[论文解读] A high-field pulsed magnet system for x-ray scattering studies in Voigt geometry

Z. Islam, Dana Capatina+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Superconducting Materials and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出了一套高场脉冲磁体系统，可在散射平面附近施加磁场的条件下实现X射线单晶衍射、粉末衍射和光谱学测量。该系统采用液氮冷却的大口径螺线管，并通过独立的闭式循环制冷机对样品进行冷却，实现了上升时间为~2.9 ms、脉冲磁场最高达~30 T的性能，同时通过一种新型双漏斗插入件将最大散射角保持在~23.6°，克服了传统分裂对极磁体和窄开口磁体的局限性。

ABSTRACT

We present a pulsed-magnet system that enables x-ray single-crystal diffraction in addition to powder and spectroscopic studies with the magnetic field applied on or close to the scattering plane. The apparatus consists of a single large-bore solenoid, cooled by liquid nitrogen. A second independent closed-cycle cryostat is used for cooling samples near liquid helium temperatures. Pulsed magnetic fields close to $\sim 30$ T with a zero-to-peak-field rise time of $\sim$2.9 ms are generated by discharging a 40 kJ capacitor bank into the magnet coil. The unique characteristic of this instrument is the preservation of maximum scattering angle ($\sim 23.6^\circ$) on the entrance and exit sides of the magnet bore by virtue of a novel double-funnel insert. This instrument will facilitate x-ray diffraction and spectroscopic studies that are impractical, if not impossible, to perform using split-pair and narrow-opening solenoid magnets, and offers a practical solution for preserving optical access in future higher-field pulsed magnets.

研究动机与目标

• 开发一种脉冲磁体系统，实现在Voigt几何构型下高磁场场强施加于散射面附近的X射线散射研究，其中磁场方向靠近散射平面。
• 克服分裂对极磁体和窄开口螺线管磁体的局限性，这些磁体通常限制散射角和光学观测。
• 在磁体孔径的入射侧和出射侧均保持最大散射角~23.6°，以增强衍射和光谱学测量性能。
• 通过独立的闭式循环制冷机实现样品冷却至液氦温度，支持低温X射线研究。
• 为未来高场脉冲磁体提供一种实用且可扩展的解决方案，以维持光学和散射观测能力。

提出的方法

• 采用单个大口径螺线管作为主磁体线圈，通过液氮冷却以管理脉冲运行期间的电阻加热。
• 通过向螺线管线圈放电40 kJ电容储能装置，生成最高达~30 T的脉冲磁场，零到峰值上升时间约为~2.9 ms。
• 在磁体孔径中集成一种新型双漏斗插入件，以在入射侧和出射侧均保持最大散射角~23.6°，实现X射线束的完全通过。
• 采用第二个独立的闭式循环制冷机，将样品冷却至液氦温度，确保低温X射线测量的实现。
• 系统设计支持在高磁场下进行单晶衍射、粉末衍射和光谱学研究。
• 磁体几何结构和插入件设计经过优化，以最小化磁场畸变，同时最大化光束通过能力，且保持高场强。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲磁体系统是否能够在保持磁体孔径两侧约~23.6°的大散射角的前提下，实现高达~30 T的磁场？该系统是否适用于Voigt几何构型下的X射线衍射研究？
• RQ2 在使用大口径螺线管时，如何在高场脉冲磁体中维持光学和光束通过能力，而这类磁体通常会限制散射角？
• RQ3 双漏斗插入件设计在多大程度上可缓解光束遮挡问题，并在高场脉冲磁体系统中保持散射几何结构？
• RQ4 能否有效将闭式循环制冷机集成到脉冲磁体系统中，以实现低温X射线散射实验？
• RQ5 在采用液氮冷却的大口径螺线管脉冲磁体系统中，可实现的磁场上升时间和磁场稳定性如何？

主要发现

• 系统实现了高达~30 T的脉冲磁场，零到峰值上升时间约为~2.9 ms，支持在短时间尺度内开展高场研究。
• 双漏斗插入件成功在磁体孔径的入射侧和出射侧均保持了~23.6°的最大散射角，克服了传统螺线管设计的关键局限。
• 该系统支持在Voigt几何构型下高磁场条件下的X射线单晶衍射、粉末衍射和光谱学测量。
• 通过独立的闭式循环制冷机实现样品冷却至液氦温度，支持低温X射线散射实验。
• 该设计为未来高场脉冲磁体提供了一种实用且可扩展的解决方案，同时保持光学通过能力和散射几何结构。
• 液氮冷却的集成使得大口径螺线管在重复脉冲场循环中能够稳定运行。