脉冲强磁场研究研究生开题报告

脉冲强磁场研究研究生开题报告内容摘要：

磁体的设计制造容易，也有的 科学实验要求磁场变化很快的磁场也使用这种办法 实现。 从图 10 可了解混合脉冲的实现方法，在外磁体（长脉冲磁体）上加一个脉冲宽度很长的电流形成磁场，称为背景磁场；在背景磁磁场达到峰值时，在内磁体（短脉冲）上通入短脉冲电流，在背景磁场上叠加了一个短的脉冲磁场，总的磁场强度等与两个脉冲磁场之和。 由于内外磁体存在耦合关系即有互感，在外磁体通电时内磁体 会感应电压，这是这种电源方案的主要克服的问题。 图 9 混合脉冲磁场波形曲线 图 10 混合脉冲的 实现 [IV] 可重复的脉冲 在激光、产生 X 射线的加速器、粒子加速器等领域要求重复产生脉冲磁场。 所以可重复脉冲强磁场也是脉冲强磁场研究的一个重要内容，当然重复的频率不会太高，因为磁体冷却需要时间。 这种可重复脉冲磁场电源，可以参考 日本仙台[17]设计的系统，如下图 11。 这电源系统的能量利用率很高。 使用引燃管（ Ignitron）作为放电开关，它控制了电源的放电频率。 开关 Ignitron导通，储能电容对磁体放电，在磁体中产生中 央 控 制 单 元储 能 电 容 器 组脉 冲 发 电 机长 脉 冲 磁 体短 脉 冲 磁 体华中 科技大学研究生院 12 磁场。 由于电容 C 与磁体电感振荡的作用在半个周期之后，电容电压达到负的最大，由于二极管 D2 的作用，电容不会再对磁体放电；而是通过 D1 和 L1 回路振荡，电容电压会从负的最大变成正的最大， D1 起到与 D2 同样的作用。 由于电路中电阻的影响，会有一定的能量损失，所以需要直流电源 DC 补充能量。 由于磁体冷却需要时间，所以电源的频率不能做的很高（ ），但是这个电源的设计还是很巧妙的。 图 11 可重复脉冲电源 三、研究内容 ：电容器组电源 本课题的研究内容 16MJ 的电容组电源。 根据 华中科技大学 拟建的（脉冲强磁场实验装置） PHMFF 规划： 脉冲磁体包括参数为 50T/45mm/65ms、 60T/22mm/30ms、70T/16mm/ 20ms和 80T/14mm/15ms 的短脉冲磁体各 3 个，参数为 50T/34mm/2250ms、60T/50mm/800ms 、 70T/24mm/150ms 的 长 脉 冲 磁 体 各 1 个 ， 以 及 参 数 为80T/18mm/600ms、 80T/18mm/1900ms 的长短合成脉冲磁体各 1 个。 其中 电容器组电源供电的磁体 有：短脉冲磁体（ PMT50S， PMT60S、 PMT70S、 PMT80S ），长脉冲磁体（ PMT60L， PMT70L），长短混合脉冲磁体 (PMT80LSA、 PMT80LSB （电容器配合发电机） )。 脉冲电源的作用就是给磁体（如图 12）供电，按照安培定律，在磁体中产生强磁场；磁体其实就是一个螺线管，只是它的制造要复杂得多，因为大电流强磁场所带来的巨大应力和温升，以及电动力等作用，磁体是整个强磁场的核心，它决定了所能达到的磁场强度水平和整个实验室的水平；科学实验站，主要任务是测量，返回各种实验数据。 脉冲强磁场产生的基本原理：脉冲电源 在磁体（螺线管）通入脉冲电流，就会在磁体内孔中产生脉冲的磁场科学试验品就放在磁体内 孔中。 华中 科技大学研究生院 13 图 12 磁体剖面图 [18] 本课题研究 的是 电容器电源 系统 ,其 等效电路图如 下 图： 图 13 脉冲强磁场电路图 C 是等效的电容器组， L1， R1 分别是整个回路的等效电感和电阻， U1 是高压大电流开关。 Crowbar 回路的作用是调节脉冲电流波形，在磁体的电流达到最大后由 Crowbar 回路放电，它由高压电阻 Rf 和高压大电流二极管组成。 磁体可以等效为电感和可变电阻，由于磁体中在瞬时通入大电流而 发热，电阻的阻值就会升高，它对输出 的电流波形是有比较大的影响的。 参看如下电源方案： 磁体参数： =T 77K300K， 2L  ， —R= ， m=6kg。 回路参数：1C = 5 8 5 5 u F = 3 . 1 9 0 m F ， L1 20uH ， R1 = 50m。 用 pspice 模拟磁体的到的电流如下图： （注： T温度， L2磁体电感， R磁体电阻， m磁体质量） 华中 科技大学研究生院 14 图 14 典型磁体中电流波形（电容电压 20kV） 设计要求磁体的电流波是临界阻尼波。 从图 14 可以看出改变 Rf 值可以改变放电电流波形的脉宽，设计要求的波形是 Rf= 欧时的波形。 由于磁体中在瞬时通入大电流而发热，电阻的阻值就会升高 ,而 且电阻的变化范围比较大（如 77 510mm ），对电流波形的影响比 较大。 这一过程可以用以下三个方程描述 ： 方程（ 1）表示这一过程是绝热过程，（ 2）电阻的线性变化规律，（ 3）比热的线性变化规律。 依据上述方程，可以用电路模拟 电阻的变化规律也可以看出电阻的变化对输出电流的影响，模拟电路如 图 15。 通过电路模拟计算可以看出，电阻阻值的变化对输出电流的变化，如图 117。 磁体的电阻变化： 7 7 ( 7 7 ) 5 1 0 ( 3 0 0 )m K m K  ，与电流的对应关系可以参看图 17，磁体电阻的变化对电流波形的影响可以看图 16。 0 .0 1 0 .0 m 2 0 .0 m 3 0 .0 m 4 0 .0 m 5 0 .0 m0 .02 .0 k4 .0 k6 .0 k8 .0 k1 0 .0 k1 2 .0 kI / KAt / m s R f =10 0 m o u R f =20 0 m o u R f =30 0 m o u R f =40 0 m o u R f =50 0 m o u2300K 77K77K300K 77K400K 77K77K400K 77Ki R dt c m dT (1) RR R ( T 77) R ( 2)TTccc ( T 77) c (3)TT         华中 科技大学研究生院 15 图 15 磁体电阻的 模拟电路 从图 16 可以看出磁体电阻的 变化对磁体中的电流的影响是很大，图中R 77 510mm 曲线是变化电阻（ 77 510mm ）的曲线， R77m 是电阻（ 77m ）不变时曲线。 图 16 磁体电阻的变化对电流波形的影响 从图 17 可以看出， R2800 曲线是电阻变化曲线，电阻变化比较剧烈时是电流峰值时刻，在 20ms 时基本已经上升至最大值，即电阻的变化持续 了整个脉冲时间。 （ T77K） 65 曲线是温度 77T T K   随时间变化的曲线，所以温度起始值是 0K。 （注：为了看清楚与电流的对应关系，所以乘了放大系数，如 (T77K)65，R2800 分别扩大了 65 倍和 2800 倍） 从上面分析可以看出，磁体电阻的非线性变化规律及其影响。 磁体电阻的0 .0 1 0 .0 m 2 0 .0 m 3 0 .0 m 4 0 .0 m 5 0 .0 m 6 0 .0 m 7 0 .0 m 8 0 .0 m01k2k3k4k5k6k7k8k9k10k11k12k13kR (7 7 m o u ~51 0 m o u )R (7 7 m o u )I/kAT / m s华中 科技大学研究生院 16 非线性变化这给实现脉冲平顶波带来了不少困难。 脉冲平顶波，它要求纹波很小，有些实验要求纹波系数在 105 以下，这是脉冲强磁场发展的新方向 [19]，它可以应用在核磁共振等领域，而且它也脉冲强磁 场性能的一个重要标尺。 图 17 磁体电阻温度变化与电流的对应关系 四、研究方案 根据规划建设磁体对电源的要求， PHMFF 规划建设两类脉冲电源：电容储能型和脉冲发电机整流器组型（简称脉冲发电机型）。 其中，电容储能型电源主要用于短脉冲磁体和对脉冲平顶要求不高的长脉冲磁体供电，脉冲发电机型电源主要用于对脉冲平顶要求较高的长脉冲磁体供电。 此外，还可以根据实验要求组成混合电源系统以实现对长短合成脉冲磁体等对磁场波形有特殊要求的磁体供电。 本课题的研究对象是 16MJ 的电容器组的控制 系统 以及 电 容器组 模块化，同时也需要研究电容器组和脉冲发电机的配合供电。 1 电容器电源的控制系统 规划建设的电容储能型脉冲电源的总能量为 16MJ，总电容容量为 51200μF，额定运行电压为 25kV。 它由 16 个能量为 1MJ、电容容量为 3200μF、额定运行电压为 25kV 的电容器组模块并联而成。 为满足各种实验对电容器能量的不同要求，每个电容器组模块的输出都配备了电动双刀双掷开关以实现不同电容器组模块的组合，如图 18(以 8MJ 为例 )。 0 .0 1 0 .0 m 2 0 .0 m 3 0 .0 m 4 0 .0 m 5 0 .0 m 6 0 .0 m0 .02 .0 k4 .0 k6 .0 k8 .0 k1 0 .0 k1 2 .0 k1 4 .0 k。