CN113078889A - 一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统 - Google Patents

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闵靖
孙大立
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Abstract

本发明公开了一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，IGBT开关模块包括绝缘栅双极晶体管、第一压敏电阻和第二压敏电阻，场效应管的漏极与绝缘栅双极晶体管的发射极连接，场效应管的漏极和源极并联有第三压敏电阻，费什巴赫线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈均由铜管绕制而成，第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈上均开设有进水孔和出水孔。本发明通过采用压敏电阻做耗散、结合绝缘栅双极晶体管实现大磁场的快速关断；利用PID控制器对费什巴赫线圈中的电流反馈来实现对电流的控制；对电流源的输出电压进行了外部控制，使得两个或者多个并联的电流源不同电流下输出的电压不同。

Description

一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统
技术领域
本发明涉及大磁场控制技术领域，具体涉及一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统。
背景技术
自1995年玻色爱因斯坦凝聚诞生以来，对超冷气体的研究呈现出前所未有的发展，而Feshbach共振技术的产生，使得人们可以对原子间的相互作用进行调控，这在实现超冷气体的量子简并、分子的BEC凝聚和BCS超流等研究中有着广泛的应用。为了对原子间的相互作用进行精确控制且快速探测，实验上需要高精度控制且快速关断的磁场系统。不同的原子对磁场强度的要求不同，小磁场系统控制较为简单，而大磁场则相对困难。为了覆盖大多数的原子，我们拟产生1000G的磁场，并进行精确控制。我们设计了适用的磁场线圈，电感L＝0.5mH。为了产生1000G的磁场，需要对线圈施加450A的电流。目前对于如此大电流系统，普通的控制方案关断时间较长、稳定性差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，解决了大磁场系统的关断慢和不可控问题，而且结构简单，操作性强，精度高。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，包括IGBT开关模块，还包括MOSFET电流控制模块，
IGBT开关模块包括绝缘栅双极晶体管、第一压敏电阻和第二压敏电阻，
费什巴赫线圈与第一压敏电阻并联，费什巴赫线圈一端与电流源一端连接，另一端与绝缘栅双极晶体管的集电极连接，绝缘栅双极晶体管的集电极和发射极并联有第二压敏电阻，
MOSFET控制模块包括场效应管、PID控制器、第三压敏电阻和信号源，
场效应管的漏极与绝缘栅双极晶体管的发射极连接，场效应管的漏极和源极并联有第三压敏电阻R3，场效应管的源极与电流源另一端连接。场效应管的栅极与PID控制器的输出端连接，PID控制器的输入端分别与信号源S和霍尔电流传感器输出的信号连接，霍尔电流传感器用于测量费什巴赫线圈的电流。
如上所述的费什巴赫线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈均由铜管绕制而成，第一亥姆霍兹线圈通过连接铜管与第二亥姆霍兹线圈串联，第一亥姆霍兹线圈上开设有进水孔和出水孔，第二亥姆霍兹线圈上开设有进水孔和出水孔。
如上所述的霍尔电流传感器设置在连接铜管上。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明通过采用压敏电阻做耗散、结合绝缘栅双极晶体管实现大磁场的快速关断；利用PID控制器对费什巴赫线圈中的电流反馈来实现对电流的控制；对电流源的输出电压进行了外部控制，使得两个或者多个并联的电流源的输出电压保持一致，且不同电流下输出的电压不同。本实验结构简单、操作性强、稳定性好、精度高且可控。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是本发明的费什巴赫线圈的结构示意图。
图中：1-第一亥姆霍兹线圈；2-连接铜管；3-霍尔电流传感器；4-第二亥姆霍兹线圈；5-IGBT开关模块；6-MOSFET电流控制模块；7-电流源外部控制模块。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，包括电流源、电流源外部控制模块、IGBT开关模块、MOSFET电流控制模块以及费什巴赫线圈。IGBT开关模块包括绝缘栅双极晶体管、第一压敏电阻和第二压敏电阻，
费什巴赫线圈与第一压敏电阻并联，费什巴赫线圈一端与电流源一端连接，另一端与绝缘栅双极晶体管的集电极连接，绝缘栅双极晶体管的集电极和发射极并联有第二压敏电阻，
MOSFET控制模块包括场效应管、PID控制器、第三压敏电阻和信号源，
场效应管的漏极与绝缘栅双极晶体管的发射极连接，场效应管的漏极和源极并联有第三压敏电阻R3，场效应管的源极与电流源另一端连接。场效应管的栅极与PID控制器的输出端连接，PID控制器的输入端分别与信号源S和霍尔电流传感器输出的信号连接，霍尔电流传感器用于测量费什巴赫线圈的电流。
1、费什巴赫线圈
费什巴赫线圈包括一对亥姆霍兹线圈，费什巴赫(Feshbach)磁场由一对亥姆霍兹线圈生成，通过调节磁场的大小来调节原子间的相互作用强度。实验所需的磁场调节范围为0-1000G，磁场开关时间小于0.1ms。实验中产生大磁场最直观的方法就是绕制多匝费什巴赫线圈，但从实际效果来看这种方案存在许多弊端：一方面，费什巴赫线圈匝数多，电流产生的热量不易排出；其次，多匝费什巴赫线圈自身产生的感应电动势也会影响磁场的开关速度。为了减小感应电动势，我们选择尽量减少费什巴赫线圈匝数。实验中，单个亥姆霍兹线圈匝数为30，费什巴赫线圈的电感L＝0.5mH，导通电流最大可到500A；为了高效地对费什巴赫线圈进行散热，采用空心铜管来绕制费什巴赫线圈，利用水泵将纯净水压入铜管并循环流动，以此来带走热量。
如图2所示，费什巴赫线圈，包括一对亥姆霍兹线圈，分别为第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈均由铜管绕制而成，第一亥姆霍兹线圈通过连接铜管/连接铜线与第二亥姆霍兹线圈串联，第一亥姆霍兹线圈上开设有进水孔和出水孔，第二亥姆霍兹线圈上开设有进水孔和出水孔，连接铜管/连接铜线上设置有霍尔电流传感器。
2、电流源外部控制模块
电流源采用的是SGA40X200型电流源(0—40V，0—250A，功率为10KW)，由于实验实际所需要的电流为400A以上，单台的SGA40X200型电流源的供电能力不能满足需求，所以通过使用两台电流源并联的方式来解决该问题；另外因不同电流大小下所需的电压不同，所以对通过电流源外部控制模块对电流源的输出电压进行了外部控制。
3、IGBT开关模块
IGBT开关模块包括：绝缘栅双极晶体管(IGBT)、第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2。
费什巴赫线圈与第一压敏电阻R1并联，且一端与电流源一端连接，另一端与绝缘栅双极晶体管的集电极连接，霍尔电流传感器测量费什巴赫线圈的电流，绝缘栅双极晶体管的集电极和发射极并联有第二压敏电阻R2。
绝缘栅双极晶体管在电路中充当开关作用，当其为断路时，因费什巴赫线圈是电感器件，因此需要加一个耗散电路，且耗散电路产生的电压要小于绝缘栅双极晶体管的集极与发射极之间的最大承受电压。本实施例采用一个2000V的第一压敏电阻R1做耗散电阻，可以在50us内实现关断；选用的绝缘栅双极晶体管型号为TIM1000NSM33-PSA011，其集极与发射极之间的最大电压是3300V，可通过的电流为1000A，且通过光来控制通断，因此可以实现在50us内快速关断。
4、MOSFET电流控制模块
MOSFET控制模块包括场效应管(MOSFET)、PID控制器、第三压敏电阻R3、信号源S。
场效应管的漏极与绝缘栅双极晶体管的发射极连接，场效应管的漏极和源极并联有第三压敏电阻R3，场效应管的源极与电流源另一端连接。场效应管的栅极与PID控制器的输出端连接，PID控制器的输入端分别与信号源S和霍尔电流传感器输出的信号连接。
本实验采用的场效应管型号为IFXN340N07N，它所能控制的最大电流340A，小于我们实际需要的500A，因此需要采用多个场效应管并联来提高可控制的电流和降低每个场效应管通过的电流。另外场效应管的产热较大，需要固定在水冷板上散热。实验中主要通过对费什巴赫线圈中的电流进行PID反馈控制来实现磁场的可控，可通过PID控制器实现PID反馈控制，PID控制器的型号可选用SIM960，带宽为100KHz，将信号源(型号可选用DG4162)作为控制信号源，提供参考电压，而后使用一个高精度的霍尔电流传感器(型号可选用DS600)测量费什巴赫线圈内的电流并转换成对应的电压信号，PID控制器根据霍尔电流传感器测量获得的电流对应的电压信号和信号源输出的参考电压生成误差信号，并对误差信号进行PID运算输出控制信号到场效应管的栅极实现电流的可控。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，包括IGBT开关模块，其特征在于，还包括MOSFET电流控制模块，
IGBT开关模块包括绝缘栅双极晶体管、第一压敏电阻和第二压敏电阻，
费什巴赫线圈与第一压敏电阻并联，费什巴赫线圈一端与电流源一端连接，另一端与绝缘栅双极晶体管的集电极连接，绝缘栅双极晶体管的集电极和发射极并联有第二压敏电阻，
MOSFET控制模块包括场效应管、PID控制器、第三压敏电阻和信号源，
场效应管的漏极与绝缘栅双极晶体管的发射极连接，场效应管的漏极和源极并联有第三压敏电阻R3，场效应管的源极与电流源另一端连接，场效应管的栅极与PID控制器的输出端连接，PID控制器的输入端分别与信号源S和霍尔电流传感器输出的信号连接，霍尔电流传感器用于测量费什巴赫线圈的电流。
2.根据权利要求1所述的一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，其特征在于，所述的费什巴赫线圈包括第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈均由铜管绕制而成，第一亥姆霍兹线圈通过连接铜管与第二亥姆霍兹线圈串联，第一亥姆霍兹线圈上开设有进水孔和出水孔，第二亥姆霍兹线圈上开设有进水孔和出水孔。
3.根据权利要求2所述的一种可高精度控制且快速关断的大磁场系统，其特征在于，所述的霍尔电流传感器设置在连接铜管上。
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