10T分裂式脉冲强磁体的设计与研制

摘要

脉冲强磁场作为一种重要的极端实验条件，为众多基础科学和前沿技术研究提供了越来越多的机遇，而科技的快速发展也对脉冲强磁场技术及装置提出了新的要求。传统高场脉冲磁体一般采用螺线管式结构，结构紧凑稳定但无径向样品观察窗口和衍射通道而无法应用于X射线、散裂中子源等研究领域。为此，在传统磁体设计基础上，本文针对10T异型结构脉冲磁体——分裂式脉冲强磁体在数值分析、设计、制造以及实验等方面开展了系统的研究。 在磁体系统多物理场数值分析方面，本文在充分考虑分裂式脉冲强磁体放电过程中各个物理量间相互影响的基础上，建立了等效电路-电磁场-温度场-结构场等多场数学模型，并基于COMSOL有限元软件实现了耦合数值求解，获得了层匝数、线圈间距、支撑板厚度及电导率等参数对中心区域磁场性能及磁体温升的影响规律，实现了磁体参数的优化设计。 在分裂式磁体支撑结构的力学稳定性研究方面，分析了磁体放电过程中不同支撑结构和电参数下支撑板和支撑柱部件的受力情况，获得了支撑结构类型、支撑板厚度、支撑板电导率、支撑柱直径、数量及支撑点位置等参数对磁体结构稳定性的影响规律。在此基础上完成了分裂式脉冲磁体的整体工装设计。 在分裂式磁体系统平台搭建与实验研究方面，探究了分裂式磁体绕组形式、导线间过渡方式、线圈端面处理等工艺参数对磁体性能的影响，研制了对称型和扩展非对称型两类10T分裂式磁体，并从电磁场、温度场、结构场设计和制造工艺等方面分析了两类磁体的差异。在此基础上开展了放电实验研究，完成了对分裂式脉冲强磁体电流、磁场、温升及变形等相关参数的测量与观测，并结合仿真参数进行了对比分析。

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