空間等離子體磁場重聯過程地面實驗裝置及實驗研究概述

范費彬，謝錦林，陸全明，張喬楓，丁衛星，桑龍龍，孫 玄，鄭 堅

（1.中國科學技術大學 地球和空間科學學院，中國科學院近地空間環境重點實驗室；2.中國科學院 比較行星學卓越創新中心；3.中國科學技術大學 物理學院，中國科學院近地空間環境重點實驗室：合肥230026）

0 引言

空間環境中充滿等離子體，其中發生的物理過程所產生的高能帶電粒子可能對航天器安全造成重要影響。磁場重聯是空間等離子體中的基本物理過程，重聯發生時相互反向的磁力線彼此靠近，隨后磁力線的拓撲位形發生改變，并伴隨著磁能向等離子體熱能和動能的轉化。磁場重聯作為重要的磁能轉化機制，在太陽耀斑、日冕物質拋射以及磁層亞暴等爆發性空間現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間內釋放出高達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。日冕物質拋射可向行星際空間拋射出1011～1013kg 的物質，釋放1023～1025J 的能量[2-3]。磁層亞暴發生在地球磁層中，可以引起整個磁層系統的劇烈變化，一次典型的磁層亞暴期間釋放大約1015J 的磁能[4]。這些爆發現象常常伴隨著高能粒子及輻射的產生，能夠誘發災害性空間環境事件，導致衛星故障、通信中斷等事故[5]。對磁場重聯的深入研究，有助于我們進一步理解這些爆發現象，對空間災害預報以及各種空間探測活動都有重要意義。

1 磁場重聯模型

磁場重聯的概念最初來源于對太陽耀斑的研究，由Giovanelli于1946年提出[6]。隨后，由Sweet[7]和Parker[8]發展出了第一個定量的穩態磁場重聯模型，將磁場重聯近似為一個二維不可壓縮磁流體動力學（MHD）問題，并提出其本質為邊界層問題；通過邊界層分析估算出了重聯的速率。在Sweet-Parker 模型中，兩側等離子體攜帶反向磁力線由入流區向中間區域運動，形成長薄電流片；重聯發生后磁能通過歐姆加熱耗散，轉化為等離子體的熱能和動能；被加熱加速的等離子體隨后向出流區流出，離開擴散區。Sweet-Parker 模型給出了重聯速率R與Lundquist 數S=μ0VAL/η（其中，VA為阿爾芬速率，L為重聯特征尺寸——電流片寬度，η為等離子體電阻率）之間的關系R=1/。但在大多數空間等離子體物理過程中，Lunquist 數都是一個很大的值，對應的重聯速率非常小，不足以解釋空間中的爆發現象。

為了解決Sweet-Parker 模型重聯過慢的問題，Petschek[9]在1964年提出了一個修正后的重聯模型。在這一模型中：擴散區長度被縮短，局限在一個很小的區域中，入流區與出流區被X 型分離線分隔，在出流區邊界及兩側分離線上存在2對楔形慢激波；等離子體不再局限于通過擴散區的歐姆加熱獲得能量，也可以直接通過激波得到加速并進入出流區，重聯速率極大提高，達到了R=1/lnS。

在上面介紹的2個模型中，能量的耗散主要依靠歐姆定律中的電阻項 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域中，等離子體都非常稀薄，其平均自由程遠大于等離子體區域的特征尺度，碰撞頻率遠小于區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，電阻項通常會變得很小，不足以提供解釋空間環境中爆發現象所要求的重聯電場，因此發展出無碰撞磁場重聯模型。

在無碰撞磁場重聯模型中，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動以及兩者之間的耦合。圖1為無碰撞磁場重聯模型示意：由于電子和離子的質量不同，它們會在不同尺度上與磁場解耦，形成一個雙層擴散區結構。灰色區域為尺度較大的離子擴散區，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。在離子擴散區內，離子先行與磁場解耦，不再與磁力線凍結，運動方向由上下兩側向內的入流轉為向左右兩側的出流；而電子在該區域中仍受磁力線影響，沿分離線外側磁力線向X 點方向入流。當電子進入尺度更小的電子擴散區（藍色區域，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，然后沿分離線內側磁力線流出。在離子擴散區中，由于電子和離子的分離運動，會發生電荷分離，產生Hall電流，形成一個四極結構的面外磁場[10]。

圖1 無碰撞磁場重聯模型Fig.1 Collisionless magnetic reconnection model

2 磁場重聯的地面實驗研究

衛星觀測、數值模擬和地面實驗是目前研究磁場重聯的主要手段。衛星觀測通過分析星載儀器測量到的物理參數，來研究真實發生在空間中的磁場重聯。數值模擬則借助計算機，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。這2種研究方法各有其優勢，但也都有一定的限制：衛星觀測只能對衛星軌道上的物理量進行測量，無法對重聯的空間結構進行全面、細致的研究，并且具有隨機性，無法保證衛星軌道能夠穿過重聯區域；數值模擬受制于計算機的性能，目前還無法對磁重聯所包含的微觀和宏觀物理過程的全貌同時進行研究，模擬過程與真實的重聯過程間尚有差距。而磁場重聯的地面實驗由于可以在等離子體裝置中產生真實的磁場重聯，并且其測量具有全面性、主動性、多點同時及高精度等優點，已經成為磁場重聯研究的一種重要手段，越來越受到重視。

磁場重聯的地面實驗研究從20世紀70年代開始興起，已有近50年的歷史。現在國際上已有多個用于磁場重聯研究的成熟實驗裝置。它們各有特點，產生等離子體的方式以及構造重聯位型并驅動重聯發生的方法各不相同，所關注的物理問題也各有側重。加州大學洛杉磯分校的LCD（Large Cathode Device）裝置和普林斯頓等離子體物理國家實驗室的MRX（Magnetic Reconnection eXperiment）裝置為其中最有代表性的裝置。

LCD裝置是最早對磁場重聯進行系統性研究的實驗裝置之一[11]。它是一個線性等離子體裝置，通過氧化物陰極源產生一個大尺度（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。裝置周圍有線圈產生12～100 G 的軸向磁場用于約束等離子體柱，并在重聯中作為引導場。其重聯磁場位型的構建是通過在2塊平行導體板上通同向電流，在導體板之間產生反向磁力線（如圖2所示）；導體板上所通電流為脈沖電流，其上升沿和下降沿階段會使磁力線向內擠壓或向外拖曳，進而驅動重聯的發生。

20世紀80年代初期，Stenzel 和Gekelman 等在LCD裝置上對磁場重聯進行了一系列系統性研究，對重聯中的各項參數進行了細致的測量和分析[12]。如圖3(a)所示，他們研究了長薄電流片的快速形成，發現電流片的厚度與軸向磁場的大小成反比，進一步實驗還發現在引導場重聯中電流片會被撕裂為多個磁島[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生在電流片邊界處[13]。圖3(c)展示了實驗中離子的速度分布，通過分析離子的運動以及受力，發現等離子體中的波動對離子的加速有很大的影響[15]。此外，他們還對重聯中電阻率、能量轉換、電流分布等許多問題進行了詳細研究[16-17]。

圖2 LCD裝置重聯位型構建示意[11]Fig.2 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in LCD

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

MRX 裝置（如圖4(a)所示）從20世紀90年代初建成以來，對磁場重聯進行了大量研究，得到了很多重要結果，是最成熟的重聯實驗裝置之一。其為環型裝置，中心有2個相互平行的線圈環，上面同時纏繞著4匝極向場（PF）線圈以及36匝環向場（TF）線圈。TF線圈圍繞環截面螺線纏繞，通上脈沖電流后可在周圍通過感生電場電離出等離子體，產生實驗所需等離子體背景[18-19]。PF線圈沿大環纏繞，中心軸為z軸，通上同向電流之后可以產生2個環之間的重聯反向磁場位型（如圖4(b)所示）。通過改變PF線圈中所通電流，可以實現對重聯驅動的控制。通過改變參數調節等離子體平均自由程，實驗發現中性片形狀隨碰撞強度發生變化，反常電阻率與經典電阻率之比也會隨著碰撞減弱而增大[20]。實驗中還首次觀測到無碰撞重聯中四極結構的面外磁場，證明了重聯中Hall 效應的存在[21]。

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

除LCD和MRX 之外，進行磁場重聯實驗研究的裝置還有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]、麻省理工學院的VTF（Versatile Toroidal Facility）裝置[25]、洛斯阿拉莫斯國家實驗室的RSX（Reconnection Scaling eXperiment）裝置[26]以及威斯康星大學的TREX（new Terrestrial Reconnection EXperiment）裝置[27]等。這些裝置都各有特點，并取得了較好的研究結果。

3 國內磁場重聯實驗研究現狀

國內的磁場重聯地面實驗研究起步較晚，但近年來越來越受到重視。2003年起，張壽彪等基于中國科學技術大學的線性磁化等離子體裝置（KLMP），開始磁場重聯地面實驗探索。經過10多年的發展，現已搭建起較為完善的實驗平臺。

KLMP為線性裝置，其基本結構如圖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個法蘭，以方便實驗的診斷。等離子體由裝置右側氧化物陰極源產生。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 氣后產生等離子體。裝置工作在脈沖模式下，每秒放電1次，產生1個持續20 ms的柱形等離子體。等離子體參數為：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，可以產生0～1000 G 的軸向磁場，用于約束并引導等離子體由源區向后端擴散，并可作磁場重聯實驗中的引導場。

KLMP裝置中磁場重聯位型由2 根沿軸向相互平行的導體棒實現，如圖6所示。導體棒之間間距10 cm，在通上同向脈沖電流后會在中間區域產生反向磁場，形成重聯磁場位型。脈沖電流波形如圖7所示，在上升沿，導體棒中產生的磁場會向中間區域擠壓，驅動重聯發生。驅動電流的電源為專門研制，為研究重聯觸發以及驅動強度對重聯的影響提供保障，可以分別調節上升沿的斜率及持續時間，總電流最大可以達到10 kA。

圖6 KLMP的磁場重聯位型構建示意Fig.6 Schematic diagram of magnetic reconnection structure in KLMP

圖7 KLMP 的磁場重聯驅動脈沖電流波形Fig.7 Waveform of the pulsed magnetic reconnection drive current in KLMP

實驗中主要診斷手段是搭載有磁探針和靜電探針的二維移動探針平臺。磁探針由2個相互垂直的磁線圈組成，用于測量重聯截面內水平和垂直方向的磁場。靜電探針由4個探針頭組成探針組，用于測量等離子體密度、電子溫度以及懸浮電位。這2種探針集成在一個可移動基座上，通過步進電機驅動實現截面內二維移動。由于裝置提供脈沖放電，且重復性很好，可以通過逐點掃描重構出整個截面的參數分布。此外，實驗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高速相機采集了等離子體的可見光分布。

圖8為最近磁場重聯實驗中測量到的離子飽和流、等離子體懸浮電位及磁場拓撲位型隨時間的演化，圖中黑色實線為磁場拓撲位型。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：隨著重聯驅動電流的爬升，磁力線形成了一個典型的重聯X 點型分布；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流出，中心處等離子體逐漸排空。

圖8 實驗測得的離子飽和流、等離子體懸浮電位及磁場拓撲位型隨時間的演化Fig.8 Time evolution of ion saturation current,floating voltageand magnetic field topology

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

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

通過磁場拓撲位型的演化，結合面外電流以及重聯中磁通量隨時間的變化，已經證明在KLMP裝置中實現了磁場重聯[29]。在最新的實驗中，還進一步研究了反常電阻隨重聯驅動的變化以及重聯X 點附近的廣義歐姆定律。

除了KLMP裝置外，國內還有2個正在搭建中的磁場重聯實驗裝置，分別為中國科學技術大學的KRX（Keda magnetic Reconncion eXperiment）裝置以及哈爾濱工業大學的AREX（Asymmetric REconnection eXperiment）裝置[30]。

KRX 裝置的設計基于KLMP裝置的經驗摸索，同樣為線性裝置，其結構如圖10所示。裝置主體真空室長10 m、直徑3 m，裝置內2塊平行導體板通上電流后可在中心產生磁場重聯。等離子體密度預計為1016～1019m-3，電子溫度5～100 eV，對應Lundquist 數最高可達到105。KRX 中，重聯實驗區大小可達到2.5 m×1 m，尺度超過了10di，因此在KRX 裝置中可以同時研究重聯中電子尺度和離子尺度的物理過程；同時，大尺度的真空室極大減小了邊界效應的影響。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光學診斷，如：通過平面激光誘導熒光（PLIF）診斷獲取高時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據；湯姆孫散射可以進行高精度的電子溫度測量。這些先進的診斷方法將幫助KRX 裝置獲得更加可靠、詳細、高精度的重聯相關數據，使其能夠對磁場重聯進行更加精細的研究。

圖10 KRX 裝置設計效果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稱磁場重聯。裝置通過一組特別設計的線圈產生類似于磁層頂的磁場位型，模擬行星際磁場與地磁場的相互作用；通過調節等離子參數與線圈的設置，可以產生不同類型、不同結構的磁場重聯[30]。

4 研究展望

地面實驗是磁場重聯的重要研究手段，在國際上已有數個成熟的實驗裝置進行磁場重聯的研究。國內的磁場重聯實驗研究也在快速發展中，中國科學技術大學的KLMP裝置進行了相應的磁場重聯實驗研究，取得了初步的實驗結果。