍有線圈產(chǎn)生12～100 G 的軸向磁場用于約束等離子體柱，并在重聯(lián)中作為引導(dǎo)場。其重聯(lián)磁場位型的構(gòu)建是通過在2塊平行導(dǎo)體板上通同向電流，在導(dǎo)體板之間產(chǎn)生反向磁力線（如圖2所示）；導(dǎo)體板上所通電流為脈沖電流，其上升沿和下降沿階段會(huì)使磁力線向內(nèi)擠壓或向外拖曳，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)重聯(lián)的發(fā)生。

20世紀(jì)80年代初期，Stenzel 和Gekelman 等在LCD裝置上對(duì)磁場重聯(lián)進(jìn)行了一系列系統(tǒng)性研究，對(duì)重聯(lián)中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的測量和分析[12]。如圖3(a)所示，他們研究了長薄電流片的快速形成，發(fā)現(xiàn)電流片的厚度與軸向磁場的大小成反比，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在引導(dǎo)場重聯(lián)中電流片會(huì)被撕裂為多個(gè)磁島[13-14]。在電流片兩端電子溫度顯著升高（見圖3(b)），證明電子加熱主要發(fā)生在電流片邊界處[13]。圖3(c)展示了實(shí)驗(yàn)中離子的速度分布，通過分析離子的運(yùn)動(dòng)以及受力，發(fā)現(xiàn)等離子體中的波動(dòng)對(duì)離子的加速有很大的影響[15]。此外，他們還對(duì)重聯(lián)中電阻率、能量轉(zhuǎn)換、電流分布等許多問題進(jìn)行了詳細(xì)研究[16-17]。

圖2 LCD裝置重聯(lián)位型構(gòu)建示意[11]Fig.2 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in LCD

圖3 LCD裝置上的磁場重聯(lián)研究結(jié)果示例[12-14]Fig.3 Experimental results of magnetic reconnection in LCD

MRX 裝置（如圖4(a)所示）從20世紀(jì)90年代初建成以來，對(duì)磁場重聯(lián)進(jìn)行了大量研究，得到了很多重要結(jié)果，是最成熟的重聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置之一。其為環(huán)型裝置，中心有2個(gè)相互平行的線圈環(huán)，上面同時(shí)纏繞著4匝極向場（PF）線圈以及36匝環(huán)向場（TF）線圈。TF線圈圍繞環(huán)截面螺線纏繞，通上脈沖電流后可在周圍通過感生電場電離出等離子體，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需等離子體背景[18-19]。PF線圈沿大環(huán)纏繞，中心軸為z軸，通上同向電流之后可以產(chǎn)生2個(gè)環(huán)之間的重聯(lián)反向磁場位型（如圖4(b)所示）。通過改變PF線圈中所通電流，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重聯(lián)驅(qū)動(dòng)的控制。通過改變參數(shù)調(diào)節(jié)等離子體平均自由程，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中性片形狀隨碰撞強(qiáng)度發(fā)生變化，反常電阻率與經(jīng)典電阻率之比也會(huì)隨著碰撞減弱而增大[20]。實(shí)驗(yàn)中還首次觀測到無碰撞重聯(lián)中四極結(jié)構(gòu)的面外磁場，證明了重聯(lián)中Hall 效應(yīng)的存在[21]。

圖4 MRX 裝置及其重聯(lián)位型示意Fig.4 MRX device and illustration of magnetic reconnection

除LCD和MRX 之外，進(jìn)行磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究的裝置還有TS-3[22]（Todai Spheromak 3）及SSX[23]（Swarthmore Spheromak eXperiment）球馬克裝置、俄羅斯的CS-3D（Current Sheet-3D）裝置[24]、麻省理工學(xué)院的VTF（Versatile Toroidal Facility）裝置[25]、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的RSX（Reconnection Scaling eXperiment）裝置[26]以及威斯康星大學(xué)的TREX（new Terrestrial Reconnection EXperiment）裝置[27]等。這些裝置都各有特點(diǎn)，并取得了較好的研究結(jié)果。

3 國內(nèi)磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的磁場重聯(lián)地面實(shí)驗(yàn)研究起步較晚，但近年來越來越受到重視。2003年起，張壽彪等基于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的線性磁化等離子體裝置（KLMP），開始磁場重聯(lián)地面實(shí)驗(yàn)探索。經(jīng)過10多年的發(fā)展，現(xiàn)已搭建起較為完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

KLMP為線性裝置，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。裝置主真空室為長度2 m、直徑25.5 cm 的圓筒，其上每間隔20 cm 開有4個(gè)法蘭，以方便實(shí)驗(yàn)的診斷。等離子體由裝置右側(cè)氧化物陰極源產(chǎn)生。氧化物陰極源為直徑15 cm 的面源，由氧化鋇、氧化鍶和氧化鈣粉末混合噴涂而成。通過在陰極和鄰近的陽極之間施加約40 V 的偏壓，可以從陰極表面發(fā)射約2 A/cm2的高能電子流，高能電子電離背景氣體Ar 氣后產(chǎn)生等離子體。裝置工作在脈沖模式下，每秒放電1次，產(chǎn)生1個(gè)持續(xù)20 ms的柱形等離子體。等離子體參數(shù)為：密度1017～1019m-3，電子溫度3～10 eV，離子溫度約0.5 eV。裝置周圍有12匝線圈，可以產(chǎn)生0～1000 G 的軸向磁場，用于約束并引導(dǎo)等離子體由源區(qū)向后端擴(kuò)散，并可作磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)中的引導(dǎo)場。

KLMP裝置中磁場重聯(lián)位型由2 根沿軸向相互平行的導(dǎo)體棒實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。導(dǎo)體棒之間間距10 cm，在通上同向脈沖電流后會(huì)在中間區(qū)域產(chǎn)生反向磁場，形成重聯(lián)磁場位型。脈沖電流波形如圖7所示，在上升沿，導(dǎo)體棒中產(chǎn)生的磁場會(huì)向中間區(qū)域擠壓，驅(qū)動(dòng)重聯(lián)發(fā)生。驅(qū)動(dòng)電流的電源為專門研制，為研究重聯(lián)觸發(fā)以及驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)重聯(lián)的影響提供保障，可以分別調(diào)節(jié)上升沿的斜率及持續(xù)時(shí)間，總電流最大可以達(dá)到10 kA。

圖6 KLMP的磁場重聯(lián)位型構(gòu)建示意Fig.6 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in KLMP

圖7 KLMP 的磁場重聯(lián)驅(qū)動(dòng)脈沖電流波形Fig.7 Waveform of the pulsed magnetic reconnection drive current in KLMP

實(shí)驗(yàn)中主要診斷手段是搭載有磁探針和靜電探針的二維移動(dòng)探針平臺(tái)。磁探針由2個(gè)相互垂直的磁線圈組成，用于測量重聯(lián)截面內(nèi)水平和垂直方向的磁場。靜電探針由4個(gè)探針頭組成探針組，用于測量等離子體密度、電子溫度以及懸浮電位。這2種探針集成在一個(gè)可移動(dòng)基座上，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)截面內(nèi)二維移動(dòng)。由于裝置提供脈沖放電，且重復(fù)性很好，可以通過逐點(diǎn)掃描重構(gòu)出整個(gè)截面的參數(shù)分布。此外，實(shí)驗(yàn)中還使用回路電場探針和羅戈夫斯基線圈測量了面外電場及面外電流，用Phantom v12.1高速相機(jī)采集了等離子體的可見光分布。

圖8為最近磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)中測量到的離子飽和流、等離子體懸浮電位及磁場拓?fù)湮恍碗S時(shí)間的演化，圖中黑色實(shí)線為磁場拓?fù)湮恍?。離子飽和流正比于等離子體密度，其分布可以看作等離子體密度分布。由圖8可見：隨著重聯(lián)驅(qū)動(dòng)電流的爬升，磁力線形成了一個(gè)典型的重聯(lián)X 點(diǎn)型分布；等離子體密度明顯增加，并且由初始的均勻圓形分布演化為略微傾斜的扁長型分布，之后等離子體向兩側(cè)流出，中心處等離子體逐漸排空。

圖8 實(shí)驗(yàn)測得的離子飽和流、等離子體懸浮電位及磁場拓?fù)湮恍碗S時(shí)間的演化Fig.8 Time evolution of ion saturation current,floating voltageand magnetic field topology

圖9為高速相機(jī)拍攝的等離子體可見光隨時(shí)間的演化。等離子體可見光強(qiáng)度與等離子體密度以及電子溫度有關(guān)，在一定程度上可以表征密度演化。從圖9可以看到，光強(qiáng)的演化趨勢與密度演化非常相似。這些結(jié)果都和磁場重聯(lián)的理論符合[28]。

圖9 等離子體可見光隨時(shí)間的演化Fig.9 Time evolution of visiblelight from plasma

通過磁場拓?fù)湮恍偷难莼?，結(jié)合面外電流以及重聯(lián)中磁通量隨時(shí)間的變化，已經(jīng)證明在KLMP裝置中實(shí)現(xiàn)了磁場重聯(lián)[29]。在最新的實(shí)驗(yàn)中，還進(jìn)一步研究了反常電阻隨重聯(lián)驅(qū)動(dòng)的變化以及重聯(lián)X 點(diǎn)附近的廣義歐姆定律。

除了KLMP裝置外，國內(nèi)還有2個(gè)正在搭建中的磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置，分別為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KRX（Keda magnetic Reconncion eXperiment）裝置以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的AREX（Asymmetric REconnection eXperiment）裝置[30]。

KRX 裝置的設(shè)計(jì)基于KLMP裝置的經(jīng)驗(yàn)摸索，同樣為線性裝置，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。裝置主體真空室長10 m、直徑3 m，裝置內(nèi)2塊平行導(dǎo)體板通上電流后可在中心產(chǎn)生磁場重聯(lián)。等離子體密度預(yù)計(jì)為1016～1019m-3，電子溫度5～100 eV，對(duì)應(yīng)Lundquist 數(shù)最高可達(dá)到105。KRX 中，重聯(lián)實(shí)驗(yàn)區(qū)大小可達(dá)到2.5 m×1 m，尺度超過了10di，因此在KRX 裝置中可以同時(shí)研究重聯(lián)中電子尺度和離子尺度的物理過程；同時(shí)，大尺度的真空室極大減小了邊界效應(yīng)的影響。KRX 裝置中除了常用的探針診斷外，還將使用一些微波和主動(dòng)光學(xué)診斷，如：通過平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）診斷獲取高時(shí)間分辨率的等離子體密度分布以及離子速度分布；基于太赫茲固體源的微波干涉/極化儀可以提供亞毫米空間分辨率的密度和磁場數(shù)據(jù)；湯姆孫散射可以進(jìn)行高精度的電子溫度測量。這些先進(jìn)的診斷方法將幫助KRX 裝置獲得更加可靠、詳細(xì)、高精度的重聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)，使其能夠?qū)Υ艌鲋芈?lián)進(jìn)行更加精細(xì)的研究。

圖10 KRX 裝置設(shè)計(jì)效果Fig.10 Sketch of the KRX facility

AREX（Asymmetric REconnection eXperiment）裝置的主要研制目的是研究地球磁層中的非對(duì)稱磁場重聯(lián)。裝置通過一組特別設(shè)計(jì)的線圈產(chǎn)生類似于磁層頂?shù)拇艌鑫恍?，模擬行星際磁場與地磁場的相互作用；通過調(diào)節(jié)等離子參數(shù)與線圈的設(shè)置，可以產(chǎn)生不同類型、不同結(jié)構(gòu)的磁場重聯(lián)[30]。

4 研究展望

地面實(shí)驗(yàn)是磁場重聯(lián)的重要研究手段，在國際上已有數(shù)個(gè)成熟的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行磁場重聯(lián)的研究。國內(nèi)的磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究也在快速發(fā)展中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的KLMP裝置進(jìn)行了相應(yīng)的磁場重聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究，取得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。