强磁场作为极端条件,是现代科学研究尤其是实验物理中非常有实用的工具之一,为发现新特性、产生新理论提供了更加便利的科学研究条件,脉冲强磁场已经成为现在物理研究以及实验中不可或缺的一种工具,同时,很多领域对强磁场磁感应强度的需求也越来越高。不可否认的的是,强磁场对医学、材料学、物理学、化学、信息科学等诸多学科领域将产生非常重大的促进作用[13-18]。有资料显示:1913年来,世界上共有19项与强磁场有关的发明成果获得诺贝尔奖,其中一项医学奖、五项化学奖、十三项物理学奖。不仅如此,最近的30年,就有8项与强磁场相关的成果获得诺贝尔奖,包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像等。由此可见,强磁场的发展,在科技发展中占有举足轻重的地位。论文网
我国的脉冲强磁场能力与世界上的很多国家都 有巨大差距。1980年之后,中科院的等离子体物理研究所才成功获得磁感应强度为40。6T的 的脉冲磁体,但未将脉冲强磁体作为主要的研究方向,使得我国在脉冲强磁场领域没有进一步的进展[19]。1988年,中国在合肥建立了中国磁学国家实验室,采用高强度材料成功得到了 50T 的脉冲磁场。但由于各种原因,他们没有在强磁场研究领域获得大的成就。华中科技大学从这个世纪初开始从事对脉冲强磁场进行研究。第二年与比利时鲁汶大学的脉冲强磁场实验室获得联系,双方共同进行70T/30ms级的脉冲强磁场研究。在两年之内取得巨大进展,研制出了材料强度为 1GPa、导电率在 60%IACS 的复合导线和脉冲强磁体领域的专用设计软件。2008年,国家批准华中科技大学建立国家脉冲强磁场科学中心并于2011年11月自行开发成功国内的第一个双线圈的脉冲强磁体,成功获得83T的脉冲强磁场,之后又于2013年实现90。6T的脉冲强磁场。使中国成为继美国、德国、之后成为世界上第三个突破90T大关的国家。
1。3 磁场的发生系统
一般情况下来说,脉冲强磁场的发生系统大都是RLC电路,其中以充电电容作为储能元件对线圈放电[21-24],将电能转换成磁场能,由毕奥—萨伐尔定律可知,电路中电流的大小的直接决定了磁场的磁感应强度。电路简图如图1。1所示,其中包括线圈、电容器、开关、二极管等。将充电电容器接入电路后,闭合主电路开关 ,此时电容器通过磁体线圈对电路放电,从而在磁体孔径内产生磁场。一段时间之后,电容器反向,续流二极管正向导电,线圈和续流二极管形成闭合回路,此时磁场的脉宽得到增加,同时,二极管会消耗电路中的一部分能量,从而对抑制磁体的温升起到作用。其实,脉冲磁场和稳态磁场产生的原理都是奥斯特提出的电流的磁效应,而脉冲磁体即线圈是脉冲强磁场产生装置的必要部件,在结构上,强磁
体主要包括螺线形导体绕组、绝缘层、支撑桶、挡板、和加固材料等几大部分[25,26]。
图1。1 RLC回路
本文研究的脉冲强磁体主要应用于对破甲弹的射流产生影响,在弹丸内部的脉冲强磁体的产生系统是磁爆加载发生系统,其中电源激励是由磁爆加载下形成的,磁爆加载的基础是磁爆压缩发生器(Flux Compression Generator, FCG )。FCG磁爆压缩发生器的本质是一种化学磁通压缩装置,它是一种可以在炸药爆炸的短时间内将炸药的化学能转换为磁场的磁场能的脉冲能源装置,它具有体积小、结构紧凑、使用性能好等特点[27]。能够加载微亨或纳亨级的电感负载,现如今已经广泛应用于尖端军事和科研领域,如电磁发射、磁动力机载的高能量密度实验等等[28-30],我们可以将FCG应用于磁暴加载弹药,在炸药爆炸的一瞬间通过磁暴加载强磁体形成强磁场[31,32],进而对其中的聚能射流微元的稳定性形成影响,从而增加大炸高下聚能射流的侵彻威力。