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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于退磁場(chǎng)效應(yīng)的小型強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 裝置基于退磁場(chǎng)形成機(jī)理和磁體磁化過(guò)程中的形狀效應(yīng)，充分利用具有高初始磁導(dǎo)率和高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁材料的優(yōu)良磁學(xué)性能，通過(guò)選擇具有合適退磁因子的磁芯和激勵(lì)線圈組合，成功制作了具有多種功能的小型強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器。該裝置能提供0～2.0T可調(diào)穩(wěn)恒磁場(chǎng)，工作區(qū)間為40×40×20 mm3 。運(yùn)行時(shí)裝置操作簡(jiǎn)便，無(wú)需配置制冷系統(tǒng)，制作及運(yùn)行成本低，具有很好的推廣前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 作為一種重要的極端條件，強(qiáng)磁場(chǎng)在諸多科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，但往往因昂貴的建造與運(yùn)行費(fèi)用阻礙了強(qiáng)磁場(chǎng)的普及. 與傳統(tǒng)電磁鐵磁體設(shè)計(jì)思路不同，本作品充分利用了傳統(tǒng)磁場(chǎng)生成方法中必須克服的不利因素——退磁場(chǎng)能.根據(jù)退磁場(chǎng)形成機(jī)理和磁體磁化過(guò)程中的形狀效應(yīng)，采用具有高初始磁導(dǎo)率和高飽和磁化強(qiáng)度的組合型軟磁材料鐵芯，成功制作了具有多種功能、易于推廣的小型強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器. 發(fā)生器體積為0.5×0.65×0.8 m3，總重250千克，位于組合線圈軸線上的導(dǎo)軌可放置一對(duì)或多根軟磁棒，線圈中注入電流時(shí)，每對(duì)軟磁棒正對(duì)的端面間將形成一個(gè)方向與線圈磁場(chǎng)一致的均勻磁場(chǎng)區(qū)(即供測(cè)試樣品用的工作平臺(tái))，空間體積為40×40×20 mm3，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～2.0 T，精度達(dá)0.1 mT. 相比于傳統(tǒng)方法制作的強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器，本作品在功耗、實(shí)用性、剩磁等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：①發(fā)生器以小電流運(yùn)行時(shí),可提供強(qiáng)度達(dá)數(shù)千高斯的均勻磁場(chǎng)區(qū),明顯的降低了運(yùn)行功耗.例如,激勵(lì)電流為0.5A時(shí),磁場(chǎng)區(qū)強(qiáng)度可達(dá)3000高斯； ②在無(wú)水冷條件下，發(fā)生器以較大電流(<10A)運(yùn)行時(shí),其提供的均勻磁場(chǎng)區(qū)強(qiáng)度可達(dá)1～2T； ③發(fā)生器運(yùn)行時(shí),可提供2個(gè)或2個(gè)以上的工作平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行樣品測(cè)量； ④發(fā)生器停止運(yùn)行時(shí),磁芯具有的剩磁很小(只有零點(diǎn)幾mT),這為弱磁場(chǎng)下提高樣品測(cè)量精度提供了有利條件. 發(fā)生器操作簡(jiǎn)便，體積小，重量輕，且無(wú)需配置制冷系統(tǒng)，制作及運(yùn)行成本低，具有很好的實(shí)用價(jià)值.
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作為一種十分重要的極端實(shí)驗(yàn)條件，強(qiáng)磁場(chǎng)在開(kāi)展多學(xué)科交叉研究，提升我國(guó)前沿基礎(chǔ)科學(xué)自主創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.因此，國(guó)家把強(qiáng)磁場(chǎng)裝置建設(shè)項(xiàng)目列為當(dāng)前重大科技基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目之一.其中，與各種科學(xué)儀器配套的小型強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器的研制工作也在積極進(jìn)行中，并逐漸開(kāi)拓著多方面的新型應(yīng)用.然而，即使是強(qiáng)度級(jí)別為幾個(gè)T的強(qiáng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)，在傳統(tǒng)的生成方法中也需要配備一個(gè)足夠強(qiáng)大的冷卻和控制系統(tǒng).這樣，盡管它在諸多科學(xué)領(lǐng)域中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，但仍然因其不菲的建造和運(yùn)行費(fèi)用而無(wú)法普及，不能讓它發(fā)揮更大的作用. 本項(xiàng)目正是出于對(duì)這一現(xiàn)狀的考慮，提出了一種有別于傳統(tǒng)思路的設(shè)計(jì)原理和電磁鐵磁場(chǎng)的生成方法，實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有冷卻系統(tǒng)的條件下，生成大于1 T級(jí)別的強(qiáng)穩(wěn)恒磁場(chǎng). 作品基于退磁場(chǎng)形成機(jī)理和磁體磁化過(guò)程中的形狀效應(yīng)，充分利用具有高磁導(dǎo)率和飽和磁化強(qiáng)度的軟磁材料的優(yōu)良磁學(xué)性能，設(shè)計(jì)了一組可沿軸向提供長(zhǎng)度為800 mm橫截面直徑為60 mm均勻磁場(chǎng)區(qū)的組合激勵(lì)線圈，在線圈軸線上可配置一對(duì)或多對(duì)軟磁棒.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每對(duì)磁棒端面間的測(cè)試工作區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度為：0～2.0T，精度：0.0001T，工作區(qū)空間范圍：40×40×20 mm3. 發(fā)生器的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)可調(diào).適用于物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物及醫(yī)學(xué)等多學(xué)科以強(qiáng)度級(jí)別在1 至幾個(gè)T強(qiáng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)為背景的課題研究.
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.作品沒(méi)有沿用依靠超導(dǎo)材料和包括液氦在內(nèi)的低溫制冷系統(tǒng)構(gòu)造強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器的傳統(tǒng)思路，而是基于退磁場(chǎng)形成機(jī)理和磁體磁化過(guò)程中的形狀效應(yīng)，充分利用具有高磁導(dǎo)率和飽和磁化強(qiáng)度的軟磁材料的優(yōu)良磁學(xué)性能，提出一種新的小型強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器的制作方法.研制成功了一個(gè)測(cè)試工作區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～2.0T，精度為0.1mT，工作空間為40×40×20 mm3的小型強(qiáng)穩(wěn)恒磁場(chǎng)發(fā)生裝置. 2.作品的先進(jìn)性在于: 1)裝置以小電流(<1A)運(yùn)行時(shí),可提供一個(gè)強(qiáng)度達(dá)數(shù)千高斯的均勻磁場(chǎng)區(qū). 2)裝置以較大電流(<10A)運(yùn)行時(shí),其提供的均勻磁場(chǎng)區(qū)強(qiáng)度可達(dá)1～2T. 3)裝置運(yùn)行時(shí),可提供2個(gè)或2個(gè)以上的工作平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行樣品測(cè)量. 4)裝置停止運(yùn)行時(shí),磁芯具有的剩磁很小(只有零點(diǎn)幾mT),這為弱場(chǎng)下提高樣品測(cè)量精度提供了有利條件. 3.本發(fā)生器體積為0.5×0.65×0.8 m3，總重250 Kg. 電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不必配備低溫制冷系統(tǒng)即可持續(xù)運(yùn)行。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.根據(jù)同一原理制作的“微小磁場(chǎng)測(cè)量裝置”在2009年11月由廣東省物理學(xué)會(huì)舉行的廣東省第十屆大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽中獲一等獎(jiǎng)。 2.作品獲2011年第十一屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 作品尚未申請(qǐng)專利。
作品可展示的形式
- 實(shí)物演示。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1.電源部分：全部低壓元器件及儀表均安裝在一個(gè)操作臺(tái)內(nèi)，通過(guò)手動(dòng)控制可選擇所需相關(guān)技術(shù)參數(shù). 2.磁場(chǎng)部分：由組合激勵(lì)線圈和沿其軸線安置的一對(duì)或多對(duì)軟磁棒組成，可提供一至幾個(gè)供樣品測(cè)試用的平臺(tái). 3.控制及顯示部分：可通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流和線圈間距來(lái)控制測(cè)試工作區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度及工作區(qū)范圍.顯示屏同時(shí)指示當(dāng)前磁場(chǎng)強(qiáng)度值. 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì): 裝置以小電流運(yùn)行時(shí),可提供強(qiáng)度達(dá)數(shù)千高斯的均勻磁場(chǎng)區(qū)；以較大電流(<10A)運(yùn)行時(shí),其提供的均勻磁場(chǎng)區(qū)強(qiáng)度可達(dá)1～2T. 裝置可提供2個(gè)或2個(gè)以上的工作平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行樣品測(cè)量. 該磁場(chǎng)發(fā)生器在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的課題研究中有著廣泛的應(yīng)用.如有關(guān)人員對(duì)HL-60細(xì)胞的影響研究、在材料特性中關(guān)于磁取向，磁熱處理，流體磁控制的研究、在生物酶活性及反應(yīng)的研究，都是近年來(lái)應(yīng)用這一強(qiáng)度級(jí)別穩(wěn)恒磁場(chǎng)進(jìn)行研究取得出色成果的典型范例. 作品制造成本很低，與相同技術(shù)指標(biāo)的同類設(shè)備相比，具有十分良好的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)前景.
同類課題研究水平概述
- 目前，世界上穩(wěn)恒強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生設(shè)備大多采用電磁鐵磁體、超導(dǎo)磁體及由電磁鐵磁體和超導(dǎo)磁體組成的混合磁體. 電磁鐵磁體的主要部件為銅質(zhì)激勵(lì)線圈和鐵芯. 磁場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，為了對(duì)鐵芯進(jìn)行有效磁化，必須克服退磁場(chǎng)Hd的影響. 這需要一個(gè)很大的外加（激勵(lì)線圈）磁場(chǎng). 例如，要使一個(gè)用電工純鐵制成的鐵芯達(dá)到飽和磁化，若鐵芯為柱狀，其軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)，徑向長(zhǎng)度為D,縱橫比L / D = 2，則磁化過(guò)程中產(chǎn)生的退磁場(chǎng)將達(dá)到0.3 T左右.顯然，為了消除這一退磁場(chǎng)的影響，激勵(lì)線圈生成的磁場(chǎng)（即外磁場(chǎng)）必需以一定優(yōu)勢(shì)大于上述強(qiáng)度值.根據(jù)計(jì)算，激勵(lì)線圈至少要注入超過(guò)70 A以上的高強(qiáng)度電流才行. 這時(shí)，由于要消除線圈必然產(chǎn)生的大量焦耳熱的影響，保證磁場(chǎng)發(fā)生器的正常運(yùn)行，就要配備一個(gè)足夠強(qiáng)大的冷卻和控制系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)電磁鐵磁場(chǎng)發(fā)生器為何體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗驚人的主要原因.由于這些配備的冷卻和控制系統(tǒng)都需要十分強(qiáng)大的資金與物質(zhì)條件，故在目前階段還談不上普及和推廣應(yīng)用.例如2000年初投入運(yùn)行的日本名古屋核融合所LHD螺旋型磁場(chǎng)，它能提供的中心磁場(chǎng)前期為3T（4.2K），后期為4T（1.8K），耗費(fèi)資金達(dá)上億美元，裝置外徑13.5m，高8.8m，總重約1600噸. 雖然，隨著超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)的日益成熟，與各種科學(xué)儀器配套的小型強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的研制工作正在積極進(jìn)行中.現(xiàn)在一些零液氦消耗和無(wú)液氦超導(dǎo)磁體系統(tǒng)也已研制成功，但仍要配置小型制冷裝置方可運(yùn)行，這就無(wú)法從根本上改革裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低制作成本. 本作品沒(méi)有沿用電磁鐵磁場(chǎng)發(fā)生器制作的傳統(tǒng)思路，而是根據(jù)鐵基納米晶軟磁材料對(duì)退磁因子N變化具有高度敏感性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有不同退磁因子的磁芯，并配置以適當(dāng)?shù)募?lì)線圈組合,在較小電流條件下，獲得較大退磁場(chǎng)能（即本磁場(chǎng)發(fā)生裝置具有的磁場(chǎng)能）.從而保證了發(fā)生器工作電流在不大于10A，無(wú)需低溫制冷系統(tǒng)的條件下，提供一個(gè)強(qiáng)度可達(dá)2T,使用范圍為40×40×20mm3的均勻磁場(chǎng)區(qū),裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，與相同技術(shù)指標(biāo)的同類設(shè)備相比，具有十分良好的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)前景.
