CN111487572A - 一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置，包括：主磁场发生模块、反馈控制模块、磁场调节模块和耦合线圈模块；主磁场发生模块提供产生磁场强度高的主磁场所需的脉冲电流；耦合线圈模块用于当主磁场低于目标值时控制耦合叠加磁场增大且当主磁场超过目标值时控制耦合叠加磁场减小，实现在指定区域形成高稳定度脉冲平顶磁场；反馈控制模块用于接收实时磁场感应的电压信号并接收上位机组模块的控制信号；反馈控制模块用于根据上位机组模块的控制信号进行磁场强度调节控制；磁场调节模块用于通过调整电流配比实现对磁场的动态调整。本发明可以提供一种磁场强度高、持续时间长且稳定性好的平顶脉冲强磁场，以满足NMR、比热测试等实验的要求。

Description

一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置

技术领域

本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种可以为科学实验研究和工程技术应用提供高稳定度磁场环境的平顶磁场发生装置。

背景技术

强磁场对核磁矩、电子自旋和电子轨道磁矩有强烈作用，是现代基础科学研究最为重要的极端条件之一，脉冲磁体技术可提供50T以上的磁场，是满足相关前沿科学研究对磁场强度需求的最有效手段。但脉冲磁场持续时间一般在毫秒级，难以满足弛豫时间长的样品高精度测试需求，而平顶脉冲强磁场由于兼具高场强和长持续时间，大大扩展了脉冲强磁磁场的应用范围，尤其是在高场高频核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）实验、比热测试、基于回旋管的大功率太赫兹辐射源研发中将发挥重要作用，成为脉冲强磁场技术的重要发展方向。为了说明平顶脉冲磁场的作用，下面以其在NMR中的应用为例进行说明，其应用场景不限于NMR实验。

核磁共振方法作为目前主要的微观结构解析手段之一，具有广泛的科学应用。在生物学领域，NMR被广泛的用于揭示蛋白质、核酸等结构与功能之间的关系，其能够捕获生物大分子的瞬时动态结构、且所表征的分子十分接近实际生理状态；在原子物理方面，NMR测量是探寻磁有序、轨道有序和电荷有序及其短程涨落的有力工具。近年来，发展高强度脉冲磁场下的NMR检测成为相关科学研究一个重要趋势，其至少存在如下两点驱动力：

（1）提高检测信噪比。由于NMR检测的精确性与其谱图的信噪比息息相关，谱图的信噪比又和谱仪的磁场强度指数相关。要提高NMR的信噪比，一种方法是提高样品的浓度，而样品浓度通常受到天然丰度以及提取、分离等技术的制约而存在上限值；另一种方法就是获得更高的磁场场强，而产生稳态强磁场的相关装置如永磁体、超导磁体等受到发热温升、电磁力冲击形变等影响难以突破40T。

（2）超高场强下的NMR检测可能发现一些有别于常态的奇异物理性质。比如在YBCO中，中国科学技术大学在稳态强磁场33.5T下用NMR技术测量了欠掺杂p=0.108和0.12样品，发现了磁场引发的CDW相。这为高温超导材料中存在电荷有序提供了有力证明，也暗示着在最佳掺杂的量子临界点的有序态可能正是这种CDW。但是相关的直接证据目前还没有，因为同样的实验在更接近于最佳掺杂的样品中必须要在更高的磁场下进行，超出了目前已知稳态强磁场技术的设计极限。

综上，发展脉冲强磁场下的核磁共振技术是解决此技术难题的重要途径。然而核磁共振实验对磁场稳定性有很高的要求，需要一段时间内稳定保持在10 ppm量级。2005年来，德国、日本、法国等科学研究机构相继展开了脉冲强磁场下的NMR研究，分别在56T、55T、48.8T下观察到了¹H、⁶³Cu/⁵⁹Co及⁶³Cu/⁶⁵Cu的NMR现象，射频频率最高达到2.4GHz，但都存在脉冲磁场顶部时长较短、稳定度不够的问题（均不低于几百个ppm），导致弛豫时间不满足、自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）信号采集线宽加宽、基线失稳、相位畸变等问题，为核磁共振谱的分析工作带来了困难，德国和法国研究团队曾经发表相关反卷积算法以解决磁场稳定度不够的问题，但仍难以将此参数控制在100ppm以内。由此可见，建设具有高稳定性的平顶脉冲磁场系统成为发展高场高频核磁共振实验的关键任务。

目前武汉国家脉冲强磁场科学中心已研制出64T平顶脉冲磁体及电源系统，能产生平台期达到几十ms时间或者更长的平顶脉冲强磁场，基本可以满足核磁的弛豫时间条件，如果可以在脉冲磁场平顶处保持较高的磁场稳定度，就能够满足大部分核磁信号的采集条件。这个过程中，主要存在磁场强度、磁场稳定度、平顶时长、磁体结构几个需要考虑的方面。例如：2013年公开的中国专利CN103715938A“一种平顶脉冲磁场产生装置及平顶脉冲电流产生装置”，其中提出一种基于变压器耦合削波的脉冲平顶设计方案，最终达到64T强度，但平顶纹波水平在5000ppm左右，远低于NMR实验要求的稳定度水平；2018年分别公开中国专利CN109062303A“一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置及控制方法”以及CN109450410A“一种平顶脉冲磁场产生装置及太赫兹电磁波产生系统”，分别描述了基于绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）旁路电流分流的脉冲电流控制方法和基于补偿线圈的叠加调节平顶磁场波形方案，前者稳定度水平为65ppm，但是由于采用蓄电池供电，只能达到23T磁场强度，而后者磁体结构采用横置式，应用场合为太赫兹电磁波产生系统，不适用于NMR实验中的样品摆放。另外，日本曾于2015年提出一种内置小线圈耦合平顶磁场的方法，得到了稳定度为82ppm的60T平顶磁场，但由于主放电回路脉冲顶部半波梯度明显，只能持续2ms平顶期，对于NMR实验来说无法满足检测时间大于自旋-晶格弛豫时间的要求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置，旨在解决现有的NMR测试中由于磁场稳定度低导致FID信号线宽过大、混叠严重的技术问题。

本发明提供了一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置，包括：主磁场发生模块、反馈控制模块、磁场调节模块和耦合线圈模块；主磁场发生模块用于为所述耦合线圈模块提供产生磁场强度高的主磁场所需的脉冲电流；耦合线圈模块用于当所述主磁场低于目标值时控制耦合叠加磁场增大且当主磁场超过目标值时控制耦合叠加磁场减小，实现在指定区域形成高稳定度脉冲平顶磁场；反馈控制模块的第一输入端连接至耦合线圈模块的输出端，用于接收耦合线圈模块提供的实时磁场感应的电压信号；反馈控制模块的第一输出端用于输出数据给外部的上位机组模块；反馈控制模块的第二输入端用于接收所述上位机组模块的控制信号；反馈控制模块的第二输出端连接至磁场调节模块的输入端，用于根据所述上位机组模块的控制信号对所述磁场调节模块进行磁场强度调节控制；磁场调节模块的输出端与所述耦合线圈模块连接，用于通过调整电流配比实现对磁场的动态调整。

本发明提供了一种磁场强度高、持续时间长且稳定性好的平顶脉冲强磁场以满足NMR、比热测试等实验的要求。

更进一步地，耦合线圈模块包括：相互耦合设置的主磁体线圈L3、磁场监测线圈L4和调节线圈L5；主磁体线圈L3与主磁场发生模块连接，用于在耦合线圈模块的中心处产生被变压器组M1初步削波后的脉冲平顶磁场；磁场监测线圈L4与反馈控制模块连接且环绕设置在耦合线圈模块中心处，用于实现磁场监测并为反馈控制模块提供比较信号；调节线圈L5与磁场调节模块连接，当磁场强度低于目标磁场强度时调节线圈L5用于对耦合线圈模块的叠加平顶磁场进行补偿，当磁场强度高于目标磁场强度时调节线圈L5用于对耦合线圈模块的叠加平顶磁场进行削减。

更进一步地，调节线圈L5与主磁体线圈L3反向耦合。

更进一步地，主磁体线圈L3和调节线圈L5均为绕制均匀的螺线管线圈。

更进一步地，反馈控制模块包括：控制单元和分压单元，控制单元的输入端与所述耦合线圈模块连接，控制单元的输入输出控制端用于与上位机组模块的输入输出端连接，控制单元的输出端与分压单元的输入端连接，分压单元的输出端与磁场调节模块的输入端连接；控制单元用于接收耦合线圈模块提供的实时磁场感应的电压信号，输出数据给外部的上位机组模块并接收上位机组模块的控制信号；分压单元用于根据上位机组模块的控制信号对磁场调节模块进行晶闸管门极电压调节控制。

其中，控制单元采用现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）实现。

更进一步地，磁场调节模块包括：直流电流源E，电阻R5，晶体管IGBT和二极管D3，直流电源E的正极连接至调节线圈L5的同名端，直流电源E的负极通过电阻R5连接至调节线圈L5的异名端；晶体管IGBT的门极连接至分压单元的输出端，晶体管IGBT的发射极接地，晶体管IGBT的集电极连接至调节线圈L5的同名端；二极管D3与晶体管IGBT反向并联连接；工作时，晶体管IGBT的集电极电流I_c受控改变其电流值，引起流过调节线圈L5的电流I_b发生变化，通过电磁感应耦合关系对主磁体线圈L3产生的主磁场进行修正从而获得稳定度良好的叠加磁场。

更进一步地，主磁场发生模块包括：脉冲电流通路、脉冲电流续流通路、辅助电流通路和辅助电流续流通路；所述脉冲电流通路用于产生强脉冲电流，通过第一电容C1对主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1进行放电；所述脉冲电流续流通路用于对第一电容放电回路进行过电压保护，消纳放电完成后主磁体线圈L3和一次侧线圈L1的残余电流；所述辅助电流通路用于产生与强脉冲电流反向的辅助电流，通过第二电容C2对二次侧线圈L2放电；辅助电流续流通路用于对第二电容放电回路进行过电压保护，消纳放电完成后二次侧线圈L2的残余电流。

更进一步地，脉冲电流通路包括：一次侧线圈L1、第一电容C1和第一开关S1；一次侧线圈L1、第一电容C1和第一开关S1依次串联连接在主磁体线圈L3的两端，当系统进入启动状态时，第一开关S1闭合，触发第一电容C1对主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1放电，回路中产生强脉冲电流，在主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1处分别建立起脉冲磁场，其磁场强度与线圈匝数成正比；且主磁体线圈的匝数N_L3大于一次侧线圈的匝数N_L1。

更进一步地，辅助电流通路包括：依次串联连接的第二电容C2、第二开关S2和二次侧线圈L2；当第一开关S1闭合后触发系统时序控制第二开关S2闭合，第二开关S2闭合后触发第二电容C2对二次侧线圈L2放电，回路中产生辅助脉冲电流，在二次侧线圈L2处建立起与一次侧线圈L1方向相反的脉冲磁场。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术优点：

（1）本发明中提供的强磁场发生装置由于其产生的脉冲平顶磁场稳定度高，平顶持续时间内磁场的时间依赖性弱，使得核自旋体系的共振拉莫尔频率波动范围缩小，从而可以从光谱分析仪中获得带宽很小的FID共振峰，扩大了不同电子态间质子核的化学位移间隔，可以基本消除非稳态场下不均匀展宽造成的谱线混叠现象。

（2）本发明可以实现负反馈控制精细调节脉冲平顶波形。

对比传统耦合变压器削波方案，本发明增加了耦合线圈组，参与耦合的线圈包括主磁体线圈、磁场监测（pick-up）线圈以及调节线圈，主磁体线圈产生较为粗糙的脉冲平顶磁场，调节线圈对粗糙的脉冲平顶磁场进行进一步的修正，这个过程就要通过磁场监测线圈所在的磁场监测回路实时采集样品区域附近磁场并根据波动值启动PID调节晶体管门极电压，从而对旁路电流和调节线圈回路电流进行控制，使耦合线圈组处叠加的总磁场场强低于目标值时，调节磁场对叠加后的平顶磁场进行正向的补偿，而高于目标值时，调节磁场对叠加后的平顶磁场进行反向的削减，由此组成了完整的波形调节方案。耦合线圈组的加入突破了传统平顶方案只能够对平顶波形开环控制的局限性，实现了精细的负反馈控制，达到了超高磁场强度下高磁场稳定度要求。

（3）本发明可以保护电力电子器件，提高性价比。

对比传统方案中直接并联旁路电流对脉冲电流调平的方法，本发明提供的装置中调节线圈只负责调节脉冲磁场达到平顶峰值以后的小范围波动（小于5000ppm），只需向一个小型线圈通入小电流即可完成，大大减小了对旁路电流强度的要求。考虑到电力电子器件绝缘栅双极型晶体管IGBT能承受的端电压是有限的，若所需旁路电流太高则功耗过大可能发生热击穿而烧坏，本发明提供的方法保证了IGBT可以工作在安全区，且无需添加并联支路，有效节省了装置成本。

（4）本发明优化了装置结构，实际操作性强。

本发明首次提出了脉冲强磁场NMR检测实验的磁体样品腔设计方案，在保证磁场稳定度满足实验要求的同时，在磁体结构上也提出了合理的空间排布，采用主磁体包裹调节磁体，调节磁体包裹U型样品腔，样品腔为样品提供隔离液氮的真空环境并为样品杆进出提供通道的设计思路，使得整个实验系统结构紧凑高效，具有很好的可实施性。

附图说明

图1为本发明提供的平顶脉冲强磁场发生装置的整体结构图；

图2为本发明提供的评定脉冲强磁场发生装置的组成单元示意图；

图3为本发明提供的脉冲场核磁共振检测系统结构示意图；

图4为本发明提供的传统脉冲磁场波形、加耦合线圈后的磁场波形及同时加耦合线圈与调节线圈后的Simulink仿真磁场波形示意图；

图5为本发明提供的平顶脉冲强磁场发生装置的控制系统原理图。

在本文中，相同的数字标记表示相同的物理量，1为主磁场发生模块，2为上位机组模块，3为反馈控制模块，4为磁场调节模块，5为耦合线圈模块，6为样品，7为杜瓦瓶，8为液氮，9为样品腔，10为样品杆。

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。

现有技术中由于稳态强磁场强度不够而限制了NMR实验、比热测量实验以及大功率太赫兹源等科学技术发展，且已有的平顶脉冲强磁场强度虽然有所提升，但稳定度较差、电力电子器件功耗较大、装置空间结构不适应具体科研需求从而导致实验操作性较弱的问题。

考虑到目前商业化的核磁共振谱仪的磁场都是由超导线圈提供的稳态磁场，而脉冲强磁场远高于目前的稳态磁场，并且磁场强度可控可变，本发明通过自主研发获得了具有特殊结构的适用于高场核磁共振检测的平顶脉冲强磁场发生装置，将革命性的改变生物大分子、原子物理核磁的检测上限和检测方法，具有十分重要的意义。

稳态磁场由于磁体温升、形变等因素限制了其强度，不能满足目前NMR、比热测试等实验向更高磁场发展的需求，而传统脉冲强磁场峰值附近磁场空间分布不均、且升降梯度陡峭亦不能满足相关测量所要求的高均匀度、高稳定度条件。本发明提供了一种平顶脉冲强磁场发生装置，适用于高场NMR检测、比热测试及基于回旋管的大功率太赫兹辐射源。在现有技术的基础上，结合辅助线圈与调节线圈对长脉冲磁场进行波形修正，为相关实验和应用提供了一种磁场强度高、峰值稳定度高、平台期长的脉冲平顶磁场，以解决目前NMR检测、比热测试等技术手段应用到高场中出现的各种问题，例如脉冲磁场NMR测试中FID信号线宽过大、混叠严重、谱分析困难等。

本发明基于此平顶磁体，以脉冲平顶场下的NMR检测为应用实例，进一步设计了脉冲磁场NMR实验样品腔，为该平顶磁场装置提供了一个适用于科学应用的实验测量环境。现参照附图并结合实例详述如下：

如图1所示，本发明实施例提供的高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置包括：主磁场发生模块1、上位机组模块2、反馈控制模块3、磁场调节模块4和耦合线圈模块5；耦合线圈模块5包括：主磁体线圈L3、磁场监测线圈L4和调节线圈L5；其中调节线圈L5用于产生调节磁场对耦合线圈模块5的叠加平顶磁场进行补偿。耦合线圈模块5在主磁场已经产生顶部为平顶轮廓的脉冲磁场的基础之上，对主磁场进行进一步的高精度修正。当主磁场强度值低于目标值时，增大耦合线圈的叠加磁场强度使其接近目标值，当主磁场强度值超过目标值时，减小耦合线圈的叠加磁场强度使其回落接近目标值，以达到在5000ppm内抑制脉冲磁场在平顶期发生的小范围波动，是实现高稳定度的关键。

主磁场发生模块1与耦合线圈模块5中的主磁体线圈L3连接，主磁场发生模块1用于为主磁体线圈L3提供产生主磁场的脉冲电流。

上位机组模块2与反馈控制模块3通过100Mbps以太网连接，上位机组模块2用于接收反馈控制模块3中FPGA控制柜传输的实时磁场测量值数据，在终端进行信息更新和存储，控制FPGA模块进行多通道PID算法设置参数并将命令下发至反馈控制模块3中FPGA的数据寄存器中。

反馈控制模块3的第一输入端与耦合线圈模块5中的磁场监测线圈L4连接，磁场监测线圈L4为反馈控制模块3中FPGA控制柜提供实时磁场感应的电压信号，FPGA发送端将数据发送至上位机组模块2，用于与参考磁场强度下对应的感应电压值进行比较；反馈控制模块3用于监测耦合线圈组M2中心处的磁场值，与上位机组模块2进行数据交互并基于状态观测值实时调节回路电流，实现磁场调节模块4中晶闸管门极电压的控制。

磁场调节模块4的输入端与反馈控制模块3的第一输出端连接，输出端与耦合线圈模块5中的调节线圈L5连接，磁场调节模块4用于根据控制回路输出的门极电压信号实时改变晶闸管传输状态，调整并联支路的电流配比，为调节线圈L5提供产生调节磁场的动态调节电流。

如图2所示，主磁场发生模块1用于为耦合线圈模块5提供产生磁场强度高的主磁场所需的电流持续时间短的脉冲电流；主磁场发生模块1可以采用电容器组为磁体提供脉冲电流，这种供电方式产生的脉冲电流持续时间较短，大约为8ms左右，但是产生的磁场强度很高，能够产生62T左右的平顶脉冲强磁场。

具体地，主磁场发生模块1包括：脉冲电流通路、脉冲电流续流通路、辅助电流通路和辅助电流续流通路；脉冲电流通路用于产生强脉冲电流，通过第一电容C1对主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1放电；脉冲电流续流通路用于对C1放电回路进行过电压保护，消纳放电完成后主磁体线圈L3和一次侧线圈L1的残余电流；辅助电流通路用于产生与强脉冲电流反向的辅助电流，通过第二电容C2对二次侧线圈L2放电；辅助电流续流通路用于对C2放电回路进行过电压保护，消纳放电完成后二次侧线圈L2的残余电流。

其中，脉冲电流通路包括：一次侧线圈L1、第一电容C1和第一开关S1；一次侧线圈L1、第一电容C1和第一开关S1依次串联连接在主磁体线圈L3的两端，当系统进入启动状态，第一开关S1闭合，触发第一电容C1对主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1放电，回路中产生强脉冲电流，在主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1处分别建立起脉冲磁场，其磁场强度与线圈匝数成正比，通常情况下主磁体线圈的匝数N_L3大于一次侧线圈L1的匝数N_L1。

脉冲电流续流通路包括：第一二极管D1和第一电阻R1，其中第一二极管D1的阳极连接至第一电阻R1的一端，第一二极管D1的阴极连接至第一电容C1与第一开关S1的连接端，第一电阻R1的另一端连接至第一电容C1与一次侧线圈L1的连接端。当第一开关S1闭合，第一电容C1放电时，第一二极管D1处于截止状态，第一电阻R1两端无电流流过；当第一电容C1放电完成后，脉冲电流I_m流入脉冲电流续流通路，此时第一二极管D1处于导通状态，回路中剩余的电能由第一电阻R1消纳。

辅助电流通路包括：依次串联连接的第二电容C2、第二开关S2和二次侧线圈L2，当第一开关S1闭合后触发系统时序控制第二开关S2闭合，第二开关S2闭合后触发第二电容C2对二次侧线圈L2放电，回路中产生辅助脉冲电流，在二次侧线圈L2处建立起与一次侧线圈L1方向相反的脉冲磁场。

辅助电流续流通路包括：第二二极管D2和第二电阻R2，第二电阻R2的一端与第二二极管D2的阳极连接，第二电阻R2的另一端与二次侧线圈L2的同名端连接，第二二极管D2的阴极与第二电容C2和第二开关S2的连接端连接。当第二开关S2闭合，第二电容C2放电时，第二二极管D2处于截止状态，第二电阻R2两端无电流流过；当第二电容C2放电完成后，辅助电流I_a流入辅助电流续流通路，此时第二二极管D2处于导通状态，回路中剩余的电能由第二电阻R2消纳。

在本发明实施例中，二次侧线圈L2与一次侧线圈L1互相耦合后构成了变压器组M1；变压器组M1通过电磁感应使脉冲电流I_m与辅助电流I_a感应产生的方向相反的磁场相互耦合，从而对脉冲电流I_a在主磁体线圈处产生的主磁场顶部进行初步的削波。

上位机组模块2用于为用户显示前端操作面板，将用户触发、延时、保护、录波、参数更改、数据读写等操作转换为代码指令经以太网通信线与FPGA连接，从而控制系统各单元工作状态，是实现整个脉冲平顶磁场装置系统的软、硬件双向通讯连接的终端设备。

反馈控制模块3包括：控制单元和分压单元；控制单元的输入端与耦合线圈模块5连接，控制单元的输入输出控制端用于与上位机组模块2的输入输出端连接，控制单元的输出端与分压单元的输入端连接，分压单元的输出端与磁场调节模块4的输入端连接；控制单元用于接收耦合线圈模块5提供的实时磁场感应的电压信号，输出数据给外部的上位机组模块2并接收上位机组模块2的控制信号；分压单元用于根据上位机组模块2的控制信号对磁场调节模块4进行磁场强度调节控制。

其中控制单元可以采用FPGA实现，速度快，定时性好，可以使用单片机和DSP用不了的高速外设，例如高速AD。

具体地，反馈控制模块3用于对实时磁场场强进行数值监测并实现PID算法控制，通过比例、积分、差分三个环节调节FPGA输出电流I_d，当耦合线圈组M2处磁场强度低于目标值时I_d减小，IGBT门极电压Vg减小导致I_c减小，由基尔霍夫电流定律I_b增大，则调节线圈L5处感应的调节磁场增大，使叠加磁场增大以接近目标值；当耦合线圈组M2磁场强度高于目标值时I_d增大，IGBT门极电压Vg增大导致I_c增大，由基尔霍夫电流定律I_b减小，则调节线圈L5处感应的调节磁场减小，使叠加磁场减小以接近目标值。反馈控制模块3包括：FPGA系统状态控制柜和分压单元，FPGA系统状态控制柜输入端与耦合线圈模块5连接，FPGA系统状态控制柜的输入输出控制端用于与上位机组模块2的输入输出端连接，FPGA系统状态控制柜的输出端与分压单元的输入端连接，分压单元的输出端与磁场调节模块4的输入端连接；FPGA系统状态控制柜用于接收耦合线圈模块5提供的实时磁场感应的电压信号，输出数据给外部的上位机组模块2并接收上位机组模块2的控制信号；分压单元用于根据上位机组模块2的控制信号对磁场调节模块4进行磁场强度调节控制。

作为本发明的一个实施例，分压单元包括：依次串联连接在FPGA系统状态控制柜的输出端与地之间的第一分压电阻R3和第二分压电阻R4，第一分压电阻R3和第二分压电阻R4的串联连接端作为分压单元的输出端。其中，磁场监测线圈L4为一单线圈环路结构，通过电磁感应监测磁场变化，连接FPGA将监测值传送至上位机组模块2的数据传输PC端口。

其中磁场监测线圈L4由于线径细、通流小，且围成面积极小，可忽略其对叠加磁场强度的影响；FPGA是整个脉冲平顶磁场装置系统的总控制柜，内部包含ADC、DAC转换，与上位机组模块2通过双工端口连接，分为输出与输入两种工况，输出端用于上传磁场监测数据至上位机组模块2，输入端用于接收上位机组模块2下发的电压升降指令，通过控制终端电路电压调节流过R3、R4的电流I_d的大小；电阻R3和电阻R4串联构成分压结构，其阻值之比要满足在FPGA下发指令电压最大时，电阻R4分压不超过IGBT晶体管的击穿电压。

分压支路前端连接FPGA，后端接地，中间节点连接IGBT门极。

在FPGA的PID算法模式下，调节电压升降控制电流I_d变化，从而改变IGBT门极电压Vge，其中IGBT发射极e端接地，根据IGBT转移特性，集电极电流I_c随之变化，再根据基尔霍夫电流定律，磁场调节模块4的电流I_b随之变化，从而造成调节线圈L5处感应磁场变化。

PID控制可以使反馈控制模块3实现如下效果：当脉冲磁场强度爬升至目标磁场附近至目标磁场强度5000ppm以内时开始启动调节程序，当磁场强度低于目标磁场强度时，调节线圈L5对叠加磁场起补偿作用；当磁场强度高于目标磁场强度时，调节线圈L5对叠加磁场起削减作用，从而使样品附近磁场保持平顶状态。

磁场调节模块4用于当脉冲放电进入平台期后，抑制主磁场发生模块1仍存在的小范围磁场波动，实时调节平顶磁场强度使其稳定度达到最优。

磁场调节模块4包括：直流电流源E，电阻R5，晶体管IGBT和二极管D3，其中直流电源E，电阻R5与调节线圈L5串联，晶体管IGBT与调节线圈L5并联形成旁路，具体地，晶体管IGBT的门极连接至R3和R4的串联连接端，晶体管IGBT的源极接地，漏极连接至L5的同名端，二极管D3与晶体管IGBT反向并联连接，二极管D3起保护作用；晶体管IGBT的集电极电流I_c受控改变其电流值，引起流过调节线圈L5的电流I_b发生变化，通过电磁感应耦合关系对主磁体线圈L3产生的主磁场进行修正，得到稳定度良好的叠加磁场。

耦合线圈模块5的主体为耦合线圈组M2，作用是耦合叠加磁场，在指定区域形成高稳定度脉冲平顶磁场。耦合线圈M2包括主磁体线圈L3，磁场监测线圈L4和调节线圈L5，三线圈通过电磁感应相互耦合，其中主磁体线圈L3在耦合线圈组M2中心处产生被变压器组M1初步削波后的脉冲平顶磁场，磁场监测线圈L4环绕在耦合线圈组M2中心处，实现磁场监测，为反馈控制模块提供比较信号，调节线圈L5对该平顶磁场实现进一步的小范围调节，抑制其波动，使其稳定在目标磁场强度值。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置，现参照附图详述其工作流程如下：

如图2所示，由主磁场发生模块1在耦合线圈组M2中产生经变压器反向耦合削波后的脉冲平顶磁场，此时的平顶磁场在平台期内稳定度大概在5000ppm左右；接下来由反馈控制模块3对耦合线圈组M2的实时磁场强度进行监测，并将检测信号传输至上位机组模块2进行PID运算，计算完毕后上位机组模块2下发调节指令返回反馈控制模块3进而调节反馈回路中的电压电流大小；最后，磁场调节模块4由反馈控制模块3进行晶闸管门控，改变调节电流大小，从而在耦合线圈组M2中产生与磁场波动方向相反的调节磁场来抑制平顶磁场小范围的波动，使磁场稳定度达到100ppm以内。

主磁场发生模块1的电容器组C1放电产生脉冲电流I_m，脉冲电流I_m流过主磁体线圈L3建立起脉冲主磁场，其波形如图4中短虚线所示。可以看出，其上升和下降梯度很大，磁场达到脉冲峰值后立刻衰减。由变压器组进行反向耦合削波后，变压一次侧线圈L1与变压二次侧线圈L2形成互感，其同名端处于不同的两端，本发明称其为变压器组M1，相当于在主磁体L3放电回路中加入了一个负电感线圈。主磁体L3放电回路1由于变压器组M1的互感作用，总电感减小，磁场上升坡度减缓，且顶部半正弦形磁场与变压器二次侧线圈L2产生的感应磁场相互抵偿而被削平，此时的磁场仿真波形如图4中点虚线所示，已经趋近于一个脉冲磁场平波。反复调节变压器二次侧线圈L2回路中电容器组C2初始电压值和开关S2的触发时间可以找到一组最合适的参数，使得平顶磁场的平台时间与磁场强度达到一个较好的平衡，但是仅通过变压器组M1削波得到的平顶磁场其稳定度只能达到5000ppm左右，还远远达不到高场NMR实验小于100ppm的磁场稳定度要求。

由此，本发明提出加入调节线圈L5的方法，在小范围内进行磁场的修正调节。加入磁场调节模块4后，调节线圈L5与主磁场发生模块1的主磁体线圈L3形成互感，其同名端处于相同的两端。目的是当磁场强度低于目标磁场强度时，流过调节线圈L5的控制回路电流I_b增大，调节线圈L5感应产生的磁场增大，对耦合线圈组M2处叠加磁场起补偿作用；当磁场强度高于目标磁场强度时，流过调节线圈L5的调节回路电流I_b减小，调节线圈L5感应产生的磁场减小，对耦合线圈组M2处叠加磁场起削减作用，此过程由PID控制实现。

PID控制算法写存于控制反馈单元3的FPGA中，FPGA受控于上位机组模块2，上位机接收到的实验样品8附近的主磁场强度数据来源于磁场监测线圈L4的感应电压信号，通过电磁感应作用实时监测实验状态，上位机计算磁场强度与目标磁场强度的差值，同步下发指令执行PID调节控制输出电压的升降来改变电流I_d，从而改变IGBT门极电压Vge，通过IGBT的转移特性实现了对IGBT集电极电流I_c的控制，进而改变了流过调节线圈L5的电流I_b，产生变化的调节磁场来抑制平顶磁场的小范围波动，从而使耦合线圈组M2上叠加的总磁场保持在高稳定度的平顶状态。

本发明可以解决现有技术中由于磁体技术不足而导致的NMR检测、比热测试等检测手段在脉冲强磁场中难以应用的问题，例如现有脉冲磁场NMR测试中存在的FID信号线宽过大、混叠严重、谱分析困难等。

现以实际脉冲场核磁共振检测系统为例，并参照附图详述如下：

如图3所示，实验样品6放置于耦合线圈组M2的三组线圈（磁体线圈L3、磁场监测线圈L4、调节线圈L5）中间（其中三组线圈接口x、y、z如图2所示进行电路连接，x接线端连接主磁体线圈L3进入图2拓扑中的主磁体回路，y接线端连接磁场监测线圈L4进入图2拓扑中的磁场监测回路，z接线端连接调节线圈L5进入图2拓扑中的调节回路），处于叠加磁场的中心区域，即脉冲磁场稳定度最高的位置，载体为样品杆10。主磁体线圈L3和调节线圈L5均可以为螺线管型密绕，图3中显示了其剖面图。不锈钢杜瓦瓶7为圆柱形容器，用于盛装液氮。液氮8主要用于冷却主磁体线圈L3，主磁体线圈L3与调节线圈L5均放置于液氮8中。样品腔9为U型腔，用于隔离样品与液氮，避免直接接触，并为样品杆10提供进出通道，插入液氮8中，放置于调节线圈中心孔中。样品杆10为细圆柱形杆件，直径小于10mm，优选低温不易形变的聚醚醚酮（PEEK）材料，用于拖载实验样品6进入样品腔9，并将实验样品6放置于平顶磁场稳定度最高的中心区域。

实际NMR检测实验中，样品杆10的尾部是一个样品台，样品6封装在样品台上，放置于一个LC振荡线圈内，此振荡线圈同样处于样品杆10尾部样品台上，对样品的核自旋施加一个垂直于背景磁场方向的pi/2脉冲序列，样品核磁矩进动的旋转轴将从背景场的竖直轴翻转到水平轴，当脉冲消失后，在这个振荡线圈中会得到一个感应电动势，即需要检测的FID信号，它的强度是随时间呈e指数衰减的正弦函数。这个过程中，背景磁场强度越高，检测得到的FID信号信噪比越大；背景磁场稳定度越好，检测得到的FID信号线宽越窄；背景磁场的脉冲峰值持续时间越长，实验满足相关核自旋-晶格弛豫时间的可能性就越大，能够拓展的原子核种类范围就越广。因此，本发明中由主磁体线圈L3、磁场监测线圈L4、调节线圈L5组成的耦合线圈组M2在样品处能够产生背景高强度、高稳定度的持续平顶式脉冲磁场，多角度、全方位地为更高磁场下的NMR实验开展研究提供了可能性。

在本发明实施例中，基于Simulink仿真，获得了传统脉冲磁场波形、加耦合线圈后的磁场波形及同时加耦合线圈与调节线圈后的磁场波形如图4所示。可以看出，传统脉冲强磁场波形的上升沿和下降沿都很陡峭，磁场强度攀升到峰值后立即开始衰减。本发明提出“辅助变压器大范围削波”组合“调节线圈小范围平波”的方法，设计变压器组M1和耦合线圈组M2，目的是在NMR实验样品区域处产生高稳定度的脉冲平顶磁场。

如图5所示，适用于高场核磁共振检测的平顶脉冲强磁场发生装置产生平顶脉冲磁场的工作过程包括：

（1）确定脉冲平顶磁场的目标磁场强度值B_aim对应的拾取电压值V_aim以及调节范围δ，以64T/5000ppm的脉冲平顶磁场为例，δ需满足以下条件：

……（1），

取δ=0.5T，则FPGA模块触发PID调节开始的条件：

……（2）；

其中，V（t)代表样品附近的总磁场强度B（t）对应的拾取电压，△v为当前磁场强度拾取电压与目标磁场强度拾取电压差值的绝对值，t₁为PID调节开始亦即平顶脉冲起始的时间，见图4中光标100处，t₂为PID调节停止亦即平顶脉冲结束的时间，见图4中光标200处。

（2）引入变压器组，反复多次实验查找变压器二次侧回路放电电压和触发开关时间的最优参数组合，使磁场在目标磁场强度附近能够持续尽量长的平顶时间，在本实施例中，目标磁场强度为62T，要求最优参数组合能够使平顶磁场达到至少10ms的平顶时间，以实现初步的大范围削波，此时主磁体回路方程如下：

……（3）。

（3）引入磁场监测回路，其磁场监测线圈两端拾取的感应电压U（t）可由麦克斯韦电磁方程表示为：

……（4）；

其中，S _p 是磁场监测线圈围成的面积，E（t）是线圈上感应的电动势，则实时磁场强度可以表示为：

……（5）。

（4）当叠加磁场强度逐渐爬升至目标磁场强度附近，即实时磁场强度对应的拾取电压与目标磁场强度对应的拾取电压差值△v开始小于等于δ，亦即满足条件如式（2）时，磁场监测线圈所在的磁场监测回路将信号回传至FPGA触发PID控制器工作，从而改变反馈控制回路电流I _d ，PID控制器算法规则如下：

……（6）。

（5）I_d改变引起IGBT门极电压变化如下：

……（7）；

IGBT的参数中α为电流增益，k为沟道互导，V _th 为饱和区进入有源区的阈值电压，则IGBT在有源区的转移特性可以表示为：

……（8）；

由基尔霍夫电流定律：

……（9）；

这样，就完成了对调节线圈回路电流I _b 的控制。

（6）引入调节回路，由I _b 变化引起调节线圈感应磁场变化，调节线圈与主磁体线圈形成反向互耦，实现进一步的小范围平波，此时主磁体回路方程拓展成为：

……（10）。

（7）由麦克斯韦电磁方程可知，磁场强度可以用导线电流表示为：

……（11）。

本发明提供的磁体线圈和调节线圈都是绕制均匀的螺线管线圈，则可化简为：

……（12）

则样品附近的耦合线圈组M2叠加平顶磁场最终表示为：

……（13）；

其中，S _m 是主磁体线圈围成的面积，S _b 是调节线圈围成的面积。

至此，平顶脉冲强磁场系统通过变压器组M1和耦合线圈组M2，完成了磁场强度的开环调节和闭环负反馈控制，实现了如图4所示的，62T/6ms/20ppm的平顶磁场，达到了高场NMR检测的基本要求。

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 (10)

1.一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，包括：主磁场发生模块（1）、反馈控制模块（3）、磁场调节模块（4）和耦合线圈模块（5）；

所述主磁场发生模块（1）用于为所述耦合线圈模块（5）提供产生磁场强度高的主磁场所需的脉冲电流；

所述耦合线圈模块（5）用于当所述主磁场低于目标值时控制耦合叠加磁场增大且当主磁场超过目标值时控制耦合叠加磁场减小，实现在指定区域形成高稳定度脉冲平顶磁场；

所述反馈控制模块（3）的第一输入端连接至耦合线圈模块（5）的输出端，用于接收耦合线圈模块（5）提供的实时磁场感应的电压信号；反馈控制模块（3）的第一输出端用于输出数据给外部的上位机组模块（2）；反馈控制模块（3）的第二输入端用于接收所述上位机组模块（2）的控制信号；反馈控制模块（3）的第二输出端连接至所述磁场调节模块（4）的输入端，用于根据所述上位机组模块（2）的控制信号对所述磁场调节模块（4）进行磁场强度调节控制；

所述磁场调节模块（4）的输出端与所述耦合线圈模块（5）连接，用于通过调整电流配比实现对磁场的动态调整。

2.如权利要求1所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述耦合线圈模块（5）包括：相互耦合设置的主磁体线圈L3、磁场监测线圈L4和调节线圈L5；

所述主磁体线圈L3与所述主磁场发生模块（1）连接，用于在所述耦合线圈模块（5）的中心处产生被变压器组M1初步削波后的脉冲平顶磁场；

所述磁场监测线圈L4与所述反馈控制模块（3）连接且环绕设置在所述耦合线圈模块（5）中心处，用于实现磁场监测并为所述反馈控制模块（3）提供比较信号；

所述调节线圈L5与所述磁场调节模块（4）连接，当磁场强度低于目标磁场强度时所述调节线圈L5用于对耦合线圈模块（5）的叠加平顶磁场进行补偿，当磁场强度高于目标磁场强度时所述调节线圈L5用于对耦合线圈模块（5）的叠加平顶磁场进行削减。

3.如权利要求2所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述调节线圈L5与所述主磁体线圈L3反向耦合。

4.如权利要求2所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述主磁体线圈L3和所述调节线圈L5均为绕制均匀的螺线管线圈。

5.如权利要求1所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，反馈控制模块（3）包括：控制单元和分压单元；

所述控制单元的输入端与所述耦合线圈模块（5）连接，所述控制单元的输入输出控制端用于与所述上位机组模块（2）的输入输出端连接，所述控制单元的输出端与所述分压单元的输入端连接，所述分压单元的输出端与所述磁场调节模块（4）的输入端连接；

所述控制单元用于接收耦合线圈模块（5）提供的实时磁场感应的电压信号，输出数据给外部的上位机组模块（2）并接收所述上位机组模块（2）的控制信号；所述分压单元用于根据所述上位机组模块（2）的控制信号对所述磁场调节模块（4）进行磁场强度调节控制。

6.如权利要求5所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述控制单元采用现场可编程逻辑门阵列实现。

7.如权利要求1-6任一项所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，磁场调节模块（4）包括：直流电流源E，电阻R5，晶体管IGBT和二极管D3；

所述直流电源E的正极连接至调节线圈L5的同名端，所述直流电源E的负极通过电阻R5连接至调节线圈L5的异名端；

所述晶体管IGBT的门极连接至所述分压单元的输出端，所述晶体管IGBT的源极接地，所述晶体管IGBT的漏极连接至调节线圈L5的同名端；

所述二极管D3与晶体管IGBT反向并联连接；

工作时，所述晶体管IGBT的集电极电流I_c受控改变其电流值，引起流过调节线圈L5的电流I_b发生变化，通过电磁感应耦合关系对主磁体线圈L3产生的主磁场进行修正从而获得稳定度良好的叠加磁场。

8.如权利要求1-6任一项所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述主磁场发生模块（1）包括：脉冲电流通路、脉冲电流续流通路、辅助电流通路和辅助电流续流通路；

所述脉冲电流通路用于产生强脉冲电流，通过第一电容C1对主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1进行放电；

所述脉冲电流续流通路用于对第一电容放电回路进行过电压保护，消纳放电完成后主磁体线圈L3和一次侧线圈L1的残余电流；

所述辅助电流通路用于产生与强脉冲电流反向的辅助电流，通过第二电容C2对二次侧线圈L2放电；

所述辅助电流续流通路用于对第二电容放电回路进行过电压保护，消纳放电完成后二次侧线圈L2的残余电流。

9.如权利要求8所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述脉冲电流通路包括：一次侧线圈L1、第一电容C1和第一开关S1；

所述一次侧线圈L1、第一电容C1和第一开关S1依次串联连接在主磁体线圈L3的两端，当系统进入启动状态时，所述第一开关S1闭合，触发第一电容C1对主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1放电，回路中产生强脉冲电流，在主磁体线圈L3以及一次侧线圈L1处分别建立起脉冲磁场，其磁场强度与线圈匝数成正比；且主磁体线圈的匝数N_L3大于一次侧线圈的匝数N_L1。

10.如权利要求9所述的平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，所述辅助电流通路包括：依次串联连接的第二电容C2、第二开关S2和二次侧线圈L2；

当第一开关S1闭合后触发系统时序控制第二开关S2闭合，第二开关S2闭合后触发第二电容C2对二次侧线圈L2放电，回路中产生辅助脉冲电流，在二次侧线圈L2处建立起与一次侧线圈L1方向相反的脉冲磁场。

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