100T超强脉冲磁场的实现与关键问题研究

Pulsed magnetic field is an important tool for the frontiers of the fundamental research. Ultra-high pulsed magnetic field up to 100 T has been the dream for scientists since 1980's, as well as the biggest challenge in the development of the pulsed magnetic field. In 2012, peak field of 100.7 T has been achieved in the USA. Fields from 80 T to 90 T have been produced in Germany, France and Japan, and 100 T are also in plan in these countries. In 2013, the highest field of 90.6 T has been produced in Wuhan National High Magnetic Field Center, which leads the research of pulsed field in China to the international advanced class. In this project, the following research for the 100 T magnetic field will be carried out: a) the mechanical stability and the failure mechanism of pulsed magnet, as well as the development of magnetic field, temperature rise and stress; b) the optimized ratio of magnetic fields among the coils and the timing sequence of the magnetic fields; c) design and realization of the combination of the pulsed generator and the capacitor bank power supplies. Based on this project, 100 T pulsed magnetic field is expected and the design principles of the pulsed magnet with multi-coils driven by two types of power supplies will be established.

脉冲磁场是前沿基础研究的重要工具。自上世纪80年代以来，实现100T一直是科学家的梦想，也是脉冲磁场技术中最具挑战性的目标。2012年，美国实现100.7T的脉冲磁场世界纪录，德、法、日也相继实现了80-90T的磁场，并正向100T努力。2013年，武汉国家脉冲强磁场科学中心实现了90.6T的磁场，使我国脉冲磁场技术研究前进一大步。本项目以100T脉冲磁场为目标，拟研究：1)超强脉冲磁体结构稳定性、破坏失效机理及失效过程中电、磁、热、力的发展演变规律；2)多线圈系统中磁场的最优比例以及磁场时序关系，寻找最优化磁体结构；3）电容器与脉冲发电机两种电源、三组模块协同供电的方案设计与控制策略，特别是磁体线圈失效后的暂态过程与电源保护措施。通过本项目研究，掌握多电源、多线圈超高脉冲磁体分析理论与设计方法；建立电容器与发电机电源协调工作的控制与保护策略；研制出样机，实现100T超强脉冲磁场。

在前沿基础研究领域，许多领域所要求的磁场都达到甚至超过100 T。然而，100 T磁场产生的磁应力高达4 GPa，而目前所能使用的高强高导材料，如铜铌、铜银导线只有1 GPa左右，远远达不到要求。即使采用高强度Zylon纤维对磁体进行加固，导体材料还是常常在磁应力作用下破坏失效。因此，在材料技术没有取得突破之前，100T磁场的实现只能依赖于磁体结构优化技术来解决。.本项目围绕100 T磁场的产生及其关键科学与技术问题，开展以下内容的研究：a)研究磁体结构稳定性、破坏失效机理以及失效过程与规律；b)研究不同线圈所产生磁场的最优比例以及磁场时序关系，寻找最优化磁体结构；c)研究电容器与脉冲发电机两种电源、三组模块协同供电的系统方案设计与控制策略；d)材料的力学特性，特别是在高应力载荷下循环加载后的强化与疲劳特性。.项目执行过程中，取得如下重要结果：a)提出了基于等应力原则对轴向载荷在绕组单元间进行重新分配的MPS模型，相对于传统GPS模型，新模型显著提高了应力计算精度，并且能够实现更加精准的分离位置判断；b)完成了三线圈磁体屈曲的理论分析，理论与实验结果吻合，国际上首次直接实验证明脉冲磁体中屈曲变形导致失效的问题; c)开展了Zylon纤维疲劳性能研究，研究了正态、对数正态或Weibull分布模型描述静态强度和疲劳寿命的统计特性，给出了脉冲磁体中复合材料失效的盘踞; d)提出了感应电压对消的磁场补偿方法，发电机供电的外线圈磁场提高30%，实现了线圈力学设计与电磁设计的统一，不仅提升了外线圈的安全性和可靠性，而且提高了合成磁场峰值; e)研究了三线圈系统内中间线圈的结构优化，给出了导线匝数、横截面宽度、高度与材料中的应力、线圈端部位移之间的关系，为磁体设计提供理论依据; f)研制了三线圈磁体样机，开展了实验测试，相较于无去耦设计，有去耦设计合成磁场峰值提高12%，该方案取得了较好的效果，验证了本项目提出的创新思路可行。