求任意形状截面无限长直载流螺线管磁场的一种方法

在电磁学中,无限长直载流螺线管的磁场是一个基本与核心的问题,为了得到这一系统的磁场,通常的做法是：先就圆截面情况计算,然后把截面为任意形状无限长直螺线管看成是由无数大大小小的圆截面螺线管叠加而成,由此得到螺线管内的磁场均匀而管外磁场为零的一般结论.这里给出了一种推导截面为任意形状无限长直螺线管内外磁场的直接方法.先计算螺线管表面一窄条的磁场,再算总磁场.这种方法物理图像清楚,数学过程简单,可以在教学中加以应用.     

轴对称磁透镜设计

以中国科学院近代物理研究所正在研制的轴对称磁透镜为例,设计了两种结构的轴对称磁透镜:带屏蔽铁壳的螺线管透镜和极靴形状为锥形的Glaser透镜。带屏蔽铁壳的螺线管透镜产生的轴对称磁场比较均匀,而极靴形状为锥形的Glaser透镜产生的轴对称磁场比较集中。分别采用了两种物理模型计算磁场,同时应用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟,最后从物理和工程角度对这两种透镜作了全面比较,得出带屏蔽铁壳的螺线管透镜结构更符合设计要求。     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb3Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

有限长螺线管磁场均匀性分布的理论分析和可视化研究

采用毕奥-萨伐尔定律,应用矢量叠加原理,具体讨论了长度为L=200 mm的螺线管的磁场分布.首先推导了单个圆形载流线圈的磁场在空间分布的积分公式,然后,利用Python软件求解绘制出了磁感应线,与经典物理教材进行了对比,验证了理论公式和数值计算的正确性.基于单个圆形载流线圈的结果,得到了有限长载流螺线管磁场全空间分布的理论公式,绘制了相应的磁感应线分布图,详细讨论了线圈匝数密度、螺线管长度对磁场空间分布均匀性的影响.发现匝数密度大于1000 m~(-1)时,螺线管在-74 mm≤z≤74 mm范围内的磁场可视为均匀磁场.本文的结果为大学物理和大学物理实验教学提供了可靠、直观清晰的素材.     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb₃Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

无限长密绕螺线管的磁场

在普通物理教材中讲到无限长密绕螺线管的磁场时,多采用安培环路定理,首先认为管外场为0,而后得出管内场均匀且为μ0nI(n为单位长匝数).但对管外场为什么为0多缺乏分析,大学物理83年第一期所载赵凯华同志的文章认为:类似于螺绕环,可利用安培环路定理证明无限长螺线管外部场B=0,但具体如何证明并未给出.我认为,在讲述无限长密绕螺线管的磁场时,可采用下述方案. 一、根据一般教材的安排,无限长螺线管轴线上的磁场B=μ0nI的结论,已由毕奥-沙伐尔定律及迭加原理的运用而得到. 二、说明管内外的场分别为均匀场,这是由于: 1.根据对称性的分析,管…     

有限长螺线管磁场的全场分布

采用数值计算的方法给出了不同径向与轴向比的有限长螺线管磁场的全场数值解,借助DigitalMicrographTM软件给出L∶R =1,L∶R =2,L∶R =4三幅典型轴向与径向比的有限长螺线管磁场的全场分布图像.对不同径向与轴向比的有限长螺线管磁场均匀性的变化规律做了详细分析.     

Helmholtz线圈、直螺线管及圆电流磁场均匀性分析的简单公式

采用由 Ｈｅｌｍ ｈｏｌｔｚ 线圈、直螺线管及圆电流对称轴上的磁场来计算轴外磁场的方法,求得磁场均匀性的简单公式,并对计算结果进行了讨论．     

高温超导斜螺线管缆线磁体样机设计与开发

为研究Gantry磁体的关键技术,设计了一台由螺旋型超导集束缆线绕制的小型斜螺线管二极磁体样机。根据电磁设计,该样机的孔径82 mm,额定工作电流为3.25 kA,预计在4.2 K下达到0.50 T的中心二极场。在均匀电流假设下,Φ54 mm孔径内的磁场均匀度可达到1.47×10^-3。未来将完成超导缆线绕制,在77 K和4.2 K下进行电流和场均匀性测试。     

脉冲强磁场

一、引 言 一般铁芯磁体要做到具有厘米量级的工作空间,其最高磁场约为3T左右.如果采用圆锥形极靴把磁力线加以集中来提高场强的话,则当极靴根部直径比端部直径大10倍时,极靴间隙中的场强也仅能增加 1.5T[1].所以想以增大极靴根部直径和端部直径的比值进一步提高铁芯磁体的场强     

复合磁场引导的小型化二极管初步设计

设计了一种非浸没式小型化轴向无箔二极管,其阴极发射区位于螺线管中心孔以外,采用螺线管、永磁体和软磁体构成的复合引导磁场系统。采用CST优化设计二极管结构,使其满足800 kV电压下绝缘要求; 优化设计磁场系统结构及物理参数,使其满足引导强流相对论电子束高效率传输的要求。采用粒子模拟(PIC)软件仿真电子束产生及传输过程,验证其高传输效率。设计的阳极筒直径比原结构缩小约40%,在产生同样均匀区轴向磁场强度情况下,引导磁场重量和功耗比原结构降低约40%,仿真结果显示主引导磁场0.85 T下,8 kA电流能够实现100%传输效率。     

辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和方形永磁体在液氮温度、 零场冷、 轴对称情况下磁悬浮力的测量, 研究了三种不同组态中辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 实验结果表明, 如果处在超导体上方的测量用方形永磁体N极向下, 则在轴对称情况下, 当方形辅助永磁体N极向上与超导体下表面贴在一起时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到31.8 N, 提高到222%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到21.6 N, 增加到151%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向下且场冷后去掉方形辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N减小到8.6 N, 减小为无辅助永磁体时的60%.这些结果说明, 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.     

高超声速飞行器磁控热防护系统建模分析

针对高超声速飞行器防热, 搭建了螺线管磁控热防护系统的物理模型. 采用低磁雷诺数磁流体数学模型, 分析了外加磁场强度及磁场形态对磁控热防护效果的影响. 对比了三种磁场类型(磁偶极子、螺线管、均布磁场)下磁控热防护效果的差异, 分析了螺线管几何参数对磁控热防护效果的影响. 研究表明, 磁场降低表面热流作用存在“饱和现象”; 三种磁场形态的磁控热防护能力从小到大依次为磁偶极子、螺线管、均布磁场; 相同驻点磁感应强度条件下, 增大螺线管半径有利于提高磁控热防护效果, 缩短螺线管与驻点距离不利于驻点和肩部防热, 螺线管长度对磁控热防护效果影响相对较小.     

并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

A constant gradient unilateral magnet for near-surface MRI profiling

The design and construction of a unilateral NMR (UMR) magnet assembly for near-surface 1D profiling is presented. The arrangement consists of a single permanent magnet topped with a shaped iron pole cap. The analytically determined profile of the pole cap shapes the field over the magnet, giving a constant gradient of 31 G/cm over a 8mm depth at a 1H frequency of 4.26 MHz in a spot approximately 5 mm wide. The moderate gradient allows 1D profiling of planar samples with a frequency encoded spin-echo experiment. The curvature of the magnetic field limits the available resolution to 100's of microm. The device is suitable for profiling planar samples in which a coarse resolution but large spatial extent is desired.     

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介绍了一种强磁场高温超导螺线管磁体电磁性能的优化方法。通过编写Matlab数据处理程序优化了一个中心磁感应强度为8T、内径为20cm的磁体。利用有限元分析法分析已优化磁体的磁场分布,得到磁体在垂直方向的最大磁感应强度值与Matlab数据处理程序计算的结果基本吻合。     

Spin-polarization of an electro-static positron beam

We constructed an electro-static positron beam apparatus. We fabricated a simple spin-polarimeter composed of a permanent magnet with a surface magnetic field of 0.65 T and an iron pole piece. The longitudinal spin-polarization of the positron beam was determined to be 0.3 by analyzing the magnetic field dependence of the Doppler broadening of annihilation radiation from a fused silica specimen. The effect of spin rotation was examined using an iron poly-crystal and a simple E × B filter.     

Levitation of a superconducting body in the field of N magnetic poles

Advanced magnetic technologies make it possible to create REE-based permanent magnets with a magnetic field sufficient for levitation. In this work, the feasibility of levitation in the field of arbitrarily (discretely or continuously) distributed magnetic poles is analyzed. A magnetic pole simulates a long and thin permanent magnet. The results obtained enable designing a levitator for an arbitrary distribution of magnets. A number of magnetic pole configurations is considered. The range of the levitator’s parameters providing stable equilibrium of the rotor in the magnetic field is found.     

30cm口径离子推力器磁场设计

为了对30cm口径离子推力器的磁场设计提出合理建议,研究了四极磁场结构下,不同尺寸的磁极宽度和磁极间距对磁极表面磁场强度和放电室电子约束长度的影响,并利用Maxwell-3D磁场分析软件得到柱段和锥段永磁体分别呈30°,60°和90°夹角时的放电室磁场强度分布,根据不同磁场强度计算了电子温度、离子密度以及电离率等推力器放电参数。结果表明,当推力器放电电压为30V时,磁极长度设计为0.008m且磁极间距取为0.12m,电子约束路径大约为50m;柱段和锥段永磁体分别呈30°,60°和90°夹角时,放电室磁场等势线基本在0.002~0.005T之间;永磁体夹角为60°时磁场分布和磁空区相比30°和90°夹角更为合理,此时的电子温度约在2~6eV,等离子体密度约在4×1017~8×1017 m-3,电子碰撞频率比率约在0.2~1.8范围内。