上,中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心高级工程师何永周对磁性材料在同步辐射及自由电子激光中的应用进行了介绍。何永周表示,我国对磁性材料尖端科学工程应用研究经验缺乏,造成制备的永磁体性能与质量具有“偶然性”,没有形成完整的、系统性的同步辐射及自由电子激光用高品质磁性材料设计与研制的思想与方法。加速器用磁性材料的应用基础研究具有“共性特征”,将直接带动我国磁性材料部分领域行业本身技术的提升发展。

  带电粒子加速运动:有同步辐射光和自由电子激光,称为基于加速器光源,原子核反应堆切伦科夫辐射也属于这种。

  接近光速运动相对论电子在磁场中作曲线运动并改变方向,所产生的能量损失以电磁辐射光形式沿切线方向发射出去。这种辐射是1947年在美国通用公司同步加速器上首次被发现,命名为同步辐射。

  同步辐射光源发展方向是进一步降低高能相对论电子发射度以提高同步辐射光亮度。以及设计研制各种高性能插入件(永磁插入件、超导插入件等)以满足用户丰富多彩的实验需要。

  同步辐射光源的基本用途是生命、材料、环境、物理、化学、医药、地质等学科基础应用研究中一种最先进的不可替代工具,在电子、医药、石油、化学、生物和微细加工等工业领域方面也具有重要应用价值。

  自由电子激光是1971 年由美国Mady首先提出FEL 概念。自由电子激光工作介质是“自由的电子”,称为自由电子激光。是电子束与外来种子激光同时通过波荡器时,当满足共振关系等条件,激光光场从电子束中获取能量实现受激光放大。

  自由电子激光的发展方向是: ①缩短波长 ②提高功率 ③小型化 ④提高转换效率。

  FEL 在信息、超导、凝聚态物理、化学等多领域具有极为重要应用价值。如FEL高功率、宽光谱等特点可用于物质提纯、受控核聚变、同位素分离和等离子体加热等。FEL高效率、短脉冲等优点,在工业上也有广阔应用前景, 如半导体、集成电路、激光加工、基础研究、医疗、空间科学等。在军事上, FEL可成为强激光武器;毫米波段, 是唯一有效强相干信号源, 在激光雷达、反隐形等研究中具有不可替代的应用价值。

  弯转磁铁、扭摆器和波荡器为三种不同加速器插入装置,其中扭摆器和波荡器统称为“插入件”。

  从磁场源来分,插入件分电磁型、永磁型和低温超导型等;从磁铁和真空室位置分,插入件分真空室外和真空室内;从磁场波动形式分,插入件分平面型、螺旋型等。永磁型插入件占总数90-95%,波荡器占主导地位。

  永磁波荡器又基本分为纯永磁型PPM和混合型Hyb,在这二个基本磁结构基础上可衍生设计成APPLE、HELIOS、Delta等多种磁路结构,不同磁结构可产生不同类型同步辐射光。

  平面型波荡器:主要用于大磁间隙同步辐射(5%),大量用于FEL(95%)。

  真空室内波荡器:主要用于同步辐射(60-70%),FEL也有相当数量(30-40%)。

  目前,真空外大磁间隙平面波荡器早已成熟。真空内波荡器和椭圆极化波荡器基本成熟。低温永磁波荡器已经进入应用阶段。高磁场超导波荡器还处于研制阶段。

  大磁间隙平面波荡器完全掌握;真空波荡器及椭圆极化波荡器基本掌握,但不太成熟;低温永磁波荡器刚开始设计研制,积累经验不足;多数永磁插入件设计目标未完全达到,涉及复杂的永磁体、机械、真空、控制等因素,和国内工业技术水平密切相关。超导波荡器刚刚研制。

  磁性材料种类繁多且应用十分广泛,分为二种:一种是磁滞回线为特征,如永磁、软磁、矩磁等;一种是以交叉偶合为特征,如磁致伸缩材料、磁光材料等。用途最大是第一种,特别是永磁和软磁。

  商业永磁材料有铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕(镨)铁硼等,应用于插入件的永磁体有钐钴和稀土钕(镨)铁硼。

  永磁体均匀性磁学技术原理:磁性能一致性;机械控制精度;磁场的均匀性;镀层的均匀性;均匀性的测量

  商业软磁有铁氧体、非晶(如铁基与钴基等)、纳米晶(如铁基纳米晶FeCuB)等。大多数是各向同性,部分呈现较小各向异性特征。全过程技术特征呈非线性,较低磁场有一定线性特征。加速器切割磁铁使用一点铁氧体。

  软铁性能各异用途差别也较大,用于静态波荡器主要有电磁纯铁、钴钒铁等,三种软磁在低场下磁化曲线近线性,最大饱和磁感应强度分别为:2.10T、2.35T。目前国内外也在研制更高性能软磁材料,并有望获得实际应用。

  软磁材料元件在应用时主要对磁场源(永磁体或通电线圈)起着聚磁、放大、屏蔽等作用。磁铁设备设计时主要关心软磁的磁化曲线 、相对磁导率 、饱和磁感应场强度 。此外软磁铁外形尺寸精度、表面光洁性、表面毛刺、加工残余应力等对其聚磁能力及效果有重要影响。加速器用软磁材料元件加工过程中一般表面需要去毛刺并清洗,进行真空退火以去除加工残余应力。

  相比国外类似低温坡莫合金,项目组研发的国产新型低温坡莫合金综合磁性能优异。国产新型低温坡莫合金在国家重大科学工程建设中已获得重要阶段性的应用成果(近期刚刚获得)。SHINE工程经理部同意后将陆续公布国产低温坡莫合金研发过程及实际应用数据!

  近十几年来,稀土永磁体设计与制造技术获得了长足进展,出现了一些新概念技术制备的永磁体:

  钕铁硼:晶界扩散[含PrFeB扩散]、微晶技术、高取向技术、低氧工艺、低含量稀土技术、一次成型、热压成型、精加工技术等。主要目的是提高均匀性、Hcj、稳定性、降低成本等。

  钐钴:气流磨粉末分级、零低或正温度系数、氧化还原粉末制备、低氧与新成分设计技术、精密加工、辐射环研制,主要目的是提高钐钴磁性能、均匀性、降低成本等。

  这些新技术优点不少,同时也有不同程度缺点,设计、研制、使用时要辩证的看待与处理。

  我国对磁性材料尖端科学工程应用研究经验缺乏,造成制备的永磁体性能与质量具有“偶然性”,没有形成完整的、系统性的同步辐射及自由电子激光用高品质磁性材料设计与研制的思想与方法。加速器用磁性材料的应用基础研究具有“共性特征”,将直接带动我国磁性材料部分领域行业本身技术的提升发展。细致研究对我国磁性材料“应用自主知识产权化”,对中国制造磁性材料走向国际大科学工程,对磁性材料在国防、科研、医疗、信息、电力、交通等领域高水平应用等有重要推动作用。