脉冲强磁场装置及脉冲平顶磁场实现方法的研究

【摘要】： 磁场可以直接作用于电子或者其他类似的粒子,改变它们的状态和行为,是科学领域的重要和基本的研究工具。随着科学技术的发展,现代科学研究对磁场强度的要求也越来越高。因为磁场强度越高,对于物质系统的基本粒子状态改变越大,会有更多更新的科学现象出现。所以强磁场已经成为现代科学研究中的重要工具。 目前,强磁场是指磁场强度高过商用超导磁体所能达到最高的磁场。强磁场按照工作时间可分为两类：稳态强磁场和脉冲强磁场。稳态强磁场提供持续稳定磁场；脉冲磁场提供短时的高强磁场,它产生的磁场比稳态磁场高。本文将主要讨论脉冲磁场建设相关课题。脉冲强磁场实验室由三个部分组成：脉冲电源、脉冲磁体和科学实验设施。其中科学实验室设施主要为科学实验服务,包括提供低温、真空和激光等实验环境及采集样品信号等,这部分非本文将要讨论的内容。 脉冲电源有电容器储能电源、电感储能电源及脉冲发电机电源等几种。其中电容器电源和脉冲发电机电源是最重要的两种电源,电容器电源以高储能密度电容为储能器件,系统结构简单,建造和使用容易、安全可靠,易于维护；脉冲发电机电源利用飞轮储能,储能密度高,输出电压电流波形可依据需要调节,能满足磁场波形控制的需要。脉冲强磁场的电源系统将在本文的第二章中讨论。 脉冲磁体是脉冲强磁场的核心。脉冲磁体的分析和设计,必须综合考虑电磁场、温度场和应力场的影响及三场的综合作用。磁体中电流产生磁场,电流和磁场作用产生的电磁力,使磁体形变,形成应力场。电流在磁体中产生焦耳热,温度升高,导体电阻率变化,这又将影响下一刻的电流和发热功率(温升),所以电磁场和温度场是交叉影响的。温度场和应力场也相互作用,磁体发热,导体膨胀,应力场将发生变化。由此可见,脉冲磁体中各场相互交叉响应,物理过程很复杂。脉冲磁体的基本原理和物理过程将在第三章中讨论。 脉冲强磁场和稳态强磁场各有所长,脉冲强磁场产生的磁场高,稳态强磁场稳定持久。而某些科学实验对磁场强度和稳定度都有要求,如核磁共振(NMR)实验和比热测试实验等,科学家们提出了结合稳态和脉冲两种磁场优点的脉冲平顶磁场,它能提供强度高且在一段时间稳定的磁场,磁场强度比稳态磁场高,稳定度比脉冲磁场好。本文第四章将致力于研究实现这种磁场波形的方法。通过对比分析多种方案,本文选定了采用双线圈磁体的方案实现脉冲平顶磁场：一个线圈实现常规长脉冲磁场(称为主磁场)；在主磁场开始下降时,另一线圈(辅磁体)开始工作产生辅助磁场来补偿主磁场的下降,主辅磁场相互配合形成脉冲平顶磁场。 为充分利用现有实验条件得到最高水平的脉冲平顶磁场,整个系统需要深入分析和优化。而磁体优化设计是整个系统优化设计的首要任务。磁体优化设计可分为两步首先,分析磁场的波形(磁体的电惯性)与磁体结构之间的关系,为全盘优化设计提供优化原则和指导方向；然后,考虑现有实验条件,全盘综合考虑电源系统和磁体系统,使优化结果有效、可靠。 经过电磁优化设计后的磁体,还需要进行应力校验,若磁体应力不能满足要求,需重新进行优化,直至满足要求为止。至此,双线圈磁体的全部理论研究工作结束,可以开始绕制磁体。绕制完成的磁体,必须先经过实验测试后,才能进行全面实验。磁体的绕制和测试工作将在第五章中介绍。