磁性测量基础篇之磁路-磁学国家重点试验室课件.ppt

1、中国科学院物理研究所 通用实验技术公共课程磁性测量赵同云磁学国家重点实验室2022年12月24日第三讲：磁场的产生声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。磁场的产生 磁场的分类 人工产生的磁场 永磁磁场 电流磁场 零磁场空间磁场的分类方法 周期性（空间、时间）磁场强度的大小 磁场的来源磁场的分类：周期性稳恒磁场脉冲磁场 ms s ns ps fs交变磁场直流磁场电 磁 波1015 Hz时 间频 率微波磁场均匀磁场梯度磁场空 间非均匀磁场射频磁场工频磁场调制磁场Fourier变换零磁场磁场的分类：磁场强度弱磁场强磁场微弱

2、磁场1015 T超强磁场1016 T1 mT0.1 T10 T磁场的分类：来源地 磁 场生物磁场电 磁 场原子磁矩人造磁场自然磁场 电 流 人造磁铁天然磁铁空间磁场物理本质磁场的分类：来源电 磁 铁超导磁体螺 线 管装置铁芯线圈材料 电 流 人造磁场1.永久磁铁2.电流磁铁 2.1.无磁芯磁场线圈 2.1.1.基础理论/元电流线圈的磁场 2.1.2.有限尺寸线圈、电流密度 2.1.3.螺线管 2.1.4.线圈对：Helmholtz线圈 2.1.5.超导磁体 2.1.6.脉冲磁场 2.2.有磁芯磁场线圈电磁铁3.其它磁场永久磁铁 磁石（慈石）、磁铁 永（恒）磁体（材料）硬磁材料永远的磁路High

3、 Magnetic Fields:Science and Technology(Vol.1),Magnet Technology and Experimental Techniques,2547,(F.Herlach,N.Miura,Editors,World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.,2003.)关于永磁体磁场的文献1.K.Halbach,“Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material,”Nuclear Instruments and Me

4、thods,169(1980),1-10.2.K.Halbach,“Physical and optical properties of rare earth cobalt magnets,”Nuclear Instruments and methods,187(1981),109-117.3.F.Bloch,O.Cugat,G.Meunier,“Innovating approaches to the generation of intense magnetic fields:Design and optimization of a 4 Tesla permanent magnet flux

5、 source,”IEEE Transactions on Magnetics,34(5)(1998),2465-2468.4.H.A.Leupoid,E.Potenziani II,M.G.Abele,“Applications of yokeless flux confinement,”Journal of Applied Physics,64(10)(1988),5994-5996.5.O.Cugat,R.Byme,J.McCaulay,J.M.D.Coey,“A compact vibrating-sample magnetometer with variable permanent

6、magnet flux source,”The Review of Scientific Instruments,65(11)(1994),3570-3573.6.O.Cugat,P.Hansson,J.M.D.Coey,“Permanent magnet variable flux sources,”IEEE Transactions on Magnetics,30(6)(1994),4602-4604.1.永久磁铁1.1.永久磁铁的种类天然磁石：主要以磁铁矿（Fe3O4）为主 中国：慈石；梵文：ayasknta；法国：Laimant；西班牙：iman；匈牙利：magnetk 磁铁矿（Mag

7、netite，ferroferric oxide）：Fe3O4矿（AB2O4，尖晶石）赤铁矿（Hematite，ferrous oxide）：Fe2O3矿黑铁矿（Wuestite，ferric oxide）：FeO矿人造磁石：钢、永磁（磁铅石）铁氧体、FeCoM合金、Alnico、MnAlC、稀土永磁 SmCo，NdFe(B,C)、NdFeTi、SmFe(C,N)永磁体11.永久磁铁1.2.永久磁铁磁场的磁路计算计算依据：高斯定理和安培环路定理计算方法：无漏磁假设 漏磁修正 有限元方法 dd0VABVBAllggmmABABABllggmmLHLHLH0d ClHLmAmLgAg磁路：异常重要

8、永磁体21.永久磁铁1.3.永久磁铁的使用形式固定磁场：磁场间隙和磁场强度均固定（参考磁场、磁共振）可调磁场：磁场间隙固定、磁场强度可调（测量）永久磁铁与软铁组合21HHH永磁体3永磁体可以产生的磁场 无叠加情况（单一磁体）012theorySHBNd2Fe14B：BS1.62 TAlNiCo：BS2.20 TFeCo：BS2.40 T；永磁体对0theorySHB 磁场叠加原理（压缩技术）日本住友特殊金属公司：4.4 T（烧结NdFeB）永磁体4rg圆柱体极头和圆台极头 圆柱体极头（对）rgMMzxlg12z014MdSdR H轴线上点（0,0,z0）：2202gglRrz120coscos

9、(0,0,)12gHzM极头截面永磁体5R+R-10,22cos2gzlR圆柱体极头和圆台极头 圆柱体极头（对）轴线上点（0,0,0）：2gglr2(0,0,0)11gHM00.10.20.30.40.51.02.05.0Hg/M1.000.900.800.710.630.550.290.110.02最高磁场纯Fe：2.2 T；NdFeB：1.6 T；AlNiCo8：2.2 T永磁体6圆柱体极头和圆台极头 倒角圆柱体（圆台）极头（对）z0zrgzxr0lgMMr永磁体7圆柱体极头和圆台极头 倒角圆柱体（圆台）极头（对）z0zrgzxr0lgMMr14MdSdR H2/sindSrdr22Rrz

10、02tggglrrzz永磁体8R 圆柱体极头和圆台极头 倒角圆柱体（圆台）极头（对）103 222(0,0,)2gr zMdHzdrrz23 220rrzzz2rz在圆锥体的顶点tan2最大值条件永磁体9rz圆柱体极头和圆台极头 倒角圆柱体（圆台）极头（对）在圆锥体的顶点：tan122ggrl最大值条件下：0max2(0,0,0)ln3 3ggMrHr圆锥面0(0,0,0)2ln31313ggrrHM永磁体10共顶点圆柱体极头和圆台极头 倒角圆柱体（圆台）极头（对）01020304050607080900.00.20.40.60.81.01.1Hg/M (degree)r0/rg=1.1 1.

11、5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0任意倒角顶点重合20(0,0,0)1cossincoslnggrHMr永磁体11磁场线性叠加原理 Halbach磁体Linear Superposition Principle永磁体：磁偶极子永磁体12永磁体（磁偶极子）单元xzjmrO磁场线性叠加原理 永磁体性能与磁偶极子假设永磁体13HM(B)MrHCMHCBMrH退磁化M_HB_HHCM HCB磁场线性叠加原理 Halbach磁体：理论永磁体14永磁体（磁偶极子）单元的磁场：35031()4mmr rH rrjjr xzjmrO30(0,0,0)2cos cossinsin4zmHjr0mjM磁场

12、线性叠加原理 Halbach磁体：理论永磁体15Halbach磁体的条件：xzjmrO23(0,0,0)1cos4zMHr=永磁体单元的数目：N2N磁场线性叠加原理 Halbach磁体：例子（文献1）永磁体16lnextrHMrintrextrext/rintH/M1.50.4052.00.6933.01.0994.01.3865.01.609易轴连续变化：rintH磁场线性叠加原理 Halbach磁体：例子（文献1）永磁体17永磁体单元数目：N 8lnextrHMrint易轴分立变化：segmented multipole912磁场线性叠加原理 Halbach磁体：永磁体磁场的新篇章永磁体1

13、800lnextrHMrintrint5.0 cmrext100.0 cmL50.0 cm 0M1.5 T04.5(T)H体积1.567 m3质量12 吨510152025300.00.51.01.52.02.53.03.5ln(rext/rint)rext/rint磁场线性叠加原理 Halbach磁体：其它类型永磁体191、磁场强度：主要来源于靠近空腔的部分永磁体！2、多极性磁体（文献3）同样适用于电流磁体3、借助微磁学理论模拟绝对的清洁能源：电动、发电：效率%磁场线性叠加原理 磁场强度可调、方向可变的永磁体磁场永磁体20(a、文献4&5)dad(b、文献6)00 2HH00202MMdHa

14、没有绝对的终点！电流的磁效应（H.C.Oersted，1820年，丹麦）发电机（M.Faraday，1831年，英国）（H.F.E.Lenz，1834年，德国）电动机（N.Tesla，1881年，克罗地亚美国）电流磁铁（D.F.J.Arago，1820年，法国）2.电流磁铁磁场电流（H I）电流磁场（J.B.Biot&F.Savart，1820年，法国）电流受力（A.M.Ampere，1820年，法国）（J.Henry，1829年，美国）Joseph Sauveur 电流磁体 元电流线圈的磁场 电流密度分布、磁场、电功率 线圈对的磁场 其它特殊磁场：超导磁体、脉冲磁场2.电流磁铁2.1.1.基

15、础理论：依据JH01134dIdlrrB运动点电荷：034qvrBrAmpre定律与BiotSavart定律电流磁铁1011223d4IdlrIFdlrI1q,vr2r1Or=r2 r1I1I2dl1dl2rI1dl1r2.电流磁铁2.1.1.基础理论：Biot-Savart定律的应用准静态（不适用于迅速变化的电流）电流磁铁2用电流密度 J 代替电流强度 I10134dJddlrrBS无限长直导线：圆电流线圈轴线：IrH024IBr2022 3/2d2()zR IBBRzIzR细导线电荷连续性方程 数学 10314ddlrJdSrrB 314ddlrrdHj rS LSH djdlrS 101

16、34ddlrBrILSH dSH dl 矢量的Stokes积分定理：j rH0H“旋度场无源”：0Hj r 0j rt电荷连续性方程：非瞬变电流 DjHrt 2.电流磁铁2.1.1.元电流线圈的磁场圆形截面元电流线圈：单匝、导线截面积为零、电流 I。电流磁铁30134ddlrrIBIza222222212()(,)()zIazazaHzKEkkz(,)0Hz2222222(,)()2(HzK kE kIzazazaz2.电流磁铁2.1.1.元电流线圈的磁场圆形截面第一类完全椭圆积分电流磁铁4Iza2220()1sinE kkd 2220()1sindK kk22241akaz第二类完全椭圆积分

17、2.电流磁铁2.1.1.元电流线圈的磁场圆形截面在线圈平面的中心位置：z 0、0电流磁铁5Iza 202kK kE k(,)2zHzIa(,)0Hz(,)0Hz71.0 A410 T21.0 m(,)zHzIa210 cm7.958(,)MA100 TzIHza？铜导线的截面积 铜导线的电流密度不发热：1.0 A/mm2LL210 cm7.958(,)MA100 TzIHza71000.1 mm412820.9 mm0L2.电流磁铁2.1.1.元电流线圈的磁场矩形截面元电流线圈：单匝、导线截面积为零、电流 I。电流磁铁610134ddlrIBrz222221(0,0,)xIbzHzazabz2

18、a2bxyI222221(0,0,)yIazHzbzabz222222211(0,0,)zIabHzazbzabz2.电流磁铁2.1.2.有限尺寸（厚）线圈的磁场电流磁铁7G(,)：Fabry因子J(r)：电流密度：填充因子 c：电阻率=2,(0,0)zVzIdBJ raH 磁场强度与电功效率：(,(0,0)zcmaHGW 22SmcdlI RJ r dSWdS（形式上）2a2 a2 aFabry因子的应用 典型值：0.185（Gaume coil）(,(0,0)zcmaHGW 线圈内径：2a10 cm导线电阻率：30 nm 0H(T)1.05.01030100Wm(MW)0.0350.867

19、3.4731.22346.9填充因子：0.8004107 H/m2.电流磁铁2.1.2.电流密度1：均匀分布电流磁铁8电流密度：J(r)=I/S002(,),021uniformIir ziaa2121NRa 2222,1ln1211uniformG Fabry因子：细导线（超导磁体）2.电流磁铁2.1.2.电流密度1：均匀分布电流磁铁9 3.095 1.862G(,)0.142 624 最省电几何G(,)1.1高度 半径,0.366uniform 2.电流磁铁2.1.2.电流密度1：均匀分布电流磁铁100(0,0),2uniformzIHa 2221,ln111uniform 磁场几何,0.

20、366uniform 细导线2.电流磁铁2.1.2.电流密度2：径向分布电流磁铁11电流密度：J(r)=I/rBitter0002,0;,02lnaIir ziaiaralnRaBitte2r22,11ln4lnG Fabry因子：Bitter线圈2.电流磁铁2.1.2.电流密度2：径向分布电流磁铁12 6.423 2.146G(,)0.166 461 最省电几何G(,)1.7高度 半径Bitter,0.295 2.电流磁铁2.1.2.电流密度2：径向分布电流磁铁13Bitt0er(0,0),2zIHa 2Bitter2211,lnln 磁场几何Bitter,0.295 Bitter线圈2.电

21、流磁铁2.1.2.电流密度2：径向分布电流磁铁14电流分布：J(r)=I/rBitter线圈单匝（超强脉冲磁场）多匝（圆环片）铜导线的截面积：再算磁场 铜导线的电流密度不发热：1.0 A/mm2210 cm7.958(,)MA100 TzIHza2820.9 mmL BitterBitter2820.95057.42502820.928.(,)0.094(,)02351102.0G(,)3.12 TzHzBitterBitter(,)0.16646(,)0.6.4232.14295367G (,)29.54 TzHz前面的例子最省电几何2.电流磁铁2.1.2.电流密度3：Gaume分布电流磁铁

22、15电流分布：J(r)=I/r f(z)Gaume线圈厚度渐变圆环片2.电流磁铁2.1.2.电流密度3：Gaume分布电流磁铁16电流分布：Gaume线圈 GaumeBitter0,0(,),a iair zf zir zf zrGaume1,arctanarctan2,4lnGFk Fabry因子：22211;11zf za220,1sindFkkarctan2221kLegendre第一类椭圆积分2.电流磁铁2.1.2.电流密度3：Gaume分布电流磁铁17 7.757 38G(,)0.185 417 最省电几何G(,)Gaume,2.032 2.电流磁铁2.1.2.电流密度3：Gaume

23、分布电流磁铁18G ume0a(0,0),2zIHa Gaume2,arctanarctan2,1Fk 磁场几何Gaume,2.032 Gaume线圈2.电流磁铁2.1.2.电流密度4：梯形分布电流磁铁19电流密度：J(r)=I/r220(,),0trapezoidalair ziar11,8trapezoidalG Fabry因子：等腰梯形截面线圈a a2 a 90lim,0.199 471trapezoidalG 002,02lnIiaa2.电流磁铁2.1.2.电流密度4：梯形分布电流磁铁20电流密度：J(r)=I/r220(,),0trapezoidalair ziar等腰梯形截面线圈a

24、90 a2 a0(0,0),2trapezoidazlIHa 1,2lntrapezoidal 2.电流磁铁2.1.2.电流密度4：梯形分布电流磁铁21等腰梯形截面线圈,trapezoidal,trapezoidalG 0.199 4712.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁22213/222,maxi12mumai r z rAddrdzrzH.ZijlstraExperimental Methods in Magnetism1.Generation and computation of magnetic fieldspage 53 page 5522const,antaA d

25、drdz ir z r最大磁场相同的能耗2.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁2312maximumAA d23/2220,22rri r zrz 120,i r zAA3/222,14rri rzz0222141lnI 如果A1和A2满足Euler方程1maximumAd2.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁243/222,14rri rzz 电流密度等高线图MaxwellKelvin2.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁25222,1113 arctanarctan3211optimumG Fabry因子：最省电几何Gaume,0.04,3lim,

26、0.216 50664optimumG 2.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁26Fabry因子2.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁270(0,0),2optimumzIHa 22221,8,/lnoptimumoptimumG 线圈几何因子：2.电流磁铁2.1.2.电流密度5：最佳分布电流磁铁280(0,0),2optimumzIHa 线圈几何因子：2.电流磁铁2.1.2.电流密度：总结电流磁铁29电流分布G(,)(,)最大值(,)均匀0.142 624(3.095,1.862)Bitter0.166 461(6.423,2.146)Gaume0.185 417

27、(7.757,7)等腰梯形0.199 471(,)最佳0.216 506(,)22221ln121121,1uniformG 22211ln4ln Bitter4,lnG 1arctanarctan2,4lnFk a2G ume8ln,1G arctan2022,11sindFk118232,lntrapezoidalG 2221113 arctanarcta11n32222218,/lnoptimumG 0.4CGS2.电流磁铁2.1.2.电流密度：总结电流磁铁30(,(0,0)zcmHWGa均匀BitterGaume最佳等腰梯形2.电流磁铁2.1.3.螺线管电流磁铁31一根细导线绕制的单层

28、圆柱形线圈由元电流线圈连接而成的线圈单层螺线管：0002222 T2()()NIlzlzBLalzalz无限长单层螺线管：单层螺线管中心：00022TNIlBLal000TNIBLzlL/2LaBB0/2总长度L；总匝数N，电流为I02.电流磁铁2.1.3.螺线管电流磁铁32一根细导线绕制的多层圆柱形线圈由元电流线圈连接而成的线圈多层螺线管：电流均匀分布0002222,T2()()uniformNIlzlzBLalzalz 总长度L；总匝数N，电流为I02221,ln111uniform 2.电流磁铁2.1.3.螺线管电流磁铁33一根粗导线绕制的单层圆柱形线圈总长度L；总匝数N，电流为I0单层

29、螺线管：电流径向分布0002Bitter222,T2()()NIlzlzBLalzalz 2Bitter2211,lnln 2.电流磁铁2.1.3.螺线管电流磁铁34一根粗导线绕制的多层圆柱形线圈总长度L；总匝数N，总层数m，每一层匝数Ni，电流为I0多层螺线管：电流径向分布Bitter00i2222,T2()()iiiiiiNaaIlzlzBLlzlz Bitter22211,lnlniiiiiiiiiii i1miBB2.电流磁铁2.1.3.螺线管磁场螺线管轴线上的磁场为：000BKIzlL/2LaK 为线圈常数电流磁铁352.电流磁铁2.1.4.Helmholtz线圈一对结构相同的薄圆线

30、圈同轴串联、线圈之间的距离等于线圈半径a。单个线圈匝数为N；电流强度为I0。oaazyP(z,y)内部任意一点P(z,y)的磁场为：3242P24z0044110.144(8243)5TNIBzz yyaa0Py22050.041 214T(43)8NIyBzzya线圈中心O(0,0)的磁场为：3200O004 0TT.715 5NINIBaa电流磁铁362.电流磁铁2.1.4.Helmholtz线圈电流磁铁37实际Helmholtz线圈：圆线圈：螺旋线圈，螺距2p；半径R：平均半径；距离L：偏离半径a；线圈的层数：多层，层数moL aazyP(z,y)内部任意一点P(z,y)的磁场的一般表达

31、式为：0240022424221T mmmNIuuukkkkBaaaa参见计量测试技术手册 第7卷 电磁学表75.2.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁38（i）圆形元电流线圈对203/23/2222211(0,)44242zHzI aazdazd在线圈对的轴线上（0,z）处的磁场强度：000,(0,)!knkkzznxkzd HzdzzHzo zkdaaz21210000,zmmzxdHzdz2.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁39（i）圆形元电流线圈对daaz220000(0,),!mmzzkkkkxzd HzdzzHzo zk220000,mmzzxdHzdz线圈对的轴线中

32、心对称性：只有偶次项207/220222220300,844zzxdad HzdzI aadHelmholtz条件：da二阶导数2.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁40（i）圆形元电流线圈对d=aazHelmholtz条件：da0Helmholtz085 50.(0,0715)752 8541IIHaaaarctan263.434 948 8233cos5cos102P球谐函数展开：双检测线圈信号反向2.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁41（ii）矩形元电流线圈对02222222411(0,)4242442zIabHzazdbzdabzd在线圈对的轴线上（0,z）处的磁场强度：

33、000,(0,)!knkkzznxkzd HzdzzHzo zkd2a2bz2;22adbbxy2.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁42（ii）矩形元电流线圈对d2a2bzxy220000,zxzd HzdzHelmholtz条件：二阶导数 12210248224622244322422222402472 1 9314693 8 1949 3 111 1011 2 1373 1222.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁42（ii）矩形元电流线圈对d2a2azxy1ab 方形元电流线圈对的Helmholtz条件：64261811500.544 505 643 0201.089 01

34、1 286 040 da0.648 052(0,0)538 8zHIa中心位置的磁场：2.电流磁铁2.1.4.线圈对均匀性电流磁铁43（iii）更均匀的磁场圆形元电流线圈20114/2224002244624608040,0zxzIda dad Hzdzaad四阶导数：6602015/22262460421510321920405003,zxzI ada da daazddd Hz六阶导数：0.595 1882.376 079da两对线圈0.428 0791.467 9513.558 352da三对线圈？2.电流磁铁2.1.4.线圈对电流磁铁44（iii）更均匀的磁场圆形元电流线圈对两对线圈d

35、1za2a1d273.42740.08821210.671 8752.682 226aaddMaxwellHelmholtz0.595 1882.376 079da2.电流磁铁2.1.4.线圈对两对线圈电流磁铁45（iii）更均匀的磁场圆形元电流线圈0.595 1882.376 079da二阶导数与四阶导数同时为零：（匝数匹配）22027/2320010,3844iizzxiidIdzNHza0223132120001.439 4620.640 00,46zzxNId HzdzINaa210.671 875aa123121.4394620.682 1110.640046NaNaHelmholt

36、z条件2.电流磁铁2.1.4.线圈对两对线圈电流磁铁46（iii）更均匀的磁场圆形元电流线圈“意外”收获：二阶、四阶、六阶导数同时为零！22220,0zddHzad62442666153050,0zdda dHdza da624426442222222153050,115194210002,3 440zzda da dadHdzdHddaadz210.682 111NN24424402,06zda ddaHdz 2.电流磁铁2.1.4.线圈对梯度磁场电流磁铁47（iv）（串联反接）反（接）Helmholtz线圈圆形元电流线圈203/23/2222211(0,)44242zHzI aazdazd

37、00205/2220,484zxzdHzdzIadaddaaz0202480.8580,65025 5dazxzdIIaHzdza满足Helmholtz条件时：d=a串联反接检测线圈2.电流磁铁2.1.4.线圈对梯度磁场电流磁铁48（iv）（串联反接）反（接）Helmholtz线圈圆形元电流线圈22333090/222038403040,xzzIaad Hzdddazddaaz223004830.641 2934970,dxzazIIdaHazdz3da串联反接检测线圈最均匀2.电流磁铁2.1.5.超导磁体电流磁铁49（i）超导导线2.电流磁铁2.1.5.超导磁体电流磁铁50（i）超导导线I

38、类 超导体II 类 超导体In：3.404 K，293 Oe；Sn：3.722 K，309 Oe；Hg：4.153 K，412 Oe；Ta：4.483 K，830 Oe；V：5.380 K，1420 Oe；La：6.000 K，1100 Oe；Pb：7.193 K，803 Oe；Tc：7.770 K，1410 Oe；Nb：9.460 K，1980 OeNb3Ti：10.0 K，15.0 Tesla；Nb3Sn：18.0K，24.5 TeslaNb3Al：18.7 K，32.4 TeslaNb3Ge：23.2 K，38.0 TeslaNb3(Al,Ge)：20.7 K，44.0 Tesla2.电

39、流磁铁2.1.5.超导磁体电流磁铁51（ii）超导磁体的磁场a.多层螺线管：电流均匀分布0002222,T2()()uniformNIlzlzBLRlzRlz 2221,ln111uniform b.线圈对：分立（劈裂）磁体203/23/2222211(0,)44242zHzI aazdazdB00KI2.电流磁铁2.1.5.超导磁体电流磁铁52（iii）超导磁体的经济性31212Va 3.095 1.862G(,)0.142 62422221,ln1211uniformG 螺线管2221,ln111uniform 体积最小2a2a2aB00KI02.电流磁铁2.1.5.超导磁体电流磁铁53（

40、iv）超导磁体的设计螺线管NbTi线（9 T）000BKI大均匀区专业化6 Tesla Superconducting Dipole Magnet 1981年8月31日，美国Argonne国家实验室（Lemont）It was about 22 feet long,13.5 feet wide,16 feet tall and weighed 200 tons.2.电流磁铁2.1.6.脉冲磁场电流磁铁54螺线管、大电流。B0KI0，K为线圈常数。tHt非破坏性（脉冲、稳恒）、破坏性（单匝）1960年，美国MIT建立强磁场实验室（HML，F.Bitter），25 T。2.电流磁铁2.1.6.脉冲

41、磁场电流磁铁55Sarov，俄罗斯2 800 T脉冲人造最高磁场，破坏性NHMFL，美国300 T?脉冲人造最高脉冲磁场ELMF，欧盟100 T脉冲Osaka，日本80 T脉冲NHMFL，美国45 T稳恒人造最高稳恒磁场，计划70 TNijmegen,荷兰33 T稳恒Tsukuba,日本30 T稳恒等离子体所，中国20T稳恒2.电流磁铁2.1.6.脉冲磁场特殊性电流磁铁561、脉冲持续时间：t取决于磁体能够承受的焦耳热00Joule022,unifoTtpTtrmuniformD cWT TdTir zir zdtt22Joule022,peakJtWT THGa ,1,uniforJmG 波

42、形因子线性：3；正弦：2；平台：1.3.0951.862,1.429,0.366unifoJrmabG 纸上谈兵2.电流磁铁2.1.6.脉冲磁场特殊性电流磁铁572、磁场强度抗压强度、破坏性取决于磁体能够承受的压力20222,21hooprarHHalnoptimumG0max0,max2hoopHG纸上谈兵2a 2a2aMaxwell stress(hoop stress)12 1,21,22uniformG0,hooprdrH i r zrdr2.电流磁铁2.1.6.脉冲磁场特殊性电流磁铁582、磁场强度抗压强度、破坏性取决于磁体能够承受的压力0max0,max2hoopHG纸上谈兵磁体导

43、线材料极限抗张强度（MPa）最高磁场（T）293 K77 K293 K77 KCu25040025.131.7Cu18%Nb1100130052.657.2Carbon fibre6000122.841.0G2.电流磁铁2.1.6.脉冲磁场特殊性电流磁铁593、组合（电阻线圈+超导线圈）4、破坏性（一次性、单匝）5、测量技术（标定）中国强磁场实验室！LocationDC Power SupplyLargest FieldResistiveHybridBraunschweig(TU)6 MW18.2 T in 32 mmCambridge,Mass(FBNML)10 MW24 T in 32 m

44、m35.2 T in 32 mmGrenoble(MPI-CNRS)24 MW25 T in 50 mm 31.4 T in 50 mm合肥等离子体所10 MW13 T in 32 mm20.2 T in 32 mmKrasnoyarsk,Russia8 MW15 T in 36 mmMoscow(KI)6 MW18.3 T in 28 mm24.6 T in 28 mmNijmegen(KU)6 MW20 T in 32 mm30.4 T in 32 mmSendai(IMR)8 MW19.5 T in 32 mm31.1 T in 32 mmTallahassee(NHMFL)40 MW3

45、3 T in 32 mm45 T in 32 mmTsukuba(NRIM)15 MW30 T in 32 mm34 T(40 T)+in 52 mmWroclaw6 MW19 T in 25 mm世界著名DC强磁场实验室铜质线圈铜质线圈超导磁体中国科学院合肥等离子体物理研究所日本大阪大学极限科学研究中心超强磁场分部http:/www.rcem.osaka-u.ac.jp/research_magn-j.htmlList of pulsed field facilities of the worldLocationPower SupplyLargest FieldPulse LengthBei

46、jingcapacitor 0.34 MJ 50 T in 22 mm5 msKobecapacitor 0.03 MJ30 T in 15 mm15 msLos Alamos(LANL/NHMFL)capacitor 1.5 MJ68 T in 15 mm20 msLos Alamos(LANL/NHMFL)generator 400 MVA60 T in 32 mm2s 100 ms+Cambridge,Mass(FBNML)capacitor 0.21 MJ65 T in 13 mm10 msMeridacapacitor 0.6 MJ25 T in 30 mm1.4 msMurray

47、Hillcapacitor 0.52 MJ72 T in 10 mm15 msOsakacapacitor 1.5 MJ70 T in 20 mm80 T0.6 ms0.1 msSendai(IMR)capacitor 0.1 MJ40 T in 12 mm10 msSydney(UNSW)capacitor 0.8 MJ60 T in 22 mm25 msTokyo(ISSP)capacitor 0.1 MJ 5 MJ150 T in 10 mm200 T in 6 mm 550 T in 9 mm6 s6 s3 sTsukubacapacitor 1.6 MJ65 T in 16 mm10

48、0 msWorcester(Mass.)capacitor 0.35 MJ47 T in 10 mm10 msAmsterdamutility grid:6 MW40 T in 20 mm1500 ms(100 ms)Berlincapacitor 0.4 MJcapacitor 0.2 MJ62 T in 18 mm200 T in 12 mm310 T in 5 mm12 ms5 s3 sLocationPower SupplyLargest FieldPulse LengthBraunschweigcapacitor 0.04 MJ27 T in 12 mm12 msBristolcap

49、acitor 0.18 MJ60 T in 10 mm10 msDublincapacitor 0.3 MJ26 T in 28 mm200 msFrankfurtcapacitor 0.8 MJ50 T in 22 mm18 msLeuvencapacitor 1.2 MJ60 T in 20 mm73 T in 10 mm20 ms10 msMoscow(KU)capacitor 0.18 MJ55 T in 5 mm15 msMoscowcapacitor 0.03 MJ32 T in 3 mm8 ms(State Uni)Oxfordcapacitor 0.8 MJ50 T in 20

50、 mm15 msOportocapacitor 0.6 MJ25 T in 30 mm1.4 sParmacapacitor 1.0 MJ+60 T in 22 mm10-100 msSt Petersburgcapacitor 0.08 MJ40 T in 20 mm8 ms(Ioffe Inst)St Petersburgcapacitor 0.8 MJ10 T in 250 mm20 ms(Polytechnic)Toulousecapacitor 1.25 MJcapacitor 12 MJ42 T in 28 mm61 T in 14 mm60 T in 30 mm70 T in 3