65 T脉冲强磁体设计与实验研究

研制并实验测试一台65 T脉冲强磁场磁体。磁体线圈采用14层纯铜导线与Zylon纤维交替缠绕而成,内绕组采用分布式加固技术,实现应力分布的优化,外层由不锈钢套筒与碳纤维加固。内外绕组分别采用两种不同横截面导线平衡能量分布,实现内外绕组温度分布相对均匀,避免局部过热。磁体孔径为12 mm,高为120 mm,通过1 MJ/3.2 mF/25 kV高储能密度电容器供电,在20.6 kV电压时,获得了磁感应强度为65 T、持续时间为20 ms的脉冲磁场。     

脉冲磁体增强技术发展概述

在脉冲强磁体设计中，磁应力是目前面临的最大困难，当磁场强度达到100T时，磁体绕组中的磁应力高达4GPa，这是目前任何实用导体材料都无法随的，因此，脉冲强磁体的发展在很大程度上取决于磁应力的解决情况，文章介绍了国外在解决脉冲强磁体巨大问题上采用的方法，主要叙述了新材料技术，绕组加固技术和改善电流分布技术，并对其优缺点及性能进行了分析。     

上海光源超导波荡器模型机失超保护设计

中国科学院上海应用物理研究所正在研制一台50周期的低温超导波荡器模型机用于上海同步辐射光源装置,磁体绕组采用NbTi超导线,周期长度16mm,磁间隙9.5mm,运行电流为400A,目标峰值磁场0.67T。磁体储能为7.2kJ。为了保证模型机安全稳定的运行,采用基于有限元方法的数值模拟,将50周期磁体简化为绕组模型并分析其失超过程,根据实验与分析结果提出失超保护设计方案。将50周期磁体的上下两部分作为两段,每段通过失超探测仪进行监测,并通过并联背靠背的冷二极管进行保护。为了使设计尽可能简化并限制磁体端部电压,没有采用主动加热器与引能电阻。     

上海光源超导波荡器磁体5周期模型机的研制

上海光源正在研制一台低温超导波荡器模型机,周期数50,周期长度16mm,磁间隙8mm,目标峰值磁场0.88T。首先研制了一台5周期超导波荡器磁体模型机进行技术可行性研究。磁体绕组采用Nb Ti超导线,骨架加工采用电工纯铁。使用传导冷却的测试装置进行了磁体降温、通电与磁场测量。磁体经过两次失超之后达到设计电流值387A。达到的最大电流为433A。当磁体稳定运行在400A时,测得磁场峰值为0.93T。研究结果表明已有的超导磁体关键技术与工艺能够满足50周期超导波荡器模型机的研制需求。     

1.2 MV脉冲变压器设计及实验研究

介绍了1.2 MV脉冲变压器的设计方法,采用螺旋渐开式绕组逐渐增大绕组对磁芯的绝缘距离,用ANSYS程序模拟脉冲变压器中的场强分布情况,最大场强不超过18 kV/mm。通过实验研究有效解决了绕组对绝缘支撑的局部放电现象,得到了1.2 MV的高压脉冲输出,单次运行时间达到1 min,重复频率100 Hz,验证了所采用的设计方法的可行性。     

1.2MV脉冲变压器设计及实验研究

介绍了1.2 MV脉冲变压器的设计方法,采用螺旋渐开式绕组逐渐增大绕组对磁芯的绝缘距离,用ANSYS程序模拟脉冲变压器中的场强分布情况,最大场强不超过18 kV/mm。通过实验研究有效解决了绕组对绝缘支撑的局部放电现象,得到了1.2 MV的高压脉冲输出,单次运行时间达到1 min,重复频率100Hz,验证了所采用的设计方法的可行性。     

用多芯Nb/Cu挤压管法Nb_3Sn超导复合线制成13T实用超导磁体

实验证实了用“MF Nb/Cu挤压管法”超导复合线制作13T实用Nb_3Sn/Nb-Ti超导磁体的可行性。净孔径为φ40mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到11.0T;净孔径为φ18mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到13.0T,此时内绕组中的Nb_3Sn 复合线的全临界电流密度J(cw)=310A/mm_2,与短样性能相一致。     

基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器

研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器,具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构,放置于铝制紧固件中;初次级绕组采用双绕组并联结构,两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出,改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路,其中谐振电容为同轴结构电容,谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明,该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV,充电时间约为650 ns,同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器

研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器,具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构,放置于铝制紧固件中;初次级绕组采用双绕组并联结构,两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出,改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路,其中谐振电容为同轴结构电容,谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明,该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV,充电时间约为650 ns,同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

Bi2223/Ag带HTS双饼磁体实验

用国产Bi2223/Ag带(西北有色金属研究院提供)设计的中心场3.0T,贮能35kJ的传导冷却高温超导磁体正在建造中.磁体由绕组内径150mm,外径272mm的32个双饼磁体组成.磁体在温度T=20K下,设计临界电流Ic=132A,额定运行电流I=100A.在T=20K附近进行四双饼组合磁体实验,得到磁体Ic=140A,中心场Boc=1.14T,相应Bi2223/Ag带上最大轴向场Bzmax=1.91T, Bi2223/Ag带上最大垂直场Brmax=1.14T.四双饼组合磁体的实验结果预示:35kJ HTS贮能磁体的设计目标能够达到.     

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。     

10 T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。     

Optimization calculations of polyhelix coils for hybrid magnets

In order to generate very high, steady magnetic fields for research in solid-state physics one can combine a high-power resistive magnet with an outer superconducting coil. If magnetic fields above 30 Tesla have to be produced it is advisable to use a water cooled polyhelix copper coil as an inner part of such a hybrid magnet. An algorithm is described which allows the optimization of the design paramaters of a polyhelix coil in an external magnetic field with respect to dimensions and material for various values of the heat flux. The calculations show that with an outside field of 13 Tesla generated by a Nb₃Sn−NbTi coil and with a 10 MW polyhelix magnet made of Cu (Al₂O₃) and Cu−Ag continuous magnetic fields around 40 Tesla may be generated in a 3 cm room temperature bore.     

国产MOCVD-YBCO带材高温超导线圈研制与磁场温度特性研究

超导磁体的场强与超导材料的载流能力、磁体口径和低温环境有密切关系.为了在中高温区域实现高磁场强度的超导磁体,采用国产第二代高温超导带材,成功绕制出内直径为100 mm的高温超导线圈.该超导线圈在77,65,55和46 K不同温区下进行了性能测试,其最大运行电流分别为65,147,257和338 A,对应的中心磁场强度分别为0.78,1.77,3.1和4.08 T.所研制的超导线圈的中平面上磁场基本一致.     

CCT型超导组合磁体样机结构设计

基于斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta,简称CCT)线圈结构,研制了一台四极与六极组合的超导磁体样机,它的四极和六极梯度场分别为22 T/m和120 T/m2.该组合型磁体的好场区范围为Φ0.16 m × 1.3 m,有效长度为1.3m.其中四极与六极磁体均采用两层骨架结构,每层骨架的线槽内并排放置多层...     

Unilateral MRI using a rastered projection

Unilateral magnetic resonance techniques, where magnet and radio frequency (RF) coil are placed on one side of the sample, can provide valuable information about a sample which otherwise cannot be accommodated in conventional high spectral resolution magnetic resonance systems. A unilateral magnetic resonance imaging approach utilizing the stray field from a disc magnet and a butterfly geometry RF coil is described. The coil excites spins in a volume centered around an arc through the sample. Translating the RF coil relative to the magnet and recording the signal at each translational location creates a projection of the signal in a tomographic slice through the sample. Rotating the RF coil relative to the sample and repeating the translation creates projections through the sample at different angles. Backprojecting this information yields an image. A proof of concept device operating on this principle at 12.4 MHz was constructed and characterized. Projections through three phantoms are presented with a 1.2-4 cm field of view, thickness of 102 microm, and at a distance of 3mm from the RF coil and 14 mm from the magnet. The edge spread function (ESF) was measured resulting in a 4mm full width at half maximum (FWHM) line spread function (LSF) estimation using a Gaussian model. An example of one reconstructed image is presented.     

MICE超导耦合磁体线圈等效弹性模量辨识

应用于"μ介子离子化冷却实验装置(MICE)"的超导耦合磁体系统是MICE中的三大关键设备之一。耦合磁体线圈内径为1 500mm,长度为285mm,厚度为110.4mm,采用方形截面1.65×1.00mm2的NbTi复合超导线。每层导线之间为环氧和绝缘玻璃纤维布,每匝导线之间为环氧,线圈具有复杂的正交各向异性性质。根据线圈横截面细观结构的周期性,选出单根导线与周围的绝缘材料为代表性体积元(Representative Volume Element,RVE),基于能量等效原理得出线圈等效弹性模量的含义,然后根据细观力学有限元法,采用有限元软件计算了不同边界条件下细观结构代表性体积元的力学响应,得出了线圈平面径向和环向等效弹性模量,结果已经作为基础数据运用在MICE超导耦合磁体的力学计算中。     

空心圆柱形永磁体内径对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响

通过对空心圆柱形永磁体与单畴GdBCO超导体磁悬浮力的实验测量,研究了空心圆柱形永磁体内径(d)的变化对超导体磁悬浮力的影响.结果发现,当空心圆柱形永磁体内径从0 mm增加到26 mm时,超导磁悬浮力大小与空心圆柱形永磁体内径有着密切关系(最小测量间距Z=2 mm),所有超导磁悬浮力曲线都存在磁滞现象.随着空心圆柱形永磁体内径的增大,最小间距处超导磁悬浮力逐渐减小,从d=0 mm时的14.8 N减小为d=26 mm时的-0.1 N,d≥20 mm时,最小间距处超导磁悬浮力出现负值;当0 mm≤d5 mm时,超导体最大磁悬浮力出现在最小间距处,d≥5 mm时,超导磁悬浮力先增大后减小,最大超导磁悬浮力产生的位置随着内径的增大而变大.研究表明:只有科学合理地设计永磁体结构参数,才能获得较大的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性.该结果对设计并优化磁悬浮轴承系统、环形轨道和超导体的实际应用具有一定的指导意义.     

Optimizing magnetization orientation of permanent magnets for maximal gradient force

The force exercised on a permanent magnet (PM) in a nonuniform field (gradient force) is dependent on the magnetization orientation of the magnet. In this paper, it is shown theoretically that the gradient force is greatest when the magnetization through the magnet, or at least at its surface, is collinear with the external field. The formulae for calculating the force between an axis-symmetric optimal magnet and a coaxial axis-symmetric coil are presented. Using the finite element method (FEM), calculations of the magnetic field distribution of an optimal cylindrical magnet and some its approximations are performed. The forces between these magnets and a pancake coil are computed and compared. For a system consisting of a magnet with a height of 1 unit and a diameter of 2 units and magnetization invariant in field and an annular pancake coil with a diameter of 2.4 units, a thickness of 0.2 units, an inner diameter of 0.4 units and a distance from the magnet of 0.2 units, the force on the optimal magnet was 1.44 times greater than the force on an axially magnetized magnet of the same size and magnetization magnitude. The optimal magnetization may be approximated by magnetization inclined at a constant angle to the axis and by a combination of axially and radially magnetized sections. With magnetization at a constant angle to the axis in the axis plane, the force was greatest when the angle was about 45°, being 1.38-fold compared to the force on an axially magnetized magnet. When the magnet was composed of an axially magnetized cylindrical core and a radially magnetized outer ring, the force was greatest when the volume of the core was approximately equal to the volume of the ring, being 1.26-fold compared to the force on an axially magnetized magnet. The optimal magnet and its approximations also provided a reduced stray field. A short review of methods of the fabrication of permanent magnets (PMs) with a continuous variation of the magnetization orientation and with radial magnetization orientation is given.The results of this study can be used to design linear electromagnetic (micro)actuators.