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基本信息
- 項目名稱：
- 基于退磁場效應(yīng)的小型強磁場發(fā)生器
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 裝置基于退磁場形成機理和磁體磁化過程中的形狀效應(yīng)，充分利用具有高初始磁導(dǎo)率和高飽和磁化強度的軟磁材料的優(yōu)良磁學(xué)性能，通過選擇具有合適退磁因子的磁芯和激勵線圈組合，成功制作了具有多種功能的小型強磁場發(fā)生器。該裝置能提供0～2.0T可調(diào)穩(wěn)恒磁場，工作區(qū)間為40×40×20 mm3 。運行時裝置操作簡便，無需配置制冷系統(tǒng)，制作及運行成本低，具有很好的推廣前景。
- 詳細介紹：
- 作為一種重要的極端條件，強磁場在諸多科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，但往往因昂貴的建造與運行費用阻礙了強磁場的普及. 與傳統(tǒng)電磁鐵磁體設(shè)計思路不同，本作品充分利用了傳統(tǒng)磁場生成方法中必須克服的不利因素——退磁場能.根據(jù)退磁場形成機理和磁體磁化過程中的形狀效應(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、易于推廣的小型強磁場發(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)軌可放置一對或多根軟磁棒，線圈中注入電流時，每對軟磁棒正對的端面間將形成一個方向與線圈磁場一致的均勻磁場區(qū)(即供測試樣品用的工作平臺)，空間體積為40×40×20 mm3，磁場強度為0～2.0 T，精度達0.1 mT. 相比于傳統(tǒng)方法制作的強磁場發(fā)生器，本作品在功耗、實用性、剩磁等方面具有明顯優(yōu)勢：①發(fā)生器以小電流運行時,可提供強度達數(shù)千高斯的均勻磁場區(qū),明顯的降低了運行功耗.例如,激勵電流為0.5A時,磁場區(qū)強度可達3000高斯； ②在無水冷條件下，發(fā)生器以較大電流(<10A)運行時,其提供的均勻磁場區(qū)強度可達1～2T； ③發(fā)生器運行時,可提供2個或2個以上的工作平臺同時進行樣品測量； ④發(fā)生器停止運行時,磁芯具有的剩磁很小(只有零點幾mT),這為弱磁場下提高樣品測量精度提供了有利條件. 發(fā)生器操作簡便，體積小，重量輕，且無需配置制冷系統(tǒng)，制作及運行成本低，具有很好的實用價值.
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、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驗條件，強磁場在開展多學(xué)科交叉研究，提升我國前沿基礎(chǔ)科學(xué)自主創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著越來越重要的作用.因此，國家把強磁場裝置建設(shè)項目列為當(dāng)前重大科技基礎(chǔ)建設(shè)項目之一.其中，與各種科學(xué)儀器配套的小型強磁場發(fā)生器的研制工作也在積極進行中，并逐漸開拓著多方面的新型應(yīng)用.然而，即使是強度級別為幾個T的強穩(wěn)恒磁場，在傳統(tǒng)的生成方法中也需要配備一個足夠強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)用價值，但仍然因其不菲的建造和運行費用而無法普及，不能讓它發(fā)揮更大的作用. 本項目正是出于對這一現(xiàn)狀的考慮，提出了一種有別于傳統(tǒng)思路的設(shè)計原理和電磁鐵磁場的生成方法，實現(xiàn)了在沒有冷卻系統(tǒng)的條件下，生成大于1 T級別的強穩(wěn)恒磁場. 作品基于退磁場形成機理和磁體磁化過程中的形狀效應(yīng)，充分利用具有高磁導(dǎo)率和飽和磁化強度的軟磁材料的優(yōu)良磁學(xué)性能，設(shè)計了一組可沿軸向提供長度為800 mm橫截面直徑為60 mm均勻磁場區(qū)的組合激勵線圈，在線圈軸線上可配置一對或多對軟磁棒.系統(tǒng)運行時每對磁棒端面間的測試工作區(qū)磁場強度為：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)簡單，操作方便，運行時磁場強度連續(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)科以強度級別在1 至幾個T強穩(wěn)恒磁場為背景的課題研究.
科學(xué)性、先進性
- 1.作品沒有沿用依靠超導(dǎo)材料和包括液氦在內(nèi)的低溫制冷系統(tǒng)構(gòu)造強磁場發(fā)生器的傳統(tǒng)思路，而是基于退磁場形成機理和磁體磁化過程中的形狀效應(yīng)，充分利用具有高磁導(dǎo)率和飽和磁化強度的軟磁材料的優(yōu)良磁學(xué)性能，提出一種新的小型強磁場發(fā)生器的制作方法.研制成功了一個測試工作區(qū)磁場強度為0～2.0T，精度為0.1mT，工作空間為40×40×20 mm3的小型強穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置. 2.作品的先進性在于: 1)裝置以小電流(<1A)運行時,可提供一個強度達數(shù)千高斯的均勻磁場區(qū). 2)裝置以較大電流(<10A)運行時,其提供的均勻磁場區(qū)強度可達1～2T. 3)裝置運行時,可提供2個或2個以上的工作平臺同時進行樣品測量. 4)裝置停止運行時,磁芯具有的剩磁很小(只有零點幾mT),這為弱場下提高樣品測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)簡單，不必配備低溫制冷系統(tǒng)即可持續(xù)運行。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.根據(jù)同一原理制作的“微小磁場測量裝置”在2009年11月由廣東省物理學(xué)會舉行的廣東省第十屆大學(xué)生物理實驗設(shè)計大賽中獲一等獎。 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)科技作品競賽 一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 作品尚未申請專利。
作品可展示的形式
- 實物演示。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1.電源部分：全部低壓元器件及儀表均安裝在一個操作臺內(nèi)，通過手動控制可選擇所需相關(guān)技術(shù)參數(shù). 2.磁場部分：由組合激勵線圈和沿其軸線安置的一對或多對軟磁棒組成，可提供一至幾個供樣品測試用的平臺. 3.控制及顯示部分：可通過調(diào)節(jié)激勵電流和線圈間距來控制測試工作區(qū)磁場強度及工作區(qū)范圍.顯示屏同時指示當(dāng)前磁場強度值. 技術(shù)特點及優(yōu)勢: 裝置以小電流運行時,可提供強度達數(shù)千高斯的均勻磁場區(qū)；以較大電流(<10A)運行時,其提供的均勻磁場區(qū)強度可達1～2T. 裝置可提供2個或2個以上的工作平臺同時進行樣品測量. 該磁場發(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HL-60細胞的影響研究、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，都是近年來應(yīng)用這一強度級別穩(wěn)恒磁場進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)用和開發(fā)前景.
同類課題研究水平概述
- 目前，世界上穩(wěn)恒強磁場發(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)激勵線圈和鐵芯. 磁場運行時，為了對鐵芯進行有效磁化，必須克服退磁場Hd的影響. 這需要一個很大的外加（激勵線圈）磁場. 例如，要使一個用電工純鐵制成的鐵芯達到飽和磁化，若鐵芯為柱狀，其軸向長度為L，徑向長度為D,縱橫比L / D = 2，則磁化過程中產(chǎn)生的退磁場將達到0.3 T左右.顯然，為了消除這一退磁場的影響，激勵線圈生成的磁場（即外磁場）必需以一定優(yōu)勢大于上述強度值.根據(jù)計算，激勵線圈至少要注入超過70 A以上的高強度電流才行. 這時，由于要消除線圈必然產(chǎn)生的大量焦耳熱的影響，保證磁場發(fā)生器的正常運行，就要配備一個足夠強大的冷卻和控制系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)電磁鐵磁場發(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年初投入運行的日本名古屋核融合所LHD螺旋型磁場，它能提供的中心磁場前期為3T（4.2K），后期為4T（1.8K），耗費資金達上億美元，裝置外徑13.5m，高8.8m，總重約1600噸. 雖然，隨著超導(dǎo)強磁場技術(shù)的日益成熟，與各種科學(xué)儀器配套的小型強磁場裝置的研制工作正在積極進行中.現(xiàn)在一些零液氦消耗和無液氦超導(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行，這就無法從根本上改革裝置，簡化結(jié)構(gòu)，降低制作成本. 本作品沒有沿用電磁鐵磁場發(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退磁因子N變化具有高度敏感性的特點，設(shè)計具有不同退磁因子的磁芯，并配置以適當(dāng)?shù)募罹€圈組合,在較小電流條件下，獲得較大退磁場能（即本磁場發(fā)生裝置具有的磁場能）.從而保證了發(fā)生器工作電流在不大于10A，無需低溫制冷系統(tǒng)的條件下，提供一個強度可達2T,使用范圍為40×40×20mm3的均勻磁場區(qū),裝置結(jié)構(gòu)簡單，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)用和開發(fā)前景.
