電池驅動長脈沖強磁場的理論、設計、工藝與實現.pdf

1、強磁場作為一種極端條件,對物質的作用效果明顯,已成為現代科學研究中越來越重要的工具。強磁場可分為穩(wěn)態(tài)強磁場和脈沖強磁場,穩(wěn)態(tài)強磁場持續(xù)時間長,但設備和運行成本高,且磁場強度相對較低。脈沖強磁場磁場強度高,但是持續(xù)時間短,無法滿足某些科學實驗的要求,且短脈沖條件下信號的測量較為困難。長脈沖強磁場結合了脈沖磁場磁場強度和穩(wěn)態(tài)磁場持續(xù)時間上的雙重的優(yōu)勢,能進一步拓展強磁場在科學上的應用,具有重要的科學意義。
　　目前常用的脈沖強磁場電源

2、包括電容器儲能電源和脈沖發(fā)電機型電源。電容器儲能密度較低,場地和成本投入大,因此更適合驅動短脈沖磁體。脈沖發(fā)電機電源能量大,且可控性好,但是控制復雜,且輸出紋波難以去除。而蓄電池電源能量大,且輸出為直流,不存在紋波問題。本文提出采用蓄電池組作為長脈沖強磁場的電源。
　　論文首先對鉛酸蓄電池脈沖高倍率放電進行了理論與實驗研究。測試了鉛酸蓄電池的脈沖高倍率放電極限性能,對放電的電流、電壓以及內阻等關鍵參數進行了實際測試。隨機選取一只蓄

3、電池進行了持續(xù)性放電,以測試其對脈沖高倍率放電的承受能力,進一步驗證蓄電池組脈沖電源建設的可行性。
　　脈沖磁體是脈沖強磁場裝置的核心。結合蓄電池脈沖放電參數,作者進行了長脈沖磁體與電源的組合優(yōu)化研究。針對長脈沖磁體最為關鍵的溫升問題,分析了磁體形狀和體積與磁體溫升之間的關系,揭示增大體積降低溫升的方法和電源容量之間的矛盾關系。結合蓄電池供電電路進行了脈沖磁體的電、磁、熱多物理場耦合分析,研究溫升導致的參數變化對放電過程和磁場波形

4、的影響,提出通過控制磁體溫升改善長脈沖磁場波形的方案。
　　根據本文長脈沖磁體設計理論,優(yōu)化設計了一套40T長脈沖磁體和電源方案。由于長脈沖磁體電源電壓低,電流持續(xù)時間長,導致導體截面積增大,帶來了磁體結構設計和加工上的問題。本文引入水冷磁體的helix線圈結構,并根據脈沖磁體的特點對helix線圈結構進行了改進。將水冷通道改為優(yōu)化了的層間加固,并將線圈端部閉合回路切開以避免感應渦流所帶來的電磁力。
　　脈沖磁體能否正常工作

5、以及所能達到的最高磁場強度指標,很大程度上取決于磁體加工制造過程,工藝上的任何一點小缺陷都有可能導致脈沖磁體的破壞或壽命縮短。針對helix內線圈在加工、絕緣、加固以及組裝等環(huán)節(jié)上的問題,本文都提出了相應的解決辦法。對銅皮外線圈的電極焊接以及繞制過程也進行了詳細的介紹。
　　作者在國家脈沖強磁場科學中心(籌)完成了整套長脈沖強磁場裝置的建設和調試工作。本文還將對整個裝置系統(tǒng)的構成以及其他關鍵部件進行介紹,并給出電源和磁體的最終測試