脉冲强磁场研究研究生开题报告.doc

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1、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强磁场实验装置已

2、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，尤其是在物

3、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

4、粒子的运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50－100T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（10－100m），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、

5、新突破提供不可替代的机遇。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

6、有以下几种：对于长脉冲磁体（CWM[7]），电源有电容器组、电感、电网和脉冲发电机；对短脉冲磁体（CPM[8]），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

7、比较复杂。正是由于这些原因，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