脈沖強磁場裝置及脈沖平頂磁場實現(xiàn)方法的實現(xiàn).pdf

1、磁場可以直接作用于電子或者其他類似的粒子，改變它們的狀態(tài)和行為，是科學領域的重要和基本的研究工具。隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代科學研究對磁場強度的要求也越來越高。因為磁場強度越高，對于物質(zhì)系統(tǒng)的基本粒子狀態(tài)改變越大，會有更多更新的科學現(xiàn)象出現(xiàn)。所以強磁場已經(jīng)成為現(xiàn)代科學研究中的重要工具。
　　 目前，強磁場是指磁場強度高過商用超導磁體所能達到最高的磁場。強磁場按照工作時間可分為兩類：穩(wěn)態(tài)強磁場和脈沖強磁場。穩(wěn)態(tài)強磁場提供持續(xù)穩(wěn)定磁場

2、；
　　 脈沖磁場提供短時的高強磁場，它產(chǎn)生的磁場比穩(wěn)態(tài)磁場高。本文將主要討論脈沖磁場建設相關課題。脈沖強磁場實驗室由三個部分組成:脈沖電源、脈沖磁體和科學實驗設施。其中科學實驗室設施主要為科學實驗服務，包括提供低溫、真空和激光等實驗環(huán)境及采集樣品信號等，這部分非本文將要討論的內(nèi)容。
　　 脈沖電源有電容器儲能電源、電感儲能電源及脈沖發(fā)電機電源等幾種。其中電容器電源和脈沖發(fā)電機電源是最重要的兩種電源，電容器電源以高儲能密

3、度電容為儲能器件，系統(tǒng)結構簡單，建造和使用容易、安全可靠，易于維護；脈沖發(fā)電機電源利用飛輪儲能，儲能密度高，輸出電壓電流波形可依據(jù)需要調(diào)節(jié)，能滿足磁場波形控制的需要。脈沖強磁場的電源系統(tǒng)將在本文的第二章中討論。
　　 脈沖磁體是脈沖強磁場的核心。脈沖磁體的分析和設計，必須綜合考慮電磁場、溫度場和應力場的影響及三場的綜合作用。磁體中電流產(chǎn)生磁場，電流和磁場作用產(chǎn)生的電磁力，使磁體形變，形成應力場。電流在磁體中產(chǎn)生焦耳熱，溫度升高，

4、導體電阻率變化，這又將影響下一刻的電流和發(fā)熱功率(溫升)，所以電磁場和溫度場是交叉影響的。溫度場和應力場也相互作用，磁體發(fā)熱，導體膨脹，應力場將發(fā)生變化。由此可見，脈沖磁體中各場相互交叉響應，物理過程很復雜。脈沖磁體的基本原理和物理過程將在第三章中討論。
　　 脈沖強磁場和穩(wěn)態(tài)強磁場各有所長，脈沖強磁場產(chǎn)生的磁場高，穩(wěn)態(tài)強磁場穩(wěn)定持久。而某些科學實驗對磁場強度和穩(wěn)定度都有要求，如核磁共振 (NMR)實驗和比熱測試實驗等，科學家們

5、提出了結合穩(wěn)態(tài)和脈沖兩種磁場優(yōu)點的脈沖平頂磁場，它能提供強度高且在一段時間穩(wěn)定的磁場，磁場強度比穩(wěn)態(tài)磁場高，穩(wěn)定度比脈沖磁場好。本文第四章將致力于研究實現(xiàn)這種磁場波形的方法。通過對比分析多種方案，本文選定了采用雙線圈磁體的方案實現(xiàn)脈沖平頂磁場:一個線圈實現(xiàn)常規(guī)長脈沖磁場(稱為主磁場)；在主磁場開始下降時，另一線圈(輔磁體)開始工作產(chǎn)生輔助磁場來補償主磁場的下降，主輔磁場相互配合形成脈沖平頂磁場。
　　 為充分利用現(xiàn)有實驗條件得到

6、最高水平的脈沖平頂磁場，整個系統(tǒng)需要深入分析和優(yōu)化。而磁體優(yōu)化設計是整個系統(tǒng)優(yōu)化設計的首要任務。磁體優(yōu)化設計可分為兩步首先，分析磁場的波形(磁體的電慣性)與磁體結構之間的關系，為全盤優(yōu)化設計提供優(yōu)化原則和指導方向；然后，考慮現(xiàn)有實驗條件，全盤綜合考慮電源系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)，使優(yōu)化結果有效、可靠。
　　 經(jīng)過電磁優(yōu)化設計后的磁體，還需要進行應力校驗，若磁體應力不能滿足要求，需重新進行優(yōu)化，直至滿足要求為止。至此，雙線圈磁體的全部理論研