直线感应加速器用新型非晶的研究
2003-08-19 11:18:28
来源：国际电子变压器
直线感应加速器用新型非晶的研究
摘 要：直线感应加速器是利用电磁感应加速1：1的脉冲变压器。所在希望制作加速器的 材料饱和感应强度高，矩形比高，矫顽力小。本研究的新型铁基非晶材料Bs值高达1.86T，矩形比最高可到0.97，矫顽力<6A/m，是制作磁感加速器、压缩器、磁放大器、电磁开关的理想材料。
关键词：直线感应加速器 非晶材料 饷和磁感应强度
一、直线感应加速器的工作原理
直线感应加速器（linear Induction Accelerator-LIA）是利用电磁感应原理来加速带电粒子束的。图1是其工作原理图，调制器实际上是一整套脉冲功率系统，能供应给负载（初级）数百KV的脉冲高压，引起组元中磁芯的系统重量变化，导致次级线圈间隙中产生一个感应脉冲电压U。
由图可见一个加速组元就是一个1：1的冲变压器，当电子通过间隙时就被加速，获得能量△E=eu，如果把N个组元按直线排列，电子被逐级加速，获得能量E=Neu。由上可见，每个组元中的磁芯是加速组元的关键器材。最早用矽钢片、坡莫合金、铁氧体等，但近年来由于非晶合金的出现，世界各国都倾向于用非晶来替代其他晶态材料。原因为矽钢片虽然饱和磁感强度值很高，但矫顽力Hc很高，损耗大。坡莫合金和铁氧体饱和磁感强度及剩余磁感强度都不够高。因为高的Bs和Br，可以大大减小加速组元的尺寸。一台20MeV LIA 大概要用近10吨的非晶，美国正在设计的重离子加速器，要用非晶近万吨，这是一个惊人的数字。目前我们制作的直线感应加速器对非晶提出的希望值是：
饱和磁感强度Bs=1.8T；80A/m 时：Bs’=1.65T；Br=1.57T;矫顽力≤6A/m。
二、合金成份的研究
饱和磁感强度大于1.8T在目前广泛使用的非晶微晶中是很少见的。要达到此目标就必须先从合金成分的研究入手。
通过成分的调整得到新合金的结果是Bs=1.86T，新合金（命为1K104）的物理即磁性能列于表1。
三、热处理制度的试验
任何磁性材料的总损耗由三部分组成：静态磁滞损耗Ph；经典涡流损耗Pe和反常涡流损耗（剩余损耗）Pc。用公式（2）表达为：
P总=Ph+Pe+Pc (1)
在非晶中磁滞损耗占总损耗的 50~85%。因此要想法降低磁滞损耗。影响磁滞损耗有四大因素：①残余应力；②磁有序;③晶化析出物量；④非晶表面粗糙程度及孔洞（3）。前面三个因素和热处理制度的选取有关，第四个因素取决于非晶制带水平。因此，选取最佳的热处理制度和工艺才能得到材料的最佳性能。通过最佳温度热处理后本合金1K104与1J51，1K101性能比较列于表2。图2是1K104的磁滞回线。
四、涂层对材料性能的影响
非晶态合金的应用时无论是工频还是高频，直至频率200kHz，通常都不涂层。这是同晶态合金如硅钢，铁镍合金的一大差别，也是非晶态合金应用的一大优点;省去了涂层工艺。但是本应用如一所说能量供给负载的是数百KV直到数兆KV的脉冲高压，如果不涂层铁芯层间易被击穿。涂层的作用显然是要增加层间电阻我们对涂层和未涂层铁芯的层间电阻进行了简单测量。结果为，涂层电阻为1.3Ω，未涂层的为1.0Ω。另外涂层对铁损值也有所降低，涂过层的铁芯经过热处理后
=25w/Kg，未涂层的
=30w/Kg。说明涂层铁芯比未涂层铁芯电阻增大，损耗降低。另外我们用电泳法涂过层的铁芯给用户作3000KV不击穿试验，结果符合使用要求。
五、合金稳定性试验
非晶合金作器件时，一个主要顾虑是其发热和磁的稳定性。为了同实际应用条件相吻合我们分别做了：—70oC—100oC 温度稳定性试验，130 oC×100小时的时效试验。时效试验是在烘箱中进行。图5是铁损随时间变化的曲线。
由10.5W/Kg变到12.9W/Kg，变化率为11％。高低温试验是把液氮装载保温瓶内用酒精调到-70oC放入铁芯30分钟测量，直到100oC，如图4所示
频率f=10KHz，磁感B=0.3T是铁损值由2.6W/Kg变到3W/Kg，变化率为15％，磁导率
由8.1万下降到7.2万变化率为11%，说明本合金不论是在极低温度下—70 oC直到100 oC及130 oC×100小时，时效、磁性能变化律均小于15％。
六、结论
1、所研制非晶合金是一种具有高饱和磁感应强度Bs=1.86T，高的矩形比Br/Bs>0.95，新型铁基非晶材料。适用于直线感应加速器，压缩器，磁放大器等易饱和器件。
2、该合金具有很好的稳定性。通过作130 oC×100小时的时效和-70 oC -100 oC的稳定性试验，磁性能的变化率均小于15％，本合金可在极低温和其他恶劣条件下使用，性能极为可靠。
3、本合金液体流动性好，易制成薄带，对降低高频损耗有利。通过试验可制成带厚<22μm带材。
参考文献：
〔1〕程皓 中国工程物理研究院 学位论文
〔2〕王新林 《钴基非晶态合金降低高频损耗的研究》 冶金出版社90年
〔3〕washko s.Det al .J.ApplPhys .52 (3) March 1899（1987）
摘 要：直线感应加速器是利用电磁感应加速1：1的脉冲变压器。所在希望制作加速器的 材料饱和感应强度高，矩形比高，矫顽力小。本研究的新型铁基非晶材料Bs值高达1.86T，矩形比最高可到0.97，矫顽力<6A/m，是制作磁感加速器、压缩器、磁放大器、电磁开关的理想材料。
关键词：直线感应加速器 非晶材料 饷和磁感应强度
一、直线感应加速器的工作原理
直线感应加速器（linear Induction Accelerator-LIA）是利用电磁感应原理来加速带电粒子束的。图1是其工作原理图，调制器实际上是一整套脉冲功率系统，能供应给负载（初级）数百KV的脉冲高压，引起组元中磁芯的系统重量变化，导致次级线圈间隙中产生一个感应脉冲电压U。
由图可见一个加速组元就是一个1：1的冲变压器，当电子通过间隙时就被加速，获得能量△E=eu，如果把N个组元按直线排列，电子被逐级加速，获得能量E=Neu。由上可见，每个组元中的磁芯是加速组元的关键器材。最早用矽钢片、坡莫合金、铁氧体等，但近年来由于非晶合金的出现，世界各国都倾向于用非晶来替代其他晶态材料。原因为矽钢片虽然饱和磁感强度值很高，但矫顽力Hc很高，损耗大。坡莫合金和铁氧体饱和磁感强度及剩余磁感强度都不够高。因为高的Bs和Br，可以大大减小加速组元的尺寸。一台20MeV LIA 大概要用近10吨的非晶，美国正在设计的重离子加速器，要用非晶近万吨，这是一个惊人的数字。目前我们制作的直线感应加速器对非晶提出的希望值是：
饱和磁感强度Bs=1.8T；80A/m 时：Bs’=1.65T；Br=1.57T;矫顽力≤6A/m。
二、合金成份的研究
饱和磁感强度大于1.8T在目前广泛使用的非晶微晶中是很少见的。要达到此目标就必须先从合金成分的研究入手。
通过成分的调整得到新合金的结果是Bs=1.86T，新合金（命为1K104）的物理即磁性能列于表1。
三、热处理制度的试验
任何磁性材料的总损耗由三部分组成：静态磁滞损耗Ph；经典涡流损耗Pe和反常涡流损耗（剩余损耗）Pc。用公式（2）表达为：
P总=Ph+Pe+Pc (1)
在非晶中磁滞损耗占总损耗的 50~85%。因此要想法降低磁滞损耗。影响磁滞损耗有四大因素：①残余应力；②磁有序;③晶化析出物量；④非晶表面粗糙程度及孔洞（3）。前面三个因素和热处理制度的选取有关，第四个因素取决于非晶制带水平。因此，选取最佳的热处理制度和工艺才能得到材料的最佳性能。通过最佳温度热处理后本合金1K104与1J51，1K101性能比较列于表2。图2是1K104的磁滞回线。
四、涂层对材料性能的影响
非晶态合金的应用时无论是工频还是高频，直至频率200kHz，通常都不涂层。这是同晶态合金如硅钢，铁镍合金的一大差别，也是非晶态合金应用的一大优点;省去了涂层工艺。但是本应用如一所说能量供给负载的是数百KV直到数兆KV的脉冲高压，如果不涂层铁芯层间易被击穿。涂层的作用显然是要增加层间电阻我们对涂层和未涂层铁芯的层间电阻进行了简单测量。结果为，涂层电阻为1.3Ω，未涂层的为1.0Ω。另外涂层对铁损值也有所降低，涂过层的铁芯经过热处理后
=25w/Kg，未涂层的
=30w/Kg。说明涂层铁芯比未涂层铁芯电阻增大，损耗降低。另外我们用电泳法涂过层的铁芯给用户作3000KV不击穿试验，结果符合使用要求。
五、合金稳定性试验
非晶合金作器件时，一个主要顾虑是其发热和磁的稳定性。为了同实际应用条件相吻合我们分别做了：—70oC—100oC 温度稳定性试验，130 oC×100小时的时效试验。时效试验是在烘箱中进行。图5是铁损随时间变化的曲线。
由10.5W/Kg变到12.9W/Kg，变化率为11％。高低温试验是把液氮装载保温瓶内用酒精调到-70oC放入铁芯30分钟测量，直到100oC，如图4所示
频率f=10KHz，磁感B=0.3T是铁损值由2.6W/Kg变到3W/Kg，变化率为15％，磁导率
由8.1万下降到7.2万变化率为11%，说明本合金不论是在极低温度下—70 oC直到100 oC及130 oC×100小时，时效、磁性能变化律均小于15％。
六、结论
1、所研制非晶合金是一种具有高饱和磁感应强度Bs=1.86T，高的矩形比Br/Bs>0.95，新型铁基非晶材料。适用于直线感应加速器，压缩器，磁放大器等易饱和器件。
2、该合金具有很好的稳定性。通过作130 oC×100小时的时效和-70 oC -100 oC的稳定性试验，磁性能的变化率均小于15％，本合金可在极低温和其他恶劣条件下使用，性能极为可靠。
3、本合金液体流动性好，易制成薄带，对降低高频损耗有利。通过试验可制成带厚<22μm带材。
参考文献：
〔1〕程皓 中国工程物理研究院 学位论文
〔2〕王新林 《钴基非晶态合金降低高频损耗的研究》 冶金出版社90年
〔3〕washko s.Det al .J.ApplPhys .52 (3) March 1899（1987）
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