CN113325351A - 一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法，包括：主磁体线圈为多层线圈，其连接主磁体电路，用于产生主磁场；主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；匀场线圈连接匀场电路，产生补偿磁场；补偿磁场对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；预设空间与补偿磁场的作用空间相关；匀场线圈包括串联的两个线圈，之间有空隙，结构尺寸且绕向相同，采用通电圆环结构；控制模块实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对主磁场的动态均匀补偿。通过匀场线圈产生磁场能够在目标区域内进行精确的匀场补偿，使得磁场均匀度实现一个数量级以上的提升。

Description

一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法

技术领域

本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法。

背景技术

随着凝聚态物理等领域的深入研究，科学家们对磁场强度提出了越来越高的要求。在目前的技术条件下，稳态强磁场还未突破45.5T，所以利用脉冲强磁场技术获得45.5T以上的磁场成为许多重大科学研究的发展趋势，目前的非破坏性脉冲强磁场技术已经能实现磁场强度超过100T、持续时间为ms量级的磁场。由于科学研究特殊需求，诸多实验不但要求脉冲磁场具有高场强，还需具有空间高均匀度等特性，例如高场核磁共振实验。

高场核磁共振实验是在强磁场背景下通过核磁共振(Nuclear MagneticResonance，NMR)技术得到分子结构信息，相比常规低场核磁共振实验，其高场优势为：(1)提高检测信噪比。NMR图谱的信噪比与背景场强度的3/2次方成正比，提高背景场强度能够显着提高NMR的检测灵敏度与分辨率；(2)利于探测特殊体系在强磁场下有别于常态的奇异物理性质。强磁场能够直接影响物质的电子态和量子化，显着改变物质的电子结构，从而出现在常态条件下不会出现的许多奇特现象，而NMR技术能够提供核子水平的微观信息，对于研究强磁场诱导特殊体系表现出的奇异场致效应具有巨大潜力，强磁场装置与NMR技术的结合有望为凝聚态物理领域相关研究的突破提供有效手段。

NMR对背景磁场的空间均匀性有很高的要求，大多商用固体NMR装置中要求磁场在相应实验区域内的均匀性好于10ppm(parts per million)，而目前的脉冲磁体装置由于空间结构问题，产生的磁场不均匀度在100mm³范围内通常高达数百ppm。背景磁场的空间不均匀性会造成NMR谱的谱线加宽与线形畸变，使其分辨率下降，进而造成信息丢失。

由于脉冲场与稳态场之间存在较大差异，运用于常规稳态场中成熟的匀场技术很难移植到脉冲场中。如专利文献“磁共振成像磁体系统的无源匀场”(CN101484822A)中采用的被动匀场技术，其通过匀场垫片(磁性材料)产生的磁场对主磁场进行匀场处理，成本低廉、系统简易、调节范围较大，因而在稳态匀场中广泛使用，然而，脉冲场的时变性会使匀场垫片产生涡流，恶化了装置的热稳定性和磁场均匀性，并且脉冲场还存在重复性较差与不可精确预测的特点，因此该技术难以应用于脉冲强磁场中。此外，如专利文献“磁共振系统的自适应有源自动匀场方法和系统”(CN104635187A)中所述的主动匀场技术，其通过设计特定形状结构的匀场线圈通以合适的电流产生稳定的磁场来抵消主磁场的高次谐波分量，因调节精度较高也广泛应用于稳态匀场中，但针对脉冲场而言，一方面脉冲磁体内径空间较小且存在于极低温、强磁场、高应力的极端环境中，传统的匀场线圈设计难以应用于该场合中，另一方面脉冲磁场处于时变状态且持续时间较短，传统的自动优化算法难以完成匀场线圈电流的调节。

近年来，脉冲强磁场NMR技术逐渐发展，但国内外仍鲜少有关于脉冲磁场空间均匀性优化的相关研究，在脉冲场NMR技术发展过程中，研究者们一般采用减小样品尺寸的方法来尽量改善不均匀磁场带来的问题，但样品尺寸的减小会造成检测信噪比的降低，存在较大的局限性，难以进一步提高检测分辨率。法国LNCMI实验室曾于2016年对脉冲磁体结构进行了改进，在较大空间范围内提升了磁场的均匀性以适应NMR实验需求，但其设计的异形结构磁体难以进行精确制造与加工，且无法在样品体积的小范围区域内实现场均匀性的数量级提升，因此也难以进一步进行研究设计及应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法，旨在解决脉冲强磁场空间均匀性较差，难以满足高场核磁共振实验需求的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高均匀度脉冲强磁场发生装置，包括：主磁体线圈、匀场线圈、主磁体电路、匀场电路以及控制模块；

所述主磁体线圈为多层线圈，其连接主磁体电路，用于产生主磁场；所述主磁场为脉冲强磁场，所述主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；

所述匀场线圈连接匀场电路，用于产生补偿磁场；所述补偿磁场用于对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；所述预设空间与所述补偿磁场的作用空间相关；所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈之间有空隙，两个线圈的结构尺寸相同，且绕向相同；所述两个线圈采用通电圆环结构，两个线圈与主磁体线圈共轴；所述匀场线圈的磁场中心与主磁体线圈的磁场中心重合；通过控制所述匀场线圈的尺寸和匀场电路的参数，实现对主磁场不均匀分量的补偿；

所述控制模块用于实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿。

在一个可能的示例中，理论上，所述主磁体线圈产生的主磁场在直角坐标系下的表示为：

式中，除A₀项是理想的均匀磁场外，其余项都为引起磁场不均匀的分量；

通过有限元多物理场耦合仿真模块仿真得到主磁场中心的预设区域范围内的磁场分布B_z仿真(x,y,z)为：

B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²)-S2z²+S3

其中，S3为常数，系数S2近似为系数S1的两倍，可将上述仿真公式近似为：B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²-2z²)+S3；

将B_z理论(x,y,z)与B_z仿真(x,y,z)对比可知，主磁场产生空间的任意时间点上的主要不均匀分量为A₂项磁场分量，A₂项磁场分量具体表示为：A₂[2z²-(x²+y²)]。

在一个可能的示例中，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈沿主磁体线圈中平面对称放置；

两个线圈叠加出的两个线圈之间空隙处的补偿磁场中，由于两个线圈均采用通电圆环结构，基于毕奥-萨伐尔定律分析补偿磁场的各分量，x与y相关奇数次幂分量被消除，其次两个线圈尺寸相同且通有相同大小和方向电流，可使得两个线圈产生的z相关奇数次幂分量z、z³、z⁵、zx²、zy²…相互抵消，最终保留偶数次磁场分量z⁰、z²、z⁴、x²、y²、z²x²、z²y²…，而保留的磁场分量中存在能够补偿A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的分量形式；对匀场线圈的结构参数进行优化后，使两个线圈空隙处的补偿磁场能够补偿主磁场的A₂项磁场分量。

在一个可能的示例中，所述控制模块实时测量主磁体线圈的电流，确定主磁场的不均匀分量的动态变化情况，并结合实时测量的匀场线圈中的电流闭环反馈调节匀场线圈电流，以动态控制补偿磁场中(2z²-(x²+y²))分量的大小，以实现对主磁场A₂项磁场分量的动态补偿，以在两个线圈空隙处通过补偿磁场动态补偿主磁场为均匀磁场。

在一个可能的示例中，所述匀场电路包括：蓄电池组、IGBT模块、IGBT驱动、第一二极管、第二二极管以及电阻；

所述蓄电池组的正极连接第一二极管的阳极，负极连接IGBT模块的发射极；

IGBT模块的门极与发射极连接IGBT驱动；所述IGBT驱动用于向IGBT门极与发射极输入驱动信号；

IGBT模块的集电极连接电阻的一端和匀场线圈的一端；

所述第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极和匀场线圈的另一端；

所述第二二极管的阳极连接电阻的另一端；

其中，IGBT模块工作在有源区非开关模式，在驱动信号的作用下调节回路电流；IGBT驱动采用基于电流负反馈的线性驱动结构；第一二极管能够以防止主磁场上升阶段使得匀场线圈产生互感过电压导致回路逆流造成匀场线圈受力反向进而造成损坏；第二二极管和电阻组成的钳位保护支路能够降低IGBT模块在回路电流调节过程中所受的过电压，对IGBT模块起到保护作用。

第二方面，本发明提供了一种高均匀度脉冲强磁场发生方法，包括如下步骤：

确定主磁场；所述主磁场由结构为多层线圈的主磁体线圈产生，所述主磁场为脉冲强磁场，所述主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；

确定补偿磁场；所述补偿磁场由匀场线圈产生，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈之间有空隙，两个线圈的结构尺寸相同，且绕向相同；所述两个线圈采用通电圆环结构，两个线圈与主磁体线圈共轴；所述匀场线圈的磁场中心与主磁体线圈的磁场中心重合；所述补偿磁场用于对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；所述预设空间与所述补偿磁场的作用空间相关；通过控制所述匀场线圈的结构参数，实现对主磁场不均匀分量的补偿；

实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿。

在一个可能的示例中，理论上，所述主磁体线圈产生的主磁场在直角坐标系下的表示为：

式中，除A₀项是理想的均匀磁场外，其余项都为引起磁场不均匀的分量；

通过有限元多物理场耦合仿真模块仿真得到主磁场中心的预设区域范围内的磁场分布B_z仿真(x,y,z)为：

B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²)-S2z²+S3

其中，S3为常数，系数S2近似为系数S1的两倍，可将上述仿真公式近似为：B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²-2z²)+S3；

将B_z理论(x,y,z)与B_z仿真(x,y,z)对比可知，主磁场产生空间的任意时间点上的主要不均匀分量为A₂项磁场分量，A₂项磁场分量具体表示为：A₂[2z²-(x²+y²)]。

在一个可能的示例中，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈沿主磁体线圈中平面对称放置；

两个线圈叠加出的两个线圈之间空隙处的补偿磁场中，由于两个线圈均采用通电圆环结构，基于毕奥-萨伐尔定律分析补偿磁场的各分量，x与y相关奇数次幂分量被消除，其次两个线圈尺寸相同且通有相同大小和方向电流，可使得两个线圈产生的z相关奇数次幂分量z、z³、z⁵、zx²、zy²…相互抵消，最终保留偶数次磁场分量z⁰、z²、z⁴、x²、y²、z²x²、z²y²…，而保留的磁场分量中存在能够补偿A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的分量形式；对匀场线圈的结构参数进行优化后，使两个线圈空隙处的补偿磁场能满足补偿主磁场的A₂项磁场分量。

在一个可能的示例中，实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿，具体为：

实时测量主磁体线圈的电流，确定主磁场的不均匀分量的动态变化情况，并结合实时测量的匀场线圈中的电流闭环反馈调节匀场线圈电流，以动态控制补偿磁场中(2z²-(x²+y²))分量的大小，以实现对主磁场A₂项磁场分量的动态补偿，以在两个线圈空隙处通过补偿磁场动态补偿主磁场为均匀磁场。

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：

本发明提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法，通过在主磁体线圈内部中平面两侧对称放置两个尺寸和绕向相同的串联的两个线圈，将串联的两个线圈作为匀场线圈，两个线圈均采用通电圆环结构，以通过匀场线圈产生补偿磁场，实现在两个线圈中间间隙处对主磁体线圈产生的主磁场的不均匀分量进行补偿，以在两个线圈中间间隙空间区域内实现对主磁场的动态均匀补偿。本发明装置通过匀场线圈产生磁场能够在目标实验区域内进行精确的匀场补偿，使得磁场均匀度实现一个数量级以上的提升，有利于显著提高脉冲场NMR实验的检测灵敏度与分辨率。

本发明提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置及方法，设计的匀场线圈适用于脉冲强磁场极端环境，其结构、电气、温升与应力有较大裕度满足限制要求。本发明采用闭环控制方式实现匀场模块电流的动态调节，能够快速响应脉冲强磁场的时变特性，实现任意主磁场强度下的精确匀场。本发明装置系统结构灵活，匀场模块及其控制系统可方便的加入主磁场发生模块，电路系统和控制系统较易实现，实际操作性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁场发生装置的结构图；

图2是本发明一个实施例的匀场线圈结构图；

图3是本发明实施例提供的匀场线圈装配示意图；

图4是实施例提供的采用匀场模块前后的磁场z轴分布对比图；

图5是实施例提供的采用匀场模块前后的磁场r轴分布对比图；

图6是本发明实施例提供的脉冲强磁场发生方法流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的组件或结构，其中：1为主磁体，2为匀场线圈，3为探头，4为加固材料，5为套管，6为杜瓦。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置，旨在解决目前脉冲强磁场装置产生磁场空间均匀性较差的问题，产生高均匀度的脉冲强磁场，为NMR提供合适的实验环境。

在一个具体的示例中，本发明提供了一种高均匀度脉冲强磁场发生装置，包括：主磁体线圈、匀场线圈、主磁体电路、匀场电路以及控制模块；

所述主磁体线圈为多层线圈，其连接主磁体电路，用于产生主磁场；所述主磁场为脉冲强磁场，所述主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；

所述匀场线圈连接匀场电路，用于产生补偿磁场；所述补偿磁场用于对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；所述预设空间与所述补偿磁场的作用空间相关；所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈之间有空隙，两个线圈的结构尺寸相同，且绕向相同；所述两个线圈采用通电圆环结构，两个线圈与主磁体线圈共轴；所述匀场线圈的磁场中心与主磁体线圈的磁场中心重合；通过控制所述匀场线圈的尺寸和匀场电路的参数，实现对主磁场不均匀分量的补偿；

所述控制模块用于实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿。

具体地，主磁体线圈连接主磁体电路，构成主磁场发生模块；匀场线圈连接匀场电路，构成匀场模块。

进一步地，本发明提供的一种高均匀度脉冲强磁场发生装置，其主要包括主磁场发生模块、匀场模块和控制系统模块；主磁场发生模块为常规的脉冲强磁场发生装置系统，其在主磁体中形成脉冲电流以产生主磁场；匀场模块采用工作在有源区的IGBT线性调控内置于主磁体中的匀场线圈的电流，以产生匀场磁场补偿主磁场的非均匀分量；控制系统模块通过实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现动态匀场。

更进一步地，主磁场发生模块不仅限于常规的脉冲强磁场发生装置，可应用于其他对磁场均匀度有需求的特殊脉冲强磁场发生装置。

更进一步地，匀场线圈基于脉冲场的相关特性进行设计，用于抵消主磁体产生的磁场不均匀分量，与主磁体的关系为正耦合。

更进一步地，匀场模块电路中包含正向串联的防逆流二极管，以防止匀场线圈反向受力而损坏。

更进一步地，匀场模块电路中含有IGBT驱动单元，该单元采用电流负反馈的方式实现驱动的线性化，此外还起到隔离、滤波、功率放大等作用。

更进一步地，匀场模块电路中含有由二极管和电阻组成的IGBT钳位保护支路，用于降低IGBT在回路电流调节过程中承受的过电压。

更进一步地，装置还包括用于实时测量主磁体电流的电流传感器，其传导电流信号至实时控制器中，控制器将与实验测量校准获得的调节比例系数k相乘后输出给定电流控制信号；还包括用于实时测量匀场线圈电流的电流传感器，其传导电流信号至实时控制器中，控制器将其与给定电流控制信号相减后闭环控制输出IGBT驱动控制信号V_g，实现匀场模块电流的闭环调控。

更进一步地，预先在控制器中输入触发信号的情况下，主磁场模块和匀场模块分别能够正确触发开始或停止工作。

如图1所示，本发明提供一种高均匀度脉冲强磁场发生装置，其主要包括主磁场发生模块、匀场模块和控制系统模块。

主磁场发生模块可表示为图1所示的常规脉冲强磁场发生系统，包括放电电容器组C_m、主磁体L_m、续流二极管D1、续流电阻R1以及控制开关S1等。I_m为主磁体线圈电流，本实施例中选定C_m为10MJ、32mF的电容器组，充电电压为11kV；选用的主磁体内径为21mm，高度为180mm，导线层数为12层，电感值为3.82mH，77K温度时的电阻值为36.8mΩ，线圈磁场电流比常数为2.132T/kA，即每1kA电流产生2.13T磁场，按该磁体设计最高能承受70T的磁场应力。

磁体中心NMR实验空间内的磁场

可以看作为一个没有电流通过的无源磁场，其满足拉普拉斯方程：

通常情况下，磁场

的z方向分量远大于x和y方向分量，因此上式也可直接表示为：

在球坐标系(r,θ,φ)下，其拉普拉斯方程表示为：

利用球谐函数可得到上式在球坐标系下的解，并将其转化为直角坐标系可得到：

式中，除A₀项是理想的均匀磁场外，其余项都为引起磁场不均匀的分量。

为了分析常规脉冲主磁体产生磁场的不均匀分量，按照上述主磁场发生模块参数搭建有限元多物理场耦合(电-磁-热)仿真模型，脉冲峰值时中心实验区域100mm³空间内磁场分布(mm)通过拟合方式得到为：

B_z仿真(x,y,z)＝8.98*10^-4(x²+y²)-1.8*10^-3z²+62.106(T)

由于上式中z²项的系数近似为(x²+y²)项系数的两倍，因此近似可认为主磁场产生期间任意时间点上其主要不均匀分量为A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))，磁场不均匀度为300ppm。

由上可知，通过有限元多物理场耦合仿真模块仿真得到主磁场中心的预设区域范围内的磁场分布B_z仿真(x,y,z)为：

B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²)-S2z²+S3

其中，S3为常数，系数S2近似为系数S1的两倍，可将上述仿真公式近似为：B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²-2z²)+S3。

匀场模块主要由匀场线圈及其电流调节电路组成。

如图2所示为本实施例按分离导线法与优化算法相结合的方式设计出的匀场线圈结构，其设计流程为：首先确定匀场线圈需要补偿的磁场主要不均匀分量为A₂项磁场分量，其次在综合考虑线圈的空间尺寸、电气、温升与应力等限制情况下，通过分离导线法选定采用在中心对称处放置尺寸相同且通有相同大小和方向的电流的双线圈做为优化的初始结构，并构建目标优化函数，采用优化算法得到满足约束条件的最优线圈结构信息，使得设计的匀场线圈产生磁场主要按(2z²-(x²+y²))的形式分布，其在通入合适的电流下产生的补偿磁场与主磁场A₂项磁场分量大小相等方向相反，与主磁场叠加后就可抵消相应的不均匀分量，实现磁场均匀性的提升。

匀场线圈设计的基本原理是毕奥-萨伐尔定律，假设半径为a的通电圆弧被分解为若干微小电流元

则电流元Q(x0,y0,h)在空间内任意一点P(x,y,z)产生的磁感应强度

为：

由于需匀场的主磁场为z方向，因此电流元在z轴方向的磁感应强度分量为

假设通电圆弧绕z轴角度变化为θ₁到θ₂，则得到场点P(x,y,z)处的磁场轴向分量为：

为了分析带电圆弧产生的空间磁场分量，需对上式在原点处进行泰勒级数展开：

其中

式中，F_nml表示泰勒展开分量系数，f_nml(a,h,θ₁,θ₂)为偏导数，表示和圆弧结构参数和空间位置相关的泰勒级数展开，其按空间分量相关分类可分为z相关(n＝m＝0)、x相关(m＝0且n为奇数)、y相关(n＝0且m为奇数)、xy相关(n与m都为奇数)以及(x²-y²)(n与m都为偶数且不同时为0)相关等分量，n为坐标系x的幂；m为坐标系y的幂。

通过合理设计多个带电圆弧的结构，可使得需要的磁场分量保留而不需要的磁场分量消除，实现匀场线圈的设计，该方法称为分离导线法。为了设计补偿A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的匀场线圈，首先采用通电圆环结构(θ₂-θ₁＝2π)可消除x相关、y相关和xy相关分量而保留z相关和(x²-y²)相关分量。当θ₂-θ₁＝2π，对于带电圆弧产生磁场的x相关、y相关和xy相关分量的泰勒级数展开系数f_nml(a,h,θ₁,θ₂)＝0，因此被消除。其次在z＝h和z＝-h对称平面上分别放置尺寸相同且通有相同大小和方向电流的线圈，可使得上下平面线圈产生的奇数次磁场分量z、z³、z⁵、zx²、zy²等相互抵消，保留偶数次磁场分量z⁰、z²、z⁴、x²、y²、z²x²、z²y²等，而保留的磁场分量中存在能够补偿A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的分量形式。若要设计更为精确的A₂项补偿匀场线圈，还需增加他组线圈使得不同组之间的电流、位置等关系满足一定条件用于抵消多余的磁场分量z⁰、z⁴、z²x²、z²y²等；或者使得单组圆环半径a与位置h构成一定关系消除分量，例如使得8h²-12h²a²+a⁴＝0，则可消除z⁴分量。而上述方法都对线圈的结构尺寸提出了严格的要求，其在脉冲磁体狭小孔径内基本无法满足。由于同一线圈产生的高阶磁场分量值远低于低阶磁场分量值，且未消除的零阶磁场分量有利于加强实验区磁场强度，故在初步匀场中可直接采用在z＝h和z＝-h对称平面分别放置尺寸相同且通有相同大小和方向电流的线圈形式做为优化的初始结构。

在初步设计线圈初始结构的基础上，需要对线圈的匝数、位置、层数等结构参数进行优化，以实现产生目标磁场误差较小的匀场线圈设计。脉冲强磁场下的匀场线圈设计与稳态低场下的设计存在较大差异，除了受到严格的空间限制以外，还需格外考虑线圈的温升与应力问题。由于所需匀场的背景磁场具有高场强的特点，因此其磁场分量的绝对值较大，进而所需的匀场线圈调节磁场也更大。因为匀场线圈的结构受到空间限制，在线圈匝数和层数一定的条件下，则只能采用增大线圈电流的方法增加匀场线圈调节磁场场强，而大电流会带来温升较高以及应力较大等问题，严重时可能会造成匀场线圈失效与损坏，因此在优化设计过程中必须考虑电流的约束。综上而言，匀场线圈设计优化的目标函数可用最小化线圈产生磁场与目标设计磁场的相对偏差的均方根值表示：

最小化：

其中B_i代表的是在第i个计算点线圈产生的磁场值，B_ti代表的是在第i个计算点目标设计磁场的磁场值，N代表的是空间中用于优化计算的计算点总数。假设线圈内径2a、导线线径d_c、径向层数L_a为固定值，则需主要优化的参数有线圈电流I、轴向匝数n以及底部位置h，根据实际情况有以下约束：

约束于：

其中I_max是通过温升与应力计算得到的线圈最大电流；n_max是考虑线圈长度约束下的最大轴向匝数；h_max是考虑线圈最高顶部位置的最大线圈底部位置。本实施例采用粒子群优化算法，其目标函数优化结果为E＝1.1e-8，得到其最终优化的线圈结构参数为线径0.5mm，内径17mm，每层匝数44匝，层数2层，双线圈内端部距离为16.2mm。该匀场线圈A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的补偿灵敏度为9.825μT/mm²/A，线圈电感为0.186mH，77K温度时电阻为0.26Ω。

匀场线圈的装配示意如图3所示，匀场线圈2内置于主磁体1中以补偿探头3处实验空间内的磁场均匀性，其缠绕于套管5上并外包加固材料4，放置于杜瓦6外层，安装与拆卸较为灵活。

匀场模块电路主要由蓄电池组V_s、匀场线圈L_s、IGBT模块T1及其驱动、防逆流二极管D3、钳位保护支路二极管D2和电阻R2等组成，如图1所示。其中，I_s为匀场线圈电流，T1工作在有源区非开关模式，在驱动信号的作用下调节回路电流；IGBT驱动采用基于电流负反馈的线性驱动结构，主要包括用以实现IGBT电流调节控制线性化的电流负反馈电路、用以实现放电回路和控制回路的隔离器、用以滤除驱动信号输出纹波的低通滤波器、用以保证提供足够的驱动能力的高功率放大器、用以防止输出电流振荡的RC滤波电路与外接门极电阻等；D3防止主磁场上升阶段使得匀场线圈产生互感过电压导致回路逆流造成匀场线圈受力反向进而造成损坏；D2和R2组成的钳位保护支路能够降低IGBT在回路电流调节过程中所受的过电压，起到保护作用。根据设计的匀场线圈电气参数，本实施例中电路器件选择为：蓄电池组由8个6GFM-200型铅酸蓄电池通过串联连接而成，单节蓄电池的输出电压为12.8V，最大放电电流为2000A；IGBT模块为3600A/1700V的FZ3600R17KE3-B2，以保证其能承受足够的热功率损耗。

控制系统模块主要用于电路开关触发以及匀场模块电路电流的闭环控制。本实施例中，采用嵌入式测控系统CompactRIO作为控制系统模块，其具有高级控制、高速模拟测量、强大的信号处理和分析功能以及坚固可靠的嵌入式硬件等优点。

理想状况下，通电导线若结构固定，其产生的任一磁场分量都与其电流成正比，而不同磁场分量之间的相对值不变。该结论同时适用于匀场线圈与主磁体，因此可通过检测主磁体的磁场/电流变化确定匀场线圈的磁场/电流变化，建立两者间的线性关系，实现匀场线圈的电流调节，在主磁场发生的任意时间段内动态补偿其均匀性缺陷。由于主磁体磁场不可单独测量，因此需检测主磁体的电流变化，导出线圈电流调节方程为：

I_shim＝kI_m

其中k为比例系数，通过测量校准确定，本实施例中确定k值为0.00315。

在给定电流控制信号I_shim情况下，为了实现匀场模块电流的精确控制，消除调节偏差，因此采用闭环反馈方式输出IGBT驱动控制信号V_g。本实施例中采用PID算法实现反馈控制过程的信号调节，其规则如下：

其中e(t)＝I_shim(t)-I_s(t)，表示给定电流信号和实际电流信号的偏差；K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数。通过实验整定得K_p＝0.005，K_i＝0.002，K_d＝0。

按照上述实施参数搭建系统进行仿真，可得到脉冲场峰值阶段中心实验区域100mm³内磁场分布，图4展示了匀场模块加入前后的磁场z轴分布(mm)，图5展示了匀场模块加入前后的磁场r轴分布(mm)，可见磁场不均匀度由数百ppm降低到10ppm量级以下，使得磁场均匀度实现一个数量级以上的提升，有利于显著提高脉冲场NMR实验的检测灵敏度与分辨率，说明本发明取得了较好的效果，能够提供高均匀度的脉冲强磁场。

图6是本发明实施例提供的脉冲强磁场发生方法流程图，如图6所示，包括如下步骤：

S601，确定主磁场；所述主磁场由结构为多层线圈的主磁体线圈产生，所述主磁场为脉冲强磁场，所述主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；

S602，确定补偿磁场；所述补偿磁场由匀场线圈产生，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈之间有空隙，两个线圈的结构尺寸相同，且绕向相同；所述两个线圈采用通电圆环结构，两个线圈与主磁体线圈共轴；所述匀场线圈的磁场中心与主磁体线圈的磁场中心重合；所述补偿磁场用于对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；所述预设空间与所述补偿磁场的作用空间相关；通过控制所述匀场线圈的结构参数，实现对主磁场不均匀分量的补偿；

S603，实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿。

具体地，图6中各个步骤的实现方式可参见前述装置实施例的具体介绍，在此不做赘述。

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 (9)

1.一种高均匀度脉冲强磁场发生装置，其特征在于，包括：主磁体线圈、匀场线圈、主磁体电路、匀场电路以及控制模块；

所述主磁体线圈为多层线圈，其连接主磁体电路，用于产生主磁场；所述主磁场为脉冲强磁场，所述主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；

所述匀场线圈连接匀场电路，用于产生补偿磁场；所述补偿磁场用于对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；所述预设空间与所述补偿磁场的作用空间相关；所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈之间有空隙，两个线圈的结构尺寸相同，且绕向相同；所述两个线圈采用通电圆环结构，两个线圈与主磁体线圈共轴；所述匀场线圈的磁场中心与主磁体线圈的磁场中心重合；通过控制所述匀场线圈的尺寸和匀场电路的参数，实现对主磁场不均匀分量的补偿；

所述控制模块用于实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，理论上，所述主磁体线圈产生的主磁场在直角坐标系下的表示为：

式中，除A₀项是理想的均匀磁场外，其余项都为引起磁场不均匀的分量；

通过有限元多物理场耦合仿真模块仿真得到主磁场中心的预设区域范围内的磁场分布B_z仿真(x,y,z)为：

B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²)-S2z²+S3

其中，S3为常数，系数S2近似为系数S1的两倍，可将上述仿真公式近似为：B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²-2z²)+S3；

将B_z理论(x,y,z)与B_z仿真(x,y,z)对比可知，主磁场产生空间的任意时间点上的主要不均匀分量为A₂项磁场分量，A₂项磁场分量具体表示为：A₂[2z²-(x²+y²)]。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈沿主磁体线圈中平面对称放置；

两个线圈叠加出的两个线圈之间空隙处的补偿磁场中，由于两个线圈均采用通电圆环结构，基于毕奥-萨伐尔定律分析补偿磁场的各分量，x与y相关奇数次幂分量被消除，其次两个线圈尺寸相同且通有相同大小和方向电流，可使得两个线圈产生的z相关奇数次幂分量z、z³、z⁵、zx²、zy²…相互抵消，最终保留偶数次磁场分量z⁰、z²、z⁴、x²、y²、z²x²、z²y²…，而保留的磁场分量中存在能够补偿A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的分量形式；对匀场线圈的结构参数进行优化后，使两个线圈空隙处的补偿磁场能够补偿主磁场的A₂项磁场分量。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制模块实时测量主磁体线圈的电流，确定主磁场的不均匀分量的动态变化情况，并结合实时测量的匀场线圈中的电流闭环反馈调节匀场线圈电流，以动态控制补偿磁场中(2z²-(x²+y²))分量的大小，以实现对主磁场A₂项磁场分量的动态补偿，以在两个线圈空隙处通过补偿磁场动态补偿主磁场为均匀磁场。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述匀场电路包括：蓄电池组、IGBT模块、IGBT驱动、第一二极管、第二二极管以及电阻；

所述蓄电池组的正极连接第一二极管的阳极，负极连接IGBT模块的发射极；

IGBT模块的门极与发射极连接IGBT驱动；所述IGBT驱动用于向IGBT门极与发射极输入驱动信号；

IGBT模块的集电极连接电阻的一端和匀场线圈的一端；

所述第一二极管的阴极分别连接第二二极管的阴极和匀场线圈的另一端；

所述第二二极管的阳极连接电阻的另一端；

其中，IGBT模块工作在有源区非开关模式，在驱动信号的作用下调节回路电流；IGBT驱动采用基于电流负反馈的线性驱动结构；第一二极管能够以防止主磁场上升阶段使得匀场线圈产生互感过电压导致回路逆流造成匀场线圈受力反向进而造成损坏；第二二极管和电阻组成的钳位保护支路能够降低IGBT模块在回路电流调节过程中所受的过电压，对IGBT模块起到保护作用。

6.一种高均匀度脉冲强磁场发生方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定主磁场；所述主磁场由结构为多层线圈的主磁体线圈产生，所述主磁场为脉冲强磁场，所述主磁场在其磁场空间的任意时间点上均存在不均匀分量；

确定补偿磁场；所述补偿磁场由匀场线圈产生，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈之间有空隙，两个线圈的结构尺寸相同，且绕向相同；所述两个线圈采用通电圆环结构，两个线圈与主磁体线圈共轴；所述匀场线圈的磁场中心与主磁体线圈的磁场中心重合；所述补偿磁场用于对主磁场预设空间区域的不均匀分量进行补偿，使得主磁场在预设空间内相对均匀；所述预设空间与所述补偿磁场的作用空间相关；通过控制所述匀场线圈的结构参数，实现对主磁场不均匀分量的补偿；

实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，理论上，所述主磁体线圈产生的主磁场在直角坐标系下的表示为：

式中，除A₀项是理想的均匀磁场外，其余项都为引起磁场不均匀的分量；

通过有限元多物理场耦合仿真模块仿真得到主磁场中心的预设区域范围内的磁场分布B_z仿真(x,y,z)为：

B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²)-S2z²+S3

其中，S3为常数，系数S2近似为系数S1的两倍，可将上述仿真公式近似为：B_z仿真(x,y,z)＝S1(x²+y²-2z²)+S3；

将B_z理论(x,y,z)与B_z仿真(x,y,z)对比可知，主磁场产生空间的任意时间点上的主要不均匀分量为A₂项磁场分量，A₂项磁场分量具体表示为：A₂[2z²-(x²+y²)]。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述匀场线圈包括串联的两个线圈，两个线圈沿主磁体线圈中平面对称放置；

两个线圈叠加出的两个线圈之间空隙处的补偿磁场中，由于两个线圈均采用通电圆环结构，基于毕奥-萨伐尔定律分析补偿磁场的各分量，x与y相关奇数次幂分量被消除，其次两个线圈尺寸相同且通有相同大小和方向电流，可使得两个线圈产生的z相关奇数次幂分量z、z³、z⁵、zx²、zy²…相互抵消，最终保留偶数次磁场分量z⁰、z²、z⁴、x²、y²、z²x²、z²y²…，而保留的磁场分量中存在能够补偿A₂项磁场分量(2z²-(x²+y²))的分量形式；对匀场线圈的结构参数进行优化后，使两个线圈空隙处的补偿磁场能满足补偿主磁场的A₂项磁场分量。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，实时测量主磁体线圈中的电流和匀场线圈中的电流，闭环反馈调节匀场线圈的电流，以实现对预设空间区域内主磁场的动态均匀补偿，具体为：

实时测量主磁体线圈的电流，确定主磁场的不均匀分量的动态变化情况，并结合实时测量的匀场线圈中的电流闭环反馈调节匀场线圈电流，以动态控制补偿磁场中(2z²-(x²+y²))分量的大小，以实现对主磁场A₂项磁场分量的动态补偿，以在两个线圈空隙处通过补偿磁场动态补偿主磁场为均匀磁场。

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