基本信息
- 项目名称：
- 基于退磁场效应的小型强磁场发生器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 装置基于退磁场形成机理和磁体磁化过程中的形状效应，充分利用具有高初始磁导率和高饱和磁化强度的软磁材料的优良磁学性能，通过选择具有合适退磁因子的磁芯和激励线圈组合，成功制作了具有多种功能的小型强磁场发生器。该装置能提供0～2.0T可调稳恒磁场，工作区间为40×40×20 mm3 。运行时装置操作简便，无需配置制冷系统，制作及运行成本低，具有很好的推广前景。
- 详细介绍：
- 作为一种重要的极端条件，强磁场在诸多科学领域中的应用十分广泛，但往往因昂贵的建造与运行费用阻碍了强磁场的普及. 与传统电磁铁磁体设计思路不同，本作品充分利用了传统磁场生成方法中必须克服的不利因素——退磁场能.根据退磁场形成机理和磁体磁化过程中的形状效应，采用具有高初始磁导率和高饱和磁化强度的组合型软磁材料铁芯，成功制作了具有多种功能、易于推广的小型强磁场发生器. 发生器体积为0.5×0.65×0.8 m3，总重250千克，位于组合线圈轴线上的导轨可放置一对或多根软磁棒，线圈中注入电流时，每对软磁棒正对的端面间将形成一个方向与线圈磁场一致的均匀磁场区(即供测试样品用的工作平台)，空间体积为40×40×20 mm3，磁场强度为0～2.0 T，精度达0.1 mT. 相比于传统方法制作的强磁场发生器，本作品在功耗、实用性、剩磁等方面具有明显优势：①发生器以小电流运行时,可提供强度达数千高斯的均匀磁场区,明显的降低了运行功耗.例如,激励电流为0.5A时,磁场区强度可达3000高斯； ②在无水冷条件下，发生器以较大电流(<10A)运行时,其提供的均匀磁场区强度可达1～2T； ③发生器运行时,可提供2个或2个以上的工作平台同时进行样品测量； ④发生器停止运行时,磁芯具有的剩磁很小(只有零点几mT),这为弱磁场下提高样品测量精度提供了有利条件. 发生器操作简便，体积小，重量轻，且无需配置制冷系统，制作及运行成本低，具有很好的实用价值.
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作为一种十分重要的极端实验条件，强磁场在开展多学科交叉研究，提升我国前沿基础科学自主创新能力方面发挥着越来越重要的作用.因此，国家把强磁场装置建设项目列为当前重大科技基础建设项目之一.其中，与各种科学仪器配套的小型强磁场发生器的研制工作也在积极进行中，并逐渐开拓着多方面的新型应用.然而，即使是强度级别为几个T的强稳恒磁场，在传统的生成方法中也需要配备一个足够强大的冷却和控制系统.这样，尽管它在诸多科学领域中具有十分重要的应用价值，但仍然因其不菲的建造和运行费用而无法普及，不能让它发挥更大的作用. 本项目正是出于对这一现状的考虑，提出了一种有别于传统思路的设计原理和电磁铁磁场的生成方法，实现了在没有冷却系统的条件下，生成大于1 T级别的强稳恒磁场. 作品基于退磁场形成机理和磁体磁化过程中的形状效应，充分利用具有高磁导率和饱和磁化强度的软磁材料的优良磁学性能，设计了一组可沿轴向提供长度为800 mm横截面直径为60 mm均匀磁场区的组合激励线圈，在线圈轴线上可配置一对或多对软磁棒.系统运行时每对磁棒端面间的测试工作区磁场强度为：0～2.0T，精度：0.0001T，工作区空间范围：40×40×20 mm3. 发生器的控制系统简单，操作方便，运行时磁场强度连续可调.适用于物理、化学、材料科学、生物及医学等多学科以强度级别在1 至几个T强稳恒磁场为背景的课题研究.
科学性、先进性
- 1.作品没有沿用依靠超导材料和包括液氦在内的低温制冷系统构造强磁场发生器的传统思路，而是基于退磁场形成机理和磁体磁化过程中的形状效应，充分利用具有高磁导率和饱和磁化强度的软磁材料的优良磁学性能，提出一种新的小型强磁场发生器的制作方法.研制成功了一个测试工作区磁场强度为0～2.0T，精度为0.1mT，工作空间为40×40×20 mm3的小型强稳恒磁场发生装置. 2.作品的先进性在于: 1)装置以小电流(<1A)运行时,可提供一个强度达数千高斯的均匀磁场区. 2)装置以较大电流(<10A)运行时,其提供的均匀磁场区强度可达1～2T. 3)装置运行时,可提供2个或2个以上的工作平台同时进行样品测量. 4)装置停止运行时,磁芯具有的剩磁很小(只有零点几mT),这为弱场下提高样品测量精度提供了有利条件. 3.本发生器体积为0.5×0.65×0.8 m3，总重250 Kg. 电源结构简单，不必配备低温制冷系统即可持续运行。
获奖情况及鉴定结果
- 1.根据同一原理制作的“微小磁场测量装置”在2009年11月由广东省物理学会举行的广东省第十届大学生物理实验设计大赛中获一等奖。 2.作品获2011年第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛 一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 作品尚未申请专利。
作品可展示的形式
- 实物演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.电源部分：全部低压元器件及仪表均安装在一个操作台内，通过手动控制可选择所需相关技术参数. 2.磁场部分：由组合激励线圈和沿其轴线安置的一对或多对软磁棒组成，可提供一至几个供样品测试用的平台. 3.控制及显示部分：可通过调节激励电流和线圈间距来控制测试工作区磁场强度及工作区范围.显示屏同时指示当前磁场强度值. 技术特点及优势: 装置以小电流运行时,可提供强度达数千高斯的均匀磁场区；以较大电流(<10A)运行时,其提供的均匀磁场区强度可达1～2T. 装置可提供2个或2个以上的工作平台同时进行样品测量. 该磁场发生器在物理、化学、材料科学、生物学和医学等多学科的课题研究中有着广泛的应用.如有关人员对HL-60细胞的影响研究、在材料特性中关于磁取向，磁热处理，流体磁控制的研究、在生物酶活性及反应的研究，都是近年来应用这一强度级别稳恒磁场进行研究取得出色成果的典型范例. 作品制造成本很低，与相同技术指标的同类设备相比，具有十分良好的应用和开发前景.
同类课题研究水平概述
- 目前，世界上稳恒强磁场发生设备大多采用电磁铁磁体、超导磁体及由电磁铁磁体和超导磁体组成的混合磁体. 电磁铁磁体的主要部件为铜质激励线圈和铁芯. 磁场运行时，为了对铁芯进行有效磁化，必须克服退磁场Hd的影响. 这需要一个很大的外加（激励线圈）磁场. 例如，要使一个用电工纯铁制成的铁芯达到饱和磁化，若铁芯为柱状，其轴向长度为L，径向长度为D,纵横比L / D = 2，则磁化过程中产生的退磁场将达到0.3 T左右.显然，为了消除这一退磁场的影响，激励线圈生成的磁场（即外磁场）必需以一定优势大于上述强度值.根据计算，激励线圈至少要注入超过70 A以上的高强度电流才行. 这时，由于要消除线圈必然产生的大量焦耳热的影响，保证磁场发生器的正常运行，就要配备一个足够强大的冷却和控制系统，这是传统电磁铁磁场发生器为何体积庞大、结构复杂、能耗惊人的主要原因.由于这些配备的冷却和控制系统都需要十分强大的资金与物质条件，故在目前阶段还谈不上普及和推广应用.例如2000年初投入运行的日本名古屋核融合所LHD螺旋型磁场，它能提供的中心磁场前期为3T（4.2K），后期为4T（1.8K），耗费资金达上亿美元，装置外径13.5m，高8.8m，总重约1600吨. 虽然，随着超导强磁场技术的日益成熟，与各种科学仪器配套的小型强磁场装置的研制工作正在积极进行中.现在一些零液氦消耗和无液氦超导磁体系统也已研制成功，但仍要配置小型制冷装置方可运行，这就无法从根本上改革装置，简化结构，降低制作成本. 本作品没有沿用电磁铁磁场发生器制作的传统思路，而是根据铁基纳米晶软磁材料对退磁因子N变化具有高度敏感性的特点，设计具有不同退磁因子的磁芯，并配置以适当的激励线圈组合,在较小电流条件下，获得较大退磁场能（即本磁场发生装置具有的磁场能）.从而保证了发生器工作电流在不大于10A，无需低温制冷系统的条件下，提供一个强度可达2T,使用范围为40×40×20mm3的均匀磁场区,装置结构简单，制作成本低，与相同技术指标的同类设备相比，具有十分良好的应用和开发前景.
