脈沖強磁場技術(shù)最早可以追溯到上世紀初,。1924 年，前蘇聯(lián)物理學家P. Kapitza 利用鉛酸蓄電池在1 mm直徑的線圈內(nèi)實現(xiàn)50 T磁場,。在獲得50 T磁場后,，他聲稱只要有足夠的經(jīng)費支持，就可以實現(xiàn)200—300 T的磁場,。然而,，由于沒有意識到巨大磁應力對磁體所造成的破壞，他并沒有實現(xiàn)更大的磁場,。到上世紀60 年代左右,，隨著測量技術(shù)的發(fā)展， 科學家能實現(xiàn)脈沖場下的de Haas-van Alphen 效應,、磁致電阻效應等測量,，因此，歐洲,、美國以及日本開始紛紛建立脈沖強磁場實驗室,，這一時期的電源多為電容器電源。1986 年,，脈沖強磁場技術(shù)實現(xiàn)一次突破,，美國麻省理工學院S. Foner 教授將高強度銅鈮合金線引入脈沖磁體,，研制出高強度脈沖磁體，實現(xiàn)了68 T的磁場,。隨后，比利時魯汶大學F. Herlach 教授發(fā)明了脈沖磁體的分層加固技術(shù),，將磁場提高到80 T,。進入90 年代，為滿足科學研究的迫切需要,，歐洲,、美國以及日本提出100 T 脈沖磁場的計劃。面對如此超強磁場所帶來的挑戰(zhàn),，脈沖磁體走向多線圈結(jié)構(gòu),。2012年，美國國家強磁場實驗室利用四線圈磁體實現(xiàn)100.7 T的世界紀錄,，德國德累斯頓強磁場實驗室和武漢國家脈沖強磁場科學中心利用雙線圈磁體分別實現(xiàn)了94.2 T 和90.6 T的磁場,。

在脈沖強磁場產(chǎn)生裝置中，脈沖電源提供能量,，脈沖磁體流過電流產(chǎn)生磁場,，二者對脈沖強磁場技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，任何一次電源和磁體技術(shù)的升級都給脈沖強磁場帶來新的發(fā)展機遇,。

脈沖電源提供產(chǎn)生脈沖強磁場所必須的大電流,。常用的脈沖電源包括電容器、脈沖發(fā)電機,、蓄電池,、儲能電感以及電網(wǎng)等。

電容器電源功率大,，能瞬間輸出大電流,，適合產(chǎn)生超高短脈沖磁場；同時,，電流中無紋波,，對科學實驗的測量影響小，是磁化測量實驗的理想電源,。電容器電源的另一大優(yōu)點是,，運行維護簡單，操作便捷,，即使小型脈沖強磁場實驗室也能運行,。早期電容器電壓通常在3—5 kV，儲能300—500 kJ,。隨著對磁場要求的提高,，電容器的電壓與能量也快速增加，目前電容器電源電壓都在20 kV 以上，能量在數(shù)兆焦耳,。其中德國德累斯頓強磁場實驗室擁有世界上最大的電容器電源,，最高電壓24 kV，總儲能50 MJ,。武漢國家脈沖強磁場科學中心和法國圖盧茲強磁場實驗室電容器儲能分別達到14. 8 MJ和14 MJ,。

脈沖發(fā)電機電源儲能高達數(shù)百兆焦耳，與整流系統(tǒng)配合對磁體供電,，通過控制整流系統(tǒng)的觸發(fā)角,，能方便地調(diào)節(jié)磁場波形，特別適合產(chǎn)生平頂波磁場或其他特殊波形的磁場,。不過,，由于整流過程產(chǎn)生紋波，該電源系統(tǒng)不適合磁化等實驗研究,。同時,，脈沖發(fā)電機以及整流系統(tǒng)運行控制復雜，維護費用高,，一般僅在大型實驗室運行,。目前最大的脈沖發(fā)電機電源位于美國國家強磁場實驗室，該發(fā)電機輸出峰值功率達1430 MVA,，輸出能量達650 MJ,。武漢國家脈沖強磁場科學中心與校內(nèi)托克馬克裝置J-TEXT 共享一個100 MJ/100 MVA的脈沖發(fā)電機。該發(fā)電機既可為J-TEXT裝置供電,，也可為脈沖強磁場裝置供電,。用作脈沖磁場電源時，與兩套整流系統(tǒng)配合使用,，空載電壓為3 kV,，滿載電流為50 kA。

蓄電池電源兼具脈沖發(fā)電機電源儲能高和電容器電源無紋波的優(yōu)點,。另外,，蓄電池電源可以實現(xiàn)單次充電和多次放電，使用方便,。不過,，單個蓄電池輸出的電壓低，電流小,。為適應脈沖強磁場的需要,，蓄電池電源通常由若干個蓄電池串并聯(lián)組成。在蓄電池電源設計中,，一個重點是設計出安全的電流關(guān)斷開關(guān),，單個磁場脈沖無法消耗電源內(nèi)部的能量,，如果不能強制關(guān)斷脈沖磁體上的電流，電流將一直流過磁體,，磁體將由于焦耳熱而損壞,。武漢國家脈沖強磁場科學中心建成了全球最大的蓄電池電源，該電源由975 個12 V蓄電池串并聯(lián)組成,，總儲能高達8 GJ,，輸出電壓770 V，最大電流為35 kA,，整個電源內(nèi)阻為3mΩ。為實現(xiàn)磁體上直流電流的可靠關(guān)斷,，電路中設計了一個晶閘管強制換流電路和另一個直流斷路器,，三者串聯(lián)工作，以防止其中一個設備失靈造成事故,。

電感儲能電源是利用電感作為儲能元件,，在較長時間內(nèi)，以較小的低功率將電能轉(zhuǎn)換成磁能儲存起來,，然后在短時間內(nèi)釋放到脈沖磁體內(nèi),，產(chǎn)生大電流和強磁場，在這一過程中,，也實現(xiàn)了功率的放大,。電感儲能電源能量密度高，儲能元件實際上就是一個電感,，維護簡單,，建造成本低。該電源的缺點是效率低,。法國格勒諾布爾強磁場實驗室建有全球唯一的脈沖強磁場電感儲能電源,。儲能電感由鋁板繞制而成，外徑2.16 m,，內(nèi)徑1.14 m,，高1.05 m，重10 t,。儲能時,，電流在3 s 內(nèi)達到120 kA，儲能72 MJ,。利用該電源,，格勒諾布爾強磁場實驗室實現(xiàn)了60 T的磁場。

電網(wǎng)電源是直接將電網(wǎng)的電壓進行整流成需要的參數(shù)后給磁體供電,，中間沒有儲能環(huán)節(jié),，磁體所需的功率就是電網(wǎng)輸出的功率,。由于一般電網(wǎng)容量有限，難以承受巨大的負載沖擊,，所以用于脈沖強磁場的電網(wǎng)電源功率都在20 MW以下,，僅用于40 T以下脈沖磁場。目前該類電源已完全在脈沖強磁場中被淘汰,。

脈沖磁體本質(zhì)上是一個空心螺線管線圈,，孔徑一般在10—30 mm之間，以提供足夠的空間開展科學實驗,。最初的脈沖磁體是由銅線連續(xù)繞制而成,，由于銅線機械強度低，只有300 MPa 左右,，不能抵抗強電磁力作用,，所以只能產(chǎn)生40 T以下的磁場。1986年,，美國麻省理工學院S. Foner教授首次將高強,、高導銅鈮合金線引入脈沖磁體。由于該導線具有900 MPa 左右的抗拉強度,，能極大地提高脈沖磁體的力學強度,，因此實現(xiàn)了68 T的峰值磁場。受這一突破鼓舞,，世界上各強磁場實驗室紛紛研發(fā)新的高強度導體材料,，以期獲得更高的磁場。其中,，英國牛津大學和法國圖盧茲強磁場實驗室開發(fā)了銅—不銹鋼復合導線,。他們將銅棒插入高強度不銹鋼管中，然后進行多次擠壓變形和熱處理,，制造出不銹鋼加固的銅芯復合導線,。該導線強度達到1 GPa 左右，能產(chǎn)生80 T 的磁場,。俄羅斯無機材料研究所則在銅鈮合金研究方面取得重大突破,，他們研制出強度高達1.1 GPa， 電導率達66% IACS(International Annealed Copper Standard,，中文譯名為國際退火銅標準)的合金,，該合金導線廣泛用于歐美等國家。另外,，日本在銅銀合金導線研究方面也取得了巨大進展,，導線強度達到1.2 GPa，導電率高達71.5%,。

盡管提高導線強度是提高磁場的一個重要方法,，但導線強度的提高伴隨著電導率的降低,。當導線強度達到1 GPa 左右時，無法在保證電導率的情況下繼續(xù)提高強度,。因此,，磁場的提高必須另辟蹊徑。上世紀90 年代,，比利時魯汶大學的F. Herlach 提出了分層加固的脈沖磁體結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)了脈沖磁體結(jié)構(gòu)的歷史性突破。在以往的脈沖磁體中,，線圈都是采用導線連續(xù)纏繞的方式加工,，整個脈沖磁體僅由最外層加固，而我們在進行詳細的脈沖磁體受力分析后發(fā)現(xiàn),，線圈導體層受力并非連續(xù),。在線圈最內(nèi)層，層與層之間會出現(xiàn)自由分離界面,，因此，不論最外層加固多厚,，線圈內(nèi)層都無法得到有效加固,，只有將每層導線進行加固，才能從根本上實現(xiàn)脈沖磁體力學強度的提高,。采用分層加固技術(shù),，不僅實現(xiàn)了每層導線的加固，而且能根據(jù)不同層受力大小的不同實現(xiàn)最優(yōu)化加固,。分層加固技術(shù)是脈沖磁體發(fā)展歷史