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脉冲强磁场在X射线衍射、中子散射以及大功率太赫兹回旋管等方面的应用使得重复工作频率成为衡量脉冲强磁场装置性能的重要指标。因此，除了不断冲击更高的磁场强度峰值，如何实现更高的重复频率也是重要的研究方向。而限制脉冲强磁场重复工作频率的主要因素就是脉冲磁体的冷却效率，如何在确保脉冲磁体结构强度的前提下提高脉冲磁体的冷却效率一直是世界各国的脉冲磁场团队的重要研究内容。
本文基于世界各强磁场实验室高重复频率脉冲磁体实验测试经验，结合微通道在换热器领域的换热增强效果，提出了具有分布式微通道的高重复频率脉冲磁体冷却技术。设计搭建了微通道液氮沸腾换热性能测试装置，实验测试了对流方式以及通道尺寸等对通道换热性能的影响规律。对构成实验装置主体的环氧板材料属性采用基于梯度的Levenberg-Marquardt算法进行参数估计，参数估计结果导热系数为0.318W/(m?K)，热容为585J/(kg?K)。在壁面平均热通量小于5.67W/cm2的实验范围内，有限元仿真拟合得到冷却通道的壁面换热系数为328W/(m2?K)。
分析了冷却通道数量、分布以及导线形状与磁体冷却效率的关系。在层间的最佳位置添加n个冷却通道将使磁体冷却时间缩短为原来的(n+1)-1.2，且逐层添加冷却通道的结构冷却效率最高。针对逐层添加冷却通道的结构研究结果表明减小栅条宽度角和栅条填充率均能有效提高冷却效率。磁体结构参数中导线径向宽度对冷却效率影响最大，宽度越小单位散热面积对应的热源体积越小，磁体冷却时间越短，关系近似呈正比。
对添加冷却通道后磁体的受力情况进行了分析。采用解析法由弹性力学基本方程推导出加固层应力与加固层尺寸及厚度间的精确关系式。有限元仿真对比常规磁体与高重复频率磁体，高重复频率磁体导体层应力与变形较常规磁体大，需通过加厚加固层解决。分析了栅条宽度角和栅条填充率对磁体应力分布的影响。栅条填充率越小，冷却通道层的空隙占比越大，导线层和栅条的应力水平越大；增大导线宽度能够有效降低导体和冷却通道栅条的应力水平；增加磁体层数能够有效降低冷却通道栅条的应力水平。
最终基于导线与加固材料寿命匹配的原则，设计了40T高重复频率脉冲磁体，磁体冷却时间74秒，冷却速度为常规磁体的11倍。针对高重复频率脉冲磁体的液氮导流通道进行了设计，优化了磁体制造工艺流程，完成了磁体的绕制与初步测试工作。
本文基于世界各强磁场实验室高重复频率脉冲磁体实验测试经验，结合微通道在换热器领域的换热增强效果，提出了具有分布式微通道的高重复频率脉冲磁体冷却技术。设计搭建了微通道液氮沸腾换热性能测试装置，实验测试了对流方式以及通道尺寸等对通道换热性能的影响规律。对构成实验装置主体的环氧板材料属性采用基于梯度的Levenberg-Marquardt算法进行参数估计，参数估计结果导热系数为0.318W/(m?K)，热容为585J/(kg?K)。在壁面平均热通量小于5.67W/cm2的实验范围内，有限元仿真拟合得到冷却通道的壁面换热系数为328W/(m2?K)。
分析了冷却通道数量、分布以及导线形状与磁体冷却效率的关系。在层间的最佳位置添加n个冷却通道将使磁体冷却时间缩短为原来的(n+1)-1.2，且逐层添加冷却通道的结构冷却效率最高。针对逐层添加冷却通道的结构研究结果表明减小栅条宽度角和栅条填充率均能有效提高冷却效率。磁体结构参数中导线径向宽度对冷却效率影响最大，宽度越小单位散热面积对应的热源体积越小，磁体冷却时间越短，关系近似呈正比。
对添加冷却通道后磁体的受力情况进行了分析。采用解析法由弹性力学基本方程推导出加固层应力与加固层尺寸及厚度间的精确关系式。有限元仿真对比常规磁体与高重复频率磁体，高重复频率磁体导体层应力与变形较常规磁体大，需通过加厚加固层解决。分析了栅条宽度角和栅条填充率对磁体应力分布的影响。栅条填充率越小，冷却通道层的空隙占比越大，导线层和栅条的应力水平越大；增大导线宽度能够有效降低导体和冷却通道栅条的应力水平；增加磁体层数能够有效降低冷却通道栅条的应力水平。
最终基于导线与加固材料寿命匹配的原则，设计了40T高重复频率脉冲磁体，磁体冷却时间74秒，冷却速度为常规磁体的11倍。针对高重复频率脉冲磁体的液氮导流通道进行了设计，优化了磁体制造工艺流程，完成了磁体的绕制与初步测试工作。