2011n1112磁體設(shè)計及磁體應(yīng)用2011061416

1、超導(dǎo)電力基礎(chǔ)2010年5月 - 6月唐 躍 進(jìn)、任麗、石晶郵箱： 1通知 根據(jù)學(xué)校通知，因端午節(jié)放假而調(diào)課，6月13日（周日）上6月14日（周二）的課，請相互轉(zhuǎn)告。2課堂作業(yè)評述為鑒別一種物質(zhì)是否為超導(dǎo)體，需要測定哪些特性？（1）零電阻；（2）邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）準(zhǔn)確性、簡單性。以上二個特性是根本，羅列其他一大批超導(dǎo)特性 是概念不清！是把簡單問題復(fù)雜化！ 最起碼是浪費實驗資源。 負(fù)5分3課堂作業(yè)評述（1）低溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)各向同性；（2）高溫超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)就存在各向異性。審題：要有比較2、為什么高溫超導(dǎo)體比低溫超導(dǎo)體具有更強(qiáng)的各向異性的電磁特性？概念：在實際應(yīng)用中，低溫超導(dǎo)也要考慮各向異性，磁

2、場印加方向的不同，Ic的變化不同4課堂作業(yè)評述（1）抑制磁通跳躍、降低磁滯損耗 極細(xì)絲（2）增加通流能力 介入常導(dǎo)體的極細(xì)絲并聯(lián)（3）抑制耦合損耗 絞合減小耦合電感加快耦合電流的衰減3、超導(dǎo)線為什么要采用將超導(dǎo)極細(xì)絲崁入常導(dǎo)體基材中并相互絞合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)？關(guān)鍵詞：抑制磁通跳躍、降低磁滯損耗、增強(qiáng)通流能力、減小耦合電感、耦合電流衰減5課堂作業(yè)評述5、設(shè)計超導(dǎo)裝置時應(yīng)重點考慮超導(dǎo)線的哪些電磁參數(shù)？未講的內(nèi)容，需要在已學(xué)內(nèi)容中自己思考。目的：考核自我思考的能力。無標(biāo)準(zhǔn)答案。但有不可缺少的關(guān)鍵詞：通流能力，即Ic，包括Ic與磁場大小、磁場方向、工作溫度、應(yīng)力的關(guān)系交流損耗，包括磁場大小、方向、電流形態(tài)的

3、影響并聯(lián)支路的分流失超特性（穩(wěn)定性）6課堂作業(yè)評述謝謝大家！錯誤不少，反省、修訂、出版！但是：一人發(fā)現(xiàn)，多人受益的現(xiàn)象嚴(yán)重， 全課堂只指出十余處錯誤。 相信還有很多、6、列出你在講義中發(fā)現(xiàn)的錯誤。加分竅門：以后指出，仍然在平時考核成績中加分。7課堂作業(yè)評述根據(jù)平時記錄，特提醒以下同學(xué)注意 38/282=13% 8獲取增補(bǔ)平時成績的機(jī)會 1）另行提交讀書報告2）指出講義中的錯誤96.3 超導(dǎo)磁體的應(yīng)用6.2 超導(dǎo)裝置電磁設(shè)計六、超導(dǎo)磁體及其應(yīng)用6.1 概論 10超導(dǎo)濾波器、天線等超導(dǎo)諧振腔超導(dǎo)計算機(jī)SQUID 微弱電磁測量磁屏蔽、磁懸浮超導(dǎo)磁體超導(dǎo)電力一、概論 超導(dǎo)裝置零電阻獲得高Q值諧振約瑟夫

4、森效應(yīng)、磁通量子效應(yīng)獲得電子開關(guān)、量子化；零電阻獲得高集成度零電阻獲得高通流密度零電阻獲得高通流密度超導(dǎo)裝置分類 11超導(dǎo)磁體（magnet）凡是僅以產(chǎn)生強(qiáng)磁場為目的的，英文一般稱為magnet，中文譯成磁體核聚變、加速器、核磁共振、磁懸浮、超導(dǎo)電力裝置裝置中的線圈、繞組（Coil）實際上和“磁體”一樣。但因其功能不僅僅是生成強(qiáng)磁場，英文中有用magnet的，也有用coil的，中文一般用繞組、線圈電機(jī)、變壓器、限流器、電感、電纜、強(qiáng)電用超導(dǎo)裝置一、概論 12磁體的種類 單螺管多螺管環(huán)形跑道形（二極）馬鞍形（二極）多極磁鏡異型一、概論 13I環(huán)形線圈無磁場泄漏磁場空間不易對外部開放I螺管磁體可開

5、放的磁場空間有磁場泄漏用于儲能、磁約束聚變應(yīng)用廣泛一、概論 14超導(dǎo)電力裝置 超導(dǎo)電機(jī)（發(fā)電機(jī)、電動機(jī)）超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)電纜超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)超導(dǎo)限流器超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能超導(dǎo)磁懸浮列車一、概論 156.2 超導(dǎo)電磁裝置設(shè)計 電磁參數(shù)及設(shè)計原則 導(dǎo)線的臨界電流 工作點的確定 磁場計算與優(yōu)化 絕緣、冷卻通道、支撐件 并聯(lián)支路均流設(shè)計 交流損耗 熱穩(wěn)定性 失超保護(hù) 電流引線 低溫系統(tǒng)16裝置的額定參數(shù)： 額定電流、安全裕度（臨界電流） 額定電壓、安全裕度（絕緣耐壓水平） 磁場強(qiáng)度、磁場均勻度、漏散磁場 效率（交流損耗、熱侵入）經(jīng)濟(jì)性參數(shù)： 成本（超導(dǎo)線用量、低溫）；尺寸、重量、冷卻功率 可靠性對額定值的影

6、響因素： 導(dǎo)線臨界電流（磁場、磁場方向、溫度、應(yīng)力） 交流損耗 超導(dǎo)線熱穩(wěn)定性能 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 1、電磁參數(shù)及設(shè)計原則 17基本參數(shù)：運(yùn)行溫度、最大磁場強(qiáng)度、額定電壓、額定電流、絕緣水平、電磁應(yīng)力、幾何尺寸、導(dǎo)線用量、冷卻方式及冷卻功率 根據(jù)用途不同的特殊參數(shù)：磁場均勻度、磁場梯度、電感值、最大電流變化率、放電速度超導(dǎo)磁體應(yīng)考慮的特殊參數(shù)：作用在超導(dǎo)導(dǎo)線上的平行磁場值、垂直磁場值、電流頻率或電流變化率、額定電流與臨界電流值的比值應(yīng)考慮的超導(dǎo)導(dǎo)線特性：臨界電流值、臨界電流與磁場的關(guān)系、臨界電流與應(yīng)力的關(guān)系、交流損耗與磁場的關(guān)系、超導(dǎo)穩(wěn)定對冷卻的要求二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 18簡單設(shè)計：

7、小型磁體，通過簡單的電磁計算即可電磁場數(shù)值解析、優(yōu)化設(shè)計： 運(yùn)用電磁場分析軟件設(shè)計電磁場，然后驗證各種約束條件是否滿足電磁場、溫度場、應(yīng)力場綜合優(yōu)化設(shè)計： 將電磁場優(yōu)化、溫度場優(yōu)化、應(yīng)力場優(yōu)化一體化，同時設(shè)計和驗證裝置的虛擬樣機(jī)： 場的分析優(yōu)化+路的分析優(yōu)化+運(yùn)行特性檢驗+裝配流程等的一體化可視化后兩種是我們的目標(biāo)，正在開展相關(guān)研究工作。二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 19IcH77K4.2K溫度升高影響超導(dǎo)線臨界電流的因素：磁場、溫度、應(yīng)力2、導(dǎo)線的臨界電流 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 20臨界電流和磁場、溫度的關(guān)系臨界電流和應(yīng)力的關(guān)系實例：Bi系導(dǎo)線 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 21超導(dǎo)線的BJ特性電流

8、(A)工作點臨界點磁場強(qiáng)度 (T)磁體的負(fù)荷特性安全裕度確定運(yùn)行溫度， J-H特性即確定根據(jù)額定電流，磁場計算，可知工作點考慮安全裕度，可提出對導(dǎo)線的要求IeHm電磁場分析核算、優(yōu)化3、工作點的確定 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 22IcH超導(dǎo)線Ic(H)特性線圈H(I)特性失超點工作點IcTHeTeTm超導(dǎo)磁體負(fù)荷特性工作磁場下臨界電流溫度特性二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 23通過電磁場計算，確定導(dǎo)線所承受的磁場強(qiáng)度 優(yōu)化磁體形狀，降低導(dǎo)線上的磁場（方向性） 計算導(dǎo)線承受的應(yīng)力 調(diào)整支撐結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體軸向磁場分布圖徑向磁場分布圖4、磁場計算與優(yōu)化 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 24300kVA高溫超導(dǎo)變壓器

9、繞組磁場分析結(jié)果二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 25影響磁體剖面上的電流密度的因素： 電氣絕緣 應(yīng)力支撐 冷卻通道液氦、液氮都具有良好的絕緣性能液氦 29170kV/mm液氮 80 240kV/mm主絕緣、層間絕緣、匝間絕緣5、絕緣、冷卻通道、支撐件 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 266、并聯(lián)支路均流核算 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 鐵心如存在并聯(lián)支路，必須驗算均流性能LiMijRiVs27交流損耗分析是超導(dǎo)電力裝置設(shè)計中最復(fù)雜的電磁分析課題。導(dǎo)線承受的磁場方向多種多樣電流多種多樣，甚至有高頻諧波導(dǎo)線幾何尺寸、規(guī)格多種多樣導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜7、交流損耗分析 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 28低溫冷卻能力：1、超導(dǎo)體上

10、的交流損耗2、支撐件上的渦流損耗3、低溫系統(tǒng)自身的熱侵入4、電流引線等的熱侵入核沸騰域膜沸騰域1KxTTtTB常導(dǎo) 超導(dǎo)8、熱穩(wěn)定性 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 29磁體熱穩(wěn)定性分析計算例：二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 30確定因素： 電流、溫度、磁場等超過臨界值不確定因素： 交流損耗局部特性劣化接頭部焦耳損耗機(jī)械因素：導(dǎo)線位移、支撐材收縮等磁的因素：磁通跳躍連續(xù)的脈沖的交流損耗機(jī)械外力外界磁場內(nèi)因外因擾亂9、失超保護(hù) 失超的原因：二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 31對超導(dǎo)裝置： 能量集中，燒毀繞組 熱量釋放，低溫液體突發(fā)性蒸發(fā) 電流突變，感應(yīng)電壓擊穿絕緣對系統(tǒng)： 性能丟失，系統(tǒng)損壞 電力系統(tǒng)：送電中斷、電力安

11、全 失超的危害：二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 32 液氦、液氮氣化的體積變化很大 液氦4.2K氦氣 8倍， 100K 530倍 液氮77K 氮氣182倍，100K 250倍， 300K 900倍失超冷媒體積急劇膨脹二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 失超的危害：33a、預(yù)防：消除不確定因素 保證確定因素在臨界值以下b、檢測：在失超的萌發(fā)期發(fā)現(xiàn)c、保護(hù)：轉(zhuǎn)移能量 切斷能量供應(yīng) 均勻分擔(dān)能量、防止局部過熱 分離故障部分（特別在電力系統(tǒng)中）d、恢復(fù)：解消故障、準(zhǔn)備替代方案 失超保護(hù)的原則：二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 34+信號通過磁體線圈之間的電壓不平衡判斷失超不平衡電壓可以采用橋式電路等技術(shù)方案失超檢測方法例二、超導(dǎo)裝

12、置的電磁設(shè)計 35失超檢測方法例二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 36控制信號控制信號將能量直接消耗在電阻上通過電磁耦合向電阻轉(zhuǎn)移能量失超保護(hù)法：消耗或轉(zhuǎn)移能量 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 37控制信號熱量或磁場等采用強(qiáng)制措施使整個繞組產(chǎn)生電阻消耗能量，防止能量在局部消耗燒損繞組，常用于大型多線圈磁體失超保護(hù)法：分散能量防止局部過熱 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 38電源磁體制冷機(jī)或冷媒容器斷路器保護(hù)電阻蒸發(fā)冷媒回收口輸液管電流引線杜瓦10、電流引線 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 39超導(dǎo)磁體系統(tǒng)90%以上的熱損耗是由電流引線侵入 電流引線按冷卻方式分按材料分蒸氣冷卻引線氣體冷卻引線全金屬引線高溫超導(dǎo)引線傳導(dǎo)冷卻引線電

13、流引線的分類 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 40冷媒蒸發(fā)氣體截?zé)崾綄?dǎo)電性能好，發(fā)熱量小絕熱性能好，熱侵入量小絕緣性能好，局部放電量小高溫超導(dǎo)電流引線低溫氣體熱流Tc以下高溫超導(dǎo)銅導(dǎo)線Tc以下對電流引線的技術(shù)要求 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 41 熱設(shè)計 高溫端向低溫端的熱流 電流導(dǎo)致的導(dǎo)體發(fā)熱量 優(yōu)化目標(biāo)：熱侵入最小常溫低溫銅導(dǎo)體法蘭絕緣 高溫超導(dǎo)體 77K4.2K接線端子 電流熱流引線截面侵入熱侵入熱量電阻發(fā)熱電流引線設(shè)計要點 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 42 絕緣設(shè)計 外部室溫絕緣 內(nèi)部低溫絕緣 （4.2K 300K）常溫低溫銅導(dǎo)體法蘭絕緣 高溫超導(dǎo)體 77K4.2K接線端子 電流熱流液體浸泡部分，可滿

14、足絕緣要求液體以上低溫氣體部分，困難電流引線設(shè)計要點 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 43磁體制冷機(jī)或冷媒容器蒸發(fā)冷媒回收口輸液管電流引線杜瓦11、低溫系統(tǒng)設(shè)計 制冷機(jī)冷卻量=超導(dǎo)交流損耗+支撐件渦流損耗+電流引線侵入熱+低溫容器侵入熱+安全裕度 二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 44工作點的確定 磁場計算與優(yōu)化 絕緣、冷卻通道、支撐件 并聯(lián)支路均流設(shè)計 交流損耗 熱穩(wěn)定性 失超保護(hù) 電流引線 低溫系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)性核算好的設(shè)計一般都要多次迭代二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 45先進(jìn)的設(shè)計理念：多場耦合優(yōu)化、場路耦合優(yōu)化變流器輸電線等效電感無窮大母線發(fā)電機(jī)電流引線儲能磁體多場耦合場路耦合SMES儲能磁體多場耦合及場路耦合設(shè)計

15、的主要影響因素ti磁體補(bǔ)償電流2JHT導(dǎo)線臨界特性FIc導(dǎo)線應(yīng)力特性xT導(dǎo)線失超傳播低溫容器強(qiáng)垂直磁場域?qū)捒鐪貐^(qū)絕緣二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 46先進(jìn)的設(shè)計理念：虛擬樣機(jī) 電磁裝置虛擬樣機(jī)分析，全程模擬設(shè)計、運(yùn)行、維護(hù)，可優(yōu)化設(shè)計、培訓(xùn)技術(shù)人員。二、超導(dǎo)裝置的電磁設(shè)計 476.3 超導(dǎo)磁體的應(yīng)用 概論 粒子加速器 磁約束核聚變 核磁共振成像 強(qiáng)磁場 磁懸浮軸承、磁懸浮列車 磁流體推進(jìn)與發(fā)電 磁分離48（1）概論超導(dǎo)磁體的優(yōu)勢獲得常規(guī)技術(shù)難以實現(xiàn)的高磁場強(qiáng)度導(dǎo)線通流密度比常規(guī)導(dǎo)線高兩個數(shù)量級以上導(dǎo)體本身不發(fā)熱（直流），或發(fā)熱量很?。ń涣鳎㊣電流密度高冷卻通道小冷卻功率小冷卻通道大電流密度低冷卻功率

16、大體積龐大造成磁場分散49（1）概論超導(dǎo)磁體的優(yōu)勢凡需要磁場的裝置均可用超導(dǎo)大幅提高技術(shù)性能加速器：控制粒子的能力加強(qiáng)磁約束核聚變：約束等離子體的能力提高核磁共振：信噪比增大、信息精細(xì)度提高磁懸?。簯腋×υ龃蟀l(fā)電機(jī)：同樣長度導(dǎo)體感應(yīng)的電勢增大其他強(qiáng)磁場應(yīng)用？ 電磁冶煉、電磁攪拌、提高磁場強(qiáng)度：50介紹磁場在裝置中的作用實例介紹（1）概論51粒子加速器中磁場的作用 帶電粒子的直線加速（2）加速器 控制帶電粒子的偏轉(zhuǎn)、聚焦 磁場越強(qiáng)偏轉(zhuǎn)半徑越小磁場梯度越強(qiáng)聚焦能力越強(qiáng) 帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動方程 52粒子加速器中磁場的作用 大型粒子加速器回旋粒子加速器 磁極諧振腔加速電勢磁場電場（2）加速器 磁

17、場越高，回旋半徑越小裝置體積越小、占地面積越小 為獲得更高的能量只有加大回旋半徑 53粒子加速器的種類 （2）加速器 按輸出粒子束的能量劃分低能加速器（能量1TeV) 工程應(yīng)用 科學(xué)研究 按束流加速控制原理劃分靜電加速器（能量 萬分之五加速和聚焦的配合：高頻與粒子旋轉(zhuǎn)周期同步粒子源的難點：高電壓緊湊化78加速器中的電氣工程 （2）加速器 79通知 根據(jù)學(xué)校通知，因端午節(jié)放假而調(diào)課，6月13日（周日）上6月14日（周二）的課，請相互轉(zhuǎn)告。806.3 超導(dǎo)磁體的應(yīng)用 概論 粒子加速器 磁約束核聚變 核磁共振成像 強(qiáng)磁場 磁懸浮軸承、磁懸浮列車 磁流體推進(jìn)與發(fā)電 磁分離81聚變能 (Fusion E

18、nergy) 清潔，無CO2，燃料資源豐富（3）磁約束核聚變 82磁約束核聚變的原理 （3）磁約束核聚變 氘氚核聚變反應(yīng)產(chǎn)生核聚變的必要條件：億度以上的高溫。核聚變能和平利用的條件：持續(xù)、可控。 等離子體狀態(tài) 需懸空約束等離子體 83磁約束核聚變的原理 （3）磁約束核聚變 帶電粒子在磁場中的拉莫爾運(yùn)動 閉合的磁通線 約束等離子體的磁場 Rrpbxy圖6-15 帶電粒子運(yùn)動回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系運(yùn)動軌跡B單純環(huán)向磁場中的帶電粒子漂移閉合的螺旋磁通線 84托卡馬克的磁體系統(tǒng) 閉合的螺旋磁通線 仿星器的磁體系統(tǒng) （3）磁約束核聚變 85磁約束核聚變的原理 （3）磁約束核聚變 梯度場也能改變帶電粒子的運(yùn)動軌跡

19、 (a) 基本結(jié)構(gòu)(b) 磁約束原理(c) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)帶電粒子通電線圈86電磁設(shè)計的趣味 設(shè)計征集1：如何提高兩個線圈的耦合度？ 如 使耦合系數(shù)盡量接近 1 設(shè)計征集2：如何使兩個靠近的線圈去耦合？ 如 使耦合系數(shù)盡量接近 0 設(shè)計征集3：能否使磁力線像光線一樣聚焦？ 能否制造磁單極子？ 如何提高磁場梯度？ （3）磁約束核聚變 87托卡馬克(Tokamak)是由俄羅斯科學(xué)家發(fā)明的利用變壓器原理產(chǎn)生等離子體，并由強(qiáng)磁場約束及控制等離子體的裝置。 Tokamak是由俄文“環(huán)形”、“磁場”及“容器”的前幾個字母組成。其主要部件組成為：真空室、縱場（環(huán)向場）磁體、極向場（垂直場）磁體等。托卡馬克原理（P

20、rinciple of Tokamak）（3）磁約束核聚變 88ITRE ShieldMagnet SystemVacuum VesselDivertor30 m24 mRadius=6.2 mVolume=840 m3Current=15 MADensity=1020 m-3Temperature=20keVFussion Power=500MW（3）磁約束核聚變 89粒子加速器中的超導(dǎo)磁體 ITER的磁體和結(jié)構(gòu)18 個環(huán)形磁場線圈(TF)；6個極向磁場項圈(PF)； 1個中心螺線管線圈 (CS)；校正線圈 (CC) 。（3）磁約束核聚變 90Bopt=5.3T, R =6.2mCS, Bm

21、=13.5T, TF, Bm=11.8T Bopt=3.5T, R =1.8mCS, Bm=8.0T, TF, Bm=7.2T Bopt=3.5T, R =1.75mCS, Bm=4.3 T, TF, Bm=5.85T NbTi-CICCNbTi/Nb3Sn-CICCITERKSTAREASTLDXNbTi： Bopt=5 T LSC： Bm=5.3TNbSn/Bi2223 Bopt=3.0T, R =1.1mCS, Bm=3.2 T, TF, Bm=5.1T SST-1NbTi-CICCLHDSpecifications on TokamaksNb3AlCICCJTSCW7X91EAST全超

22、導(dǎo)托卡馬克裝置，合肥高11米，直徑8米，重400噸16個大型“D”形超導(dǎo)縱場磁體BT = 3.5 T12個大型極向場超導(dǎo)磁體可以提供磁通變化 10 伏秒通過極向場磁體， 100萬安培的等離子體電流持續(xù)時間將達(dá)到1000秒在高功率加熱下溫度將超過一億度（3）磁約束核聚變 92EAST的D形超導(dǎo)線圈（3）磁約束核聚變 93（3）磁約束核聚變 946.3 超導(dǎo)磁體的應(yīng)用 概論 粒子加速器 磁約束核聚變 核磁共振成像 強(qiáng)磁場 磁懸浮、磁懸浮列車 磁流體推進(jìn)與發(fā)電 磁分離95（4）核磁共振成像 核磁共振的原理 核磁矩 環(huán)形的電流與該環(huán)的面積的乘積稱為環(huán)形電流的磁矩 原子核內(nèi)的帶電粒子自旋、軌道運(yùn)動產(chǎn)生核

23、磁矩，其能級是不連續(xù)的 I 只能是整數(shù)磁矩的能級是不連續(xù)的 96（4）核磁共振成像 核磁共振的原理 1955年諾貝爾物理學(xué)獎授予Willis Eugene Lamb ，Polykarp Kusech蘭姆位移與電子磁矩97（4）核磁共振成像 核磁共振的原理 外磁場作用下的能級分裂 即：核磁矩的能級進(jìn)一步分裂核在磁場作用下，核子拉莫爾進(jìn)動，獲得附加能量，也是不連續(xù)的塞曼效應(yīng)：能級分裂。 磁場越強(qiáng)，能隙越大98（4）核磁共振成像 核磁共振的原理 能級躍遷與核磁共振 磁場中核子的能級在與外磁場垂直方向加高頻磁場，使其頻率滿足核子獲得能量，發(fā)生能級躍遷：吸收高頻電磁能 對某一頻率的電磁能產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收：核

24、磁共振 99（4）核磁共振成像 核磁共振的應(yīng)用 不同原子核的磁性不同，在同一磁場下產(chǎn)生核磁共振的頻率也不同測量某一頻率的核磁共振譜，可以獲得試樣中的某一原子核的信息改變頻率，可以獲得試樣中的其他原子核的信息改變場強(qiáng)，也可以獲得不同原子核的信息但磁場越強(qiáng)，能隙越大，信息越清晰應(yīng)用之一：分析物質(zhì)的成分 核磁共振譜儀100AVANCE 900兆核磁共振波譜儀600MHz核磁共振波譜儀（4）核磁共振成像 101（4）核磁共振成像 核磁共振成像 磁場一定、特定原子核的核磁共振頻率一定梯度磁場xB共振頻率 1共振頻率 2加梯度磁場，在不同位置有不同的諧振頻率。因此可以獲得物質(zhì)中特定層面的原子核信息。加三維

25、的梯度磁場，就可以獲得物質(zhì)中特定點的信息。 核磁共振成像102（4）核磁共振成像 核磁共振的應(yīng)用意義 科學(xué)研究：可以精確地顯示物質(zhì)構(gòu)成、乃至晶格結(jié)構(gòu)工業(yè)應(yīng)用：可以準(zhǔn)確地檢測物質(zhì)內(nèi)部的缺陷醫(yī)療衛(wèi)生：可以精準(zhǔn)地構(gòu)成人體內(nèi)部組織的圖像 目前，國內(nèi)等級稍高的醫(yī)院已擁有超導(dǎo)核磁共振成像儀 （幾乎由西門子、GE占領(lǐng)所有市場）103形形色色的MRI（4）核磁共振成像 1041946年美國斯坦福大學(xué) F Bloch小組和哈佛大學(xué) E M Purcell小組分別發(fā)現(xiàn)核磁共振這一物理現(xiàn)象，可應(yīng)用于物理、化學(xué)等物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析研究。 1952年獲得諾貝爾物理獎核磁共振的起源 （4）核磁共振成像 1052003年諾貝爾生

26、理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎核磁共振的起源 1971年，美國紐約州立大學(xué) R Damadian提出將其用于醫(yī)學(xué)診斷1972年，美國紐約州立大學(xué) P C Lauterbur 提出建立圖像1976年，英國 P Mansfield建立第一幅人體斷層像1977年，美國 R Damadian建成第一臺全身磁共振成像裝置R Damadian未獲獎似乎很不公平MansfieldLauterbur（4）核磁共振成像 106核磁共振的磁體系統(tǒng) ZY (a) 安置的位置關(guān)系 (b) 橫向梯度線圈結(jié)構(gòu)示意圖主磁體縱向梯度線圈橫向梯度線圈YXZ（4）核磁共振成像 107核磁共振的梯度場 縱向梯度磁場的形成 (a) 縱向梯度線圈 (b

27、) 梯度磁場分布 (c) 主磁場分布 (d) 合成磁場的分布（4）核磁共振成像 108磁鐵系統(tǒng)主磁場：磁場強(qiáng)度有0.5到4.0T，1.5T和3.0T；動物實驗用的小型MRI則有4.7T、7.0T與9.4T等多種主磁場強(qiáng)度另有勻磁線圈（shim coil）協(xié)助達(dá)到磁場的高均勻度梯度場：用來產(chǎn)生并控制磁場中的梯度，以實現(xiàn)NMR信號的空間編碼。這個系統(tǒng)有三組線圈，產(chǎn)生x、y、z三個方向的梯度場，線圈組的磁場疊加起來，可得到任意方向的梯度場射頻（RF）發(fā)生器：產(chǎn)生短而強(qiáng)的射頻場，以脈沖方式加到樣品上，使樣品中的氫核產(chǎn)生NMR 計算機(jī)圖像重建系統(tǒng)（4）核磁共振成像 109核磁共振對磁場的要求：磁場穩(wěn)定磁

28、場越高信息越清晰、定位越準(zhǔn)確要在大的空間產(chǎn)生2T以上的磁場，需要超導(dǎo)技術(shù)核磁共振中的超導(dǎo)技術(shù) 目前，稍稍高檔一點的核磁共振，均用超導(dǎo)（4）核磁共振成像 110地質(zhì)探測核磁共振中的其他應(yīng)用 （4）核磁共振成像 資源勘探1956年， Brown和Fatt研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體處于巖石孔隙中時，其核磁共振弛豫時間與自由狀態(tài)相比顯著減小，從而逐漸發(fā)展成地質(zhì)探測的有力手段1978年，研制成一臺NMR找水儀Hydroscope隨后在石油勘探等中也有應(yīng)用無損檢測1116.3 超導(dǎo)磁體的應(yīng)用 概論 粒子加速器 磁約束核聚變 核磁共振成像 強(qiáng)磁場 磁懸浮軸承、磁懸浮列車 磁流體推進(jìn)與發(fā)電 磁分離112強(qiáng)磁場的用途 材

29、料加工、制作電磁冶金：在磁場中冶煉金屬，可獲得更好的材料磁拉單晶：在磁場中生成材料，可獲得更好的晶格取向磁制冷：利用材料在磁場中能量的變化，獲取低溫科學(xué)研究：研究物質(zhì)的電磁特性合成開發(fā)新型材料（5）強(qiáng)磁場 113日本 10T，10cm無液氮超導(dǎo)磁體（5）強(qiáng)磁場 114著名的強(qiáng)磁場實驗室：國外：德國德雷斯頓強(qiáng)磁場實驗室美國國家強(qiáng)磁場實驗室美國卡拉克大學(xué)強(qiáng)磁場實驗室法國圖盧茲脈沖強(qiáng)磁場實驗室國內(nèi)：中科院合肥等離子體物理研究所華中科技大學(xué)脈沖強(qiáng)磁場實驗室（5）強(qiáng)磁場 115美國佛羅里達(dá)的 NHMFL實驗室穩(wěn)態(tài)磁場的最高記錄 45T水冷磁體：內(nèi)徑為32mm，電源為24.6MW，產(chǎn)生的磁場為31T超導(dǎo)磁

30、體：外層Nb-Ti，兩個內(nèi)層Nb3Sn線圈，產(chǎn)生14.3T45T的穩(wěn)態(tài)場混合磁體（5）強(qiáng)磁場 116（5）強(qiáng)磁場 117美國國家強(qiáng)磁場實驗室2003年由Bi-2212超導(dǎo)磁體產(chǎn)生 25.0T世界紀(jì)錄2007年利用Y124超導(dǎo)磁體產(chǎn)生 26.8T世界紀(jì)錄26.8T超導(dǎo)磁體（5）強(qiáng)磁場 118德國 德累斯頓強(qiáng)磁場實驗室（5）強(qiáng)磁場 119我校 脈沖強(qiáng)磁場國家科學(xué)中心（5）強(qiáng)磁場 120小知識：國家級科技創(chuàng)新基地金字塔 國家科學(xué)中心大科學(xué)工程國家實驗室國家重點實驗室國家工程技術(shù)研究中心國家工程研究中心國家工程實驗室省部級重點實驗室、工程技術(shù)研究中心國家國防科技重點實驗室基礎(chǔ)性、前沿性；關(guān)鍵技術(shù)、成果

31、轉(zhuǎn)化；產(chǎn)業(yè)競爭力一般有企業(yè)參與科學(xué)院承擔(dān)較多。（脈沖強(qiáng)磁場國家科學(xué)中心） 121小知識：我校的國家級科技平臺 武漢光電國家實驗室（籌）國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施：強(qiáng)磁場實驗裝置（聯(lián)合）國家重點實驗室：激光技術(shù)/數(shù)字制造裝備與技術(shù)/煤燃燒/材料成型與模具國家國防科技重點實驗室：多譜信息處理國家工程實驗室：下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)(聯(lián)合)國家工程研究中心：激光加工/制造裝備數(shù)字化國家工程技術(shù)研究中心：數(shù)控系統(tǒng)/企業(yè)信息化CAD應(yīng)用支撐軟件/防偽/納米藥物國家專業(yè)實驗室：新型電機(jī)/外存儲系統(tǒng)1226.3 超導(dǎo)磁體的應(yīng)用 概論 粒子加速器 磁約束核聚變 核磁共振成像 強(qiáng)磁場 磁懸浮軸承、磁懸浮列車 磁流體推進(jìn)與

32、發(fā)電 磁分離123磁懸浮的創(chuàng)意 （6）磁懸浮、磁懸浮列車 124利用超導(dǎo)塊材的磁懸浮利用電磁鐵的磁懸浮車上線圈地上線圈地上感應(yīng)磁場浮力（6）磁懸浮、磁懸浮列車 125高溫超導(dǎo)磁浮車模型試驗西南交大超導(dǎo)塊材磁懸浮車?yán)贸瑢?dǎo)塊材的磁懸浮個人意見：因為沒有解決超導(dǎo)塊材磁通逃逸的技術(shù)難題，基于超導(dǎo)塊材的磁懸浮難以長時間運(yùn)行，要實現(xiàn)商業(yè)化，還有待超導(dǎo)塊材技術(shù)的進(jìn)步。（6）磁懸浮、磁懸浮列車 126上海磁懸浮列車 懸浮力推進(jìn)力導(dǎo)向力三個力（6）磁懸浮、磁懸浮列車 127懸浮力：車上線圈地上線圈車的運(yùn)動方向I1I2(a) 產(chǎn)生浮力的線圈布局車上線圈地上線圈地上感應(yīng)磁場浮力(b) 兩線圈之間產(chǎn)生浮力永磁懸?。捍艌鋈酰?.5T超導(dǎo)塊材磁懸?。捍磐ㄌ右轃o論是磁懸浮軸承，還是磁懸浮列車，使用電磁鐵是較為現(xiàn)實的方法。為獲得較強(qiáng)磁場，提高懸浮力，就需要使用超導(dǎo)磁體。（6）磁懸浮、磁懸浮列車 128推進(jìn)力：直線電機(jī) ABCXYZFF轉(zhuǎn)子定子定子轉(zhuǎn)子F，V行波磁場AZBXCY(a) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)(b) 直線電機(jī)（6