(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210680601.6 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 中山大学 地址 510275 广东省广州市新港西路13 5号 (72)发明人 王志斌　王圣清　钟瑶　 (74)专利代理 机构 广州三环 专利商标代理有限 公司 44202 专利代理师 刘慧丽 (51)Int.Cl. G01N 21/73(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01J 3/28(2006.01) G09B 25/00(2006.01) (54)发明名称 一种极光 等离子体模拟与研究装置 (57)摘要 本发明公开了一种极光等离子体模拟与研 究装置， 其包括真空腔体， 置于真空腔体外的加 速器、 真空泵、 高压气泵和光谱探测器， 以及置于 真空腔体内的励磁线圈、 能量分析仪、 微波测量 装置和静电探针组； 真空泵用于调节真空腔体内 的真空度； 高压气泵用于向真空腔体注入工作气 体； 真励磁线圈用于产生非均匀磁场位型； 加速 器用于产生高能粒子并注入到磁场中； 能量分析 仪用于诊断分析带电粒子能量的数值； 微波测量 装置用于研究极光等离子体与微波的相互影响； 静电探针组用于测量极光等离子体的物理参数； 光谱探测器透过石英窗对极光进行光谱测量。 本 发明能够对多种工况下产生的极光进行探测， 从 而解决现有技术对于极光等离子体特性研究功 能单一的问题。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 115144384 A 2022.10.04 CN 115144384 A 1.一种极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 包括真空腔体、 励磁线圈、 加速器、 真空泵、 高压气泵、 电源、 束流管道、 进气管道、 石英窗、 光谱探测 器、 能量分析仪、 微波测量 装置和静电探针组； 所述真空腔体内注入有工作气体； 所述励磁线圈设有第一励磁线圈和 第二励磁线圈， 所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈沿所述真空腔体的轴向相隔布置在 所述真空腔 体的内部； 所述加速器设置于所述真空腔 体的外部且通过所述束流管道与所述 真空腔体的一端同轴相连， 所述真空腔体在远离所述束流管道的一端设有石英窗， 所述石 英窗的内侧面与所述励磁线圈同轴相对布置； 所述真空泵与所述真空腔体的内部连接导 通； 所述高压气泵用于 向所述真空腔体内注入工作气体， 其设置于所述真空腔体的外部且 通过所述进气管道与所述真空腔 体的内部连接导通， 所述进气管道的出口端伸至靠近所述 石英窗一侧的所述第二励磁线圈的轴心 位置； 所述光谱探测器设置于所述真空腔 体的外部 且与所述石英窗的外侧面同轴相对布置， 用于探测透过所述石英窗的极光等离子体光谱信 息； 所述能量分析仪设置于所述真空腔 体的内部且靠近所述第二励磁线圈面向所述石英窗 的一侧， 用于探测极光等离子体的粒子能量信息； 所述微波测量装置设置于所述真空腔体 的内部且靠近所述第二励磁线圈背离所述石英窗的一侧， 用于测量极光等离子体与微波相 互影响的数据； 所述静电探针组设置于所述真空腔体的内部且靠近所述第二励磁线圈背离 所述石英窗的一侧， 用于探测极光等离子体的物理参数； 所述电源分别与励磁线圈、 加速 器、 真空泵、 高压气泵、 光谱探测器、 能量分析仪、 微波测量装置和静电探针组电连接 。 2.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述真空泵的工 作真空度为10‑5Pa～103Pa。 3.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述励磁线圈通 电后所产生的磁场的中心强度为0.01T～1T。 4.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述加速器工作 时所产生的带电粒子的能量 为0.1Mev～10 0Mev。 5.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述微波测量装 置包括微波发射器和微波接收器， 所述微波发射器和所述微波接收器对称地布置所述真空 腔体的径向两侧； 所述 微波测量装置的电磁波路径 垂直与所述励磁线圈的轴线。 6.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述微波测量装 置的电磁波频率 为100kHz～10GHz。 7.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述光谱探测器 的波段范围为20 0nm～1100nm。 8.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述进气管道上 设有用于调节工作气体进气量的电磁阀。 9.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述工作气体为 氢气、 氦气、 氩气中的一种或者 其任意比例的混合。 10.根据权利要求1所述的极光等离子体模拟与研究装置， 其特征在于， 所述励磁线圈 的表面覆盖有绝 缘涂层， 所述 绝缘涂层的材 料为陶瓷、 聚四氟乙烯、 环氧树脂中的一种。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115144384 A 2一种极光 等离子体模拟与研究装 置 技术领域 [0001]本发明属于极光等离子体模拟与研究技术领域， 具体涉及一种极光等离子体模拟 与研究装置 。 背景技术 [0002]极光是一种发生在 地球高纬 度地区的自然发光放电现象， 由来自太阳风和磁层中 的高能粒子在地球磁场的作用下进入近地空间和大气中的原子相互作用激发产生。 从本质 上看， 极光的产生受到日地相互作用驱动， 是日地活动的直接体现。 对极光开展相关观测研 究工作， 有助于揭示地球对于太阳活动的响应机制， 对研究极光的产生机理和日地活动的 内在规律有着重要影响。 [0003]极光观测主要围绕其空间形态、 能量特性、 频谱结构和时变特性展开， 通过极光光 谱分析， 可以了解沉降粒子来源、 种类和能量通量大小等物理信息， 进而获得有关太阳风和 磁层粒子的特性信息， 可以进一步研究极区电离层在扰动条件 下的动力学演化。 了解极光， 对于了解地球外层空间结构、 掌握空间天气、 减少太阳风暴对地球的影响以及保障飞行器 在外层空间的安全等， 都有着重要的意 义。 [0004]空间环境观测是目前研究极光的最主要的手段。 例如： 通过南北极地面科考站进 行全天空极光观测， 或是发射搭载光谱仪的卫星从地外进行观测。 然而， 现有的空间环境观 测技术成本较高， 且仍无法满足日地研究的需要。 受到低阶数据 处理技术和遥感技术的限 制， 极光光谱数据在其分析、 处 理和利用阶段存在极大浪费。 [0005]因此， 在空间环境观测以外， 建立相关的地面模拟装置， 对极光开展地面模拟研 究， 对于推进人类前沿科学的发展以及解决当下日益严重的气候问题具有重要的科学价 值。 极光不仅是科学研究 的重要课题， 还直接影响到无线电通信、 长电缆通信等许多实用工 程项目。 极光等离子体模拟与研究装置具有实验工况和实验参数可调、 成本低、 实验周期 短、 可重复进行、 可全方位测量等优点。 通过对极光的形成机理以及极光光谱进行研究， 有 助于加深人类对于极光的了解， 提高遭遇极光事件时的响应能力和预防能力， 具有极高的 社会经济价 值。 [0006]现有的极光等离子体地面模拟装置只能模拟极光的光学现象， 不具备极光形成机 理的研究与分析实验功能。 为此， 本发明给出了一种极光等离子体模拟与研究装置的设计 方案， 可以用于在实验室中研究不同工作条件下极光 等离子体的形成与演化过程。 发明内容 [0007]本发明的目的是提供一种极光等离子体模拟与研究装置， 能够对多种工况下产生 的极光进行探测， 从而切实地 解决现有技 术对于极光 等离子体特性研究功能单一的问题。 [0008]为了解决上述 技术问题， 本发明采用的技 术方案如下： [0009]一种极光等离子体模拟与研究装置， 其包括真空腔体、 励 磁线圈、 加速器、 真空泵、 高压气泵、 电源、 束流管道、 进气管道、 石英窗、 光谱探测器、 能量分析仪、 微波测量装置和静说　明　书 1/5 页 3 CN 115144384 A 3