脈沖強磁場
關注創建者：金fanfan銀fanfan 創建時間：2018-11-26
脈沖強磁場的實例教程
11月22日，華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心成功實現64特斯拉脈沖平頂磁場強度，創造了脈沖平頂磁場強度新的世界紀錄。
脈沖磁場波形圖
此次該校64特斯拉脈沖平頂磁場，使用了具有獨立層間加固結構的單線圈磁體，孔徑為21毫米，電容器型脈沖電源供電，能耗7兆焦。磁體重量、電源能量不到國際同類型磁場系統的1/10，磁場強度更是一舉超過此前美國國家強磁場實驗室創造的60特斯拉脈沖平頂磁場強度世界紀錄，成為全球最高強度的脈沖平頂磁場。
華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心
據中國工程院潘垣院士介紹，脈沖平頂磁場兼具穩態和脈沖兩種磁場的優點，能夠實現更高的強度且在一段時間保持很高的穩定度。此次在測試64特斯拉平頂磁場的同時，國家脈沖強磁場科學中心也成功開展了重費米子材料CeRhIn5的比熱測量，這表明過去只能在穩態磁場下開展的核磁共振、比熱、拉曼光譜等研究工作在更高場強下成為可能。
為了獲取高強度和高穩定度的脈沖平頂磁場，需要解決磁場產生過程中的大電流精確調控和強電磁力下結構穩定的難題，目前國外主要采用的大電源、大磁體的方案存在著體積大、磁體冷卻速度慢和實驗效率低等問題。為此，該校科研人員提出了雙電容器耦合態調控新方案，首次實現了電容器驅動的脈沖強磁場波形調控，并成功實現64特斯拉、3‰穩定度的脈沖平頂磁場，使我國脈沖強磁場技術走在了世界最前列。
脈沖強磁場實驗裝置是華中科技大學承建的國家重大科技基礎設施，是首個由教育部高校承建并按時通過驗收對外開放的國家重大科技基礎設施項目，已累計為60多家國內外高校和科研機構開展脈沖強磁場下的科學研究700余項，相關科研成果在Science、Nature及子刊等高水平期刊發表論文600余篇。
展開 MnPt薄膜中反鐵磁自旋軸在外加電場下的調控示意圖
利用這種電場產生的壓電應力對數據進行擦/寫，數據寫入過程中沒有電流的參與，即使在外加強磁場如9 或者14 特斯拉（T）下，數據寫入和存儲不受任何影響（圖2）。也就是說，用這種器件制成的硬盤可以在強磁場下正常運行。
圖2. 采用電場在基于MnPt的反鐵磁記憶器件中寫入的高低阻態
在此基礎上，劉知琪教授課題組和華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心的朱增偉教授課題組合作，測試了反鐵磁材料MnPt在超強脈沖磁場60 T（地球磁場強度的120萬倍）下的響應。實驗發現由于MnPt合金很強的反鐵磁耦合，其電阻態在60 T下幾乎不變化（~0.1%）（圖3），從而證實了這種記憶器件的數據態即使在60 T超強磁場下也不會產生“消磁”效應，也將反鐵磁材料抵抗磁場的優勢推向了極致。也就是說,用這種材料做成的硬盤，其中所保存的數據即使在60 T的超強脈沖磁場下也不會消磁。
圖3. 基于MnPt的反鐵磁記憶器件的電阻態在超強脈沖磁場下的響應
基于壓電應力對MnPt薄膜中反鐵磁自旋軸的調控,劉知琪教授課題組還制備出了反鐵磁隧道結器件,在室溫下實現了11.2%的電阻調控（圖4），從而克服了之前的反鐵磁隧道結很難在室溫下工作的不足，并將這種新型器件向高密度集成方向推進了重要的一步。
圖4. 電場操控的MnPt反鐵磁隧道結
審稿專家評論道：“此項工作的一個重要點就是反鐵磁材料的記憶電阻態在超強脈沖磁場下非常穩定”。
展開 然而，在一項看似沒有關聯的研究中，Skinner 注意到，強磁場作用下的半導體會出現一種奇妙的現象：磁場會影響電子的移動，讓它們的軌跡變彎。然而，Skinner 和 Fu 想知道：磁場會對拓撲半金屬產生什么影響？
參考文獻后，他們發現普林斯頓大學的團隊于2013年嘗試完全表征一種稱為“硒化錫鉛”（ lead tin selenide）拓撲材料，并測量了它的熱電特性。在他們對于這種材料眾多觀察中，在35特斯拉的強磁場作用下（作為對比，大部分的磁共振成像機器的工作磁場強度是2特斯拉到3特斯拉），熱電發電量會增加。
Skinner 和 Fu 采用普林斯頓大學研究的這種材料的特性，在一系列溫度和磁場條件下，對材料的熱電性能進行理論建模。
Skinner 表示：“我們最終指出，在非常強的磁場作用下，產生了一種有趣的現象，在那里你可以讓電子和空穴朝著相反方向移動。電子朝著冷的一側，而空穴朝著熱的一側。它們在一起工作，原則上，你只要使磁場更強，就會讓同樣的材料產生越來越大的電壓。”
在他們的理論模型中，研究小組計算了硒化錫鉛的優值系數（ZT），這個數值表示材料離通過熱能產生電能的理論極限有多近。迄今為止，所報道的大部分材料的ZT都在2左右。Skinner 和 Fu 發現，在大約30特斯拉的強磁場作用下， 硒化錫鉛的ZT可以達到10左右，效率是之前性能最佳的熱電材料的五倍。
他們計算得出，如果在30特斯拉的磁場作用下，將ZT等于10的材料從室溫加熱至500開爾文，會將18%的熱量轉化為電力；相比于ZT等于2的材料，只能將8%的熱量轉化電力。
小組承認，為了達到如此高的效率，必須在非常強的磁場下加熱現有的拓撲半金屬，而世界上只有屈指可數的幾個設施能產生出這種強磁場。對于這些材料在電廠或者汽車中的實際應用來說，它們需要工作在1特斯拉到2特斯拉的磁場強度范圍內。
展開 與此同時，加熱裝置必須包括包括磁場吸收屏蔽裝置，這是因為裝在氣動鉚槍上的加熱裝置產生脈沖強磁場會使線圈周圍所有金屬導體產生渦流發熱，而氣動鉚槍材料本身是高強度鋼，它和加熱裝置靠得太近會使鉚槍本身發熱；同時開放的磁場對人體健康也有危害，所以必須嚴格的對脈沖磁場吸收。所以設計的電磁熱鉚槍應包括加熱線圈、鉚釘夾持裝置、磁場吸收屏蔽裝置、骨架等，所有材料都應是非金屬材料。
結論
電磁加熱鉚接技術作為一種新型飛機鉚接技術，不僅在噪音處理上比其他鉚接技術好，還有這較高的熱效率，勞動強度也不是很高，最為重要的是可以實現電磁鉚接和氣動鉚接技術的一體化運行，對于飛機鉚接質量有著比較好的提升價值。
通過對飛機電磁加熱鉚接技術進行分析，可以看出我國在對該項技術應用在飛機鉚接中的程度還不是很熟練，所以相關部門必須加大電磁加熱鉚接技術的宣傳力度，大力培養相關專業人才，使我國飛機鉚接技術能夠擺脫傳統鉚接技術的限制，提升飛機鉚接質量，使得飛機鉚接效果能夠提升一個檔次。
展開 E-mail: haipingy@hit.edu.cn
收稿日期：2005-01-13
2.1 等效RLC回路研究
等效RLC回路研究就是把電磁成形系統的二次或更高次回路等效為一次RLC回路[5]，由此用一個RLC響應近似表示成形線圈的放電電壓和放電電流，從而簡化了磁場力和工件變形的研究。
磁場力分析實際上是電磁成形系統的電路與磁路分析。放電回路包括電磁成形設備和成形線圈—毛坯構成的感應系統。成形系統參數的相互依賴性是模擬電磁成形過程最大的困難[6]。在放電回路中，毛坯的形狀發生變化，放電回路的參數將隨之改變，進而使放電電流峰值與頻率均不符合由簡單的RLC等效電路計算的結果[7]。只有當毛坯變形程度較小時，才可近似采用簡單的RLC等效回路進行計算。G. K. Lai和M. J. Hillier[8]應用電動力學對管件電磁脹形進行了研究，結果表明，系統電感隨管坯的徑向位移增大而增大，而系統電阻則相反。隨時間變化的壓力波、電感和電阻如圖1所示[8]。
但是，實際上工件的成形能量主要是由磁脈沖壓力的第一波給予的[4]。因為本身能量降低以及線圈和工件之間的間隙隨著工件變形增大而增加，后繼的波傳遞給工件的能量減少，不足以使工件產生繼續變形。由圖1分析可知，雖然工件開始變形以后，系統的電感和電阻都發生了變化，但是，在實際上在第一波的時間內，工件可能只發生了些微的變形，系統電感和電阻的變化主要發生在工件發生大變形之后，因此，在采用RLC等效電路法研究電磁成形磁場、磁場力變化時，在可以忽略端部效應的情況下，系統電參數的變化可以忽略不計，不會影響理論分析和數值計算的精度。1990年，張守彬[9]采用等效電路法分析了管坯脹形的放電過程，并在此基礎上研究了脈沖磁場力作用下的剛塑性管坯的變形過程。
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該項工作得到了華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心的大力支持，該中心的脈沖強磁場實驗裝置是亞洲目前唯一可提供高達90T磁場強度實驗條件的科研平臺。
為此，該校科研人員提出了雙電容器耦合態調控新方案，首次實現了電容器驅動的脈沖強磁場波形調控，并成功實現64特斯拉、3‰穩定度的脈沖平頂磁場，使我國脈沖強磁場技術走在了世界最前列。
導讀
近日，美國麻省理工學院的物理學家們找出了一條可以顯著提升熱電勢的途徑。在相關論文中，他們報告了一種理論方法，通過這種方法建模的材料效率將提升五倍，產生的能量有望變為兩倍，這是現今最佳的熱電材料。
背景
在環境污染與能源危機日益加劇的背景下，熱電材料為我們節約能源帶來了新希望。說起熱電材料，必須先介紹一種物理現象，也就是“熱電效應”。熱電效應并不是什么新生事物，約兩百多年前
與此同時，加熱裝置必須包括包括磁場吸收屏蔽裝置，這是因為裝在氣動鉚槍上的加熱裝置產生脈沖強磁場會使線圈周圍所有金屬導體產生渦流發熱，而氣動鉚槍材料本身是高強度鋼，它和加熱裝置靠得太近會使鉚槍本身發熱；同時開放的磁場對人體健康也有危害，所以必須嚴格的對脈沖磁場吸收。所以設計的電磁熱鉚槍應包括加熱線圈、鉚釘夾持裝置、磁場吸收屏蔽裝置、骨架等，所有材料都應是非金屬材料。
強脈沖磁場力作用下板坯自由脹形數值模擬研究. 武漢汽車工業大學碩士學位論文. 1997: 1-64
[46] L. Xin, H. Jintao, C. Kebing, W. Zhongren, F. Renyuan.
