L波段同轴相对论返波振荡器导引磁场设计

设计了一个用于为L波段同轴相对论返波振荡器提供导引磁场的双线绕制、分段磁场线圈系统。根据粒子模拟中对磁场的要求和实验室已有的条件来确定磁场的各参数,通过数学软件Mathcad和全电磁粒子模拟程序Karat对设计出的轴向磁场位形进行验证。采用基于Hall效应的Tesla计对加工好的磁场线圈产生轴向磁场空间分布进行了测量,同时利用电子束轰击尼龙靶来考察电子束被导引的效果。利用绕制好的磁场线圈开展了初步实验研究,在二极管电压655kV,电子束流为10.4kA,导引磁场0.7T的条件下,输出微波峰值功率约为864MW,微波波形半高宽为23ns,功率转换效率约为12.7%,频率1.61GHz。     

大回旋半径电子枪渐变线圈磁场的设计及优化

对大回旋半径电子枪的渐变线圈磁场进行了设计,采用3个线圈实现所需要的渐变磁场分布,增加了线圈磁场系统的调节能力,理论和计算机仿真的磁场分布结果符合得很好。将实现的渐变磁场分布同给定的静电场分布相结合,通过求解带电粒子的运动方程得到了粒子轨迹,在此基础上建立大回旋半径电子枪的3维粒子仿真模型,在给定静电场分布条件下分析了3个线圈安匝数对电子束参数的影响,完成了工作电压为40 kV、工作电流为1 A的大回旋半径电子枪的参数优化,得到了横纵速度比为1.4～2.5,纵向速度离散小于8%(横纵速度比为1.9时)的大回旋半径电子束。     

磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁通跳跃的可调性研究

超导磁悬浮列车在加速启动的过程中,载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中,这会导致超导线圈发生磁通跳跃,从而降低线圈的载流能力.并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高,严重时会导致超导线圈失超,所以对磁通跳跃的研究具有非常重要的科学意义.Nb₃Sn超导线是由多根微米级的超导芯丝、铜和环氧树脂形成的复合结构.本文通过约束每根芯丝的静电流为零的二维模型来分析三维绞扭效应,研究了超导线在交变磁场和恒定电流下的磁热不稳定性行为.通过分析交变磁场的幅值和频率对Nb3Sn超导线磁通跳跃的影响,发现当磁场幅值不变时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值B_th随频率非单调变化.而当频率一定时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值B_th随交变磁场幅值单调变化.此外,随着幅值的减小,发生磁通跳跃的频率区间先变大后变小,直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃.本文的研究结果能够为调控超导线的磁热不稳定性行为提供理论依据.     

基于粒子群与遗传算法的矩阵式梯度线圈优化设计

磁共振成像系统中的梯度线圈产生用于选层、频率编码和相位编码的梯度磁场.目前常用的梯度线圈是通过目标场法设计得到的.近些年来,由多个形状相同的线圈组成的矩阵式梯度线圈的梯度磁场均匀度和功率等指标也达到了较为满意的效果.本文首先提出了一种基于粒子群与遗传算法的、适用于开放式永磁型磁共振成像系统的矩阵式梯度线圈设计方法.然后对三个方向上的矩阵梯度线圈的电流分布进行了设计,每个方向上的矩阵式梯度线圈系统由224个大小相同的圆形线圈组成.最后利用有限元仿真软件对设计方案进行仿真计算,得到x、y方向上的平均非均匀度为0.851%,z方向上的平均非均匀度为1.013%,验证了本文提出的方法的有效性.基于该方法可以有效快速地对开放式磁共振成像系统的矩阵梯度线圈进行设计.     

超高速碰撞产生弱磁场线圈测量系统

为了测量超高速碰撞过程中产生瞬态弱磁场的磁感应强度,设计了弱磁场测量的线圈系统。阐述了线圈的设计、线圈等效电路的分析、运算放大器的选择及其功能。理论上探讨了自积分电阻对测量频率的影响。通过超高速碰撞实验得到了产生的弱磁场信号,实验记录的测量信号光滑,表明该测量系统具有较好的抗干扰性能。该测量系统的建立将为超高速碰撞产生等离子体的性能研究提供新的手段。     

核磁共振高信噪比弱信号检测的理论与实验研究

基于小型射频线圈的核磁共振检测探头在波谱分析和成像研究中具有广泛的应用,如化学位移波谱分析、磁共振成像和勘探测井等技术领域。但是,由于外加静磁场作用下,自旋体系发生塞曼能级分裂后,高低能态之间的核自旋数量之差很小,普遍存在检测信噪比很低的问题,而且初级磁共振接收信号的质量受所用探头线圈电气参数的影响较大。研究结果表明,在特定的被测样品和接收线圈占空比以及静磁场等条件不变的情况下,检测信噪比与单位电流产生的射频磁场成正比,而与线圈高频电阻的平方根成反比。在永磁0.39Tesla主磁场条件下,研究了趋肤效应影响下小型螺线管线圈几何参数的优化设计方法。理论仿真和实际的测量结果表明,几何参数为线径0.5 mm、直径5.5 mm的10匝微螺线管线圈,在16.9 MHz谐振频率上,相对信噪比取得一个极大值点,对应的Q值约为199.8,与阻抗分析仪测得结果有较好的吻合,验证了该核磁共振检测线圈设计新方法是合理的。本文提出的基于线圈电磁特性的高信噪比检测探头设计方法,可推广到目前的质子密度成像、岩心弛豫谱分析等应用中。     

CFETR CSMC装配误差下的电磁状态研究

中心螺旋管模型线圈是为了积累中心螺线管线圈设计和制造经验而预研的一套混合超导磁体线圈,该线圈由五大模块组成,高场区采用Nb_3Sn线圈,低场区采用NbTi线圈,可以满足紧凑型聚变装置对低纵横比的要求.然而模型线圈各模块结构复杂、尺寸庞大在装配过程中不可避免的存在装配误差,线圈励磁以后产生的非对称磁场和电磁力将分别影响等离子体的旋转和线圈整体的稳定性.为了详细分析装配误差对线圈磁场和电磁力的影响,选取模型线圈在装配过程中可能出现的典型的装配误差,基于电流丝等效模型计算了NbTi线圈偏置以后Nb_3Sn内外线圈上的磁场和电磁力.计算结果表明,由于装配误差,线圈磁场沿环向呈不均匀分布,轴向电磁力合力不为零;轴向和径向装配误差对线圈磁场和电磁力的影响存在明显的差异;电磁力随着装配误差呈线性增长,当线圈装配误差较大时将引发数倍于线圈自重的电磁力;该研究结果可为偏置状态下模型线圈的耦合场分析和线圈模块的装配方案设计优化提供参考.     

质子成像法测量电容线圈靶磁场

质子背光成像技术是一种诊断等离子体电磁场的重要诊断手段.当质子穿过等离子体的电磁场,质子受洛伦兹力影响在成像板上重新分布.如何从质子成像结果中重构电磁场是一个非常重要的研究课题.本文以激光驱动电容线圈靶为例介绍和对比了粒子追踪法和流量分析法这两种通过质子成像结果重构磁场的方法.激光驱动电容线圈靶通过激光打靶在电容靶两侧产生电势,然后很强的电流流过线圈,最后产生高达千特斯拉的感应磁场,在激光等离子体实验中这是一种重要的产生磁场的手段.本工作中先使用粒子追踪法在不同强度的理论磁场环境下得到质子成像结果,然后使用流量分析法从这些理论质子成像结果重构磁场,最后对比理论磁场和重构磁场以获得两种方法的优缺点.粒子追踪法可以重现实验中质子源、等离子体磁场和成像板的布局结构,但是依赖于精确的理论磁场的计算和庞大的计算量来模拟质子的轨迹,并需要不断修正理论磁场来获得最接近实验结果的模拟结果.流量分析法可以直接从实验的质子成像结果重构磁场结构.但是,流量分析法只适用于磁场较小的情况,当磁场较大时其重构的磁感应强度会误差较大.可以使用一个无量纲参量μ来衡量质子穿过作用区域单位长度后在成像板上的偏折距离,流量...     

HL-1装置的磁场测量

本文叙述了HL-1装置环向场线圈、内外垂直场线圈,欧姆变压器初级绕组和偏磁绕组的磁场测量方法和结果,初步讨论了带有切口的铜壳对磁场的影响。     

等离子体理论——托卡马克环向磁场波纹引起的粒子香蕉轨道偏离

在托卡马克中，热核等离子体的磁约束必须通过有限数目的环向磁场线圈来实现，这就产生了波纹环向磁场结构和由其引起的捕获高能粒子轨道的形变，从而造成高能粒子的快速损失通道——磁波纹损失。在托卡马克聚变堆(比如ITER)的设计中磁波纹损失是一个必须要考虑的问题，因为它将使大量α粒子在未被热化前损失掉，从而降低α粒子加热，并且由于波纹损失的局域性很强，有可能形成严重的聚变堆第一壁的局部损伤。     

离轴X波段五腔高增益速调管放大器

利用辛普森算法求解螺线管线圈内磁场分布,证明了离轴磁场能用于电子束的聚束。利用2维粒子模拟程序建立了X波段五腔高增益速调管放大器模型,整管模拟得到了频率9.45GHz、输出功率300MW、增益50.3dB和效率37.5%的微波输出。依此设计了X波段五腔高增益速调管放大器的三维模型,并将其分别放置在线圈中心轴和离轴54mm的位置进行模拟,模拟结果证明工作在离轴状态的器件同样可以进行微波放大。最后,对一个螺线管线圈内放置七个器件的状态进行了三维模拟,其合成功率输出可达2GW。     

交变磁场下海森堡链中首尾粒子的纠缠动力学

本文研究了各向异性自旋12海森堡链中首尾粒子的纠缠动力学,其中外磁场和最近邻耦合是周期性调制的。在特定的外磁场调制频率和外磁场振幅下,将会出现纠缠共振。在某些特定频率下,最大纠缠可以在相当大的振幅范围内保持最大值。因此,可以通过外界磁场来调控纠缠。     

超高速碰撞产生等离子体电磁特性的研究进展

 综述了国外在超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究方面的现状,主要包括电子温度、等离子体的粒子密度、等离子体的振荡频率及产生的磁场特征等方面。利用等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针系统、磁感应强度测量的线圈系统及实验系统,进行了超高速碰撞产生等离子体实验,分析了实验中产生等离子体的电磁特性。     

镱原子光晶格钟二阶Zeeman频移的测量

背景磁场的精确标定对于原子钟的闭环运转以及不确定度评估有着重要的影响。在中性原子光晶格钟的不确定度的评估中,背景磁场引入的二阶Zeeman频移是重要的贡献项之一。本文提出利用自比对的方法,测量不同背景磁场条件下镱原子钟跃迁¹S₀→³P₀两个π跃迁谱线对应的Zeeman分裂频率间距差值,得到Zeeman分裂频率间距差与相应背景磁场线圈电流的对应关系,最终标定出最小Zeeman分裂间距差在三个维度上对应的补偿磁场线圈驱动电流值。在此基础上,分别调节偏置磁场处于高低磁场强度条件下,测量了剩余背景磁场对钟跃迁频率产生的二阶Zeeman频移。结果显示二阶塞曼频移系数-0.0655(3) Hz/G²,对应的二阶Zeeman频移不确定度5.7×10^-17。这项工作的开展为镱原子光晶格钟不确定度总体评估奠定了基础。     

亥姆霍兹线圈磁场均匀性的研究

本文利用ＩＢＭ—ＰＣ计算机时圆电流的磁场和亥姆霍兹线圈（Ｎ＝１和Ｎ＝９９）的磁场作了精确计算； 给出了亥姆霍兹线圈的磁场系数和相对误差的数据，画出了１％、０．２％和０．０２％的磁场均匀区；对影响亥姆霍兹线圈磁场均匀性的几个因素进行了计算和讨论．     

超导离子源铌三锡六极线圈镜像磁场约束结构的优化设计

中国科学院近代物理研究所正在进行国际首台45 GHz全铌三锡超导离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)磁体的研制,该离子源磁体线圈由六个铌三锡超导六极线圈和四个铌三锡超导螺线管线圈组成。由于单根超导线绕制异形六极线圈(非标准鞍型)技术难度大,且铌三锡超导性能对应力敏感,为了测试单个铌三锡六极线圈性能能否达到设计指标,基于铝合金壳层结构和Bladder-Key精确预紧技术,设计了镜像磁场约束结构。本工作主要阐述了运用ANSYS参数化设计编程对镜像磁场结构进行优化设计的过程和优化后的镜像磁场结构,确定了室温预应力大小,并给出了线圈经过室温预紧、冷却降温和加电励磁后的最大等效应力。进一步结合实际六极线圈制作公差(±0.1 mm),分析和评估了公差对镜像磁场结构中六极线圈预应力施加的影响。     

可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场的设计与优化

喷泉钟量子化轴磁场的空间均匀性和时间稳定性是制约原子钟输出频率稳定度和不确定度的重要因素.从外磁场屏蔽、磁场线圈设计、线圈电流源稳定性等方面考虑,构建并优化设计了一套可搬运铷喷泉原子钟量子化轴磁场系统.为了消除环境磁场对量子化轴磁场的影响,使用5层坡莫合金磁屏蔽进行外磁场的屏蔽;利用4组对称的补偿线圈,通过计算给予合适的电流,获得喷泉钟内部30 cm原子自由飞行尺度内磁场波动小于1 nT;通过改善C场供电电流方式,从而优化量子化轴磁场的时间稳定性,磁场随时间的波动小于0.1 nT.优化后喷泉钟长期频率稳定度达2.9×10-16,磁场空间分布不均匀性带来的二阶塞曼频移不确定度为3.4×10-19,由磁场随时间波动带来的二阶塞曼频移的不确定度为5.1×10-17.     

基于电阻应变片的低温应变测量方法研究

超导磁体在降温及通电情况下将受到热及电磁应力,拟采用电阻应变片测量CFETR CS模型线圈在降温及通电过程中产生的应变。为了修正温度和磁场对电阻应变片的影响,采用惠斯通电桥法补偿应变片由于温度及磁场引起的偏差,并实际测量了316L不锈钢样品从室温降到液氦温度的热收缩值,测量结果与ITER数据库数值进行了对比、分析,并研究了磁场对应变测量信号的影响,结果表明惠斯通电桥法能够修正温度和磁场对应变测量的影响,并达到测量的精度要求,可以用于CFETR CS模型线圈的应变测量。     

磁流体结构的Lattice-Boltzmann方法模拟

本文运用Lattice-Boltzmann(LB)方法建立了宏观静止磁流体模型,提出磁性聚集体概念,充分考虑了磁性颗粒受到的各种内力与外力包括重力、布朗力、vanderWaals相互作用及静磁相互作用,对无外加磁场及外加竖直均匀磁场时磁流体的结构进行了模拟,并分析了磁能与热能之比对磁流体系统中粒子分布形态的影响。模拟结果表明:无外加磁场时磁流体结构易失去稳定性,外加均匀磁场时磁流体粒子沿外磁场方向排列,随着磁热能比例的增大,外磁场对粒子分布的影响逐渐明显。     

利用LC谐振做“磁场的描绘”实验

用感应法做“磁场的描绘”实验时，通常直接将一定的正弦电压加到励磁线圈上，使其中流过（有效值）恒定的电流，再将探测线圈放置在磁场中，通过测量探测线圈上的感应电压来确定磁场的大小和方向．我们做此实验时，由于仪器所限，信号源的最大输出电压仅达六、七伏，故励磁线圈中的电流较小，仅为几毫安，因而从探测线圈上测得的感应电压亦很小（最大值才几毫伏），而外界干扰较大，这样，测量结果的误差往往很大．为了减小误差，需增大励磁电流．为此，我们在励磁线圈所在的回路中串联一电容器（如图中的C），调节信号源频率或电容器之值…