CN109450410A - 一种平顶脉冲磁场产生装置及太赫兹电磁波产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供平顶脉冲磁场产生装置及太赫兹电磁波产生系统，包括：第一电源对空心磁体放电，产生主磁场，放电到第一预定时间时，通过控制IGBT间断性开通和关断使得第二电源对第一补偿线圈和第二补偿线圈放电，产生补偿磁场，在第二预定时间，关断IGBT停止对第一补偿线圈和第二补偿线圈放电；主磁场和补偿磁场叠加成总磁场，IGBT的间断性开通和关断的占空比根据预设时间段中总磁场的磁场强度确定，使得预设时间段中总磁场的磁场保持不变，形成平顶脉冲磁场，预定时间段为从第一预设时间到第二预设时间的时间段。本发明能够在平顶脉冲持续时间内持续稳定地输出脉宽在毫秒量级以上，频率达THz量级，功率达kW量级的太赫兹波。
Description
技术领域
本发明涉及磁场技术领域，更具体地，涉及一种平顶脉冲磁场产生装置及太赫兹电磁波产生系统。
背景技术
太赫兹(THz)电磁辐射是频率处于0.3THz-10THz(1THz＝1012Hz)之间的高频电磁波，位于目前尚未被充分研究的毫米波与红外光之间的频率范围内。由于太赫兹波特殊的频带范围，其具有宽带宽、高信噪比、低辐射、强穿透性等特性。因此太赫兹波在通信、成像、生物技术、天文、物理和材料基础研究等诸多领域具有重要的应用价值。但目前太赫兹技术应用面临的最大技术难题是辐射源功率太低，不能满足绝大多数的应用场景。因此太赫兹源作为太赫兹科学技术的基础，研究能够在太赫兹频段内产生大功率信号输出的太赫兹源技术具有重要的意义。
电子回旋脉塞是基于相对论效应，电子在静止磁场中做回旋运动并产生受激辐射的现象。太赫兹回旋管是基于电子回旋脉塞的一种快波器件，也是目前唯一能在太赫兹频段内产生大功率输出的器件。回旋管的工作频率ω取决于电子的回旋频率ω＝seB0/γme，其中s为谐波次数，e为电子的电荷量，B0为工作磁场的磁感应强度，γ为相对论因子，me为电子质量。可见要实现更高频率的太赫兹波则需要更高的磁场或是工作在高次谐波模式下。但是要实现更高的功率输出则需要尽量工作在基波模式下，同时谐波次数过高会带来严重的模式竞争问题，使得回旋管设计更加困难。目前回旋管主要有连续波和脉冲两种工作模式。
连续波工作模式即是在稳定的磁场下进行连续的太赫兹波输出，也是目前最为常用的一种工作模式，其使用超导磁体提供所需的工作磁场。但是由上述可知要在基波模式下产生1THz甚至更高的频率输出则需要约36T以上的工作磁场，目前的超导磁体还远不能达到如此高的磁场强度。脉冲强磁场则提供了另一个解决的思路，脉冲工作模式即是在脉冲磁场条件下输出脉冲太赫兹波。目前的脉冲工作方式虽能提高输出频率和保证输出功率，但只有峰值处不到几十微秒的极短时间内才能输出设计工作频率的电磁波信号，最终的输出能量和工作时间往往不能满足实际应用的需求。对于以上矛盾的情况，现急需研究能够在较长时间内稳定输出大功率高频率信号的太赫兹源。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术基于超导磁体或是普通脉冲磁场输出太赫兹电磁波，因此无法输出脉宽在毫秒量级以上，频率达THz量级，功率达kW量级的电磁波辐射的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种平顶脉冲磁场产生装置，包括：同轴的第一补偿线圈、空心磁体以及第二补偿线圈；
所述空心磁体同轴位于所述第一补偿线圈和第二补偿线圈之间，所述第一补偿线圈和第二补偿线圈的绕向相反，使得所述第一补偿线圈和空心磁体之间的互感与空心磁体和第二补偿线圈之间的互感相互抵消；
所述空心磁体与第一电源串联组成第一放电回路；
所述第一补偿线圈、第二补偿线圈、IGBT开关与第二电源串联组成第二放电回路；
第一电源对空心磁体放电，产生主磁场，放电到第一预定时间时，通过控制所述IGBT间断性开通和关断使得第二电源对第一补偿线圈和第二补偿线圈放电，产生补偿磁场，在第二预定时间，关断所述IGBT停止对第一补偿线圈和第二补偿线圈放电；所述主磁场和补偿磁场叠加成总磁场，所述IGBT的间断性开通和关断的占空比根据预设时间段中总磁场的磁场强度确定，以控制所述补偿磁场的强度大小，使得预设时间段中所述总磁场的磁场保持不变，形成平顶脉冲磁场，所述预定时间段为从第一预设时间到第二预设时间的时间段。
具体地，所述平顶脉冲磁场为在预设持续时间段内磁场强度幅值维持不变的磁场。
可选地，该装置还包括：磁场探测线圈、比较器和PID控制器；
所述磁场探测线圈实时探测总磁场的强度；
所述比较器将所述总磁场的强度对应的电压信号与参考电压比较，得到误差信号；
所述PID控制器根据所述误差信号控制所述IGBT的间断性开通和关断的占空比。
可选地，所述第一电源为电容器电源，所述第一放电回路还包括：晶闸管开关、第一续流电阻和第一续流二极管；
所述晶闸管开关开通时，所述电容器电源对空心磁体放电，并持续至脉冲放电完成；
所述第一续流电阻和第一续流二极管串联后，并联在所述电容器电源的两端，用于在电容器电压反向时对空心磁体续流，使第一放电回路的脉冲电流和脉冲磁场均为单向脉冲波形。
可选地，所述第二电源为蓄电池电源，所述第二放电回路还包括：第二续流电阻和第二续流二极管；
所述第二续流电阻和第二续流二极管串联后，并联在所述蓄电池电源的两端，用于在IGBT关断时对第一补偿线圈和第二补偿线圈泄能。
可选地，所述PID控制器根据所述误差信号控制所述IGBT的间断性开通和关断的占空比，PID控制器对误差信号e(t)的运算公式如下：
其中，Tduty(t)表示IGBT控制信号每个周期中的开通脉宽持续时间，Kp表示误差比例因子，KI表示误差积分因子，KD表示误差微分因子，t1表示控制起始时间，t表示当前时间。
第二方面，本发明提供一种太赫兹电磁波产生系统，包括：电子枪、谐振腔、如第一方面提供的平顶脉冲磁场产生装置、收集极以及输出窗；
所述电子枪的阴极发射电子注；
所述谐振腔，连接于电子枪出口处；
所述平顶脉冲磁场产生装置设置在所述谐振腔的外围，并与所述谐振腔同轴，所述平顶脉冲磁场产生装置为谐振腔提供平顶脉冲磁场，所述平顶脉冲磁场将所述电子注压缩使得所述电子注在谐振腔中激发出电磁波，所述电磁波从电子注得到能量后向输出窗输出；若所述平顶脉冲磁场强度在预设时间段内达到36T以上，则输出的电磁波的频率可以达到1THz以上，为太赫兹电磁波；
所述收集极，连接于谐振腔的后级，用于收集作用后的电子注；
所述输出窗连接于收集极的后级，用于将所述太赫兹电磁波输出，所述太赫兹电磁波的持续时间与所述预设时间段的时间长度相关，所述太赫兹电磁波的功率为kW量级的电磁波辐射；
可选地，所述第一补偿线圈套在谐振腔的外部，所述空心磁体套在所述第一补偿线圈的外部，所述第二补偿线圈套在所述空心磁体的外部。
可选地，该系统还包括电子枪磁体；所述电子枪磁体位于电子枪的外围，用于调整平顶脉冲磁场的磁场空间分布以压缩电子注。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明采用去耦合的补偿磁场产生回路产生补偿磁场的方法得到了在平顶脉冲持续时间Tf内维持幅值恒定且强度达36T以上的脉冲磁场工作波形，在此磁场波形下回旋管能在平顶脉冲持续时间Tf内产生脉宽达毫秒级以上，频率达THz量级，功率达kW量级的电磁波辐射。因此本发明同时解决了平顶脉冲磁场波形的产生，以及回旋管高频率、高功率持续输出的问题。
附图说明
图1是本发明提供的平顶脉冲磁场产生装置的原理图；
图2是本发明提供的不同情况下主磁体产生的磁场波形；
图3是本发明提供的太赫兹电磁波产生系统的结构示意图；
图4是本发明提供的平顶脉冲磁场和太赫兹波功率仿真波形；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为电子枪，2为电子枪磁体，3为脉冲磁体，4为谐振腔，5为空心电子注，6为收集极，7为输出窗。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种太赫兹电磁波产生系统及平顶脉冲磁场产生装置。其中，太赫兹电磁波产生系统基于回旋管装置，因此又可成为平顶脉冲太赫兹回旋管装置。
图1是本发明提供的平顶脉冲磁场产生装置的原理图，如图1所示，包括：主磁场产生回路、补偿磁场产生回路和信号采集与控制电路。其中，该平顶脉冲磁场产生装置基于同轴的补偿线圈c、空心磁体a以及补偿线圈b，在图1中简化为等效电路图。具体补偿线圈和磁体结构可参见图3中的脉冲磁体部分所示。
其中主磁场产生回路包括由电容器电源Uc、晶闸管开关S1、磁体a的电感La、磁体a的电阻Ra、线路电阻Rext1依次串联构成的放电回路，以及并联在电容器两端由续流电阻R1和二极管D1串联组成的续流回路。
补偿磁场产生回路包括由蓄电池电源Ub、补偿线圈b的电感Lb、补偿线圈c的电感Lc、补偿线圈b和c的电阻Rb+Rc、线路电阻Rext2、IGBT开关T依次串联构成的放电回路，以及并联在蓄电池电源两端由续流电阻R2和二极管D2串联组成的续流回路。
信号采集与控制电路包括磁场探测线圈Lpc、参考信号Vref、比较器k和PID控制器。
平顶脉冲磁场产生装置的工作原理为，首先由主磁场产生回路对磁体a放电产生主磁场。主磁场回路为LC放电电路，其电路方程为：
其中I1为磁体a流过的电流，C为电容器电容值，Uc0为电容器初始电压。主磁场产生回路为电容器放电回路，能产生36T以上的脉冲强磁场。
在平顶脉冲的平顶持续时间Tf的起始时刻补偿磁场产生回路开始放电以补偿磁体a产生的磁场，补偿磁场产生回路的电路方程为：
其中I2为补偿线圈b和c流过的电流，t0为IGBT开关断开的时刻。补偿磁场产生回路为蓄电池放电回路，能产生幅值为特斯拉量级的补偿磁场。Mab为磁体a和补偿线圈b之间的互感，Mac为磁体a和补偿线圈c之间的互感，由于磁体a与补偿线圈b和c的耦合，主磁场回路电路方程变为：
若仅有补偿线圈c，补偿磁场产生回路的放电会对主回路磁场回路产生如图2中补偿线圈未去耦合的磁场曲线所示的去磁效果。因此在补偿磁场产生回路中设计绕向相反的两组补偿线圈b和c，并且使Mab＝-Mac。此时主磁场产生回路电路方程与补偿磁场产生回路未放电时一致，产生磁场为如图2中补偿线圈去耦合的磁场曲线所示。补偿磁场产生回路电路方程变为：
在主磁场产生回路和补偿磁场产生回路的放电不会产生互相影响的情况下，最终磁场强度为主磁场磁场回路和补偿磁场产生回路分别产生的磁场之和。
通过信号采集与控制电路中的磁场探测线圈Lpc实时的采集磁场数据对应的电压信号并与参考信号Vref比较，将误差信号通过PID控制器调制后输出控制补偿磁场产生回路中的IGBT开关，由此控制补偿磁场产生回路产生的磁场大小达到平顶脉冲磁场的效果。其中PID控制器对误差信号e(t)的运算公式如下：
其中，Tduty(t)表示IGBT控制信号每个周期中的开通脉宽持续时间，Kp表示误差比例因子，KI表示误差积分因子，KD表示误差微分因子，t1表示控制起始时间，t表示当前时间。
图3是本发明提供的太赫兹电磁波产生系统的结构示意图；如图3所示，包括：由电子枪1、谐振腔4、收集极6、输出窗7依次级联组成的管体部分，以及由电子枪磁体2，脉冲磁体3组成的磁体系统。
空心电子注，由电子枪阴极发射；电子枪磁体，设置于电子枪阴极外围；谐振腔，连接于电子枪出口处，提供电子注与高频电磁场互作用的场所；平顶脉冲磁体，设置于谐振腔外部，提供注波互作用所需要的高幅值平顶脉冲磁场，以及与电子枪磁体一起提供电子注压缩所需的磁场；收集极，连接于谐振腔的后级，收集互作用后的电子注；输出窗，将产生的太赫兹波输出。
平顶脉冲太赫兹回旋管装置的工作原理为，脉冲磁体连接图1所示的相关部件工作产生平顶磁场，在平顶脉冲的平顶持续时间Tf的起始时刻电子枪阴极发射出空心电子注，电子注在电子枪磁体和平顶脉冲磁体的共同作用下绝热压缩至所需要的设计参数。在谐振腔中，电子注在平顶脉冲磁体提供的平顶脉冲持续时间内与电磁波互作用，产生高频太赫兹波。电磁波经由输出窗输出，而互作用后的电子则被收集极俘获。
图4是本发明提供的平顶脉冲磁场和太赫兹波功率仿真波形；如图4所示，左边的纵坐标表示平顶脉冲磁场的强度，右边的纵坐标表示电磁波的功率。其中，在平顶脉冲磁场的磁场强度保持特斯拉数量级的Tf时间段，对应产生的太赫兹电磁波在Tf时间段内保持功率为kW数量级输出。其中，Tf可以控制为毫秒数量级或以上。
本发明提供的平顶脉冲太赫兹回旋管装置及平顶脉冲磁场产生装置，平顶脉冲太赫兹回旋管的工作磁体采用平顶脉冲磁体，可以在平顶持续时间Tf内利用高磁场条件实现高频、大功率的太赫兹波输出。平顶脉冲磁场产生技术则利用去耦合的补偿磁场回路产生补偿磁场的方法实现了平顶脉冲磁场波形。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的平顶脉冲太赫兹回旋管装置及平顶脉冲磁场产生技术的效果，现通过实例详述如下：
主磁场产生回路：电容器的容值为3.2mF，磁体a的电感La为1.13mH，磁体a的电阻Ra为26.8mΩ(77K)，线路电阻Rext1为60mΩ，续流电阻R1为0.2Ω，直流开关S1开断能力为20kV/40kA。
补偿磁场产生回路：蓄电池电压为771V，线路电阻Rext2为13.2mΩ，补偿线圈电感Lb+Lc为0.4mH，补偿线圈电阻Rb+Rc为3.8mΩ(77K)，续流电阻R2为13mΩ，IGBT开关组由5个1700V/3600A的大功率IGBT组成，信号采与集控制电路控制器采用DSP28335。
回旋管采用24kV/3A的电子枪，电子注的横纵速度比为1.2-1.3，谐振腔中间段的内径和长度分别为3mm和3mm。回旋管在38T的平顶脉冲磁场下采用TE17,4模式工作，可以产生频率为1THz左右，功率为1kW左右，脉宽达3ms的太赫兹波，如图4为平顶脉冲回旋管的磁场和功率的仿真波形。
综上所述，本发明提供的平顶脉冲太赫兹回旋管装置及平顶脉冲磁场产生技术，该技术能够产生在平顶脉冲持续时间Tf内维持幅值恒定且强度达36T以上的脉冲磁场工作波形，在此磁场波形下回旋管能在平顶脉冲持续时间Tf内产生脉宽达毫秒级以上，频率达THz量级，功率达kW量级的电磁波辐射。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种平顶脉冲磁场产生装置，其特征在于，包括：同轴的第一补偿线圈、空心磁体以及第二补偿线圈；
所述空心磁体同轴位于所述第一补偿线圈和第二补偿线圈之间，所述第一补偿线圈和第二补偿线圈的绕向相反，使得所述第一补偿线圈和空心磁体之间的互感与空心磁体和第二补偿线圈之间的互感相互抵消；
所述空心磁体与第一电源串联组成第一放电回路；
所述第一补偿线圈、第二补偿线圈、IGBT开关与第二电源串联组成第二放电回路；
第一电源对空心磁体放电，产生主磁场，放电到第一预定时间时，通过控制所述IGBT间断性开通和关断使得第二电源对第一补偿线圈和第二补偿线圈放电，产生补偿磁场，在第二预定时间，关断所述IGBT停止对第一补偿线圈和第二补偿线圈放电；所述主磁场和补偿磁场叠加成总磁场，所述IGBT的间断性开通和关断的占空比根据预设时间段中总磁场的磁场强度确定，以控制所述补偿磁场的强度大小，使得预设时间段中所述总磁场的磁场保持不变，形成平顶脉冲磁场，所述预定时间段为从第一预设时间到第二预设时间的时间段。
2.根据权利要求1所述的平顶脉冲磁场产生装置，其特征在于，还包括：磁场探测线圈、比较器和PID控制器；
所述磁场探测线圈实时探测总磁场的强度；
所述比较器将所述总磁场的强度对应的电压信号与参考电压比较，得到误差信号；
所述PID控制器根据所述误差信号控制所述IGBT的间断性开通和关断的占空比。
3.根据权利要求1所述的平顶脉冲磁场产生装置，其特征在于，所述第一电源为电容器电源，所述第一放电回路还包括：晶闸管开关、第一续流电阻和第一续流二极管；
所述晶闸管开关开通时，所述电容器电源对空心磁体放电，并持续至脉冲放电完成；
所述第一续流电阻和第一续流二极管串联后，并联在所述电容器电源的两端，用于在电容器电压反向时对空心磁体续流。
4.根据权利要求1所述的平顶脉冲磁场产生装置，其特征在于，所述第二电源为蓄电池电源，所述第二放电回路还包括：第二续流电阻和第二续流二极管；
所述第二续流电阻和第二续流二极管串联后，并联在所述蓄电池电源的两端，用于在IGBT关断时对第一补偿线圈和第二补偿线圈泄能。
5.根据权利要求2所述的平顶脉冲磁场产生装置，其特征在于，所述PID控制器根据所述误差信号控制所述IGBT的间断性开通和关断的占空比，PID控制器对误差信号e(t)的运算公式如下：
其中，Tduty(t)表示IGBT控制信号每个周期中的开通脉宽持续时间，Kp表示误差比例因子，KI表示误差积分因子，KD表示误差微分因子，t1表示控制起始时间，t表示当前时间。
6.一种太赫兹电磁波产生系统，其特征在于，包括：电子枪、谐振腔、如要求1至5任一项所述的平顶脉冲磁场产生装置、收集极以及输出窗；
所述电子枪的阴极发射电子注；
所述谐振腔，连接于电子枪出口处；
所述平顶脉冲磁场产生装置设置在所述谐振腔的外围，并与所述谐振腔同轴，所述平顶脉冲磁场产生装置为谐振腔提供平顶脉冲磁场，所述平顶脉冲磁场将所述电子注压缩使得所述电子注在谐振腔中激发出电磁波，所述电磁波从电子注得到能量后向输出窗方向输出；若所述平顶脉冲磁场强度在预设时间段内达到36T以上则输出的电磁波的频率可以达到1THz以上，为太赫兹电磁波；
所述收集极，连接于谐振腔的后级，用于收集作用后的电子注；
所述输出窗连接于收集极的后级，用于将所述太赫兹电磁波输出，所述太赫兹电磁波的持续时间与所述预设时间段的时间长度相关，所述太赫兹电磁波的功率为kW量级的电磁波辐射；
7.根据权利要求6所述的太赫兹电磁波产生系统，其特征在于，所述第一补偿线圈套在谐振腔的外部，所述空心磁体套在所述第一补偿线圈的外部，所述第二补偿线圈套在所述空心磁体的外部。
8.根据权利要求6所述的太赫兹电磁波产生系统，其特征在于，还包括：电子枪磁体；
所述电子枪磁体位于电子枪的外围，用于调整平顶脉冲磁场的磁场分布以压缩电子注。
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