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70T脉冲强磁场磁体低温冷却模型与实验研究

黄志锋  
【摘要】: 脉冲强磁场实验装置主要是为各种极端物性条件下的物理实验提供强磁场的环境,它的低温系统包括磁体冷却低温系统和实验样品冷却低温系统。本文主要针对磁体冷却低温系统部分进行研究。 装置中使用的磁体磁场强度高达70T,导入磁体的脉冲电压为2万伏以上,脉宽为毫秒级。在脉冲期间,一个小小的磁体就会在极短的时间内聚集大量的能量,焦尔热会使磁体温度迅速上升,脉冲过后必须将磁体冷却到原始低温以迎接下一脉冲的到来。磁体的热负荷是间歇性的,故磁体的冷却采用较为经济的液氮浴冷却方式。 本文对磁体的物理模型进行了数学描述及简化,建立了磁体冷却的数学模型,运用数值分析法对数学模型进行了求解,对磁体的冷却过程进行了数值模拟与仿真,得到了磁体的温度场和降温曲线以及所需要的冷却时间,设计制造了两套脉冲强磁场实验装置的主体部分,通过实验验证了理论模型的正确性,并通过对模拟及实验结果的分析提出了对磁体制造的改进意见。 理论分析及实验结果表明,脉冲强磁场装置中磁体的绝缘性要求造成了其散热条件不良,所以脉冲磁体的冷却时间普遍较长,一般需要6到8小时左右,但磁体最内层和最外层的温度几乎一直维持在80K以下,而且最内层具有最大的温度变化率。磁体的冷却过程呈现出先快后慢的趋势,其很大程度上取决于磁体本身的结构而并非传热温差。磁体加固层的降温曲线存在峰值,其温度变化是先升后降。磁体内部具有较好的温度扯平能力,特别是导体层中各处温度在冷却过程的同一时刻中基本一致。为了改善磁体的散热条件,可以考虑将夹紧磁体的加固板部分挖空,让液氮更好地与磁体接触以提高散热效率。


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