بخشی از مقاله
چکیده
عمدتاًمیدان های مغناطیسی قوی برای مطالعه خواص مغناطیسی مواد مورد استفاده قرار میگیرند و این مطلب اهمیت تولید میدان های مغناطیسی قوی، با طول پالس بالا را نشان می دهد. در این پژوهش، پس از طراحی سیملولهای بهینه؛ با استفاده از بانک خازنی 48 mF و خنک سازی سیملوله، میدان مغناطیسی پالسی 23/4T با طول پالس 1/2 ms تولید و بوسیله حسگر مگنتواپتیکی چرخش فارادی اندازهگیری شده است. میدان مغناطیسی، نیرو و دمای سیملوله با استفاده از نرمافزار MagNet7.5 نیز شبیهسازی گردیده است که در تطابق خوبی با نتایج حاصل از اندازهگیری قرار دارد.
.1 مقدمه
علم مغناطیس نه تنها در حوزه فناوری، بلکه در عرصه تحقیقات کاربردهای فراوانی دارد. بررسی خواص مواد یکی از چالشهای اساسی در تحقیقات دانشمندان بوده است . اما برای بررسی خواص مغناطیسی مواد به محدودهای از میدانهای مغناطیسی قوی نیاز داریم. میدانهای مغناطیسی قوی، با توجه به محدودیتهایی که در نوع پیوسته - DC - وجود دارد، در مد پالسی تولید میشوند. امروزه در آزمایشگاههای میدانهای مغناطیسی قوی در سرتاسر دنیا مطالعات زیادی روی خواص مغناطیسی مواد صورت میگیرد و علم میدانهای مغناطیسی قوی به عنوان یک شاخه مهم از فیزیک حالت جامد فعالیت میکند.
روش استاندارد برای تولید میدانهای مغناطیسی پالسی بالا، تخلیه بانک خازنی بر روی سیملولهای تقویت یافته در دماهای پایین است.[1] میدان مغناطیسی حاصل از سیملوله، نیروهایی ایجاد می-کند که سبب تخریب آن میگردد. بنابراین در میدانهای مغناطیسی بالا، سیملوله به گونهای طراحی و تقویت میشود که بتواند این نیروها را تحمل کند[2]؛ عامل دیگری که موجب تخریب سیملوله میشود، گرم شدن ناشی از عبور جریان بالا و درنتیجه افزایش مقاومت سیملوله است.[3] به طور کلی میتوان گفت سیملوله ایدهآل برای تولید میدانهای مغناطیسی بالا باید دو ویژگی استحکام بالا و مقاومت کم را دارا باشد. برای تولید میدانهای مغناطیسی پالسی بالا نیاز به یک منبع انرژی داریم که بتوان آن را به انرژی مغناطیسی تولید شده داخل سیملوله، تبدیل کنیم.
برای اولین بار کاپیتزا از تخلیه الکتریکی باطری استفاده کرده است، درحالی که امروزه اکثر آزمایشگاههای میدان مغناطیسی پالسی قوی از بانکهای خازنی به عنوان منابع انرژی استفاده میکنند و انرژی ذخیره شده در بانک خازنی را توسط یک کلید که توانایی تحمل ولتاژ و جریانهای بالایی را دارد، روی سیملوله تخلیه میکنند.[4] در این پژوهش، با استفاده از نتایج بدست آمده از انجام محاسبات در نرم افزار Mathematica، سیملوله طراحی و بهینه سازی شده است. تقویت و خنک سازی سیملوله بر مبنای نتایج حاصل از شبیه سازی در نرم افزار MagNet7.5، صورت گرفته است. در نهایت میدان مغناطیسی پالسی بالا توسط بانک خازنی 48mF با طول پالس 1/2ms تولید شده و با استفاده از حسگر مگنتواپتیکی چرخش فارادی اندازهگیری شده است.
.2 تئوری
بانک خازنی را میتوان به صورت یک مدار RLC در نظر گرفت که مقاومت و خودالقایی آن، ناشی از سیمهای تشکیل دهنده در مدار بانک میباشد. اساس تولید میدان مغناطیسی بالا توسط بانک خازنی به این ترتیب است که وقتی بانک خازنی تخلیه میشود، در مدار متشکل از بانک و سیملولهای که به عنوان یک القاگر در مسیر قرار گرفته، جریانی تولید میشود که با توجه به مشخصات و نوع هندسه سیملوله، میدان مغناطیسی تولید میکند.
.3 روش انجام آزمایش
سیملوله بهینه سازی شده را با استفاده از سیم مسی به قطر 2mm ساخته و سپس برای جلوگیری از تخریب آن بوسیله نیروهای وارده که طبق محاسبات در حدود 20KN میباشد، سیملوله را با استفاده از رزین و الیاف شیشه تقویت کردیم. پس از تقویت، سیملوله را درون مدار بانک خازنی 48 mF قرار داده و برای جلوگیری از افزایش مقاومت ناشی از گرم شدن سیملوله، پیش از شروع آزمایش، سیملوله را توسط یخ خشک که دمایی در حدود -70 œC دارد، در مدت 45 دقیقه به صورت غیر مستقیم خنک میکنیم.
پس از خنکسازی سیملوله، بانک خازنی را تا 415 V شارژ کرده و برای تخلیه از سوئیچ مکانیکی استفاده میکنیم. برای اندازهگیری میدان مغناطیسی تولید شده از حسگر چرخش مگنتواپتیکی فارادی و برای اندازهگیری جریان از حسگر حلقه جریان روگوفسکی ، به طور همزمان استفاده شد.[5] چیدمان تولید میدان مغناطیسی پالسی بالا به همراه چیدمان اندازهگیری مگنتواپتیکی چرخش فارادی و حلقه جریان روگوفسکی در شکل - 1 - نشان داده شده است. همچنین جریانی در حدود 40/36KA را با استفاده از حلقه جریان روگوفسکی به طور همزمان اندازهگیری کردیم که در شکل - 3 - نشان داده شده است.
.4 نتایج
شکل - - 2 میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیملوله طراحی شده را نشان میدهد، که اندازه میدان مغناطیسی اندازهگیری شده 23/4T با طول پالس 1/2ms میباشد با توجه به مقادیر مقاومت و خودالقایی بانک خازنی و سیملوله، با استفاده از نرمافزار PSpice ،بیشینه جریان این سامانه محاسبه گردیده که در توافق خوبی با نتایج حاصل از حسگر حلقه جریان روگوفسکی میباشد. در شکل - - 4 نتایج شبیه سازی میدان مغناطیسی با استفاده از نرمافزار MagNet7.5 مشاهده میشود. میتوان دید، بیشینه میدان مغناطیسی حاصل از شبیه سازی، با نتیجه بدست آمده از اندازهگیری میدان مغناطیسی - شکل - 2 در تطابق خوبی با هم قرار دارند. همچنین قابل توجه است، که میدان مغناطیسی حاصل از شبیه سازی در مرکز سیملوله بیشترین مقدار خود را دارد.
