兰州重离子冷却储存环二极磁铁设计

介绍了兰州重离子冷却储存环主环(CSRm)的改进W型二极磁铁和实验环(CSRe)C型二极磁铁的磁场计算和物理设计,在降低了磁铁造价和运行费用的前提下设计参数达到或超过了物理要求.根据样机的加工和检测结果来看,所有的磁场计算和物理设计的结果是可靠的.Magnetic field calculation and design of CSRm modified W-type dipoles and of CSRe C-type dipoles are presented in this paper. Under the condition of lower cost, all of the designed parameters are better than required values. Now the prototype has been fabricated and also the magnetic field measurement has been done. According to the measured results, all the calculation and design are very reliable.     

展示相对性原理和电磁场相对性的一个佳例

以条形磁铁与导体圆环相对运动为例,依据导体圆环产生感应电流这一事实,首先讨论了条形磁铁参考系和导体圆环参考系下电场和磁场的不同.并在条形磁铁参考系下,从产生动生电动势的物理本质洛伦兹力出发,导出了法拉第电磁感应定律.然后,在导体圆环参考系下,由相对性原理直接给出了感生电场性质的数学表述,并深入讨论了电场和磁场的联系.最后,给出了爱因斯坦和费曼对该问题的不同思考并进行了简单分析.     

HIAF-BRing快脉冲二极磁铁磁场测量系统

介绍了强流重离子加速器装置HIAF(High Intensity heavy-ion Accelerator Facility)项目增强器BRing(Booster Ring)快脉冲二极磁铁的性能指标、测量要求和测量方法,描述了快脉冲二极磁铁稳态磁场测量系统及动态磁场测量系统的构成。在稳态磁场测量中,为提高积分磁场测量精度和测量效率,长线圈测量系统采用了on fly技术;在动态磁场测量中,研制了用于磁场延迟及磁场畸变测量的矩阵线圈。通过样机磁铁的测量,完成了测量系统的性能指标验证和磁铁的稳态磁场测量。实测结果表明,样机磁铁的设计和制造均达到了预期指标,并依据测量数据完成了磁铁的二次削斜。     

SSRF储存环流入薄切割磁铁样机的设计和研制

基于上海同步辐射装置（SSRF）储存环注入系统的需要，在国内首次研制成功了一台涡流板型切割磁铁，其性能指标均达到设计要求，特别是漏场指标，达到了国际同类磁铁的先进水平，本文对切割磁铁设计和研制的关键技术进行了讨论，对切割磁铁的性能进行了测试，在此基础上对这类切割磁场的设计和研制提出具有建设性的建议。     

探究电磁驱动现象组合教具的研发与自制

高中物理<选修3-2>第四章电磁感应第七节讲到电磁驱动:当磁场以某种方式运动时,导体中的安培力阻碍导体与磁场间的相对运动.本人通过对比法、实验法,用轴承制作旋转的磁场,用强磁铁代替U型磁铁,用易拉罐做不同形状不同厚度的铝框,在摸索中自制了探究电磁驱动现象的组合教具,它具有现象明显、直观、物美价廉的优点.     

CSNS/RCS引出系统快脉冲冲击磁铁的磁场仿真和结构设计

中国散裂中子源快循环同步加速器引出系统快脉冲冲击磁铁,由分组安装于三个真空箱内的8台磁铁组成。对冲击磁铁进行磁场仿真和结构设计,并使用仿真软件进行优化。仿真结果表明:磁铁中心场60%宽度内的磁场均匀性达到0.7%,满足物理设计要求。同时,对两台磁铁间距大小与互感的关系进行模拟计算和分析。磁铁结构设计中,针对原样机中出现的铁芯不能可靠固定问题,进行修改和完善,并且设计出了一种简单实用的多螺栓滑动支撑结构,可使多台磁铁平稳推入真空箱内,同时完成多台磁铁的准直和固定。     

CSRm束流径向和轴向振荡的耦合

 介绍了由于磁铁的安装误差和螺线管的存在而造成的束流径向和轴向的耦合，以及耦合对束流稳定的影响。结合CSRm结构的典型参数分析得出：二极磁铁和四极磁铁在纵向角安装偏差为-0.5~0.5 mrad；有螺线管存在的情况下，工作点落在和共振线时，将导致束流不稳定而大量损失，落在差共振线时，束流稳定。通过模拟计算发现：螺线管产生的耦合远大于磁铁的纵向角安装偏差产生的耦合。     

电流连续的细导体段模型的磁场及电感

传统的载流细导体段模型是分析导体闭合回路磁场的基本模型,尽管不满足电流连续性定律,但适用于导体闭合回路的磁场分析.然而,对于工程中只关注导体闭合回路中某一局部的多分支导体段并联的电流分配问题,传统模型将不能完整地反映各分支导体段之间磁场的相互作用.为此,现有文献提出的位移电流模型,满足了电流连续性定律,较好地解决了上述问题,但是,仍然存在理论不完整、不自洽以及计算公式复杂等问题.本文提出载流细导体段的传导电流模型,确保了载流细导体段在段内、段端及段外的电流连续性.推导出物理内涵更加深刻的总磁场微分方程和矢量磁位计算公式.提出载流细导体段传导电流模型磁场能量和电感的计算公式,极大地降低了计算复杂度,弥补了现有文献的不足.本文算例从模型、公式、计算等方面验证了本文理论和计算公式的正确性.     

兰州重离子治癌装置同步加速器切割磁铁研制

切割磁铁作为同步加速器注入引出的关键部件之一,对磁场及切割板结构都有严格的要求。介绍了兰州重离子治癌装置(HIMM)同步加速器切割磁铁的设计情况,基于磁场优化软件OPERA,对切割磁铁磁场均匀度及杂散场的分布进行了详细的分析。根据磁场要求优化结构设计,完成了磁铁的加工。磁场测量结果分析显示,有效场区范围内磁场均匀度优于设计结果。同时通过对磁铁端部屏蔽处理,在环内侧管道处杂散磁场降到2mT以内,满足物理设计要求。     

Lambertson型切割磁铁漏场的3维模拟计算和优化设计

 Lambertson型切割磁铁的漏场对RCS中的束流运行有较大的影响，包括束流集体不稳定效应以及高阶共振效应，为了对该型磁铁进行优化，利用3维磁场模拟程序OPERA3D/TOSCA，对北京散裂中子源/快循环同步加速环（CSNS/RCS）引出Lambertson型切割磁铁进行了物理设计。通过对不同的磁铁设计方案进行3维模拟计算和优化发现，采用15 mm厚的切割板以及在屏蔽管出口处添加半径为200 mm、厚度为10 mm屏蔽帽的磁场屏蔽措施，将Lambertson型切割磁铁的横向漏场降低到主磁场的0.80‰（y方向）和0.36‰（x方向），可以满足CSNS/RCS环的束流动力学设计要求。     

基于近似解析法的超导储能磁体设计

降低超导储能磁体的研制成本一直是控制超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) 总成本的重要手段之一. 本文考虑在一定磁体结构参数范围内, 磁体产生的最大磁场值可以采用级数进行 表示, 磁体的电感值可以采用线性函数表示, 给出了超导储能磁体磁场能量的近似解析表达式, 提出了一种基于近 似解析法的超导储能磁体设计方法. 该方法以储能磁体的线材用量最小作为设计目标, 在给定超导线材参数和临界电流特性曲线, 以及磁体储能总量要求的情况下, 依据此方法可快速的得到成本最优时所对应的磁体结构参数.将近似解析法优化和采用传统的有限元软件 Ansys 仿真优化进行对比分析, 结果表明采用近似解析法进行磁体优化更加方便快捷, 节省了大量计算时间.     

欧洲FAIR中超导二极磁体样机的初步设计与分析

介绍了欧洲FAIR超导二极磁体样机设计的背景及设计要求,以及磁体样机的几个大部件及其作用。用有限元分析软件ANSYS进行了线圈电磁性能分析,得到其磁场、电感、储能随电流的变化曲线,并对其中的一个部件线圈盒进行了结构分析,为下一步的设计提供参考。     

HL-2M装置5MW-NBI加热束线偏转磁体研制

根据HL-2M装置5MW-NBI加热束线总体设计参数、注入器的部件空间布局、几何汇聚特点等,建立了基于8饼线圈的注入器偏转磁体3D模型。利用电磁场模拟软件CST Studio详细模拟了注入器的偏转磁体产生的偏转磁场分布,不同成份离子束的偏转轨迹。在模拟分析结果的基础上优化了偏转磁体的物理结构,完成了磁体的工程设计、加工和测试。偏转磁体的磁场测试结果表明,测试值与CST计算值的偏差小于±5%,达到注入器偏转磁体设计要求。     

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According to the design parameters of 5MW-NBI beam line of HL-2M tokamak, spatial arrangement of components, geometrical focus characters and so on, 3D model of the deflecting magnet with 8 groups of wires is built up. With an electromagnetic field simulation software-CST Studio, the deflection magnetic field distribution and deflection trajectories of ion beams with different components are obtained. With the simulation results the physical structure of deflecting magnet is optimized, the engineering design of the magnet is completed and then the manufacture and test are finished. The testing result of the magnetic field distribution of the deflecting magnet shows: the error between measurement value and calculation result is less than ±5%, and the machined deflecting magnet can meet the design requirement.     

10T脉冲磁场的亥姆霍兹线圈热和力分析

亥姆霍兹线圈在产生数十T的准静态脉冲磁场的装置中得到广泛应用。以自行研制的一套用于磁压剪实验技术的脉冲磁场发生系统的亥姆霍兹线圈为研究对象,结合装置的电参数,利用有限元软件ANSYS对装置放电过程中线圈的热和力进行了仿真研究。研究结果表明,当装置在线圈中产生上升时间约1.34 ms、幅值14.37 kA的放电电流和10.7 T的磁场时,线圈中的最大温升约150℃,最大应力近0.5 GPa,铜导线中的最大应力约0.2 GPa,线圈导线变形位移小于0.05 mm。基于分析结果,在线圈制作时,选择绝缘层耐温超过200℃、抗拉强度0.5 GPa的铜导线作为线圈绕线,选择抗拉强度达5.8 GPa的柴龙纤维绕制在铜导线外层进行加固,并制作了相应结构的亥姆霍兹线圈对。利用该线圈对进行的放电实验测试结果表明,在满足设计指标的情况下,线圈对结实可靠,可重复使用。     

14T核磁共振成像超导磁体电源拓扑设计及纹波抑制

根据14T 核磁共振成像(MRI)大电感超导体磁体(电感307H、连接阻抗2mΩ)负载纹波的需求(低压为3V、电流为1500A、电流纹波小于1ppm)，基于常见拓扑结构出现的问题，提出了一种适用于这种大电感超导磁体运行电源的拓扑结构。此拓扑结构采用多级处理、无源滤波和有源滤波相结合的思想来设计。介绍了电源的输入级、中间变换级及输出级三个部分的拓扑，并阐述了各部分拓扑设计对负载电流纹波抑制的作用。通过 Matlab 仿真分析，验证了拓扑设计的合理性。     

高温超导磁体临界电流影响因素的研究

临界电流值是描述Bi2223高温超导带材性能的一个基本参数,在一定的温度条件下,Bi2223高温超导带材的临界电流是带材所在位置磁场大小和磁场方向的函数,其短样的临界电流值可以通过四引线法测量,单根超导带材的自场很小,磁场对临界电流的影响可以忽略.高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流,高温超导磁体的自场比单根超导带材的自场要大得多,磁体各个位置的磁场大小和方向各不相同,很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流.对于高温超导磁体而言,除了磁场的影响因素以外,绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要因素.本文对这两个因素进行探讨,并着重讨论高温超导带材自身的均匀性对临界电流大小的影响,本文的结论可以为高温超导磁体的设计、磁体绕制时带材的选择、磁体运行时安全工作电流的确定提供帮助.     

SECRAL超导磁体系统的结构分析

An advanced superconducting ECR ion source named SECRAL has been constructed at Institute of Modern Physics of Chinese Academy of Sciences,whose superconducting magnet assembly consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamp.In order to investigate the structure of sextupole coils and to increase the structural reliabilities of the magnet system, global and local structural analysis have been performed in various operation scenarios.Winding pack and support structure design of magnet system,mechanical calculation and stress analysis are given in this paper. From the analysis results,it has been found that the magnet system is safe in the referential operation scenarios and the configuration of the magnet complies with design requirements of the SECRAL.     

50 MW速调管用分数比脉冲调制器

研制了一套S波段50 MW速调管用分数比脉冲调制器,具有脉冲变压器变比1∶300、初级电源电压1.25 kV、输出峰值功率113 MW等特点。分数比脉冲调制器属于加法器式固态调制器的类型,其原理为分开铁心使其磁场感应叠加,再高变比脉冲变压器升压。利用1∶60的高变比升压脉冲变压器技术,实现了初级单元电路为较低工作电压、各组件模块化、放电单元接地等优点,同时实现了脉冲变压器初级低漏感值、次级绕组低分布电容值、放电单元及传输回路低电感值。工程样机测试结果为输出脉冲电压大于312 kV、脉冲电流大于360 A、脉冲前后沿小于1.4 μs的高功率全固态脉冲调制器,为国内工业辐照加速器、自由电子激光加速器等需要高稳定射频功率源的应用提供一种解决方案。分数比脉冲调制器具有输出脉冲宽度可较大范围调节,可以适应负载阻抗的较大范围变化,无线性调制器中使用的氢闸流管的寿命限制,较低工作电压的高运行可靠性等优点。