实验室等离子体中电子尺度的磁场重联研究

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磁场重联是空间等离子体的重要基本物理过程之一。重联发生时相互反向的磁力线彼此靠近,随后断开重新连接,磁力线拓扑位形发生改变,并伴随着磁能快速转换为等离子体热能和动能。作为重要的磁能转化机制,磁场重联在太阳耀斑、日冕物质抛射以及磁层亚爆等爆发性空间现象中扮演着非常重要的角色。因此磁场重联的研究一直都是空间物理学研究的重要部分。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,其中地面实验因其对等离子体的可控性以及测量的全面性、主动性、多点同时及高精度等特点,越来越受到重视。磁场重联的实验研究从上世纪七十年代开始兴起,距今已有近五十年的历史。国际上现有的多个实验装置各有特点,如等离子体产生方式、重联位型及驱动机制各不相同,因此各装置所关注的物理问题也有所侧重。2003年起张寿彪等人基于中国科学技术大学的线性磁化等离子体装置(KLMP),在国内开始磁场重联地面实验探索。从2016年起我们在原有基础上继续在KLMP装置上系统开展磁场重联实验研究。采用氧化物阴极放电方式,沿装置轴向产生直径15cm的均匀、高密度等离子体柱。线圈组产生30G-300G的均匀轴向磁场用于约束等离子体,并可作为重联引导场。重联位型的构建通过两根沿轴向相互平行的导体棒实现,导体棒置于等离子体柱上下两侧,间隔10cm。棒通上同向脉冲电流产生反向磁场位型。在脉冲电流上升阶段,导体棒上产生的磁场向中心区域挤压,驱动磁场重联的发生。实验中磁场重联为电子尺度的无碰撞重联,但由于装置尺度的限制,离子的运动会与电子耦合。本文中对磁场重联的实验研究的主要内容有:(1)磁场重联的实验验证我们在两种放电模式下验证了装置中重联的发生。在常规单阳极放电条件下,通过测量面外电流以及公共通量与私有通量比值的演化,结合磁场在有等离子体情况下与真空情况下的对比,初步证明了磁场重联的发生。通过在装置尾部加装第二阳极,使等离子体柱中携带了背景电流。当背景电流与预期重联电流片电流同向时,面外电流有明显增长,由等离子体密度演化可以观测到两侧明显的出流;当两者反向时,无明显面外电流产生,等离子体密度基本不变且没有明显的出流产生。两种情况下的对比证明了磁场重联的发生,并表明等离子体中的背景电流对重联发生有较大的影响。(2)重联定标率的实验研究。我们自主研制了程控脉冲电源,为导体棒提供电流上升沿边分段可调的脉冲大电流,以期通过改变驱动电流上升沿斜率来改变重联驱动强度,以研究不同驱动下的磁场重联。实验测量到重联入流速度随电流上升沿斜率增大而增大,表明实验中驱动的可调节性。通过测得面外电场与面外电流之比,得到有效电阻率ηeff,发现在重联过程中ηeff-大于计算所得经典电阻率ηc,表明反常电阻的存在。我们使用有效电阻率与经典电阻率之比表示电阻率的反常程度,并以此作为定量描述磁场重联的物理量进行定标率研究。随着重联驱动的增强,ηeff-/ηc也随之增强,但在重联驱动达到一定强度后有饱和趋势。实验中第一阳极上增加栅网,使背景等离子体的电子温度由3.6eV升高至9.2eV,电子碰撞减弱。结果表明,在更弱碰撞下,电阻’反常’特性有明显增强,但随不同驱动的变化趋势与更强碰撞时一致。
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