Case Studies in Superconducting Magnets pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Iwasa, Yukikazu

出品人:

页数:716

译者:

出版时间:2009-4

价格:$ 111.87

装帧:

isbn号码:9780387097992

丛书系列:

图书标签:

• 超导磁体
• 案例研究
• 物理学
• 材料科学
• 工程学
• 磁学
• 低温物理
• 应用物理
• 电力工程
• 超导技术

超导磁体研究实例：设计、应用与挑战 《超导磁体研究实例》一书并非对某一本特定书籍内容的概述，而是深入探讨超导磁体领域一系列精选的实际案例，为读者提供一个理解超导磁体从原理到实践的全面视角。本书着力于展示超导磁体在不同科学技术前沿领域所扮演的关键角色，以及在实际工程中可能遇到的各种挑战及其应对策略。通过详实的案例分析，本书旨在培养读者对超导磁体技术原理的深刻理解，以及解决复杂工程问题的能力。 本书内容广泛，涵盖了从基础理论到尖端应用的多个层面。我们将从超导材料的基本性质及其在磁体制造中的重要性开始，逐步深入到不同类型超导磁体的设计原则、制造工艺以及性能表征。随后，本书将重点聚焦于一系列具有代表性的应用案例，这些案例不仅展现了超导磁体在推动科学探索和技术革新方面的强大潜力，也揭示了在实际应用中必须克服的技术难题。 第一部分：超导磁体基础与设计原理 在开始具体的案例研究之前，本书会首先回顾超导材料的宏观和微观性质，重点介绍与磁体应用密切相关的关键参数，例如临界温度（Tc）、临界磁场（Hc1, Hc2）以及临界电流密度（Jc）。我们将讨论不同种类的超导材料，包括第一类超导体和第二类超导体，以及它们在不同温度和磁场条件下的行为特性。特别地，本书将详细阐述第二类超导材料（如铌钛合金 NbTi、铌三锡 Nb3Sn 以及高温超导体 YBCO 等）为何在制造强磁体方面具有显著优势，以及它们在不同应用场景下的适用性。 接着，本书将深入讲解超导磁体设计的核心原理。这包括了对永磁体、电磁体以及超导磁体之间基本区别的梳理，并着重分析超导材料在产生高强度、均匀磁场方面的独特优势。我们将详细介绍不同磁体拓扑结构的设计，例如螺线管（solenoid）、双螺线管（double solenoid）、亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）以及更复杂的磁体阵列。设计过程中涉及的电磁场理论、安培定律、法拉第定律等基础知识将被系统性地回顾和应用。 在设计部分，本书还将详细探讨磁体性能的关键因素，包括磁场强度、磁场均匀性、磁体稳定性以及能量存储能力。我们将介绍用于计算和模拟磁场分布的数值方法，例如有限元分析（FEA）和边界元法（BEM），以及这些方法在优化磁体设计、预测性能方面的作用。此外，热管理也是超导磁体设计中至关重要的一环。本书将深入分析超导线圈在工作过程中产生的焦耳热、涡流损耗以及外部热源的影响，并介绍包括浸没冷却（pool boiling）、强制流动冷却（forced-flow cooling）以及脉冲管制冷机（pulse tube refrigerator）等多种冷却技术的设计和应用。 第二部分：关键应用领域案例分析 本书的精华在于其对一系列具有代表性的超导磁体应用案例的深度剖析。这些案例将从不同角度展示超导磁体技术如何驱动科学发现和技术进步。 1. 粒子加速器与高能物理实验 粒子加速器是超导磁体最重要和最成功的应用领域之一。本书将选取大型强子对撞机（LHC）等典型案例，详细介绍其加速和约束带电粒子的超导磁铁系统。我们将探讨用于粒子束流导引和聚焦的二极磁铁（dipole magnets）、四极磁铁（quadrupole magnets）和六极磁铁（sextupole magnets）的设计理念和工程实现。案例分析将深入到磁铁材料的选择、线圈的绕制工艺、磁体结构的设计以确保强度的稳定性、以及在极端低温环境下运行的挑战。读者将了解到如何在极高的磁场强度下（例如LHC中的8.3特斯拉）精确地控制粒子束流，以及磁体失效（如磁体失超 quenches）的潜在原因和应急处理措施。 2. 核聚变研究 可控核聚变是人类未来能源的重要希望，而强大的超导磁体是实现约束等离子体、维持高温高密度反应所必需的关键技术。本书将以国际热核聚变实验堆（ITER）等项目为例，深入分析其用于约束和加热等离子体的托卡马克（Tokamak）或仿星器（Stellarator）磁体系统的设计。我们将探讨主等离子体约束线圈（如环形场线圈 toroidal field coils）、极向场线圈（poloidal field coils）和中心柱线圈（central solenoid）的复杂设计与制造。案例分析将涉及超导磁体在数千安培电流、数百特斯拉的磁场梯度下工作的要求，以及它们在承受巨大的电磁力和热载荷方面的工程挑战。读者将了解如何通过先进的材料科学、精密的机械工程和严格的质量控制来确保这些巨型超导磁体的可靠运行。 3. 医学成像与诊断 医学领域是超导磁体的另一个重要应用场景，尤其是在磁共振成像（MRI）技术中。本书将详细介绍医用MRI扫描仪中使用的超导梯度线圈和主磁体系统。我们将探讨如何设计和制造产生高场强（例如1.5T、3T甚至更高）且磁场均匀度极高的螺线管磁体，以获得高质量的解剖结构图像。案例分析将侧重于MRI系统在实际应用中对磁体性能、稳定性和安全性的要求，例如如何最大程度地减少磁体周围的射频干扰，如何实现快速的梯度切换以实现快速成像，以及在有限的安装空间内如何优化磁体设计。此外，本书还将简要介绍超导磁体在质子束治疗（proton therapy）等新兴医学技术中的应用。 4. 科学研究仪器 除了大型科学装置，超导磁体也广泛应用于各种尖端的科学研究仪器中。本书将选取例如为超高分辨率显微镜、量子计算实验平台、以及精密测量设备所设计的各类超导磁体作为案例。我们将分析不同科研需求对磁体性能的特殊要求，例如在极低温度下（毫开尔文级别）运行的超导磁体、产生极强脉冲磁场或极高梯度磁场的特殊设计。案例分析将展示研究人员如何根据具体的实验目标，定制化地设计和制造出满足特定精度、稳定性和动态响应要求的超导磁体系统。 第三部分：超导磁体工程的挑战与未来展望 在深入分析了各类应用案例之后，本书将总结超导磁体工程在设计、制造、运行和维护过程中普遍存在的挑战。这些挑战可能包括： 材料科学的限制： 尽管超导材料取得了巨大进步，但如何在更宽的温度范围、更高的磁场强度下获得优异的性能，以及如何降低材料成本和提高可加工性，仍然是重要的研究方向。 制造工艺的精度： 超导线圈的绕制、绝缘、以及磁体结构的组装都需要极高的精度和严格的质量控制，以确保磁体性能的稳定性和可靠性。 热管理与低温工程： 维持超导状态需要复杂的低温冷却系统，如何高效、稳定地管理热量，以及如何设计紧凑、可靠的冷却设备，是关键的工程难题。 稳定性与失超防护： 超导磁体在工作过程中可能发生失超（quench），即超导态瞬间转变为正常态，导致能量快速释放，可能对设备造成损坏。如何预测、监测和防止失超，以及如何安全地应对失超事件，是至关重要的。 电磁兼容性（EMC）： 强磁场环境可能对周围的电子设备产生干扰，如何确保超导磁体系统的电磁兼容性，是实际应用中必须考虑的问题。 成本与可维护性： 高性能超导磁体系统的制造成本通常很高，如何降低成本，并设计易于维护和升级的系统，是推广其应用的关键。 最后，本书将展望超导磁体技术的未来发展趋势。我们将探讨新一代超导材料（如铜氧化物高温超导体、铁基超导体以及未来的新材料）的潜力，以及它们可能为加速器、聚变、医疗和量子计算等领域带来的突破。同时，本书也将关注人工智能（AI）和机器学习在超导磁体设计优化、性能预测和故障诊断方面的应用前景，以及先进制造技术（如3D打印）在超导磁体制造中的可能性。 《超导磁体研究实例》旨在为所有对超导磁体技术感兴趣的读者，包括工程师、科学家、研究人员以及高年级学生，提供一个深入、详实且富有启发性的学习资源。通过对这些真实世界的案例的探索，读者将能够深刻理解超导磁体这项革命性技术在当今科技前沿所扮演的角色，以及其在塑造未来科技版图中的无限潜力。

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