脈沖強(qiáng)磁場裝置及脈沖平頂磁場實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)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(xué)領(lǐng)域的重要和基本的研究工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)研究對磁場強(qiáng)度的要求也越來越高。因?yàn)榇艌鰪?qiáng)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(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)。所以強(qiáng)磁場已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)研究中的重要工具。
　　 目前，強(qiáng)磁場是指磁場強(qiáng)度高過商用超導(dǎo)磁體所能達(dá)到最高的磁場。強(qiáng)磁場按照工作時(shí)間可分為兩類：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場和脈沖強(qiáng)磁場。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場提供持續(xù)穩(wěn)定磁場

2、；
　　 脈沖磁場提供短時(shí)的高強(qiáng)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(shè)相關(guān)課題。脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室由三個(gè)部分組成:脈沖電源、脈沖磁體和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。其中科學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)施主要為科學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)，包括提供低溫、真空和激光等實(shí)驗(yàn)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(jī)電源等幾種。其中電容器電源和脈沖發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，建造和使用容易、安全可靠，易于維護(hù)；脈沖發(fā)電機(jī)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(qiáng)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(qiáng)磁場的核心。脈沖磁體的分析和設(shè)計(jì)，必須綜合考慮電磁場、溫度場和應(yīng)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(yīng)力場。電流在磁體中產(chǎn)生焦耳熱，溫度升高，

4、導(dǎo)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(yīng)力場也相互作用，磁體發(fā)熱，導(dǎo)體膨脹，應(yīng)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(yīng)，物理過程很復(fù)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(qiáng)磁場和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場各有所長，脈沖強(qiáng)磁場產(chǎn)生的磁場高，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場穩(wěn)定持久。而某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)對磁場強(qiáng)度和穩(wěn)定度都有要求，如核磁共振 (NMR)實(shí)驗(yàn)和比熱測試實(shí)驗(yàn)等，科學(xué)家們

5、提出了結(jié)合穩(wěn)態(tài)和脈沖兩種磁場優(yōu)點(diǎn)的脈沖平頂磁場，它能提供強(qiáng)度高且在一段時(shí)間穩(wěn)定的磁場，磁場強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)脈沖平頂磁場:一個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)常規(guī)長脈沖磁場(稱為主磁場)；在主磁場開始下降時(shí)，另一線圈(輔磁體)開始工作產(chǎn)生輔助磁場來補(bǔ)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(shí)驗(yàn)條件得到

6、最高水平的脈沖平頂磁場，整個(gè)系統(tǒng)需要深入分析和優(yōu)化。而磁體優(yōu)化設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。磁體優(yōu)化設(shè)計(jì)可分為兩步首先，分析磁場的波形(磁體的電慣性)與磁體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為全盤優(yōu)化設(shè)計(jì)提供優(yōu)化原則和指導(dǎo)方向；然后，考慮現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，全盤綜合考慮電源系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)，使優(yōu)化結(jié)果有效、可靠。
　　 經(jīng)過電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)后的磁體，還需要進(jìn)行應(yīng)力校驗(yàn)，若磁體應(yīng)力不能滿足要求，需重新進(jìn)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