CN111416544A - 一种平顶脉冲强磁场产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平顶脉冲强磁场产生装置，其中，主电源、晶闸管主开关、去耦变压器的一次侧以及双线圈磁体的内线圈依次串联，构成主放电回路；辅助电源、去耦变压器的二次侧以及双线圈磁体的外线圈依次串联，构成辅助放电回路；直流补偿电源、二极管、去耦变压器的二次侧以及双线圈磁体的外线圈依次串联，构成补偿放电回路；上述主放电回路、辅助放电回路和补偿放电回路产生的磁场在双线圈磁体中心进行叠加，产生平顶脉冲强磁场，磁场的持续时间较长。另外，该装置的主要放电电源均使用电容器型电源，储能密度高，控制简单，可产生高磁场强度、高稳定度的平顶脉冲磁场，且系统的整体造价较低。

Description

一种平顶脉冲强磁场产生装置
技术领域
本发明属于脉冲强磁场领域，更具体地，涉及一种平顶脉冲强磁场产生装置。
背景技术
当前环境下，常规实验条件取得科研突破愈发困难，强磁场作为重要的极端实验条件之一，有力促进了新规律、新现象的发现和多学科的交叉研究。自1913年以来，与强磁场有关的诺贝尔奖总共有19项，内容涉及材料科学、物理学、生命科学与医学、化学等众多学科，强磁场在有机导体及半导体、高温超导等相关领域也有重要应用。根据持续时间长短，强磁场可以分为稳态强磁场和脉冲强磁场。脉冲强磁场虽然产生的磁场场强可达50-100T，但其持续时间较短，往往只有几毫秒，不能满足核磁共振(NMR)、大功率太赫兹源等前沿大科学实验的要求。同时，这些实验还要求在磁场的持续时间内磁场具有高稳定度，因此平顶脉冲强磁场产生装置应运而生，并得到了持续的发展研究。
在现有的平顶脉冲强磁场产生装置的研究中，武汉国家脉冲强磁场科学中心通过在磁体两端并联IGBT开关旁路对磁体分流，进而调控磁体电流实现250ppm/25.6T平顶磁场；这种平顶脉冲强磁场产生装置通过蓄电池型电源放电，虽然可以产生一定场强的平顶磁场，但需要开关管通断调节磁场波形，存在开关纹波，且功率密度不高，产生场强较低。美国Los Alamos强磁场实验室用脉冲发电机型电源产生60T/100ms平顶磁场，电流纹波0.2％；然而，此平顶脉冲强磁场产生装置中脉冲发电机型电源输出端接两个6脉波整流器串联工作，存在天然磁场纹波，产生的平顶磁场的稳定度不高。另外，专利CN 103715938 B提出了基于电容器型电源的主/辅助放电回路电磁耦合的平顶脉冲强磁场产生装置，能够产生52T/10ms的平顶磁场的方案；但是由于电磁耦合作用会抵消一部分主电路产生的磁场，造成能量损失，放电效率较低，产生的平顶磁场的稳定度不高，仅为0.5％；且其主电路为简单的电容放电电路，放电波形难以直接调控，产生的平顶脉冲强磁场持续时间较短。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种平顶脉冲强磁场产生装置，用以解决现有基于电容器型电源的平顶脉冲强磁场产生装置由于放电波形难以直接调控而导致的持续时间较短的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提出了一种平顶脉冲强磁场产生装置，包括：主电源、晶闸管主开关、去耦变压器、双线圈磁体、辅助电源、直流补偿电源和二极管；
其中，主电源、晶闸管主开关、去耦变压器的一次侧以及双线圈磁体的内线圈依次串联，构成主放电回路；辅助电源、去耦变压器的二次侧以及双线圈磁体的外线圈依次串联，构成辅助放电回路；直流补偿电源、二极管、去耦变压器的二次侧以及双线圈磁体的外线圈依次串联，构成补偿放电回路；双线圈磁体的内线圈和外线圈的同名端分别接地；
主放电回路、辅助放电回路和补偿放电回路分别产生磁场，各磁场在双线圈磁体中心进行叠加，产生平顶脉冲强磁场。
进一步优选地，主放电回路基于主电源对双线圈磁体的内线圈进行放电，产生主磁场；
辅助放电回路通过控制辅助电源中电容器组的各电容器，使其对双线圈磁体的外线圈依次进行放电，产生辅助磁场，用于按照期望的磁场，对上述主磁场波形进行补偿；
补偿放电回路基于直流补偿电源对双线圈磁体的外线圈进行放电，产生补偿磁场，用于补偿纹波，通过对上述补偿后的主磁场进一步进行补偿，从而提高平顶脉冲磁场的稳定度。
进一步优选地，辅助电源包括辅助电源主电路和辅助电源控制电路。
进一步优选地，辅助电源主电路包括多个电容支路；各电容支路相互并联；多个电容支路依次进行放电，产生辅助磁场。
进一步优选地，电容支路包括串联的电容和晶闸管，通过控制电容支路数目、各个电容的充电电压以及晶闸管的开通时间，产生辅助磁场，用于对主磁场波形的下降沿进行补偿，从而延长平顶脉冲强磁场的持续时间。
进一步优选地，辅助电源控制电路包括控制板和晶闸管开关触发电路。
进一步优选地，上述平顶脉冲强磁场产生装置还包括：第一续流回路和第二续流回路；其中，第一续流回路和第二续流回路均包括串联的电阻和二极管；
第一续流回路与主放电回路中的主电源并联，用于在主电源关断时，泄放双线圈磁体的内线圈中的电流，从而保护主电源；
第二续流回路与辅助放电回路中的辅助电源并联，用于在辅助电源关断时，泄放双线圈磁体的外线圈中的电流，从而保护辅助电源。
进一步优选地，主电源为电容器组，通过增加电容器组中电容器的数量，增大所述主电源的储能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种平顶脉冲强磁场产生装置，分别采用主放电回路、辅助放电回路和补偿放电回路产生磁场，各磁场在双线圈磁体中心进行叠加，所得的平顶脉冲强磁场的波形峰值较高，通过辅助脉冲磁场和补偿脉冲磁场对主磁场进行补偿，大大提高了平顶脉冲强磁场的持续时间和稳定度。
2、本发明所提供的一种平顶脉冲强磁场产生装置，主电源通过电容器组进行放电，储能效率高，相比较蓄电池型电源和脉冲发电机，可产生更高场强峰值的脉冲磁场，同时为平顶脉冲磁场提供快上升沿。
3、发明所提供的一种平顶脉冲强磁场产生装置，辅助放电回路通过控制辅助电源中电容器组的各电容器充电电压和晶闸管开通时间、电容支路的数目，使其对双线圈磁体的外线圈依次进行放电，产生辅助磁场，用于按照期望的磁场，对上述主磁场波形进行补偿，从而延长平顶脉冲磁场持续的时间；另外，辅助电源不需要实时反馈控制，其充电电压、晶闸管开通时间、电容支路数目等控制参数仅仅需要仿真进行确定，因而辅助电源控制较为简单。
4、发明所提供的一种平顶脉冲强磁场产生装置，辅助磁场波形越趋近于期望的磁场波形，直流补偿电源所需输出功率越小；通过辅助电源对磁场进行一次补偿、直流补偿电源对磁场二次补偿，大大提高平顶脉冲磁场的稳定度，且不存在基于电磁耦合作用能量抵消产生平顶磁场时造成的能量损失问题，放电效率高。
附图说明
图1为本发明所提供的一种平顶脉冲强磁场产生装置的电路图；
图2为本发明所提供的平顶脉冲磁场波形示意图；
图3为本发明所提供的期望的辅助磁场波形与辅助电源实际输出磁场波形示意图；
图4为本发明所提供的直流补偿电源的电路图。
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。
为了实现上述目的，本发明提出了一种平顶脉冲强磁场产生装置，如图1所示，包括：主电源、晶闸管主开关T1、去耦变压器M、双线圈磁体、辅助电源、直流补偿电源和二极管D3；本实施例中主电源为主电容组C1；
其中，主电容组C1、晶闸管主开关T1、去耦变压器M的一次侧以及双线圈磁体的内线圈L1依次串联，构成主放电回路；
辅助电源、去耦变压器M的二次侧以及双线圈磁体的外线圈L2依次串联，构成辅助放电回路；直流补偿电源、二极管D3、去耦变压器M的二次侧以及双线圈磁体的外线圈L2依次串联，构成补偿放电回路；双线圈磁体的内线圈和外线圈的同名端分别接地；
主放电回路、辅助放电回路和补偿放电回路分别产生磁场，各磁场在双线圈磁体中心进行叠加，产生平顶脉冲强磁场；其中，主放电回路基于主电容组C1对双线圈磁体的内线圈L1进行放电，产生主磁场；辅助放电回路通过控制辅助电源中电容器组的各电容器，使其对双线圈磁体的外线圈L2依次进行放电，产生辅助磁场，用于按照期望的磁场，对上述主磁场波形进行补偿；其中，辅助电源由辅助电源主电路和辅助电源控制电路组成；辅助电源主电路由辅助电容器组AC1-ACn和晶闸管开关S1-Sn组成，其中，n为正整数；各辅助电容器组和晶闸管开关串联构成多条电容支路，各电容支路相互并联；辅助电源控制电路由控制板和晶闸管开关触发电路组成。
具体的，如图2所示，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示磁场强度。由于主磁场波形B1不受控，将期望的平顶脉冲强磁场波形B0与主磁场波形B1作差，得到期望的辅助磁场波形B2；通过仿真确定电容支路数目、辅助电容器组各个电容的充电电压以及晶闸管开通时间，使多个电容支路依次进行放电，产生辅助磁场波形B3，使其尽可能趋近期望的辅助磁场波形B2，从而对主磁场波形的下降沿进行补偿，延长平顶脉冲强磁场的持续时间，并且使平顶阶段尽可能稳定；其中，期望的辅助磁场波形B2与辅助电源实际输出磁场波形B3的示意图如图3所示，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示磁场强度。补偿放电回路基于直流补偿电源对双线圈磁体的外线圈L2进行放电，产生补偿磁场B2-B3，对上述补偿后的主磁场波形B1进一步进行补偿，与辅助电源共同在外线圈产生磁场波形B2，从而使得最终的磁场波形趋近于期望的磁场波形B0。
在上述装置中，由于磁体为双线圈磁体，内外线圈之间有互感存在，因此在本发明中引入去耦变压器，以抵消内外线圈互感的影响；其中，去耦变压器同名端连接方式具体见图1所示。
上述平顶脉冲强磁场产生装置还包括：第一续流回路和第二续流回路；其中，第一续流回路和第二续流回路均包括串联的电阻和二极管；第一续流回路由串联的电阻R1和二极管D1组成，第二续流回路由串联的电阻R2和二极管D2组成；
第一续流回路与主放电回路中的主电容组C1并联，用于在主电源关断时，泄放双线圈磁体的内线圈中的电流，从而保护主电源；
第二续流回路与辅助放电回路中的辅助电源并联，用于在辅助电源关断时，泄放双线圈磁体的外线圈中的电流，从而保护辅助电源。
进一步地，如图4所示为直流补偿电源主电路结构示意图。其中，直流补偿电源主电路由三相不控整流桥RB1、输入LC滤波器IF、可控逆变桥IGBT、高频变压器T、单相不控整流桥RB2、输出LC滤波器OF依次连接组成；所述直流补偿电源控制电路由磁场采集装置、控制板和IGBT驱动放大电路组成。磁场采集装置采集磁体中心磁场强度信号，与参考信号通过控制板上的误差比较器比较得到误差信号，送入控制板上的PID模块产生逆变桥IGBT驱动信号，经IGBT驱动放大电路后送至可控逆变桥IGBT门极进行控制，使直流补偿电源输出相应磁场波形。为了保护直流补偿电源，直流补偿电源输出端接二极管D3，防止电源被击穿。
为了进一步说明本发明所提供的平顶脉冲强磁场产生装置，通过仿真实例计算参数如下：
双线圈磁体的内线圈L1电感为860uH，温度为77K时线圈电阻为3.7欧姆，放电完成后线圈电阻为14欧姆。
双线圈磁体的外线圈L2电感为66.3mH，温度为77K时电阻0.16为欧姆，放电完成后线圈电阻为0.17欧姆。双线圈磁体的内外线圈互感为150uH，均浸入在温度为77K的液氮中。
去耦变压器的一、二次侧互感为-150uH，以抵消双线圈磁体内外线圈互感的影响。
主电容器组C1为3.2mF，充电至15kV后放电，在内线圈中产生峰值40T磁场波形B1。本实施例中，辅助电容器组采用8个电容器AC1-AC8，其充电电压分别为3kV、3.5kV、6kV、7kV、7.4kV、7.6kV、7.8kV、7.8kV，晶闸管开关S1-S8开通时间分别为0.1s、0.15s、0.2s、0.25s、0.3s、0.35s、0.4s、0.45s，在脉冲平顶磁场强度达到参考值的同时(0.1s左右)投入直流补偿电源。补偿电源采集中心磁场，与参考信号B2-B3通过控制板上的误差比较器比较得到误差信号，送入控制板上的PID模块产生逆变桥IGBT驱动信号，经IGBT驱动放大电路后送至控制板上的IGBT门极进行控制，与辅助电源共同在外线圈产生磁场波形B2。最终，主放电回路、辅助放电回路和补偿放电回路所产生的磁场在双线圈磁体中心进行波形叠加，产生40T/400ms的平顶脉冲强磁场。
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)

1.一种平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，包括：主电源、晶闸管主开关、去耦变压器、双线圈磁体、辅助电源、直流补偿电源和二极管；
其中，主电源、晶闸管主开关、去耦变压器的一次侧以及双线圈磁体的内线圈依次串联，构成主放电回路；辅助电源、去耦变压器的二次侧以及双线圈磁体的外线圈依次串联，构成辅助放电回路；直流补偿电源、二极管、去耦变压器的二次侧以及双线圈磁体的外线圈依次串联，构成补偿放电回路；双线圈磁体的内线圈和外线圈的同名端分别接地；
所述主放电回路、辅助放电回路和补偿放电回路分别产生磁场，各磁场在双线圈磁体中心进行叠加，产生平顶脉冲强磁场。
2.根据权利要求1所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述主放电回路基于主电源对双线圈磁体的内线圈进行放电，产生主磁场；
所述辅助放电回路通过控制辅助电源中电容器组的各电容器，使其对双线圈磁体的外线圈依次进行放电，产生辅助磁场，用于按照期望的磁场，对上述主磁场波形进行补偿；
所述补偿放电回路基于直流补偿电源对双线圈磁体的外线圈进行放电，产生补偿磁场，用于补偿纹波，通过对上述补偿后的主磁场进一步进行补偿，从而提高平顶磁场的稳定度。
3.根据权利要求1或2所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述辅助电源包括辅助电源主电路和辅助电源控制电路。
4.根据权利要求3所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述辅助电源主电路包括多个电容支路；各电容支路相互并联；多个电容支路依次进行放电，产生辅助磁场。
5.根据权利要求4所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述电容支路包括串联的电容和晶闸管；通过控制电容支路数目、各个电容的充电电压以及晶闸管的开通时间，产生辅助磁场，用于对主磁场波形的下降沿进行补偿，从而延长平顶脉冲强磁场的持续时间。
6.根据权利要求3所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述辅助电源控制电路包括控制板和晶闸管开关触发电路。
7.根据权利要求1所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述平顶脉冲强磁场产生装置还包括：第一续流回路和第二续流回路；其中，第一续流回路和第二续流回路均包括串联的电阻和二极管；
第一续流回路与主放电回路中的主电源并联，用于在主电源关断时，泄放双线圈磁体的内线圈中的电流，从而保护主电源；
第二续流回路与辅助放电回路中的辅助电源并联，用于在辅助电源关断时，泄放双线圈磁体的外线圈中的电流，从而保护辅助电源。
8.根据权利要求1或2所述的平顶脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述主电源为电容器组；通过增加电容器组中电容器的数量，增大所述主电源的储能。
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