1、研究生开题报告修改一、 选题背景1 脉冲强磁场研究的意义磁性是所有物质的基本特性。磁场是诸多科学领域的基本研究工具。磁场可以改变和检验原子和分子的电子态能量和磁矩，因而导致形形色色的不同效应和相关实验技术的产生。在过去二十年中，包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像和第二类超导体及超流理论等与强磁场有关的诺贝尔奖有8项1。一般说来，磁场强度越高，对于物质系统的电子能态改变就越大，从而导致更多的奇特现象出现和给科学创新提供更多的机遇。强磁场已经成为利用极端条件揭示物质内部结构、运动和变化规律的一种最为有效手段。强磁场的价值在于对基本物理学知识有重要贡献。因此，作为获得高场强有效方法的脉冲
2、强磁场实验装置已成为当今开展凝聚态物理、磁学、材料科学、化学、生命科学、医学等领域前沿基础研究的不可替代的重要手段2，世界上许多发达国家，为满足科学家开展前沿科学研究的需要，纷纷建立了脉冲强磁场实验装置。有理由相信随着磁场强度的进一步提高，特别是高场强脉冲强磁场实验装置的建造3，将为众多前沿学科领域新课题的开辟、新理论的突破、新概念的形成提供一种先进的而又不可替代的综合性研究平台，从而有力地促进基础研究水平的提高和科学技术的跨越式发展。根据不同的磁场脉冲宽度，通常将强磁场分为两种4。一种是稳态强磁场，能够提供很长时间的稳定的磁场强度，但是要得到很强的磁场很困难，随着科学研究的深入发展，尤其是在
3、物质结构探讨方面，稳态磁场的磁场强度已满足不了科学研究的需要，于是产生了脉冲强磁场。脉冲强磁场的脉宽非常窄，只有数十毫秒，不过相对于大部分物理过程而言，毫秒级脉冲强磁场足够满足使用要求。同时，与稳态磁场相比，产生相同强度的磁场，采用脉冲磁场技术要比稳态直流磁体技术容易得多5，因此，脉冲强磁场技术受到更加广泛的重视。脉冲强磁场可突破稳态磁场最高场强的限制，为探索物理规律提供一种不可替代的强有力的工具。在高温超导领域，上临界磁场强度、低温下正常态的输运过程和磁通量的钉扎效应以及赝能隙的研究，都需要提供高场强的脉冲强磁场6。脉冲强磁场还可创造新的其它方法无可替代的物理环境。足够高的磁场使带电粒子的运
4、动轨道和能量量子化，使物质系统具有更独特的性质。在磁场场强为50100T时，许多半导体中会发生在回旋能态之间的光学跃迁，其波长在中、远红外频段（10100m），这是目前唯一能提供这种波段的实验途径。只有在脉冲强磁场的条件下，才有可能发展基于自由电子激光的红外光谱学。激光冷却技术，以及建立在这个技术基础之上的玻色爱因斯坦凝聚、原子激射现象等重要前沿领域的深入研究，必不可少的实验条件就是脉冲强磁场（具体说来交叉强磁场）。正反粒子组成的所谓两体束缚态也只有在交叉强磁场和原子冷却技术的结合下才能实现。总之，脉冲强磁场的建设必将为相关科学的深入研究提供前所未有的实验条件，为科学的新发现、新突破提供不可替
5、代的机遇。2 脉冲强磁场电源脉冲强磁场由脉冲电源、磁体和科学实验站组成。脉冲电源是脉冲强磁场的重要组成部分，为磁体提供脉冲的电能。脉冲电源使脉冲强磁场实现瞬间极高强磁场成为可能，同时磁体中产生磁场强度、脉冲宽度、类型（如单脉冲，多脉冲，平顶波等）都是由电源控制实现。脉冲电源的投资占整个脉冲强磁场装置的大部分，电源的设计建设是脉冲强磁场的很重要的一部分工作。电源的可靠与稳定关系到整个脉冲强磁场的稳定运行。由此可见，脉冲电源的研究对于脉冲强磁场有着极其重要的意义。脉冲强磁场与稳态强磁场的最明显的区别就是电源不一样，稳态强磁场一般使用电网供电，而脉冲强磁场的电源有多种。脉冲强磁场电源有以下几种：对于
6、长脉冲磁体（CWM7），电源有电容器组、电感、电网和脉冲发电机；对短脉冲磁体（CPM8），电源基本上都是电容器组（少数使用电感储能）。下面就几种电源进行介绍：2.1 电容器组无论长脉冲还是短脉冲，电容器都是最主要的电源。如果整个回路电感不大，能量要求不高，电容器组可以提供GW到TW的功率。实际电容器组存储的能量可达数十MJ。电容器组电源主要的优点：储能效率高、系统简单、造价便宜。与电感储能和脉冲发电机储能相比，它的储能效率是最高的，理论上讲是100%.电感储能，由于电感自身有电阻，在储能时会有能量损失，而且在电感储存的能量要经过DC-DC变化才能使用，不能直接使用，控制比较复杂。正是由于这些原
7、因，导致电感储能系统的造价高和效率低。脉冲发电机是先储存动能，然后将动能变化为电能，所以储能效率不会很高，对电机的控制也很复杂，而且发出的电能要经过变换才能给磁体供电，所以控制复杂，电机的造价高而且整流变换部分又增加成本，所以造价很高。通过比较可知，电容器组有储能效率高、系统和控制都比较简单、造价便宜三大优点。同时电容器还有可靠性好、维护费用低等特点。电容的缺点有：储能密度不高（高储能密度0.50kJ/kg）；单位能量的造价高（150-300$/kJ）；负载（磁体）须与电容器匹配，以提高效率；系统的保护比较困难，主要是电容器的保护比较困难。图1 电容器组电源9电容器组电源主要由多台电容器、极性
8、转换开关、放电开关、电容器的保护、Crowbar回路、泄能回路、充电电路和控制系统组成，如上图所示.极性转换开关，为了满足有些实验中要求磁体中产生正向或反向磁场的要求。放电开关（如图中thyrsitor）是整个回路的主要放电开关，它控制着电容器组能量的对磁体的释放。电容器的保护（如图中的fuse）是为了保护电容器安全，当某台电容器发生击穿故障时，fuse熔断，将该台电容器切除，以防止事故发生。Crowbar回路的作用是为了调节磁体的电流波形，也是为了提高电容器的寿命，因为如果反向充电对电容器不利。图中的2mH的电感起故障限流作用，保护放电开关。泄能回路，在故障情况下可以快速地将电容器的能量泄放
9、掉，保证系统的安全。2.2 脉冲发电机脉冲发电机是脉冲强磁场的又一重要的电源，由于其可控性好和储存的能量大而受到关注，脉冲发电机电源典型的代表是美国Los Alamos的NHMF(国家强磁场实验室)使用的1.43GVA/650MJ的脉冲发电机组。脉冲发电机先工作在电动机状态，储存动能，再通过控制系统使电机工作在发电机状态的动能转化为脉冲电能输出。脉冲发电机可以分为直流发电机和交流发电机，直流发电机可以直接给磁体供电，而交流电机要通过可控整流或者不整流变成直流给磁体供电。因此脉冲发电机有三种方案，直流电机电源如下图：图2 直流发电机电源脉冲直流发电机可以直接对磁体供电，供电电压通过调节电机的励磁
10、实现的，可以采取反馈控制发电机的电压。直流发电机的优点有：系统简单、输出电压的纹波很小；缺点就是由于电机的电刷的限制，直流电机的功率不能做的很大。图3 脉冲交流发电机不控整流电源 交流发电机不能直接对磁体供电，要通过整流以后才能对磁体供电。不控整流交流发电机（如图3）与直流电机一样也是通过调节电机的励磁来调节对磁体的供电电压。主要优点有电机的功率可以做得很大，纹波也可能通过12或者24脉冲整流器加以限制；缺点就是要通过调节电机的励磁来调节电压，响应比较慢。可控脉冲交流发电机（如图4），交流发电机的电流通过可能整流再对磁体供电。它的工作原理与前两种不一样，调节励磁以保持发电机的输出端电压不变，磁
11、体的电压通过改变可控整流器的触发角来调节的。 图4 脉冲交流发电机可控整流电源这种系统的最大优点是功率大、存储的能量大、控制灵活，电压调节响应速度快，可以使用一台电机同时对一个磁体（或者混合磁体的几个部分）供电，如NHMF的60T磁体长脉冲供系统。主要的缺点就是由于可控整流，系统的纹波比较大，需要滤波器；系统控制很复杂。综上所述，脉冲发电机电源的优点主要有储存能量大，储能密度高，功率大，可控性好，控制系统灵活，主要适用于长脉冲或者超长脉冲磁体的电源，一般不适用于短脉冲磁体电源。主要缺点是电机制造困难、整个系统造价高、维护费用高、能量的利用率不高等。2.3 电网电网也是脉冲磁场的一种电源。不过对
12、电网又要求，该电网的额定功率必须是磁体系统峰值功率的10-20倍，所以这种电网一般是单独架设的。电网电源系统图如下：图5 电网电源系统电网电压经过降压变压器后，再通过可控整流器对磁体供电，整个控制系统的响应速度很快（数ms），控制灵活。电网方案简单可靠，但一般只适用于小磁体（数十MW以下）。若要对高能能量磁体供电，一般要求实验室建在大电厂或变电站附近才可行。综上所述，电网方案简单可靠，建造维护运行成本低，但有地域限制。2.4 电感储能电感储能电源包括阻性电感储能（普通电感）和超导储能系统（SMES）。普通的电感储能，由于电感自身的电阻，所以会有能量损失，储能效率不高，一般不用于长脉冲电源。超导
13、储能系统没有能量损失，但是目前还在研究阶段，而且成本极高，还不适合作强磁场电源。电感储存的能量目前还不能直接对磁体供电，要通过DC-DC变换以后才能对磁体供电，如下图。目前法国Grenoble强磁场实验室适用的电感储能系统作为磁体电源，而且他们正在研究储能电感直接对磁体供电的可行性10。图6 储能电感电源系统与前几种电源相比较，这种电源系统最为复杂。先用可控整流对储能电感充电，然后要通过DC-DC变换才能对磁体供电。这种电源的主要优点是电流源型电源，容易实现对电流的控制，系统功率可以达到数GW。缺点有：储能效率低、系统复杂。 从以上介绍的几种电源比较可知，电容器制造容易、造价低、维护费用低、控
14、制简单等诸多优点，目前电容器是脉冲强磁场主要电源。二、 国内外现状及发展趋势1 脉冲强磁场电源的国内外现状国外：截至目前，全球共有30多个脉冲强磁场实验室11，如表1。统计表明，超过90%的脉冲强磁场实验室分布在西方发达国家，接近90%的实验室可以实现60T的强磁场，有10%的实验室可以实现70T的强磁场，日本大阪大学还创造了80.3T的脉冲强磁场记录。从实验室规模和磁场参数来看，比较有代表性的三大脉冲强磁场实验室是：美国洛斯阿拉莫斯强磁场国家实验室、法国图卢兹脉冲强磁场国家实验室和德国德累斯顿脉冲强磁场实验室。下面分别对这三个实验室作简要介绍。美国脉冲强磁场实验室建在位于新墨西哥州的洛斯阿拉
15、莫斯国家实验室12。该实验室最大的特点是拥有参数高达1.43GVA/650MJ的脉冲发电机组，利用该发电机作为电源，实现了60T/32mm/2000ms（100ms平顶）的长脉冲磁场以及多种4050T的长脉冲磁场。另外，该实验室还采用1.6MJ的电容器组，实现了5070T的多种短脉表1 目前国际上主要脉冲强磁场实验室的主要技术参数国 家所在地电 源场强(T)/孔径(mm)/脉宽(ms)美 国Los Alamos电容1.6 MJ68 / 15 / 20，60 / 15 / 3550 / 15 / 350电机1.43GVA100 / 24 / 20 (建设中)60 / 32 / 1000 (建设中
16、)60 / 32 / 100，50 / 32 / 20040 / 32 / 500MIT电容0.21 MJ65 / 13 / 7.3法 国Toulouse电容14 MJ80 / 15 / 10(建设中)76/15/300，61 / 11 / 15061 / 24 / 200，58 / 26 / 285荷 兰Nijmegen电容2 MJ80 / 23 / 5(建设中)Amsterdam电网6 MW40 / 20 / 1500德 国Dresden电容50 MJ100 / 20 / 1020 (建设中)70 / 24 / 100200 (建设中)60 / 50 / 1000 (建设中)50 / 24
17、 / 13，50 / 24 / 10Berlin电容0.4 MJ60 / 18 / 8.1Frankfurt电容0.8 MJ50 / 24 / 24，36 / 22 / 600日 本Osaka电容1.5 MJ80 / 10 / 25，70 / 10 / 7Tokyo电容0.9 MJ50 / 22 / 50，50 / 20 / 20比利时Leuven电容1.2 MJ73 / 10 / 10，60 / 20 / 20英 国Bristol电容0.13 MJ60 / 12 / 50Oxford电容0.8 MJ60 / 12 / 10俄罗斯Moscow电容0.18 MJ55 / 15 / 9.5澳大利亚
18、Sydney电容0.8MJ60 / 22 / 25意大利Parma电容0.8MJ60 / 27 / 60葡萄牙Porto电容0.6MJ25 / 30 / 2000西班牙Zaragoza电容0.12MJ31 / 30 / 2000波 兰Wroclaw电网30 MW47T /10 /10奥地利Vienna电网16 MW40T / 25 / 10冲磁场。该实验室规模为全球之冠。目前，该实验室正在设计建设100T的非破坏性脉冲极限磁场。值得注意的是1.43GVA/650MJ的脉冲发电机组电源，它是脉冲发电机电源的典型代表，现在将这个电源系统进行介绍。如图7这个电源系统已脉冲发电机为核心。发电机参数为1
19、430MVA，24kV,60Hz,4极同步机。电机开始工作在电动机状态，当转速达到1800rpm时存储的能量为1260MJ。此时，将电机与电网断开，使之工作在发电机状态，转速从1800rpm降至1260rpm，频率由60Hz降至42Hz,电机的机械能转变为电能输出。可控整流器调节输出的电能，使之到达实验要求。为了减小纹波系数，可控整流器至少是12脉冲的，它的控制速度为50-80ms，可以在磁体中产生带100ms的平顶的脉冲电流波。而在整个脉冲期间，通过调节励磁发电机电压维持不变。图7 洛斯阿拉莫斯国家实验室电源系统这个系统有一个很大的有点就是，它可以使用一台电机对同时对几个磁体供电或者混合磁体
20、的几个部分（如60T长脉冲）。例如60T的长脉冲磁体有三个独立的磁体组合而成，由内到外为magnet1， magnet2， magnet3，对应的脉冲磁场波形为Group1，Group2，Group3。图8 NHMF60T长脉冲磁场强度波形用这个电机实现了60T/100ms的高参数水平，主要是利用控制三个整流模块来实现的。这种脉冲磁场的平顶波形，是通过控制磁体的电流波形得到的。这种脉冲电流波脉冲强磁场重要发展趋势，是提高脉冲强磁场性能的重要途径，它可以应用于核磁共振、核磁共振成像等很多领域，是脉冲强磁场建设的努力方向。德国的德累斯顿脉冲强磁场实验13室于2003年开始建设，计划于2007年建成
21、。该实验室是目前欧洲建设规模最大的脉冲强磁场实验室，电源全部为电容储能型，总能量为50MJ，由35组1.44MJ/24kV/ 37kA的模块组成。计划建造50T70T的系列脉冲磁场，并计划冲击100T的非破坏性脉冲极限磁场。该实验室全部是使用的电容器组作为电源，为了有效灵活的管理和运行这么多台电容器，采用了分组模块化技术，每一个模块如图1所示。德国的德累斯顿脉冲强磁场实验的电容器组电源可以作为电容器电源的典型代表。法国图卢兹脉冲强磁场国家实验室14是目前欧洲已建成并投入实验的规模最大的脉冲强磁场实验室，也是目前世界上已在运行的规模最大的两个脉冲强磁场实验室之一。拥有14MJ的电容储能型电源和4
22、0T60T的系列用户型脉冲磁体。2003年，欧洲“ARMS”项目建造的双线圈磁体在该实验室投入运行，最高场强为76T。从表1可以看出，脉冲强磁场的电源有以下几种：电容器组电源,电容器组电源,脉冲发电机，电网。还有电感储能和SMES（超导储能系统）。 电容器组电源造价不高，易于管理和维护，整个系统能量利用率高，电容器自身不损耗能量。主要缺点就是储能密度还不够大，电容器保护比较困难复杂；电感储能，电感储能效率低；同时储能电感不能直接对磁体供电，要通过DCDC变换才能对磁体供电，系统比较复杂。脉冲发电机，先储存动能再变化为电能输出，最大的有点就是，储存的能量大，功率大，可以根据需要输出脉冲波形；缺点
23、就是控制复杂，造价高。电网，将电网的能量经过一些变换器变化后给磁体供电。一般只适合于小功率磁体不适合于大磁体，有地域限制。比较先进的电源还有SMES：超导储能系统，最理想的电源，但目前还在研究阶段没进入使用阶段。由于电容器电源的诸多优点，目前它是脉冲强磁场的最主要的电源。国内：在过去的几十年中，我国科学家在脉冲强磁场科学研究方面进行了大量努力，其中，中科院物理所和中国科技大学曾分别建立过超过30T的短脉冲磁体，并开展过超导、磁性材料等强磁场环境下的研究。中科院等离子体物理所曾研制过一台40T的脉冲磁体。近年来，华中科技大学开展了大量脉冲强磁场研究工作。在教育部“211工程”的资助下，研制了1M
24、J电容储能型脉冲电源模块，与比利时鲁汶大学合作研制了场强达70T的脉冲磁体，并在此基础上建立了两个脉冲强磁场科学实验站。总的说来，我国脉冲强磁场研究工作还是初步，尚未形成一个全国性的脉冲强磁场研究中心，脉冲强磁场研究与国外差距很大，仍处于起步阶段。但是在与脉冲强磁场相关的关键技术方面，我国已具备较好的技术基础。2 磁体电流波形的调节 强磁场是在磁体通入电流在磁体的内孔中产生的。由于是在空气中不存在磁饱和的情况，所以磁体的电流与磁体内产生的磁场成线性关系。衡量脉冲强磁场性能的重要标准是磁场强度和磁场强度随时间变化的波形（即电流波形），所以研究磁体中电流的调节措施是强磁场电源研究的重要课题，也是强
25、磁场科学实验对电源提出的要求。就目前世界研究的现状来看，主要有以下几种电流波形：I 普通的单脉冲电流波 这是最普通的情况，按照脉冲长度有可以分为短脉冲，脉冲宽度一般几十个ms；长脉冲，脉冲宽度一般几百ms；超长脉冲，脉冲宽度可达秒级。短脉冲都使用电容器作为电源，长脉冲可以使用电容和脉冲发电机作为电源，超长脉冲使用脉冲发电机作为电源。普通的脉冲只是为了达到磁场强度的要求，而没有考虑波形的因素，这是比较粗糙的。典型的单脉冲电流波形可以参看图14。II 脉冲平顶电流波脉冲平顶波，一种类似梯形的脉冲电流波。这种电流波形是脉冲强磁场研究的比较前沿性课题，目前有美国的Los Alamos NHFM实验室使
26、用脉冲发电机作为电源实现了60T、平顶100ms的电流波15,如图8；荷兰的阿姆斯特丹大学使用电网实现了30T、平顶时间60ms100ms16，纹波系数10-4的电流波。平顶电流有利于改善磁场性能，同时它还在核磁共振和核磁共振成像等诸多领域有着很重要的应用，它是未来脉冲强磁场发展的方向。III 混合脉冲波形为了达到很强的磁场（如100T），一般采用几个磁体共同产生，这使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9、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）
27、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H.Nojiri17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
28、率。开关Ignitron导通，储能电容对磁体放电，在磁体中产生磁场。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（0.5Hz），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
29、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
30、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。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
31、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：，。回路参数：，。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）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=0.3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），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16、17
