脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置及脈沖平頂磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)方法的實(shí)現(xiàn).pdf

1、磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求也越來(lái)越高。因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度越高，對(duì)于物質(zhì)系統(tǒng)的基本粒子狀態(tài)改變?cè)酱螅瑫?huì)有更多更新的科學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)。所以強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)是指磁場(chǎng)強(qiáng)度高過(guò)商用超導(dǎo)磁體所能達(dá)到最高的磁場(chǎng)。強(qiáng)磁場(chǎng)按照工作時(shí)間可分為兩類：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)提供持續(xù)穩(wěn)定磁場(chǎng)

2、；
　　 脈沖磁場(chǎng)提供短時(shí)的高強(qiáng)磁場(chǎng)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)比穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)高。本文將主要討論脈沖磁場(chǎng)建設(shè)相關(guān)課題。脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)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(hào)等，這部分非本文將要討論的內(nèi)容。
　　 脈沖電源有電容器儲(chǔ)能電源、電感儲(chǔ)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(chǔ)能密

3、度電容為儲(chǔ)能器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǔ)能，儲(chǔ)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(chǎng)波形控制的需要。脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)的核心。脈沖磁體的分析和設(shè)計(jì)，必須綜合考慮電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響及三場(chǎng)的綜合作用。磁體中電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流和磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電磁力，使磁體形變，形成應(yīng)力場(chǎng)。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(chǎng)和溫度場(chǎng)是交叉影響的。溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)也相互作用，磁體發(fā)熱，導(dǎo)體膨脹，應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生變化。由此可見(jiàn)，脈沖磁體中各場(chǎng)相互交叉響應(yīng)，物理過(guò)程很復(fù)雜。脈沖磁體的基本原理和物理過(guò)程將在第三章中討論。
　　 脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)各有所長(zhǎng)，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)高，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)穩(wěn)定持久。而某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)磁場(chǎng)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(cè)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(chǎng)優(yōu)點(diǎn)的脈沖平頂磁場(chǎng)，它能提供強(qiáng)度高且在一段時(shí)間穩(wěn)定的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度比穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)高，穩(wěn)定度比脈沖磁場(chǎng)好。本文第四章將致力于研究實(shí)現(xiàn)這種磁場(chǎng)波形的方法。通過(guò)對(duì)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(chǎng):一個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)常規(guī)長(zhǎng)脈沖磁場(chǎng)(稱為主磁場(chǎng))；在主磁場(chǎng)開(kāi)始下降時(shí)，另一線圈(輔磁體)開(kāi)始工作產(chǎn)生輔助磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償主磁場(chǎng)的下降，主輔磁場(chǎng)相互配合形成脈沖平頂磁場(chǎng)。
　　 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(chǎng)，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(chǎng)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(pán)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(pán)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(guò)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