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微秒级强脉冲磁场的产生和测量 |
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| 微秒级强脉冲磁场的产生和测量 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:25:08  |
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石 磊， 邱爱慈， 周国振， 沈志康
西北核技术研究所， 陕西西安 710024
1 引言
依靠储能电容器组对单匝线圈放电是在实验室条件下采用的获得强脉冲磁场的方法［1、2］，用此方法可产生几十甚至几百特斯拉量级的强脉冲磁场，该技术可用于等离子体物理、电磁炮等实验中，也可以对金属管件进行磁成形、磁焊接等。目前测量强脉冲磁场的方法主要有两种：一是微分环法测量磁场微分信号，再用积分器或通过计算机利用软件对其积分得到磁场信号；另一是法拉第磁光效应法。
2 强脉冲磁场产生装置
强脉冲磁场装置主要包括储能电容器组、真空系统、供电和控制系统、汇流板和产生磁场的电感线圈（一般采用单匝线圈）。
图1是强脉冲磁场装置的等效电路图，电容器组包括32个电容器（30 kV，10μF），每个电容器上端均有一个真空触发开关，并用12根高压同轴电缆与汇流板连接起来板组成，中间被一层1．0 mm厚的聚乙烯薄膜隔开。
该装置的主要参数：储能电容器最高充电电压：30 kV储能电容器总电容：326．0μF最高储能：144 kJ内部电阻：1．43 mΩ内部电感：5．0±0．4 nH
3 单匝线圈产生磁场的理论计算
强脉冲磁场对线圈的要求较高，不仅要求其自身电感小，而且由于它在放电过程中要承受很大的磁压强（B2／2μ0），还要求线圈具有极好的坚固性，单匝线圈能满足这些要求。
当电容器组对单匝线圈放电时，线圈电流达到兆安量级，电流在线圈内的分布不是均匀的而是呈极大的非线性。假设线圈内电流呈二维分布，并且忽略线圈的缝隙效应，通过下列方程组可求出电流、磁场和电流密度等分布。
3.1 单匝线圈中电场的扩散方程
电场E在单匝线圈中的扩散方程［3］：
初始条件：I（0）＝0（4）
3．3 单匝线圈产生的磁场
联立以上各方程编程计算可求出回路总电流、单匝线圈内电流密度分布及其产生的磁场分布等。
4 强脉冲磁场的测量
实验中采用微分环和法拉第磁光效应两种方法来测量强脉冲磁场。
4．1 微分环法
微分环直径为5．00±0．02 mm，导线直径为0．08 mm，微分环匝数为1。采用同轴电缆把微分环感应的信号引至示波器
4．2 法拉第磁光
法拉第磁光效应法测量强脉冲磁场的原理图见图2，He-Ne激光器（λ=632.8mm）功率为1mW;采用ZF7型磁光介质，费尔德常数a=10.5°cm·T.
当磁场均匀时，θ（t）＝αaB（t）（3）
式中，a是磁场方向上磁光介质的长度，B（t）是待测磁场。
设检偏器A2与起偏器A1夹角为90°，检偏器入射光强为J0，偏振光穿过放置在磁场中的磁光介质后，偏振面偏转θ（t），再通过检偏器A2，输出的光强J（t）为：
J（t）＝J0cos2〔900＋θ（t）〕＝J0sin2θ（t）（7）
最后检偏器输出光经光电倍增管转变为电信号，由示波器记录下来，可以求出偏振光通过置于磁场中的磁光介质时偏振面的偏转角θ（t），从而可推算出所测磁场。
5 实验结果与理论计算值比较
当电容器组充电10 kV，单匝线圈（材料为普通钢）内半径为10 mm、长度为30 mm、缝隙为1．5 mm时，用法拉第磁光效应法和微分环法测量的同一磁场波形如图3所示，曲线1是法拉第磁光效应法测量的输出光强J（t）波形，J0即为J（t）波形的最大值，由式（6）、（7）可推算得出在t＝4．2μs时，磁场峰值Bm＝22．1 T；曲线2是微分环法测量的d B（t）／d t波形，曲线3是对曲线2积分的B（t）波形，由微分环的灵敏度可得，t＝4．2μs时，磁场峰值Bm＝22．7T；理论计算结果为线圈中心处最大磁场为23．3 T。多次实验结果表明，两种方法的测量结果与理论计算结果符合较好。
参考文献：
［1］ Nakao K，Herlach F，GotoT，etal．Alaboratoryinstrumentforgen－eratingmagneticfieldsover200Twithsingleturn coils[J].JPhysE：Sci·Instru，1985，81∶1018～1026．
［2］ Ortenberg M，Portugall0，Puhlmann N，etal．The megagaussfacilityofthe HUMBOLDThigh magnetic field centerin Berlin［J］．Physica B，1996，216∶158～160．
［3］ Knoepfel H．Pulsed high magneticfields［M］．North－Holland Publish－1970
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