趙佳羿 胡鵬 王雨林 王金燦 唐檜波? 胡廣月2)?

1) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程與應(yīng)用物理系, 中國(guó)科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230026)

2) (中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 中國(guó)科學(xué)院超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 上海 201800)

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置是磁化激光等離子體實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備.本文研制了一種用于優(yōu)化脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電感耦合線圈, 相對(duì)于單匝磁場(chǎng)線圈可以進(jìn)一步提高磁場(chǎng)強(qiáng)度.通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究了電感耦合線圈的初級(jí)螺線管匝數(shù)和直徑對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響, 發(fā)現(xiàn)對(duì)于2.4 μF電容的放電系統(tǒng), 電感耦合線圈的初級(jí)螺線管在35匝、35 mm直徑時(shí), 可以在5 mm內(nèi)徑的次級(jí)磁場(chǎng)線圈中獲得最高的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度, 是相同尺寸單匝磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的3.6倍.在充電電壓20 kV時(shí), 峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到19 T, 使用鈹銅材料的電感耦合線圈克服強(qiáng)磁場(chǎng)中線圈炸裂問(wèn)題, 在35 kV的充電電壓下得到了33 T的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度.這種新方法產(chǎn)生了更強(qiáng)的磁場(chǎng)、降低了對(duì)回路電感的要求、提升了實(shí)驗(yàn)排布的靈活性, 為研究強(qiáng)磁場(chǎng)下的激光等離子體行為創(chuàng)造了條件.

1 引 言

外加強(qiáng)磁場(chǎng)與激光等離子體相互作用可以用來(lái)研究磁慣性聚變[1-4]、激光聚變的磁化黑腔[5,6]、磁準(zhǔn)直射流[7]、磁重聯(lián)[8]等天體和空間物理現(xiàn)象以及工業(yè)應(yīng)用[9]領(lǐng)域的一些重要問(wèn)題, 脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)裝置是進(jìn)行這些研究的核心設(shè)備.有多種技術(shù)方案來(lái)產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng), 例如高功率激光驅(qū)動(dòng)的磁通壓縮可以產(chǎn)生微米尺寸、數(shù)千特斯拉的亞納秒脈沖磁場(chǎng)[1], 激光打靶驅(qū)動(dòng)瞬態(tài)電流的電容線圈靶可以在百微米尺寸產(chǎn)生數(shù)百特斯拉強(qiáng)度的納秒脈沖磁場(chǎng)[10].這些方案雖然產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度高, 但尺寸小、時(shí)間短, 較難滿足多數(shù)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)要求.基于傳統(tǒng)脈沖功率技術(shù)的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備得到了更多的關(guān)注, 它可以在磁場(chǎng)線圈中產(chǎn)生厘米尺度、數(shù)百納秒至微秒持續(xù)時(shí)間、數(shù)十特斯拉強(qiáng)度的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng), 滿足更多磁化激光等離子體實(shí)驗(yàn)的需求.

國(guó)際上多個(gè)課題組都根據(jù)各自的激光裝置和實(shí)驗(yàn)需求研制了合適的脈沖磁場(chǎng)設(shè)備[10-18].我們課題組也研制了多款適用于小型激光器和神光II大型激光裝置的緊湊型脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備[19-22],最大峰值電流約95 kA, 利用厘米尺度的單匝線圈可以產(chǎn)生約10 T峰值強(qiáng)度的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng).

脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備通常使用厘米尺寸的單匝磁場(chǎng)線圈, 這是因?yàn)閱卧汛艌?chǎng)線圈占據(jù)的立體角較小,不會(huì)明顯干擾激光等離子體實(shí)驗(yàn)的激光和探測(cè)器排布, 方便實(shí)驗(yàn)的開展; 但單匝磁場(chǎng)線圈在整個(gè)放電系統(tǒng)中占據(jù)的電感份額小[21,22], 只有小部分能量用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng), 能量利用率較低.螺線管磁場(chǎng)線圈[11]的特征與之相反, 螺線管電感較大、可以將大部分能量集中于磁場(chǎng)線圈從而產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng), 但螺線管體積大、占據(jù)立體角大, 嚴(yán)重限制了實(shí)驗(yàn)的靈活性.

降壓變壓器技術(shù)有望解決小體積單匝磁場(chǎng)線圈和高能量利用率不兼容的問(wèn)題.這種電感耦合線圈[23]將多匝螺線管的能量通過(guò)變壓器耦合到單匝磁場(chǎng)線圈上, 磁場(chǎng)線圈兩端電壓降低、電流增大.多匝螺線管占據(jù)了較大的系統(tǒng)電感份額、能量利用率高; 單匝磁場(chǎng)線圈的尺寸小、方便實(shí)驗(yàn)排布且磁場(chǎng)更強(qiáng), 可以滿足大部分實(shí)驗(yàn)的需求.

本文研制了用于脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電感耦合線圈.此時(shí), 單匝磁場(chǎng)線圈不再與放電系統(tǒng)直接連接, 而是由多匝螺線管組成的初級(jí)線圈與放電系統(tǒng)相連, 通過(guò)電感耦合變壓器將螺線管能量耦合到單匝磁場(chǎng)線圈上.電感耦合降壓變壓器提升了電流密度, 在單匝磁場(chǎng)線圈中產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng).電感耦合線圈的使用可以降低系統(tǒng)對(duì)回路電感的要求, 傳輸線(連接電容器、開關(guān)和磁場(chǎng)線圈)可以更長(zhǎng), 放寬了對(duì)系統(tǒng)緊湊性和對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求.電感耦合線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小, 主要受初級(jí)螺線管的匝數(shù)和直徑影響, 因此本文通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)確定了最優(yōu)的初級(jí)線圈匝數(shù)和直徑, 使得磁場(chǎng)強(qiáng)度提升了3.6倍,通過(guò)使用高強(qiáng)度磁場(chǎng)線圈材料產(chǎn)生了33 T的高強(qiáng)度磁場(chǎng).

2 電感耦合線圈的原理和設(shè)計(jì)

使用電感耦合線圈的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示, 左邊初級(jí)回路由放電系統(tǒng)和變壓器的初級(jí)螺線管組成, 右邊次級(jí)回路由變壓器的次級(jí)線圈和磁場(chǎng)線圈組成, 兩個(gè)回路通過(guò)變壓器初級(jí)螺線管和次級(jí)線圈的電磁感應(yīng)耦合在一起.

初級(jí)回路使用24個(gè)100 nF的高壓電容器作為儲(chǔ)能單元, 由高壓電源(Teslaman TD2202 100 kV/2200 W)為其充電; 使用激光觸發(fā)的氣體火花隙開關(guān)[22]控制電路導(dǎo)通, 除螺線管外放電系統(tǒng)其余部分的總電阻為0.1 Ω、總電感為450 n H .

電感耦合線圈的示意圖和實(shí)物圖如圖2所示,使用包裹0.25 mm厚聚酰亞胺絕緣層、1.4 mm直徑的銅線(14 AWG, Accu-Glass Products, Inc.)沿尼龍圓柱骨架密繞成多匝螺線管作為初級(jí)線圈,通過(guò)兩端的引線連接到放電系統(tǒng)的同軸傳輸線上.與尼龍圓柱等高的銅圓柱體緊密包裹螺線管作為次級(jí)線圈.本文的實(shí)驗(yàn)中, 次級(jí)線圈與磁場(chǎng)線圈是一體加工而成, 銅塊另一端逐漸收窄、中間切出一條縫隙形成傳輸線的正負(fù)極, 在末端形成一個(gè)內(nèi)徑5 mm(外徑24 mm)、高7 mm的圓孔作為磁場(chǎng)線圈.實(shí)際使用中, 磁場(chǎng)線圈部分可能會(huì)被激光燒蝕, 不同實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸也會(huì)改變,因此磁場(chǎng)線圈部分會(huì)加工成可靈活更換的獨(dú)立部件.當(dāng)初級(jí)回路有電流流過(guò)螺線管時(shí), 會(huì)在銅圓柱外殼感生出次級(jí)電流, 次級(jí)電流在磁場(chǎng)線圈中產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng); 顯然次級(jí)回路的電流值越大, 產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大.

圖2 電感耦合線圈的(a) CAD設(shè)計(jì)圖和(b)實(shí)物圖Fig.2.(a) CAD design drawing and (b) photograph of inductively coupled coil.

對(duì)整個(gè)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電路進(jìn)行分析, 根據(jù)基爾霍夫電壓定律[24], 有:

其中 i1和 i2分別為通過(guò)初級(jí)回路和次級(jí)回路中的電流; LM和 RM分別為初級(jí)回路除螺線管之外的電感和電阻; LP和 RP分別為變壓器初級(jí)螺線管的電感和電阻; LS和 RS分別為變壓器次級(jí)線圈的電感和電阻; LC和 RC分別為次級(jí)回路中除變壓器次級(jí)線圈以外的電感和電阻;是變壓器的初級(jí)螺線管和次級(jí)線圈之間的互感, 0＜k＜1是電感耦合的耦合系數(shù)(在短螺線管近似下, k 值正比于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的半徑比[16]); U=Q(t)/C 是電容器的時(shí)變電壓, Q (t) 是電容器的電荷, C 是電容器的電容.

假設(shè)回路的電流是正弦波, 得相量形式為

對(duì)方程組求解, 可以得到:

由(6)式中可以看到, 在放電系統(tǒng)的C, RM和LM以及次級(jí)回路的 RC和 LC不變 時(shí), 影響 次 級(jí)電流的變量還有以下參數(shù): (a)圓頻率 ω , 由回路的電感(主要是初級(jí)線圈的電感 LP)決定; (b)互感M,除變壓器初級(jí)螺線管的電感 LP和變壓器次級(jí)線圈的電感 LS外, 還需要考慮耦合系數(shù) k 的影響, k 越大, 電流2越大; (c)次級(jí)線圈的電感 LS和電阻 RS.由于要保證較高的耦合系數(shù), 要求次級(jí)線圈緊密包裹初級(jí)螺線管, 這兩個(gè)參數(shù)很大程度上取決于初級(jí)螺線管的結(jié)構(gòu); (d)初級(jí)螺線管的電感 LP和電阻RP, 它們主要由螺線管的匝數(shù)和直徑?jīng)Q定.由分析可知, 這些變量大小均依賴于初級(jí)螺線管匝數(shù)和直徑的選取, 即初級(jí)螺線管的匝數(shù)和直徑是影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù), 因此我們重點(diǎn)研究了初級(jí)螺線管的匝數(shù)和直徑對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響.

3 電感耦合線圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電感耦合線圈測(cè)試與優(yōu)化

設(shè)計(jì)制作了不同匝數(shù)(10-45匝)和直徑(25-45 mm)的初級(jí)螺線管, 并加工了相匹配的黃銅變壓器外殼.使用放置于初級(jí)回路中的羅氏線圈(Pearson Electronics 4418)測(cè)量放電電流, 并使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的磁探針放置于磁場(chǎng)線圈中心來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)波形.

各種尺寸的電感耦合線圈產(chǎn)生的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖3所示.可以看到, 線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度一開始隨著初級(jí)螺線管匝數(shù)和直徑的增大而增大, 在35匝、35 mm直徑時(shí)磁場(chǎng)達(dá)到峰值.當(dāng)初級(jí)線圈的匝數(shù)較少時(shí), 初級(jí)螺線管的電感較小, 線圈電感在放電系統(tǒng)的總電感占比較低, 導(dǎo)致較少能量轉(zhuǎn)換為磁能, 磁場(chǎng)較小; 初級(jí)線圈直徑較小時(shí), 除了螺線管的電感占比較小外, 與直徑成正比的變壓器次級(jí)線圈與螺線管的耦合效率 k 降低, 產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也較小.匝數(shù)過(guò)多或直徑過(guò)大, 例如直徑為35 mm匝數(shù)超過(guò)35匝或匝數(shù)為35匝直徑到達(dá)45 mm時(shí), 磁場(chǎng)強(qiáng)度又開始減弱, 從圖4所示的螺線管的電感和電阻、磁場(chǎng)脈沖上升沿的變化曲線可以發(fā)現(xiàn), 此時(shí)螺線管電感過(guò)大、放電脈沖太長(zhǎng), 同時(shí)電阻也較大, 導(dǎo)致初級(jí)回路峰值電流降低, 產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度變小.

圖3 磁場(chǎng)線圈中心的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度隨初級(jí)螺線管的匝數(shù)和直徑變化Fig.3.The peak magnetic field at the center of magnetic field coil varies with the number of turns and diameter of the primary solenoid.

圖4 初級(jí)螺線管直徑35 mm時(shí), 螺線管部分的電感、電阻和磁場(chǎng)脈沖上升沿隨線圈匝數(shù)的變化Fig.4.Inductance and resistance of the primary solenoid,and the rising time of the magnetic field pulse at different solenoids’ numbers of turns.The diameter of the primary solenoid keeps at 35 mm.

從圖3可以看出, 在我們的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備上, 電感耦合線圈的初級(jí)螺線管匝數(shù)為35、直徑為35 mm時(shí), 電感耦合線圈與脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的匹配最好, 此時(shí)螺線管的電感 LP為16.6 μ H (是初級(jí)回路其余部分電感的36倍)、電阻 RP為32 mΩ、電感耦合系數(shù) k ≈ 0.84; 次級(jí)線圈的電感 LS為15 n H ,電阻 RS為0.2 mΩ, 脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電感和電阻分布如表1所列.表中放電系統(tǒng)和初級(jí)螺線管的電學(xué)參數(shù)分別由單匝線圈負(fù)載時(shí)的放電實(shí)驗(yàn)和LCR表直接測(cè)量得到; 次級(jí)線圈和次級(jí)回路的電學(xué)參數(shù)由COMSOL模擬得到.在20 kV充電電壓時(shí)使用該電感耦合線圈, 在內(nèi)徑5 mm、高7 mm的磁場(chǎng)線圈中心可以獲得19 T的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度,此時(shí)電流和磁場(chǎng)波形分別如圖5(a)和圖5(b)所示.初級(jí)回路的峰值電流達(dá)到9.3 kA, 磁場(chǎng)脈沖的上升沿為5.4 μ s , 平頂磁場(chǎng)寬度(大于95 %峰值磁場(chǎng))約為3 μ s .

表1 最高磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電感和電阻分布Table 1.The distribution of inductance and resistance of pulsed magnetic field device.

圖5 使用35匝、直徑35 mm初級(jí)螺線管的電感耦合線圈在20 kV時(shí)的放電測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果 (a)初級(jí)回路電流波形;(b)磁場(chǎng)線圈的磁場(chǎng)波形; (c)磁場(chǎng)峰值時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度的二維軸對(duì)稱分布; (d)線圈軸向上的峰值磁場(chǎng)分布Fig.5.Experimental and simulation results of the pulsed magnetic field at 20 kV discharge voltage using an inductively coupled coil with primary solenoid of 35-turns and 35-mm diameter: (a) Current pulse of the primary solenoid; (b) magnetic field pulse at the center of the magnetic field coil; (c) two dimensional axisymmetric distribution of the peak magnetic field; (d) the peak magnetic field distribution along the axis of the magnetic field coil.

本文使用多物理場(chǎng)有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬, 該軟件可以進(jìn)行二維軸對(duì)稱或三維建模來(lái)研究力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)和等離子體物理等多學(xué)科領(lǐng)域的問(wèn)題.軟件中預(yù)設(shè)有多個(gè)物理場(chǎng)接口, 模擬時(shí)可根據(jù)實(shí)際物理過(guò)程選擇對(duì)應(yīng)的接口來(lái)求解.使用軟件的電路模塊和電磁場(chǎng)模塊來(lái)計(jì)算電感耦合線圈能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度.電磁場(chǎng)模塊需根據(jù)已知的電流分布和建立的三維線圈模型, 通過(guò)麥克斯韋方程組和歐姆定律計(jì)算得到三維空間的電磁場(chǎng)分布; 電流分布是未知量, 所以需要耦合電路模塊進(jìn)行分析.電路模塊可以根據(jù)設(shè)備的電路模型, 構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)孔方程, 再結(jié)合回路中電子器件的參數(shù)值, 求解得到線圈中的電流分布.軟件在求解前需要根據(jù)實(shí)際物理過(guò)程選擇“穩(wěn)態(tài)”或“瞬態(tài)”研究.“穩(wěn)態(tài)”研究適用于求解變量不隨時(shí)間變化的問(wèn)題, “瞬態(tài)”研究則用于求解變量隨時(shí)間變化的問(wèn)題.本文研究的實(shí)際電流和磁場(chǎng)波形隨時(shí)間變化, 因此在模擬中選擇“瞬態(tài)”研究.

使用軟件進(jìn)行模擬時(shí), 首先將表1中已知的電學(xué)參數(shù)按圖1所示的電路導(dǎo)入軟件的電路模塊, 經(jīng)電路模塊計(jì)算得到初級(jí)回路和電感耦合線圈中的電流.然后導(dǎo)入圖2(a)中的三維電感耦合線圈模型, 在電磁場(chǎng)模塊將電路模塊輸出的電流分布作為初始條件輸入給螺線管, 通過(guò)電磁場(chǎng)模塊的瞬態(tài)模擬, 計(jì)算得到電感耦合線圈產(chǎn)生的三維電磁場(chǎng)空間分布.

如圖5(a)和圖5(b)所示, 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性非常好.同時(shí), 模擬結(jié)果還給出了實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的其他關(guān)鍵參數(shù), 例如模擬顯示磁場(chǎng)線圈部分的峰值電流為168 kA, 是初級(jí)回路9.3 kA峰值電流的18倍(因?yàn)榇渭?jí)回路接有負(fù)載, 不是理想變壓器, 同時(shí)變壓器在耦合過(guò)程中存在能量損失, 所以無(wú)法達(dá)到線圈匝數(shù)的35倍).電感耦合線圈的降壓、升流實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的提升, 獲得了更強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度.

當(dāng)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備不使用電感耦合線圈作為負(fù)載, 而是直接連接使用14 AWG銅導(dǎo)線制作的內(nèi)徑5 mm的單匝磁場(chǎng)線圈時(shí), 在20 kV放電只能獲得5.2 T的峰值磁場(chǎng)、28 kA的峰值電流, 電感耦合線圈的使用將磁場(chǎng)強(qiáng)度提升了3.6倍.如果不加變壓器的次級(jí)回路, 在20 kV放電時(shí)35匝、直徑35 mm的螺線管能產(chǎn)生4 T的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)的空間體積是單匝磁場(chǎng)線圈的數(shù)十倍), 這種大體積螺線管占據(jù)立體角大, 嚴(yán)重限制了實(shí)驗(yàn)的靈活性, 磁場(chǎng)區(qū)域變大也使得磁場(chǎng)強(qiáng)度減小.

3.2 進(jìn)一步提升磁場(chǎng)強(qiáng)度

為了測(cè)試電感耦合線圈的極限性能, 測(cè)量了黃銅材料的電感耦合線圈產(chǎn)生的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度隨放電電壓的變化關(guān)系, 并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與COMSOL Multiphysics模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比, 如圖6所示.模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 線圈能提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度與放電電壓呈線性變化關(guān)系, 在脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的放電電壓小于30 kV時(shí), 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性較好.但當(dāng)放電電壓為35 kV時(shí), 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度開始小于模擬值.這是因?yàn)楫?dāng)充電電壓超過(guò)30 kV以后, 在磁場(chǎng)線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)25 T, 此時(shí)的磁壓力 P =250MPa 超過(guò)了黃銅的屈服強(qiáng)度200 MPa, 磁場(chǎng)線圈擴(kuò)張使得磁場(chǎng)變?nèi)?因此在放電電壓為35 kV時(shí), 實(shí)驗(yàn)獲得的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度小于模擬結(jié)果, 更高放電電壓時(shí)甚至出現(xiàn)了磁場(chǎng)線圈炸裂問(wèn)題.

圖6 磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度隨放電電壓的變化.虛線為模擬結(jié)果, 點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果.電感耦合線圈材料分別是Cu, CuBe和馬氏體時(shí)效鋼, 屈服強(qiáng)度分別為[25]: 黃銅200 Mpa, 鈹銅1 GPa, 馬氏體時(shí)效鋼2 GPaFig.6.The peak magnetic field produced by magnetic field coil varies with the discharge voltage.The dotted line is the simulation result, and the dot is the experimental result.These inductively coupled coils are made of Cu, CuBe or Maraging steel with yield strength of: Cu ～200 MPa, CuBe～1 GPa, Maraging steele ～2 GPa.

為了避免線圈擴(kuò)張導(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度降低, 改用具有更高屈服強(qiáng)度的鈹銅(1 G Pa )和馬氏體時(shí)效鋼(2 G Pa )制作了相同尺寸的電感耦合線圈, 并且使用高強(qiáng)度尼龍線對(duì)次級(jí)線圈和磁場(chǎng)線圈的連接部分進(jìn)行了加固.35 kV電壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果表明,這兩種材料的線圈均未出現(xiàn)擴(kuò)張和損壞, 鈹銅制成的電感耦合線圈可以在35 kV的放電電壓下, 產(chǎn)生33 T的峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度.我們發(fā)現(xiàn), 在相同的放電電壓下, 馬氏體時(shí)效鋼材料的線圈能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于鈹銅線圈.這是因?yàn)轳R氏體時(shí)效鋼的電阻率(約為 7 5×10-8?·m )顯著大于銅合金(約7.1×10-8?·m )[26], 次級(jí)回路電阻較大、感應(yīng)產(chǎn)生的電流變小.

4 結(jié) 論

研制了一套用于脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備的電感耦合線圈, 通過(guò)優(yōu)化電感耦合線圈的初級(jí)螺線管匝數(shù)和直徑, 大幅度提升了磁場(chǎng)強(qiáng)度.當(dāng)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備以20 kV放電, 可以在直徑5 mm的磁場(chǎng)線圈中產(chǎn)生19 T的峰值磁場(chǎng), 是單匝線圈峰值磁場(chǎng)的3.6倍, 磁場(chǎng)脈沖的上升沿為5.4 μs、平頂磁場(chǎng)寬度約為3 μs.相比于黃銅線圈在30 kV的放電電壓下會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)張和損傷, 由屈服強(qiáng)度更高的鈹銅制成的電感耦合線圈可在35 kV時(shí)正常工作, 并產(chǎn)生33 T的磁場(chǎng)強(qiáng)度, 可以進(jìn)行更高磁場(chǎng)強(qiáng)度的激光等離子體實(shí)驗(yàn).下一步我們將對(duì)電感耦合線圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 以進(jìn)一步提升磁場(chǎng)強(qiáng)度、改善強(qiáng)磁場(chǎng)中線圈的炸裂問(wèn)題、增強(qiáng)絕緣性能以適應(yīng)更多實(shí)驗(yàn)環(huán)境.