脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统设计_韩小涛.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-09-11 基金项目:湖北高等学校省级教学研究项目（2021042）；华中科技大学教学研究项目（2021023）作者简介:韩小涛（1974），男，湖北广水，教授，华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心常务副主任，主要从事强磁场技术与应用领域的教学与科研工作，。引文格式:韩小涛，曹全梁，肖后秀，等.脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统设计J.实验技术与管理,2023,40(2):175-182.Cite this article:HAN X T,CAO Q L,XIAO H X,et al.Design of virtual simulation experimental teaching system for pulsed high magnetic field facilityJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):175-182.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.030 脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统设计 韩小涛，曹全梁，肖后秀，吕以亮，谌 祺（华中科技大学 国家脉冲强磁场科学中心 强电磁工程与 新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）摘 要：为解决脉冲强磁场实验装置难以直接用于实验教学问题，构建了脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统。通过设计认知学习、虚拟装配、参数设计等多个不同模块层级的虚拟训练，旨在使学生充分了解和掌握脉冲强磁场实验装置的组成、工作原理和基本设计方法。该虚拟仿真系统开辟了大科学装置实验教学新路径，在学生工程实践能力培养、科研反哺教学、学科交叉融合等方面取得了显著成效。关键词：大科学装置；脉冲强磁场实验装置；虚拟仿真；实验教学 中图分类号：TM89 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0175-08 Design of virtual simulation experimental teaching system for pulsed high magnetic field facility HAN Xiaotao,CAO Quanliang,XIAO Houxiu,LYU Yiliang,CHEN Qi(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Wuhan National High Magnetic Field Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:In order to solve the problem that the pulsed high magnetic field facility is difficult to be directly applied for experimental teaching,a virtual simulation experimental teaching system for the pulsed high magnetic field facility is constructed.By designing cognitive learning,virtual assembly,parameter design and other virtual training at different module levels,this system aims to enable students to fully understand and master the composition,operational principle and basic design method of the pulsed high magnetic field facility.The developed virtual simulation system opens up a new path for experimental teaching of large scientific facilities,and achieves remarkable teaching effects on the cultivation of students engineering practice ability,promotion of scientific research to teaching,and interdisciplinary integration.Key words:large scientific facility;pulsed high magnetic field facility;virtual simulation;experimental teaching 1 背景 强磁场对物质磁矩有强烈作用，能够改变电子自旋和电子轨道状态，进而调控物质特性、探测核自旋状态和电子结构变化，是物理、化学、材料、生物医学等领域前沿科学研究中最重要的测量调控手段和极端条件之一，蕴含着重大原始创新突破机遇1。脉冲强磁场实验装置（以下简称“强磁场装置”）作为产生高强磁场的最有效手段，是支撑相关领域重大原始创新的重要创新平台和基础设施。我国在“十一五”期间规划建设了强磁场装置，对于我国前沿基础科学研究意义重大2。强磁场装置是挑战电磁极限的复杂系统，由脉冲磁体、脉冲电源、时序控制和科学实验测试等子系统构成，如图 1 所示。近年来，为满足科学研究的迫切需要，各国强磁场实验室都对强磁场装置的磁场产生能力提出了更高 176 实 验 技 术 与 管 理 图 1 强磁场装置组成示意图和实物图 要求，带动了强磁场技术及装置的快速发展。其中，2012 年美国国家强磁场实验室利用四线圈磁体实现了 100.75 特斯拉（以下简称 T）的脉冲磁场3，仍保持着“非破坏性”脉冲磁场的世界纪录；德国德累斯顿强磁场实验室利用双线圈磁体实现了 94.2 T 的脉冲磁场4；我国武汉国家脉冲强磁场科学中心于 2013 年采用双线圈磁体突破了 90 T 脉冲磁场大关5，磁场峰值达 90.6 T，并于 2021 年进一步将峰值磁场强度提高至 94.8 T，创造了新的亚洲记录。值得一提的是，武汉国家脉冲强磁场科学中心于 2018 年首次实现 64 T脉冲平顶磁场强度，打破了一直由美国国家强磁场实验室保持的 60 T 平顶脉冲磁场记录，创造了新的世界记录6。上述高场强磁场装置为推动前沿科学研究发展提供了重要的极端强磁场实验条件。但这类装置运行在万伏级高电压、万安级大电流环境下，涉及电、磁、热、力等多个物理过程，难以直接在装置上开展传统实验教学，具体表现在以下方面。（1）系统复杂。强磁场装置规模庞大，具有复杂的电磁和力学结构，无法从外观获知内部结构，且由于强磁场装置单次放电时间限于毫秒级，高磁应力下的磁体内部受力特征不可测量，开展实验教学的难度大、可操作性差。（2）危险性大。强磁场装置运行在强磁场、极低温（77 K）、高电压、大电流、高应力（大于 3 GPa）等极端工况环境，对实验人员专业知识和安全意识要求极高，本科生直接在装置上进行实验练习存在很大安全隐患。（3）成本高。强磁场装置由国家投入巨资建成，是用于支撑科学家开展前沿基础研究的重大科研平台，高额的建设和运行成本使学校无法提供多台套设备以满足所有学生动手实践的需求，且如果操作不当易损坏装置部件，维修成本高昂。随着虚拟仿真技术的发展，以计算机仿真、多媒体、数据库、网络通信等技术为依托，能够突破实际实验教学场景的时间、空间限制，营造方便、安全、高效、低成本的在线虚拟实验教学环境，近年来已广泛应用于实验教学7-13。本文以虚拟仿真技术为载体，构建了强磁场装置虚拟仿真实验教学系统，通过虚拟认知学习、3D 虚拟装配实践、参数设计和虚拟验证等多层级进阶式虚拟训练，帮助学生理解和掌握强磁场装置的外在结构和内置物理运行机制，培养学生的工程实践能力。2 实验原理 2.1 概述 建造强磁场装置需要综合考虑多种物理过程的综合作用，工程难度呈几何级数增大，任何环节出现错误都有发生爆炸的危险，设计和制作要求高、难度大。本文构建了以强磁场装置的高参数磁体、高性能脉冲电源和控制系统等为核心的虚拟仿真实验教学系统。该系统以虚拟现实技术为载体，以前沿科学实验需求为目标牵引，旨在通过开展强磁场装置各子系统及关键部件相关的认知、参数设计以及虚拟装配实验等学习活动，让学生能够利用该系统对装置进行自主虚拟设计、科学规律探索和迭代优化，理解和掌握强磁场装置的工程问题及其背后的科学规律。强磁场装置的放电回路等效模型如图 2 所示，包括充电机、储能电容器、主放电开关、磁体和续流回路等，具体的放电原理如图 3 所示。在装置参数设计环节，评估参数主要涉及磁体（可视为螺线管线圈）中心点的磁场、发热及受力。上述参数求解的关键在于获得放电电流，再结合毕奥-萨伐尔定律、绝热温升计算以及虚位移法即可依次获得评估参数。以下介绍放电电流计算用到的相关理论和原理。韩小涛，等：脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统设计 177 图 2 强磁场装置放电回路组成示意图 图 3 强磁场装置放电原理图 2.2 磁体电阻电感（准静态近似估算）磁体第 i 匝导线的电阻：iilRS=（1）其中，、S分别表示导线电阻率和截面积，il表示磁体第 i 匝导线的周长。磁体电阻：iRR=（2）磁体第 i 匝导线的自感14：0e167ln4iiirLrd=-|（3）其中，0表示真空磁导率，ir表示第 i 匝导线截面中心点到该导线圆环原点的距离（即导线等效半径），ed表示导线的截面等效直径。e2Sd=（4）磁体第 i 匝导线和第 j 匝导线之间的互感14：022iji jMrrk KEkk-=-|（5）其中，22()i jijijrrkrrZ=+（6）1220d(1)(1)tKtkt=-（7）21201d1ktEtt-=-（8）其中，ijZ为两匝导线之间的轴向距离。磁体电感：iijLLM-=+（9）2.3 放电电流 根据放电回路列出方程：0000d()()ddccctcciRR iLLUtUUitC+=|=-|（10）式中，R0为线路电阻，L0为线路电感，C为电容器电容量，U0为电容器初始电压。求解出放电电流表达式：0dd01esin()()tciUw twLL-=+（11）其中，22d0ww=-（12）002()RRLL+=+（13）001()wLL C=+（14）3 虚拟仿真实验教学系统设计 3.1 系统架构 强磁场装置虚拟仿真实验教学系统的运行依托开放式虚拟仿真实验教学管理平台，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目。参照其他虚拟仿真实验教学系统15-17，该系统总体架构共分五层，分别为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层和应用层，每一层都为上一层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境构建，如图4所示。（1）数据层。用于存储仿真实验项目涉及的多组虚拟实验组件及数据，包括用户信息、基础元件库、强磁场装置典型部件库和实验数据等。（2）支撑层。主要负责系统的运行、维护和管理，由安全管理、数据管理、域间信息服务等子功能系统构成。（3）通用服务层。即开放式虚拟仿真实验教学管理平台，以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，提供虚拟实验教学环境通用组件。（4）仿真层。主要用于开发强磁场装置涉及的实验场景、虚拟部件（包括脉冲磁体、脉冲电源、控制系统