本发明涉及一种大尺度均匀等离子体模拟系统及其模拟方法，属于空间环境模拟与空间环境探测领域。
背景技术：
空间等离子体环境模拟试验技术不仅用以研究空间物理、空间天气学和空间环境等，也是考察研究航天器及其材料与空间等离子体相互作用的基本方法手段。特别是对于空间环境探测类有效载荷(朗缪尔探针、等离子体分析仪、电场探测仪、表面电位分析仪等)，为了正确有效地实验验证与测试评估其工作原理、运行模式、功能和性能等，需要在地面创建大尺度均匀的等离子体环境，用以客观真实地模拟航天器与载荷飞行轨道离子体环境条件。
技术实现要素：
基于空间等离子体环境地面模拟试验技术，依据空间环境探测类有效载荷工作原理和功能性能要求，本发明的目的在于提供一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统及其模拟方法，用以模拟航天器与载荷飞行轨道等离子体环境。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统，所述系统包括：等离子体源、等离子体输出端板、实验舱、实验舱水平亥姆霍兹载流线圈和实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈；其中，等离子体源和实验舱分别等轴连接在等离子体输出端板的两端，实验舱水平亥姆霍兹载流线圈的中心与实验舱的中心在同一竖直方向上，实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈的中心在实验舱的轴线上；实验舱水平亥姆霍兹载流线圈的个数为2个，实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈的个数至少为4个，实验舱内设有真空抽气装置、等离子体诊断装置和磁场测量装置。
进一步的，所述系统还包括源舱、源舱水平亥姆霍兹载流线圈和源舱垂直亥姆霍兹载流线圈，源舱等轴连接在等离子体输出端板和实验舱之间；源舱水平亥姆霍兹载流线圈的中心与源舱的中心在同一竖直方向上，源舱垂直亥姆霍兹载流线圈的中心在源舱的轴线上；源舱水平亥姆霍兹载流线圈的个数为2个，源舱垂直亥姆霍兹载流线圈个数至少为2个；源舱内设有真空抽气装置、等离子体诊断装置和磁场测量装置。
进一步的，所述实验舱采用无磁不锈钢材质，有效直径大于1500mm，有效长度大于3000mm。
进一步的，实验舱内的气体为氩气。
进一步的，所述等离子体源在2h时间尺度内，实验舱内等离子体密度或电子温度的标准偏差小于2％。
进一步的，等离子体输出端板为圆环结构，其端面开有周向均匀分布且径向呈扇形分布的弧形通槽。
进一步的，等离子体输出端板上均匀开出12组弧形通槽，每组弧形通槽含有10段同心圆弧，每段同心圆弧且沿径向呈25°张角扇形分布；内圆弧形通槽的直径为180mm，外圆弧形通槽的直径为360mm，各弧形通槽径向间距为20mm。
进一步的，所述源舱采用无磁不锈钢材质，有效直径大于500mm，有效长度大于1000mm。
一种大尺度均匀等离子体环境模拟方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将大尺度均匀等离子体环境模拟系统沿地磁场水平投影方向放置；
(2)向实验舱水平亥姆霍兹载流线圈和实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈施加电流，当实验舱内中心局域φ500mm×2000mm尺度范围内剩余磁场强度小于500nt，不均匀性小于10％时，获取实验舱消磁相应的电流参数后，停止施加电流；其中，剩余磁场强度和不均匀性通过磁场测量装置测试得到；
(3)开启真空抽气装置，抽真空，使实验舱内本底真空度均优于5×10-5pa量级；
(4)开启等离子体源，调节实验舱内等离子体参数为：离子密度ne的范围为5×109～5×1012ele./m3，离子温度te的范围为500～5000k，静态离子温度ti的范围为500～5000k，漂移态氩离子能量kti为12ev，其中k为波尔兹曼常量；其中，等离子体参数通过等离子体诊断装置测试得到；
(5)根据步骤(2)获取的电流参数，向亥姆霍兹载流线圈施加电流；
(6)维持电流参数和等离子体参数不变，完成对大尺度均匀等离子体环境的模拟。
一种大尺度均匀等离子体环境模拟方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将大尺度均匀等离子体环境模拟系统沿地磁场水平投影方向放置；
(2)向实验舱水平亥姆霍兹载流线圈、实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈、源舱水平亥姆霍兹载流线圈和源舱垂直亥姆霍兹载流线圈施加电流，当实验舱内中心局域φ500mm×2000mm尺度范围内剩余磁场强度小于500nt，不均匀性小于10％，源舱内中心局域φ150mm×500mm尺度范围内剩余磁场强度小于1μt，不均匀性小于25％时，获取实验舱和源舱消磁相应的电流参数后，停止施加电流；其中，剩余磁场强度和不均匀性通过磁场测量装置测试得到；
(3)开启真空抽气装置，抽真空，使实验舱和源舱内本底真空度均优于5×10-5pa量级；
(4)开启等离子体源，调节实验舱内等离子体参数为：离子密度ne的范围为5×109～5×1012ele./m3，离子温度te的范围为500～5000k，静态离子温度ti的范围为500～5000k，漂移态氩离子能量kti为12ev，其中k为波尔兹曼常量；其中，等离子体参数通过等离子体诊断装置测试得到；
(5)根据步骤(2)获取的电流参数，向亥姆霍兹载流线圈施加电流；
(6)维持电流参数和等离子体参数不变，完成对大尺度均匀等离子体环境的模拟。
有益效果
(1)本发明所述的一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统中，采用过渡的源舱可以使进入实验舱的等离子体更加均匀。
(1)本发明所述的一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统中，采用亥姆霍兹(helmholtz)载流线圈，有效减弱或消除了大尺度等离子体环境模拟系统源舱及实验舱内等离子体中荷电粒子
(2)本发明所述的一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统中，采用特殊结构形式的等离子体输出端板，有效提高了源舱和实验舱内等离子体分布径向均匀性，并减小了轴向梯度。
(3)本发明所述的一种大尺度均匀等离子体环境模拟方法，可实现大尺度模拟实验舱内等离子体密度分布径向不均匀性＜10％(φ500mm尺度范围内)，轴向不均匀性＜10％(φ500mm尺度范围内)。
附图说明
图1是本发明大尺度均匀等离子体环境模拟系统示意图。
图2是本发明等离子体输出端板结构示意图。
其中，1－等离子源、2－等离子体输出端板、3－源舱、4－大尺度实验舱、5－实验舱水平亥姆霍兹载流线圈、6－实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈、7－源舱水平亥姆霍兹载流线圈、8－源舱垂直亥姆霍兹载流线圈、9－弧形通槽。
具体实施方式
一种大尺度均匀等离子体环境模拟系统，如图1所示，所述系统包括：等离子体源1、等离子体输出端板2、源舱3、实验舱4、实验舱水平亥姆霍兹载流线圈5、实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈6、源舱水平亥姆霍兹载流线圈7和源舱垂直亥姆霍兹载流线圈8；其中，等离子体源1和源舱3分别等轴连接在等离子体输出端板2的两端，实验舱4与源舱3等轴连接，实验舱水平亥姆霍兹载流线圈5的中心与实验舱4的中心在同一竖直方向上，实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈6的中心在实验舱4的轴线上；源舱水平亥姆霍兹载流线圈7的中心与源舱3的中心在同一竖直方向上，源舱垂直亥姆霍兹载流线圈8的中心在源舱3的轴线上；实验舱水平亥姆霍兹载流线圈5的个数为2个，实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈6的个数为4个，源舱水平亥姆霍兹载流线圈7的个数为2个，源舱垂直亥姆霍兹载流线圈8个数为2个，实验舱4和源舱3内设有真空抽气装置、等离子体诊断装置(朗缪尔探针和阻止势分析仪)和磁场测量装置(三轴磁通门磁场测量仪)。
所述实验舱4采用无磁不锈钢材质，有效直径大于1500mm，有效长度大于3000mm。所述源舱3采用无磁不锈钢材质，有效直径大于500mm，有效长度大于1000mm。
所述实验舱4内的气体为氩气。
所述等离子体源1在2h时间尺度内，实验舱内等离子体密度或电子温度的标准偏差小于2％。
等离子体输出端板2为圆环结构，其端面上均匀开出12组弧形通槽9，每组弧形通槽9含有10段同心圆弧，每段同心圆弧且沿径向呈25°张角扇形分布；内圆弧形通槽的直径为180mm，外圆弧形通槽的直径为360mm，各弧形通槽径向间距为20mm，其结构示意图如图2所示。
一种大尺度均匀等离子体环境模拟方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将大尺度空间等离子体环境模拟系统沿地磁场水平投影方向放置；
(2)向实验舱水平亥姆霍兹载流线圈、实验舱垂直亥姆霍兹载流线圈、源舱水平亥姆霍兹载流线圈和源舱垂直亥姆霍兹载流线圈施加电流，获取实验舱和源舱消磁相应的电流参数后，停止施加电流；
(3)抽真空，使实验舱和源舱内本底真空度均优于5×10-5pa量级；
(4)开启等离子体源，调节实验舱内等离子体参数；
(5)根据步骤(2)获取的电流参数，向亥姆霍兹载流线圈施加电流；向实验舱和源舱亥姆霍兹线圈施加相应的电流，以大幅减弱源舱及实验舱内剩余磁场强度，从而减小或消除等离子体中荷电粒子
依据等离子体及其双极扩散理论，实验舱内等离子体电势分布可用玻尔兹曼公式表示为：
式中，vp-a为实验舱内a点处等离子体电势，vp-r为实验舱内r参考点处等离子体电势，te为等离子体电子温度，e为电子电荷量，ne-a为a点处等离子体电子密度，ne-r为r参考点处等离子体电子密度。
依据公式(1)，由于实验舱内等离子体密度分布客观上存在径向或轴向梯度，必然地，实验舱内等离子体空间电势分布存在相应的径向或轴向梯度，即存在准静态的电场分布。这也可以采用发射探针或朗缪尔探针测试验证。
设实验舱或源舱内某处等离子体准静态电场为
(6)维持电流参数和等离子体参数不变，完成对大尺度均匀等离子体环境的模拟。
其中，步骤(2)中，当实验舱内中心局域φ500mm×2000mm尺度范围内剩余磁场强度小于500nt，不均匀性小于10％，源舱内中心局域φ150mm×500mm尺度范围内剩余磁场强度小于1μt，不均匀性小于25％时停止施加电流。
步骤(4)中，所述试验舱内等离子体参数为：离子密度ne≈5×109～5×1012ele./m3，离子温度te≈500～5000k，静态离子温度ti≈500～5000k，漂移态氩离子能量kti≈12ev，其中k为波尔兹曼常量。
发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。