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脉冲强磁场技术最早可以追溯到上世纪初。1924 年，前苏联物理学家P. Kapitza 利用铅酸蓄电池在1 mm直径的线圈内实现50 T磁场。在获得50 T磁场后，他声称只要有足够的经费支持，就可以实现200—300 T的磁场。然而，由于没有意识到巨大磁应力对磁体所造成的破坏，他并没有实现更大的磁场。到上世纪60 年代左右，随着测量技术的发展， 科学家能实现脉冲场下的de Haas-van Alphen 效应、磁致电阻效应等测量，因此，欧洲、美国以及日本开始纷纷建立脉冲强磁场实验室，这一时期的电源多为电容器电源。1986 年，脉冲强磁场技术实现一次突破，美国麻省理工学院S. Foner 教授将高强度铜铌合金线引入脉冲磁体，研制出高强度脉冲磁体，实现了68 T的磁场。随后，比利时鲁汶大学F. Herlach 教授发明了脉冲磁体的分层加固技术，将磁场提高到80 T。进入90 年代，为满足科学研究的迫切需要，欧洲、美国以及日本提出100 T 脉冲磁场的计划。面对如此超强磁场所带来的挑战，脉冲磁体走向多线圈结构。2012年，美国国家强磁场实验室利用四线圈磁体实现100.7 T的世界纪录，德国德累斯顿强磁场实验室和武汉国家脉冲强磁场科学中心利用双线圈磁体分别实现了94.2 T 和90.6 T的磁场。 在脉冲强磁场产生装置中，脉冲电源提供能量，脉冲磁体流过电流产生磁场，二者对脉冲强磁场技术的发展起到至关重要的作用，任何一次电源和磁体技术的升级都给脉冲强磁场带来新的发展机遇。 脉冲电源提供产生脉冲强磁场所必须的大电流。常用的脉冲电源包括电容器、脉冲发电机、蓄电池、储能电感以及电网等。 电容器电源功率大，能瞬间输出大电流，适合产生超高短脉冲磁场；同时，电流中无纹波，对科学实验的测量影响小，是磁化测量实验的理想电源。电容器电源的另一大优点是，运行维护简单，操作便捷，即使小型脉冲强磁场实验室也能运行。早期电容器电压通常在3—5 kV，储能300—500 kJ。随着对磁场要求的提高，电容器的电压与能量也快速增加，目前电容器电源电压都在20 kV 以上，能量在数兆焦耳。其中德国德累斯顿强磁场实验室拥有世界上最大的电容器电源，最高电压24 kV，总储能50 MJ。武汉国家脉冲强磁场科学中心和法国图卢兹强磁场实验室电容器储能分别达到14. 8 MJ和14 MJ。 脉冲发电机电源储能高达数百兆焦耳，与整流系统配合对磁体供电，通过控制整流系统的触发角，能方便地调节磁场波形，特别适合产生平顶波磁场或其他特殊波形的磁场。不过，由于整流过程产生纹波，该电源系统不适合磁化等实验研究。同时，脉冲发电机以及整流系统运行控制复杂，维护费用高，一般仅在大型实验室运行。目前最大的脉冲发电机电源位于美国国家强磁场实验室，该发电机输出峰值功率达1430 MVA，输出能量达650 MJ。武汉国家脉冲强磁场科学中心与校内托克马克装置J-TEXT 共享一个100 MJ/100 MVA的脉冲发电机。该发电机既可为J-TEXT装置供电，也可为脉冲强磁场装置供电。用作脉冲磁场电源时，与两套整流系统配合使用，空载电压为3 kV，满载电流为50 kA。 蓄电池电源兼具脉冲发电机电源储能高和电容器电源无纹波的优点。另外，蓄电池电源可以实现单次充电和多次放电，使用方便。不过，单个蓄电池输出的电压低，电流小。为适应脉冲强磁场的需要，蓄电池电源通常由若干个蓄电池串并联组成。在蓄电池电源设计中，一个重点是设计出安全的电流关断开关，单个磁场脉冲无法消耗电源内部的能量，如果不能强制关断脉冲磁体上的电流，电流将一直流过磁体，磁体将由于焦耳热而损坏。武汉国家脉冲强磁场科学中心建成了全球最大的蓄电池电源，该电源由975 个12 V蓄电池串并联组成，总储能高达8 GJ，输出电压770 V，最大电流为35 kA，整个电源内阻为3mΩ。为实现磁体上直流电流的可靠关断，电路中设计了一个晶闸管强制换流电路和另一个直流断路器，三者串联工作，以防止其中一个设备失灵造成事故。 电感储能电源是利用电感作为储能元件，在较长时间内，以较小的低功率将电能转换成磁能储存起来，然后在短时间内释放到脉冲磁体内，产生大电流和强磁场，在这一过程中，也实现了功率的放大。电感储能电源能量密度高，储能元件实际上就是一个电感，维护简单，建造成本低。该电源的缺点是效率低。法国格勒诺布尔强磁场实验室建有全球唯一的脉冲强磁场电感储能电源。储能电感由铝板绕制而成，外径2.16 m，内径1.14 m，高1.05 m，重10 t。储能时，电流在3 s 内达到120 kA，储能72 MJ。利用该电源，格勒诺布尔强磁场实验室实现了60 T的磁场。 电网电源是直接将电网的电压进行整流成需要的参数后给磁体供电，中间没有储能环节，磁体所需的功率就是电网输出的功率。由于一般电网容量有限，难以承受巨大的负载冲击，所以用于脉冲强磁场的电网电源功率都在20 MW以下，仅用于40 T以下脉冲磁场。目前该类电源已完全在脉冲强磁场中被淘汰。 脉冲磁体本质上是一个空心螺线管线圈，孔径一般在10—30 mm之间，以提供足够的空间开展科学实验。最初的脉冲磁体是由铜线连续绕制而成，由于铜线机械强度低，只有300 MPa 左右，不能抵抗强电磁力作用，所以只能产生40 T以下的磁场。1986年，美国麻省理工学院S. Foner教授首次将高强、高导铜铌合金线引入脉冲磁体。由于该导线具有900 MPa 左右的抗拉强度，能极大地提高脉冲磁体的力学强度，因此实现了68 T的峰值磁场。受这一突破鼓舞，世界上各强磁场实验室纷纷研发新的高强度导体材料，以期获得更高的磁场。其中，英国牛津大学和法国图卢兹强磁场实验室开发了铜—不锈钢复合导线。他们将铜棒插入高强度不锈钢管中，然后进行多次挤压变形和热处理，制造出不锈钢加固的铜芯复合导线。该导线强度达到1 GPa 左右，能产生80 T 的磁场。俄罗斯无机材料研究所则在铜铌合金研究方面取得重大突破，他们研制出强度高达1.1 GPa， 电导率达66% IACS(International Annealed Copper Standard，中文译名为国际退火铜标准)的合金，该合金导线广泛用于欧美等国家。另外，日本在铜银合金导线研究方面也取得了巨大进展，导线强度达到1.2 GPa，导电率高达71.5%。 尽管提高导线强度是提高磁场的一个重要方法，但导线强度的提高伴随着电导率的降低。当导线强度达到1 GPa 左右时，无法在保证电导率的情况下继续提高强度。因此，磁场的提高必须另辟蹊径。上世纪90 年代，比利时鲁汶大学的F. Herlach 提出了分层加固的脉冲磁体结构，实现了脉冲磁体结构的历史性突破。在以往的脉冲磁体中，线圈都是采用导线连续缠绕的方式加工，整个脉冲磁体仅由最外层加固，而我们在进行详细的脉冲磁体受力分析后发现，线圈导体层受力并非连续。在线圈最内层，层与层之间会出现自由分离界面，因此，不论最外层加固多厚，线圈内层都无法得到有效加固，只有将每层导线进行加固，才能从根本上实现脉冲磁体力学强度的提高。采用分层加固技术，不仅实现了每层导线的加固，而且能根据不同层受力大小的不同实现最优化加固。分层加固技术是脉冲磁体发展历史 |
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