一种开放式磁共振成像主磁体的设计方法

本文提出了一种开放式磁共振成像(MRI)超导磁体的设计方法.在对磁体模型进行简化的基础上获得初始的电流分布,然后将线圈截面的优化问题转化成一个非线性最小二乘问题,通过求解最小二乘问题得到实际的线圈截面参数.文章最后给出了一个设计算例.     

35kJ直接冷却高温超导储能磁体

介绍了直接冷却高温超导储能磁体的基本结构,分析了磁体的电磁特性,分析结果表明,磁体电磁设计中采用端部两对饼并联的方式,削弱了磁体端部磁场径向分量,提高临界电流,磁体表现了较好的电磁特性;仿真了磁体与电力系统进行功率交换时的热特性,仿真结果与实验结果两者温度变化总体趋势是一致的;介绍了磁体的冷却实验和磁体系统的动态模拟实验结果.实验结果表明磁体的冷却措施和低温系统的冷却方案是可行的,磁体具有较好的热稳定性.     

高温超导储能磁体导冷片涡流损耗分析

高温超导储能(High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage,HTS-SMES)磁体装置可有效提高电力系统的稳定性、改善电能质量。储能磁体是储能装置的关键部分,为提高超导储能磁体的热稳定性,通常在超导磁体中增设铜导冷片。磁体充放电时在导冷片上会产生涡流损耗,损耗的大小严重影响磁体的超导特性,因此降低导冷结构的涡流损耗是提高磁体热稳定性的关键因素。运用有限元法(FEM)分析导冷片上的涡流损耗,在Ansoft仿真软件三维瞬态场中模拟磁体充电过程中导冷片的涡流损耗,结果表明:充电模式下,完整导冷片涡流损耗为1.45W;沿径向开缺口处理后涡流损耗为0.107W;导冷片内环、中部、外环开齿槽后涡流损耗分别为0.49、0.41、0.1242W。由此可得,对于导冷片的开齿槽处理可显著降低涡流损耗,且内部开齿槽的效果最佳。     

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。     

用于长城等古建筑探测的NMR探测器的磁体设计

以万里长城为代表的古建筑是世界瑰宝,更是中华民族的象征和骄傲.本文提出利用便携式核磁共振（NMR）装置来探测研究这类古建筑的建筑材料,在不对其造成损伤的基础上,发掘其隐含的科学、技术和工程相关的丰富信息.为此,作为第一步,设计了适合于探测这类古建筑的便携式单边NMR探测器组合式磁体.该探测器的磁体结构以semi-Halbach为基础,通过不同磁体模块间的组合得到对应移动探测模式、长距离探测模式和均匀磁场探测模式的磁体结构.随后根据优化结果,设计加工了磁体组件,并采用该磁体进行了流体、长城城砖和现代红砖的NMR实验,实测结果与模拟一致.该组合式磁体的优点在于通过不同磁体模块组合,实现了多种探测方式,适用于探测长城等这类古建筑物需要多种探测模式的科学研究.     

特殊工况下的高温超导磁体冷却系统的设计

特殊工况下的高温超导磁体的设计要求是在30分钟内快速降温到63K以下,并且保持磁体在工作温度下持续工作至少8个小时。提出了采用液氮浸泡磁体,并通过液氦预冷和减压对液氮进行冷却,使液氮快速降温到63K以下形成固态氮的冷却方式。计算了磁体运行时的总热负荷,对比全部利用固氮维持磁体运行、部分利用固氮作为储冷介质同时利用斯特林制冷机制冷维持两种维持磁体低温运行方案,最终确定第二种冷却方案。     

超导磁体失超过程中Quench-Back效应的数值模拟研究北大核心CSCD

Quench-Back是一种诱发超导磁体内产生新的失超区从而加快失超传播的现象.合理利用Quench-Back效应进行失超保护,需要准确理解Quench-Back作用下磁体内部的传热与电磁过程.以实际工程中某超导螺线管磁体为例,建立了失超过程三维瞬态耦合热-电磁-电路模型.整个模型采用两个顺序耦合的子模型实现,子模型一为三维传热模型,子模型二为轴对称电磁-电路直接耦合模型.得到了失超过程电流,热点温度和内电压变化曲线,分析了Quench-Back效应对失超过程关键参数的影响,研究了Quench-Back加速失超传播的具体过程.研究结果表明:Quench-Back效应可以有效控制失超过程中磁体内的热点温度,降低磁体内的过电压;Quench-Back效应与骨架材料,线圈结构和失超起始位置关系密切.     

微纳尺度多铁异质结中电驱动磁反转

近年来,多铁异质结中电控磁性研究引起了广泛关注,已成为多铁领域的热点.现代自旋电子学器件(如磁内存)通常利用电流产生的磁场或自旋转移扭矩效应驱动磁反转来实现数据擦写,但这带来高额能耗和热量,成为亟待解决的关键难题.而利用多铁异质结实施电场驱动磁反转则有望大幅降低能耗,从而实现高速、低能耗、高稳定性新型高密度磁存储、逻辑及其他自旋电子学器件.在当前器件发展的微型化趋势下,探索可集成化的微纳尺度电场驱动磁反转方案显得越发重要.本文针对发展新型磁电器件所面临的微型化关键问题,回顾了微纳尺度电场驱动磁反转研究的新进展,主要关注小尺度多铁异质结中电控磁的新特点、新方法及相关物理机理的实验和理论成果,讨论了进入纳米尺度将面临的挑战,并对未来研究工作提出一些展望.     

碳和氧掺杂紫磷烯作为双极磁性半导体材料的理论预测

紫磷烯是一种结构稳定且具有优异光电特性的新型二维材料,研究掺杂效应有助于理解其物理本质,对进一步开发纳米电子器件具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了非金属元素B,C,N,O掺杂单层紫磷烯的电磁性质.计算结果表明,B和N掺杂之后没有产生磁性,体系依旧表现为非磁性半导体;而C和O掺杂导致体系发生自旋劈裂,紫磷烯由非磁性半导体转变成为双极磁性半导体,其自旋密度主要分布在磷原子和间隙区域内而非杂原子上.电场调控氧掺杂紫磷烯可使其载流子的自旋极化方向发生反转,当施加一定大小的正向或反向的静电场时,能带色散程度变强,氧掺杂紫磷烯转变成100%自旋极化向下或向上的单自旋半金属磁体.基于氧掺杂紫磷烯材料设计的场效应自旋滤通器可利用改变门电压方向的方法实现电流自旋极化方向的反转,表明氧掺杂紫磷烯有望成为二维自旋场效应晶体管、双极磁性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤通器以及场效应自旋阀的理想候选材料.     

使用改进的形状优化方法设计高均匀度的超导MRI磁体

针对设计带铁磁的超导磁共振成像磁体,提出了一种确定类的优化算法来优化极靴的形状以达到匀场的目的。这种方法集合了灵敏度分析、形状优化的理论和有限元方法计算非线性铁磁材料极靴的配置,来改善两个极靴之间大体积成像区的磁场均匀度。需要指出的是,本优化方法不受极靴初始形状的限制,均可以快速收敛。我们通过一个紧凑型的1.2T双平面磁共振磁体,展示了这种方法。