强磁场的产生及应用

 强磁场通常指的是场强为几特斯拉（T）（1T=10⁴奥斯特）的磁场.强磁场是进行物性研究和应用研究的重要条件之一.在许多领域中有广泛的应用.许多发达国家都有强磁场实验室.本文简单扼要地介绍强磁场产生的方法及其在某些方面的重要应用.一、强磁场的产生强磁场有稳态式和脉冲式两种.产生稳态强磁场的磁体通常是用导体绕成的螺旋管,它可分为三种:普通导体磁体、超导体磁体、由普通导体和超导体结合绕成的混合磁体.普通导体的磁体所能达到的场强一般为20T.     

高场水冷磁体上的高精度热电测量装置

拓扑材料是凝聚态物理近些年的一个重要研究领域.在对拓扑材料的研究中,利用较强的磁场可以观测到高度局域电子态中出现的新奇量子态与物理效应.热电效应是指受热材料中的载流子随着温度梯度由高温区往低温区移动时,所产生的电荷堆积的一种现象.热电效应是探究强磁场下拓扑材料反常物性的一种非常有效的手段.然而关于拓扑材料热电效应在强磁场下的研究较少,这主要是因为水冷磁体上缺乏热电效应的相关表征手段.本文针对水冷磁体在工作时机械振动很强且变场速率快的特点,改进了传统的热电测量装置,实现了在水冷磁体中32 T磁场下高精度的热电测量.通过对拓扑材料ZrTe₅和ZrSiSe的热电效应进行测量,验证了该装置的有效性.     

强磁场技术的新进展

强磁场是核聚变和高能物理研究的前提,因此超强磁场的设计和有关的超导材料已成为磁学领域一个重要的问题.超强磁场的建立往往成为衡量一个国家工业、技术实力的标准之一.因此,各主要工业国竞相建立超强磁场,这场竞争一直在持续进行.本文介绍强磁场技术最近获得的突破性进展. 众所周知,产生10T以上稳态强磁场通常有两种方法:一是用高功率水冷电阻式磁体(WM),这类磁体的最高纪录是法国Grenoble的场强达23.4T的磁体;另一种方法是用超导磁体(SM), 其最高纪录是日本国立金属研究所1977年建立的17.5T强磁场,笔者于1984年参观过安装在日本筑波…     

35T水冷磁体下的直流磁测量

本文报告了依托中国科学院强磁场科学中心的35特斯拉(Tesla)水冷磁体搭建振动样品磁强计(VSM)的进展情况.通过一些实验测试和分析,总结了目前35T水冷磁体下电磁驱动的振动样品磁强计测量系统存在的一些问题,并提供了部分问题的解决方法.最后展示了镍(Ni)标样和用户样品的磁化曲线测量结果.     

35T水冷磁体下的直流磁测量北大核心CSCD

本文报告了依托中国科学院强磁场科学中心的35特斯拉(Tesla)水冷磁体搭建振动样品磁强计(VSM)的进展情况.通过一些实验测试和分析,总结了目前35T水冷磁体下电磁驱动的振动样品磁强计测量系统存在的一些问题,并提供了部分问题的解决方法.最后展示了镍(Ni)标样和用户样品的磁化曲线测量结果.     

42T水冷磁体容器模态及抗震分析

42 T水冷磁体是我国稳态强磁场实验室在建的设计指标最强的高场水冷磁体装置.本文聚焦于42 T水冷磁体容器在本地7级地震这一极端工况下结构强度可靠性研究.首先基于有限元分析软件对水冷磁体容器进行高压工况下的应力分析，再通过自重分析研究其20阶非零模态的固有频率；根据前20阶固有频率，获得地震水平反应谱值，再结合Response Spectrum模块模拟地震作用下42 T容器的响应谱分析.结果显示，在3 MPa水压工况下容器最大应力为115 MPa,在地震谱激励下产生的最大等效应力为1.69 MPa,最大位移为0.016 mm, 304不锈钢材料许用应力为137 MPa,故42 T水冷磁体容器设计符合7级地震工况要求.     

中国科学院强磁场科学中心

正中国科学院强磁场科学中心于2008年成立。中心目标:发展强磁场科学技术;开展强磁场下多学科前沿研究;推动技术转移转化促进经济技术发展。其建成的稳态强磁场实验装置取得了一系列成就,磁体技术和综合性能处于国际领先地位。成功研制了创造世界纪录的系列水冷磁体、国际一流水平的混合磁体及其磁体支撑装备系统;成功研制了国际唯一的高场扫描隧道显微系统,国际独创的组合成像显微系统;国际领先的强磁场、超高压、低温综合极端实验条件。在国际上实现了强磁场实验条件从跟跑到领跑的跨越,使我国稳态强磁场科学研究条件跃升至世界一流水平,已成为国际上     

我国强磁场研究与技术的最新进展

中国物理学会第二届全国强磁场学术讨论会于1989年10月19日至23日在合肥中国科学院等离子休物理研究所召开.来自中国科学院、冶金工业部、机械电子工业部、铁道部、高等教育部等所属17个单位38位代表参加了会议.会议收到论文、报告34篇。其中邀请报告6篇.下面对这次会议作一简略评述,以揭示我国强磁场研究与技术的最新进展. 一、高场磁体技术1.20T混合磁体装置 中国科学院等离子体物理研究所经过几年的努力,建成我国第一台20T混合磁体装置,并投入正常运行.该装置包括水冷系统、监控系统和液氦低温及氦气致冷系统.超导线圈已研制完成,正待试…     

45T混合磁体外超导磁体失超保护系统设计

由中国科学院强磁场科学中心建成的混合磁体包含着内水冷磁体和外超导磁体两大部件,目前已经成功达到40T的中心磁场,在下一轮实验将冲击45T磁场.作为中国磁场强度最高的稳态强磁场装置,其失超保护系统合理的设计是该磁体安全运行的重要保证.本文详细介绍了45T混合磁体外超导磁体失超保护系统设计,主要包括:同绕线、二次补偿、失超保护电路以及失超保护参数的选取.同时对混合磁体在运行调试期间外超导磁体出现的两次失超与保护动态过程也进行了分析与讨论.     

脉冲强磁场技术发展现状与趋势

脉冲强磁场是现代科学研究的重要工具,因其可以较容易地实现50 T以上磁场,因而在最近20年快速发展。最高磁场强度已经由70 T左右发展到目前的100 T,磁场波形也由以前单一的短脉冲发展到现在的长脉冲、平顶脉冲、长短合成脉冲等多种波形。随着电源与控制技术的发展,脉冲强磁场技术也在一定时间内实现了高稳定度磁场,拓宽了脉冲强磁场的实用范围;同时,脉冲磁体技术发展催生出能快速冷却的、具有高重频和异形结构的脉冲磁体,以满足X射线实验、中子实验和太赫兹实验要求。文章详细介绍了脉冲强磁场技术的发展现状与发展趋势,还介绍了武汉国家脉冲强磁场科学中心的磁场技术。     

45T混合磁体外超导磁体失超保护系统设计北大核心CSCD

由中国科学院强磁场科学中心建成的混合磁体包含着内水冷磁体和外超导磁体两大部件,目前已经成功达到40T的中心磁场,在下一轮实验将冲击45T磁场.作为中国磁场强度最高的稳态强磁场装置,其失超保护系统合理的设计是该磁体安全运行的重要保证.本文详细介绍了45T混合磁体外超导磁体失超保护系统设计,主要包括:同绕线、二次补偿、失超保护电路以及失超保护参数的选取.同时对混合磁体在运行调试期间外超导磁体出现的两次失超与保护动态过程也进行了分析与讨论.     

稳态强磁场实验装置水冷系统水耗分析及回用设计

稳态强磁场实验装置水冷系统主要用于带走大功率水冷磁体运行过程中所产生的热量. 为了防止水中的离子导电, 磁体循环冷却水采用去离子水, 因此水冷系统配备了10 m3/h 的去离子水制备系统及65 m3/h 的提纯系统, 以保障循环水水质的高稳定性. 磁体循环冷却水的热量通过板式换热器由低温冷冻水带走. 系统在纯水制备及提纯过程中存在排水量大, 排水水质高等特征, 而在冷冻水制备过程中则存在较高的冷却水蒸发损失. 本文结合系统特征对其各环节排水量及其水质等进行了分析, 得出了该类型水冷系统的水耗特征及系统日均水耗. 结合水质, 对纯水系统的主要排水进行了回用方案分析并通过计算得出了最大回用率.     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

大型CICC超导磁体的超导接头研制

国家大科学工程"稳态强磁场装置"混合磁体的外超导磁体采用了管内电缆导体(CICC)方案,CICC超导接头就成为建设强磁场装置的关键技术之一.针对混合磁体的结构和工作模式,我们设计了两种新型结构、满足不同连接需要的CICC导体超导接头,并对研制的超导接头样品在4.2K低温下进行了性能测试,其各项性能满足了稳态强磁场混合磁体外超导磁体的工作要求.本文将主要介绍该超导接头的设计方案以及整个研制过程.     

低温下冰块的无损检测技术研究

冰磁体是采用一种特殊的固化工艺来实现超导线圈加固和绝缘,即用冰来代替环氧树脂。冰磁体广泛应用于脉冲强磁场中。冰磁体中的冰线圈制作方便,可重复利用。利用该技术,脉冲磁体最高实现了55 T中心磁场,并且冰浸渍磁体相比环氧浸渍磁体可以更快地降温。冰线圈在常温降至液氦温度过程中,急剧的温度变化容易在冰中产生许多明显裂纹,影响其性能,因此,冰块中的无损检测至关重要。针对应用于冰磁体中的冰块的无损检测方法进行了探讨,确定了一种应用于低温下冰块裂纹检测的可行方法,并对检测结果进行分析。     

基于第二代高温超导带材的磁体研究进展与挑战

随着第二代高温超导(2G-HTS)带材技术的进步和性价比的提高,世界各地的科研机构纷纷展开了基于REBa_2Cu_3O_(7-δ)(RE123)带材的磁体研制。RE123带材具有极高的载流能力和在场性能,能产生低温超导(LTS)磁体不能达到的强磁场(24 T)。然而,RE123磁体依然面临着诸多挑战,如磁体的工艺技术、带材的机械性能及性价比等都还需要进一步的提升与优化。文章首先介绍了用于磁体绕制2G-HTS带材,包括其成材工艺、在场性能及应力应变影响等;其次讨论了超导磁体研制的重要技术问题,包括RE123线圈技术、磁体失超保护、屏蔽电流效应及交流损耗等;最后对国内外2G-HTS磁体的研究进展进行了总结,包括磁体的设计方案、技术特点和运行情况等。     

感应法测量脉冲强磁场及其分布

一、前 言 在现代科学技术领域中,强磁场得到了广泛的应用.通常,为了降低磁体的发热,提高供电系统的效应,大体积强磁场系统愈来愈多的采用脉冲强磁场,即在较短的作用时间内产生具有较大幅值的磁场.本文主要介绍感应法测量脉冲强磁场及其分布,并介绍我们自制的测量仪器(多道仪)的线路及实验结果. 二、原 理 许多与磁场有关的物理效应都可用于测量磁场.与其它方法比较起来,感应法测量脉冲强磁场具有使用方便、设备简单、测量范围宽等优点,它仍是目前测量脉冲强磁场的主要方法. 根据感应法原理研制成功的《多通道脉冲强磁场测量仪》(以下简称多…     

SHMFF去离子水冷却系统制冷升级改造设计

稳态强磁场实验装置去离子水冷却系统是保障水冷磁体稳定运行的必要技术装备系统之一。由于越来越多科学实验的开展,冷冻水蓄冷量不足的问题凸显,严重制约了水冷磁体的运行机时。本文介绍了去离子水冷却系统升级改造的方案设计及具体措施。采用优化设计的布水器,将现有蓄冷量增加一倍;为维持较短的制冷时间,新增大温差离心式冷水机组,与现有制冷机组并联使用;为了改善制冷系统的高耗能特性,增加闭式冷却塔在秋冬季节使用,系统可根据不同的湿球温度及回水温度,选择不同的制冷模式,让其取代冷水机组或其部分负荷使用,实现节能的目的。     

25T超导磁体优化中线圈数量影响分析

20 T以上强磁场在高场科学工程中有着不可替代的作用. 电工研究所正在研制一个25 T全超导磁体系统, 包括15 T背景磁场和10 T高温超导内插磁体. 在磁体的设计和优化中, 线圈的数量和种类对于最终优化结果十分关键. 为了研究磁体数量和磁体相关参数的关系, 计算了20 组不同的线圈组合下磁体的优化结果. 优化中除了考虑必要的限制条件以外, 还采用了一种结合局部优化算法和全局优化算法的方法. 通过对比分析发现, 线圈数量和磁体造价之间, 存在一个“V”形的关系. 更进一步地, 本文分析了不同超导体在磁体中应该贡献的最佳磁场, 以及背景磁体统一供电给优化结果带来的影响.     

40T混合磁体Nb_3Sn超导电缆的研制

中国科学院强磁场科学中心的40T混合磁体由内部水冷磁体和外部超导磁体组成。外部超导磁体采用高临界电流密度的Nb3Sn材料制成的CICC超导导体绕制而成,目前已经完成了超导磁体所需的超导电缆的全部设计和加工任务。本文详细介绍了采用Nb3Sn材料的CICC超导电缆的设计准则、电缆配置方案以及绞制工艺等内容,讨论了超导电缆的扭距大小选取原则、叠包参数选取原则,分析了绞制过程中放线张力的控制方案等内容。