電池驅(qū)動長脈沖強(qiáng)磁場的理論、設(shè)計(jì)、工藝與實(shí)現(xiàn).pdf

1、強(qiáng)磁場作為一種極端條件,對物質(zhì)的作用效果明顯,已成為現(xiàn)代科學(xué)研究中越來越重要的工具。強(qiáng)磁場可分為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場和脈沖強(qiáng)磁場,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場持續(xù)時(shí)間長,但設(shè)備和運(yùn)行成本高,且磁場強(qiáng)度相對較低。脈沖強(qiáng)磁場磁場強(qiáng)度高,但是持續(xù)時(shí)間短,無法滿足某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求,且短脈沖條件下信號的測量較為困難。長脈沖強(qiáng)磁場結(jié)合了脈沖磁場磁場強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)磁場持續(xù)時(shí)間上的雙重的優(yōu)勢,能進(jìn)一步拓展強(qiáng)磁場在科學(xué)上的應(yīng)用,具有重要的科學(xué)意義。
　　目前常用的脈沖強(qiáng)磁場電源

2、包括電容器儲能電源和脈沖發(fā)電機(jī)型電源。電容器儲能密度較低,場地和成本投入大,因此更適合驅(qū)動短脈沖磁體。脈沖發(fā)電機(jī)電源能量大,且可控性好,但是控制復(fù)雜,且輸出紋波難以去除。而蓄電池電源能量大,且輸出為直流,不存在紋波問題。本文提出采用蓄電池組作為長脈沖強(qiáng)磁場的電源。
　　論文首先對鉛酸蓄電池脈沖高倍率放電進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。測試了鉛酸蓄電池的脈沖高倍率放電極限性能,對放電的電流、電壓以及內(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實(shí)際測試。隨機(jī)選取一只蓄

3、電池進(jìn)行了持續(xù)性放電,以測試其對脈沖高倍率放電的承受能力,進(jìn)一步驗(yàn)證蓄電池組脈沖電源建設(shè)的可行性。
　　脈沖磁體是脈沖強(qiáng)磁場裝置的核心。結(jié)合蓄電池脈沖放電參數(shù),作者進(jìn)行了長脈沖磁體與電源的組合優(yōu)化研究。針對長脈沖磁體最為關(guān)鍵的溫升問題,分析了磁體形狀和體積與磁體溫升之間的關(guān)系,揭示增大體積降低溫升的方法和電源容量之間的矛盾關(guān)系。結(jié)合蓄電池供電電路進(jìn)行了脈沖磁體的電、磁、熱多物理場耦合分析,研究溫升導(dǎo)致的參數(shù)變化對放電過程和磁場波形

4、的影響,提出通過控制磁體溫升改善長脈沖磁場波形的方案。
　　根據(jù)本文長脈沖磁體設(shè)計(jì)理論,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套40T長脈沖磁體和電源方案。由于長脈沖磁體電源電壓低,電流持續(xù)時(shí)間長,導(dǎo)致導(dǎo)體截面積增大,帶來了磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工上的問題。本文引入水冷磁體的helix線圈結(jié)構(gòu),并根據(jù)脈沖磁體的特點(diǎn)對helix線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。將水冷通道改為優(yōu)化了的層間加固,并將線圈端部閉合回路切開以避免感應(yīng)渦流所帶來的電磁力。
　　脈沖磁體能否正常工作

5、以及所能達(dá)到的最高磁場強(qiáng)度指標(biāo),很大程度上取決于磁體加工制造過程,工藝上的任何一點(diǎn)小缺陷都有可能導(dǎo)致脈沖磁體的破壞或壽命縮短。針對helix內(nèi)線圈在加工、絕緣、加固以及組裝等環(huán)節(jié)上的問題,本文都提出了相應(yīng)的解決辦法。對銅皮外線圈的電極焊接以及繞制過程也進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
　　作者在國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心(籌)完成了整套長脈沖強(qiáng)磁場裝置的建設(shè)和調(diào)試工作。本文還將對整個裝置系統(tǒng)的構(gòu)成以及其他關(guān)鍵部件進(jìn)行介紹,并給出電源和磁體的最終測試