脉冲强磁场装置及脉冲平顶磁场实现方法的实现

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。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 脉冲强磁场电源系统

3 脉冲磁体设计

4 脉冲平顶磁场研究

5 实验研究

6 高场强脉冲平顶波研究

7 全文总结与今后工作展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录