脉冲磁体中不锈钢筒对磁场的影响研究

彭 涛 李 亮

(华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心 武汉 430074)

脉冲磁体是产生脉冲强磁场的核心装置，是凝聚态物理学中研究磁电阻、磁化、磁光等现象的有力工具[1,2]。脉冲磁体本质上是一个螺线管线圈，通常由导体材料与加固材料交替缠绕而成。导体材料流过电流，产生磁场，加固材料分担导体承受的电磁力，起支撑作用。脉冲磁体线圈制成后，压入一个预热的不锈钢套筒中，不锈钢筒冷却后，紧紧套在线圈上。不锈钢筒外缠绕一层15–20 mm厚的碳纤维，组成最外围加固层。不锈钢属力学各向同性材料，配合碳纤维这种各向异性材料，可使磁体中应力在轴向方向分布更均匀。

不同制作工艺的脉冲磁体有不同壁厚的不锈钢筒：有些磁体的加工过程中，不锈钢筒充当磁体线圈真空浸漆的容器，筒壁厚2–4 mm[3]；而有些场合为增加磁体结构的稳定性，不锈钢筒厚度可达 20 mm[4]。不锈钢是导体材料，与磁体线圈间存在较强的电磁耦合，脉冲磁场工作过程中，瞬变的磁场在不锈钢筒中产生涡流，引起脉冲磁场波形改变。由于凝聚态物理主要关注磁场强度与材料性质之间的关系，磁场波形的改变不会对实验结果产生实质性的影响，以前的磁体设计并未开展不锈钢筒对磁场波形影响方面的研究[5−8]。但是，不锈钢筒涉及磁场峰值、磁场上升时间以及这些参数与电源的关系等，须对这种影响进行定量分析。本文用数值分析法研究不锈钢对磁场波形的影响，指出不锈钢筒的厚壁影响不可忽视，并对理论分析的正确性进行了验证。……