CN113934253B - 一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置 - Google Patents

Abstract

一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，本发明专利涉及脉冲功率技术领域。该装置包括6套脉冲功率装置、安全连锁设备，同步触发设备，数据交换机，远程控制系统和数据存储设备；远程控制系统用于与数据交换机之间实现数据交互，完成远程控制；数据交换机用于与6套脉冲功率装置、安全连锁设备和同步触发设备实现数据交互；同步触发设备用于触发6套脉冲功率装置；安全连锁设备用于接收6套脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备；数据存储设备用于与数据交换机实现数据交互，实现数据存储。本发明实现了在多种实验条件下对模拟磁层顶磁场位形的调控。

Description

一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置

技术领域

本发明专利涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置。

背景技术

随着现代社会人们逐步发展的航天技术，越来越多的人造航天器活跃在地球近地空间环境中，这一空间环境中广泛存在着离子化气体状物质——等离子体，研究近地空间等离子体环境中的基本物理过程不仅帮助人们深化对空间等离子环境的认识，而且为航天器的设计和安全运行提供理论依据。地面实验装置由于其可以进行多点观测从而获得全局结果、实验参数及过程可控、重复性高的优点在研究空间等离子体环境中扮演着越来越重要的角色，并且可以作为卫星测量、地面观测和计算机模拟有效补充。研究近地空间等离子体环境中的基本物理过程的主要内容之一就是研究与磁层顶磁重联相关的三维磁重联物理问题。

“磁鞘侧”磁重联实验用来研究地球磁层顶磁场重联过程，该重联过程发生在地球的向阳面。当方向相反的磁场相遇时就会相互抵消，当这些发生在磁化的等离子体当中时，比如在太阳风携带的行星际磁场和地球磁层磁场中，方向相反的磁场可以一种新的方式相互作用——形成新的磁力线，这个过程称为磁重联，在这一过程中磁场的能量转化为粒子动能。当磁重联发生时，磁力线重新连接，其拓扑结构或连通性得到改变。在理想的地球向阳面磁层顶磁场重联变化过程中，太阳风首先与地球磁场磁力线接触的南向磁力线与地球北向磁场的磁力线相遇，这里有两条不同的磁力线，一条两端都在太阳风中，另一条连接了地球的两极，当这两条汇聚时，就会产生磁力线的重联，除了将部分磁能转换为粒子动能外，两个原始磁力线的拓扑结构还可以转换为两个新的磁力线拓扑结构，此时重联后的磁力线仍然存在，并且跟随太阳风向磁尾方向对流。这种太阳风南向磁力线与地球北向磁场的磁力线相遇发生磁重联的过程是我们主要关注的一种情况，所以要在地面上模拟磁层顶重联，就需要在实验室中产生尽可能类似于真实环境中的磁场分布和等离子体参数，并且要与地面实验室环境的空间尺度相匹配，同时还要模拟出地球磁场向磁尾方向偏移的特性。

快速磁重联是在天体物理学和空间等离子体环境中常见的基本物理过程，也是人们在数值实验和装置实验中的主要研究内容，并且快速磁重联是一个在阿尔芬时间尺度上的非常迅速的过程，所以可以通过脉冲功率装置产生驱动快速磁重联过程所需的模拟背景磁场，从而减小建设成本以及能量来源的负担。为了在地面实验装置中驱动这种快速三维磁重联物理过程，建立了多套用于产生磁场的脉冲功率装置，通过组合的方式产生模拟地球磁层的磁场，从而为驱动三维磁重联物理过程提供背景磁场。

在上述多套脉冲功率装置中，为了模拟出地球磁层的磁场向地球磁尾方向偏移特性，需要使用一种能够调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置来调控磁场分布，在这里我们简称磁控脉冲功率装置。如何通过使用磁控脉冲功率装置可以更好的实现“磁鞘侧”磁重联实验的模拟背景磁场，并且通过调整投入使用磁控脉冲功率装置的数量以及改变每套脉冲大电流发生器的放电时序来灵活改变磁场分布，从而模拟多种实验条件下的背景磁场，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决如何实现“磁鞘侧”磁重连实验中重连磁力线向地球磁尾对流时地球磁层的磁场向磁尾方向偏移特性，从而解决“磁鞘侧”磁重连实验的背景磁场位型与真实磁场环境的近似问题，同时解决在多种实验条件下产生不同磁场位形的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，该装置包括6套脉冲功率装置、安全连锁设备15，同步触发设备16，数据交换机17，远程控制系统21和数据存储设备22；6套脉冲功率装置包括为A套脉冲功率装置A、B套脉冲功率装置(B)、C套脉冲功率装置(C)、D套脉冲功率装置D、E套脉冲功率装置E、F套脉冲功率装置F；

6套脉冲功率装置之间并联；

远程控制系统21用于与数据交换机17之间实现数据交互，完成远程控制；

数据交换机17用于与6套脉冲功率装置、安全连锁设备15和同步触发设备16实现数据交互；

同步触发设备16用于触发6套脉冲功率装置；

安全连锁设备15用于接收6套脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备16；

数据存储设备22用于与数据交换机17实现数据交互，实现数据存储。

本发明中，所述6套脉冲功率装置结构相同，均由脉冲大电流发生器经汇流盘为磁控线圈提供激励电流，具体连接方式如下：汇流盘组8包括汇流盘A、汇流盘B、汇流盘C、汇流盘D、汇流盘E、汇流盘F；

A套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器A、汇流盘A、磁控A线圈1；脉冲大电流发生器A经汇流盘A为磁控A线圈1提供激励电流；

B套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器B、汇流盘B、磁控B线圈2；脉冲大电流发生器B经汇流盘B为磁控B线圈2提供激励电流；

C套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器C、汇流盘C、磁控C线圈3；脉冲大电流发生器C经汇流盘C为磁控C线圈3提供激励电流；

D套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器D、汇流盘D、磁控D线圈4；脉冲大电流发生器D经汇流盘D为磁控D线圈4提供激励电流；

E套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器E、汇流盘E、磁控E线圈5；脉冲大电流发生器E经汇流盘E为磁控E线圈5提供激励电流；

F套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器F、汇流盘F、磁控F线圈6；脉冲大电流发生器F经汇流盘F为磁控F线圈6提供激励电流。

本发明中，该装置还包括过渡同轴电缆7，过渡同轴电缆7作为中间传输介质完成汇流盘为磁控线圈提供激励电流。

本发明中，该装置还包括输出同轴电缆9，且所述脉冲大电流发生器A、脉冲大电流发生器B、脉冲大电流发生器C、脉冲大电流发生器D、脉冲大电流发生器E和脉冲大电流发生器F结构相同，均由本地控制器14、双极性充电机组12和放电模块组10组成；双极性充电机组12包括10个充电机，即充电机1至充电机10，放电模块组10包括10个放电模块，即放电模块1至放电模块10；

本地控制器14用于接收同步触发设备16发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备15，本地控制器14还用于控制双极性充电机组12和放电模块组10工作，双极性充电机组12中的每个充电机对应连接放电模块组10中的一个放电模块，即充电机1连接放电模块1，依次类推，充电机10连接放电模块10；

放电模块组10通过输出同轴电缆9连接汇流盘组8。

本发明中，该装置还包括UPS19，UPS19用于为数据交换机17、安全连锁设备15和同步触发设备16供电。

本发明中，该装置还包括放电模块货架11、充电机货架13和机柜18，所述充电机货架13用于放置双极性充电机组12和本地控制器14；

所述放电模块货架11用于放置放电模块组10；所述机柜18用于放置数据交换机17、同步触发设备16、安全连锁设备15以及UPS19。

本发明中，所述放电模块组10中的10个放电模块结构相同，即放电模块1至放电模块10结构均相同。

本发明中，该装置还包括光纤20，所述远程控制系统21、数据存储设备22、数据交换机17、安全连锁设备15和同步触发设备16构成用于调控模拟磁层顶磁场位形脉冲功率装置控制系统，远程控制系统21通过光纤20与数据交换机17连接，数据交换机17通过光纤20与本地控制器14、安全连锁设备15、同步触发设备16数据存储设备22连接；安全连锁设备15和同步触发设备16分别通过光纤20与本地控制器14连接；安全连锁设备15和同步触发设备16之间通过光纤20连接。

本发明中，所述放电模块1至放电模块10均包括晶闸管组件32、高压脉冲电容器33、熔断器34，分压器35、充泄放组件36、模块控制器37、续流电阻38、二极管组件39、电压显示器23、双极性充电机连接端子24、电主机电源插座25、控制电源插座26、散热风扇27、光纤接口28、正极输出29、负极输出30、输出同轴电缆9和接地端子31；

晶闸管组件32用作放电开关；高压脉冲电容器33用作储能元件；熔断器34用作保护电容器免受短路电流冲击；分压器35中具有接地装置，用来平衡电容器两端正负；电压充泄放组件36用于集成充电继电器、泄放继电器、接地开关、泄放电阻、保护电阻和保护二极管，模块控制器37用于接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数，续流电阻38用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量，二极管组件39作为续流开关的；电压显示器23用来实时显示放电模块中高压脉冲电容器上的电压；双极性充电机连接端子24用于连接双极性充电机组12；散热风扇27用来快速为放电模块中的元件散热；光纤接口28通过光纤与本地控制器连接；正极输出29用来引出放电模块中高压脉冲电容器的正极并连接输出同轴电缆9的内芯；负极输出30用来引出放电模块中高压脉冲电容器的负极并连接输出同轴电缆9的外芯；输出同轴电缆9用来传输放电模块的输出电流；接地端子31用来连接输出同轴电缆9的屏蔽层从而减小电磁干扰。

有益效果：本发明所述装置，模拟出了地球磁层的磁场向地球磁尾方向偏移特性，通过使用磁控脉冲功率装置更好的实现了“磁鞘侧”磁重联实验的模拟背景磁场，并且通过调整投入使用磁控脉冲功率装置的数量以及改变每套脉冲大电流发生器的放电时序灵活改变了磁场分布，从而模拟多种实验条件下的背景磁场，实现了在多种实验条件下对模拟磁层顶磁场位形的调控。

本发明中所述装置的有益效果是：1)可以使用该装置对“磁鞘侧”磁重连实验中地球磁层的磁场进行调控，使其更加近似真实的磁场环境；2)该装置可以通过调整投入使用脉冲大电流发生器的使用数量以及改变每套脉冲大电流发生器的放电时序改变磁场调控的作用效果，使得实验所需的背景磁场更加多样化；3)该装置的每套脉冲大电流发生器可以调整投入使用的放电模块数量来改变输出脉冲电流的波形，从而改变单个磁控线圈的磁场调控效果；4)该装置的脉冲大电流发生器采用模块化设计，可以分散储能降低风险，具有较高的实验效率和维护水平；5)该装置用来研究“磁鞘侧”磁重连实验中磁力线重连后向磁尾对流的过程，有助于研究空间等离子环境基本物理过程，具体为与磁层顶磁重连有关的三维磁重连物理问题，从而深化对空间等离子环境的认知，为航天器的设计和安全运行提供理论指导。

附图说明

图1为一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的拓扑结构示意图；

其中，(a)为该装置的拓扑结构示意图；(b)为该装置的6套脉冲功率装置的结构示意图；(c)为6套脉冲功率装置的内部结构示意图；

图2为一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的立体结构图；

图3为放电模块及本装置的辅助结构图；

图4为单套脉冲大电流发生器的电路拓扑结构示意图；

图5为远程控制系统的控制及参数设置界面；

图6为远程控制系统的状态参数及故障报警显示界面；

图7为远程控制系统的数据读取界面；

图8为用于调控模拟磁层顶磁场位形脉冲功率装置的操作流程图；

图9为单套脉冲大电流发生器输出电流波形；

图中附图标记有：1、磁控A线圈，2、磁控B线圈，3、磁控C线圈，4、磁控D线圈，5、磁控E线圈，6、磁控F线圈，7、过渡同轴电缆，8、汇流盘，9、输出同轴电缆，10、放电模块组，11、放电模块货架，12、双极性充电机组，13、充电机货架，14、本地控制器，15、安全连锁设备，16、同步触发设备，17、数据交换机，18、机柜，19、UPS，20、光纤，21、远程控制系统，22、数据存储设备，23、电压显示器，24、双极性充电机连接端子，25、主机电源插座，26、控制电源插座，27、散热风扇，28、光纤接口，29、正极输出，30、负极输出，31、接地端子，32、晶闸管组件，33、高压脉冲电容器，34、熔断器，35、分压电阻，36、充电泄放组件，37、模块控制器，38、续流电阻，39、二极管组件。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1至4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，该装置包括6套脉冲功率装置、安全连锁设备15，同步触发设备16，数据交换机17，远程控制系统21和数据存储设备22；6套脉冲功率装置包括为A套脉冲功率装置A、B套脉冲功率装置(B)、C套脉冲功率装置(C)、D套脉冲功率装置D、E套脉冲功率装置E、F套脉冲功率装置F；

6套脉冲功率装置之间并联；

远程控制系统21用于与数据交换机17之间实现数据交互，完成远程控制；

数据交换机17用于与6套脉冲功率装置、安全连锁设备15和同步触发设备16实现数据交互；

同步触发设备16用于触发6套脉冲功率装置；

安全连锁设备15用于接收6套脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备16；

数据存储设备22用于与数据交换机17实现数据交互，实现数据存储。

本实施方式中，所述装置由6个磁层顶磁场位型调控线圈、6套脉冲大电流发生器、6个汇流盘、1套控制系统组成。6个磁层顶磁场位型调控线圈每三个分为一组，分别放置于真空室上部和下部，沿中心轴向水平面呈对称分布，线圈的输入和输出端子穿过真空室壁与汇流盘通过同轴电缆连接。6套脉冲大电流装置采用模块化设计，具有相同的结构，每套装置包括10个模块和一台本地控制器，均放置于电源室的货架上，每个模块由充电机和放电模块组成，每套装置的放电模块通过汇流盘并联后输出电流至对应的线圈产生所需的磁场。控制系统包括远程控制系统、数据交换机、同步触发设备、安全连锁设备和UPS。

本发明中远程控制系统通过数据交换机向同步触发设备发送触发命令，同步触发设备发送触发信号给6套脉冲功率装置，6套脉冲功率装置经触发后产生磁场。实现了模拟地球磁层的磁场中，产生磁场向地球磁尾方向偏移的特性，通过使用本发明可以更好的实现“磁鞘侧”磁重联实验的模拟背景磁场，并且通过调整投入使用本发明的数量以及改变每套脉冲大电流发生器的放电时序来灵活改变磁场分布，从而模拟多种实验条件下的背景磁场。

具体实施方式二、本实施方式时对实施方式一所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，所述6套脉冲功率装置结构相同，均由脉冲大电流发生器经汇流盘为磁控线圈提供激励电流，具体连接方式如下：汇流盘组8包括汇流盘A、汇流盘B、汇流盘C、汇流盘D、汇流盘E、汇流盘F；

A套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器A、汇流盘A、磁控A线圈1；脉冲大电流发生器A经汇流盘A为磁控A线圈1提供激励电流；

B套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器B、汇流盘B、磁控B线圈2；脉冲大电流发生器B经汇流盘B为磁控B线圈2提供激励电流；

C套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器C、汇流盘C、磁控C线圈3；脉冲大电流发生器C经汇流盘C为磁控C线圈3提供激励电流；

D套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器D、汇流盘D、磁控D线圈4；脉冲大电流发生器D经汇流盘D为磁控D线圈4提供激励电流；

E套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器E、汇流盘E、磁控E线圈5；脉冲大电流发生器E经汇流盘E为磁控E线圈5提供激励电流；

F套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器F、汇流盘F、磁控F线圈6；脉冲大电流发生器F经汇流盘F为磁控F线圈6提供激励电流。

具体实施方式三、本实施方式时对实施方式二所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括过渡同轴电缆7，过渡同轴电缆7作为中间传输介质完成汇流盘为磁控线圈提供激励电流。

具体实施方式四、本实施方式时对实施方式三所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括同轴电缆9，且所述脉冲大电流发生器A、脉冲大电流发生器B、脉冲大电流发生器C、脉冲大电流发生器D、脉冲大电流发生器E和脉冲大电流发生器F结构相同，均由本地控制器14、双极性充电机组12和放电模块组10组成；双极性充电机组12包括10个充电机，即充电机1至充电机10，放电模块组包括10个放电模块，即放电模块1至放电模块10；

本地控制器14用于接收同步触发设备16发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备15，本地控制器14还用于控制双极性充电机组12和放电模块组10工作，双极性充电机组12中的每个充电机对应连接放电模块组10中的一个放电模块，即充电机1连接放电模块1，依次类推，充电机10连接放电模块10；

放电模块组10通过输出同轴电缆9连接汇流盘组8。

具体实施方式五、本实施方式时对实施方式四所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括UPS19，UPS19用于为数据交换机17、安全连锁设备15和同步触发设备16供电。

具体实施方式六、本实施方式时对实施方式五所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括放电模块货架11、充电机货架13和机柜18，所述充电机货架13用于放置双极性充电机组12和本地控制器14；

所述放电模块货架11用于放置放电模块组10；所述机柜18用于放置数据交换机17、同步触发设备16、安全连锁设备15以及UPS19。

具体实施方式七、本实施方式时对实施方式六所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，所述放电模块组10中的10个放电模块结构相同，即放电模块1至放电模块10结构均相同。

具体实施方式八、本实施方式时对实施方式七所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，该装置还包括光纤20，所述远程控制系统21、数据存储设备22、数据交换机17、安全连锁设备15和同步触发设备16构成用于调控模拟磁层顶磁场位形脉冲功率装置控制系统，远程控制系统21通过光纤20与数据交换机17连接，数据交换机17通过光纤20与本地控制器14、安全连锁设备15、同步触发设备16数据存储设备22连接；安全连锁设备15和同步触发设备16分别通过光纤20与本地控制器14连接；安全连锁设备15和同步触发设备16之间通过光纤20连接。下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

具体实施方式九、本实施方式时对实施方式八所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置的进一步说明，本实施方式中，所述放电模块1至放电模块10均包括晶闸管组件32、高压脉冲电容器33、熔断器34，分压器35、充泄放组件36、模块控制器37、续流电阻38、二极管组件39、电压显示器23、双极性充电机连接端子24、电主机电源插座25、控制电源插座26、散热风扇27、光纤接口28、正极输出29、负极输出30、输出同轴电缆9和接地端子31；

晶闸管组件32用作放电开关；高压脉冲电容器33用作储能元件；熔断器34用作保护电容器免受短路电流冲击；分压器35中具有接地装置，用来平衡电容器两端正负；电压充泄放组件36用于集成充电继电器、泄放继电器、接地开关、泄放电阻、保护电阻和保护二极管，模块控制器37用于接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数，续流电阻38用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量，二极管组件39作为续流开关的；电压显示器23用来实时显示放电模块中高压脉冲电容器上的电压；双极性充电机连接端子24用于连接双极性充电机组12；散热风扇27用来快速为放电模块中的元件散热；光纤接口28通过光纤与本地控制器连接；正极输出29用来引出放电模块中高压脉冲电容器的正极并连接输出同轴电缆9的内芯；负极输出30用来引出放电模块中高压脉冲电容器的负极并连接输出同轴电缆9的外芯；输出同轴电缆9用来传输放电模块的输出电流；接地端子31用来连接输出同轴电缆9的屏蔽层从而减小电磁干扰。

实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形脉冲功率装置，包括6套脉冲功率装置、安全连锁设备15，同步触发设备16，数据交换机17，远程控制系统21和数据存储设备22；6套脉冲功率装置包括为A套脉冲功率装置A、B套脉冲功率装置(B)、C套脉冲功率装置(C)、D套脉冲功率装置D、E套脉冲功率装置E、F套脉冲功率装置F；6套脉冲功率装置之间并联，且由远程控制系统21控制，同时远程控制系统21还具有主要元件状态监测和故障显示功能。

6套脉冲功率装置具有相同的结构，都是脉冲大电流发生器经过汇流盘为相应的磁控线圈提供激励电流。每套脉冲大电流发生器都是由1个本地控制器14、一个双极性充电机组12和放电模块组10组成，双极性充电机组12包括10个充电机，即充电机1至充电机10，放电模块组10包括10个放电模块，即放电模块1至放电模块10。每个放电模块通过一根输出同轴电缆与汇流盘连接。

为了满足各套脉冲大电流发生器的时序触发功能，采用同步触发设备接收远程控制系统设置的时序参数，然后再下发给各套脉冲大电流发生器的本地控制器。各套脉冲大电流发生器其他控制，如：电压设置、充电、泄放等功能，以及状态参数的显示直接经数据交换机上传给远程控制系统。当有脉冲大电流发生器出现故障时，故障信息经安全连锁设备上传给远程控制系统，同时安全连锁设备锁定同步触发设备，使其不能执行触发命令，防止故障情况下的触发放电给人员和设备带来的损害，并且给本地控制器发送执行泄放动作命令，完成电容器能量的安全泄放。每次脉冲功率装置运行的数据都会在数据存储设备中进行存储，可以进行调阅查看。

如图2所示，图中包括磁控A线圈1、磁控B线圈2、磁控C线圈3、磁控D线圈4、磁控E线圈5、磁控F线圈6、连接同轴电缆7、汇流盘8、输出同轴电缆9、放电模块10、放电模块货架11、双极性充电机12、充电机货架13、本地控制器14、安全连锁设备15、同步触发设备16、数据交换机17、机柜18、UPS19、光纤20、远程控制系统21、数据存储设备22。

磁控A、B、C线圈为一组位于真空室上部，磁控D、E、F线圈为一组位于真空室下部，两组线圈沿着真空室中心轴向水平面对称分布用于产生调控模拟磁层顶磁场位形的磁场，各个线圈的输入和输出端子穿过真空室壁与过渡同轴电缆连接，然后再通过汇流盘与相应线圈的脉冲大电流发生器各放电模块的输出同轴电缆相连接，汇流盘一端具有10个接入点，用来连接每台脉冲大电流发生器的10个放电模块输出同轴电缆并汇聚10个放电模块的输出电流。

每套脉冲大电流发生器为对应的磁控线圈提供激励脉冲大电流，每套脉冲大电流发生器包括10个充电机放置于充电机货架上，10个放电模块放置于放电模块货架上，一个本地控制器放置于充电机货架上，双极性充电机的充电高压导线以及本地控制器的光纤通过货架上的线槽布线后与放电模块连接。数据交换机、同步触发设备、安全连锁设备以及UPS放置于机柜中，数据交换机使用光纤与远程控制系统连接，负责所有数据的中转工作，同步触发设备接收远程控制系统发送的触发时序参数，然后再下发给各脉冲大电流发生器的本地控制器来控制它们的触发时序。当出现故障时，安全连锁设备接收到脉冲大电流装置的故障信息后锁定同步触发设备，并发送给各本地控制器执行泄放动作命令，同时故障信息上传给远程控制系统。各套脉冲大电流发生器的参数监测和其他控制功能均由远程控制系统经数据交换机直接与各本地控制进行通信来实现。远程控制系统放置于控制室，远离6套脉冲大电流发生发生器，用来控制脉冲大电流发生器的充电电压、充电动作、停止充电动作、触发动作、泄放动作、复位动作，以及设置各套脉冲大电流发生器的触发时序和模块的投入使用数量，监测放电模块中关键元器件、充电机、本地控制器的相关状态，对出现的故障进行报警和定位。

如图3所示，6套脉冲大电流发生器均采用模块化设计，每个模块包括充电机和放电模块，且都具有相同结构，其中每套脉冲大电流发生器的所有放电模块均采用并联方式输出电流。所述的放电模块，基本结构如图3所示，包括作为放电开关的晶闸管组件32，作为储能元件的高压脉冲电容器33，作为保护电容器免受短路电流冲击的熔断器34，用来平衡电容器两端正负电压的分压器35，集成充电继电器、泄放继电器、接地开关、泄放电阻、保护电阻和保护二极管的充泄放组件36，接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数的模块控制器37，用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量的续流电阻38，作为续流开关的二极管组件39，显示当前电容电压的电压显示器23，连接充电机的双极性充电机连接端子24。

电压显示器23，双极性充电机连接端子24，主机电源插座25，控制电源插座26，风扇27，光纤接口28，正极输出29，负极输出30，输出同轴电缆9，接地端子31均为辅助设施。

通过整流器将市电转换为24V直流电压的电主机电源插座25，通过整流器将市电转换为5V直流电压控制电源插座26，散热风扇27，与本地控制器连接的光纤接口28，正极输出29，负极输出30，输出同轴电缆9，接地端子31。输出同轴电缆9的内芯与正极输出连接，外芯与负极输出连接，屏蔽层与接地端子连接。在上述结构中，由于单片晶闸管和二极管的耐压水平不满足放电模块额定电压20kV，所以均采用5片串联的方式来满足耐压水平，配合外围触发或保护、状态监测电路构成晶闸管组件的二极管组件的结构。

如图4所示，为所述的放电模块的基本原理，C为高压脉冲电容器33、F为熔断器34、T为晶闸管组件32、Rc为续流电阻38、Dc为二极管组件39。放电模块由保护电路和放电电路组成，保护电路包括充电保护硅堆、充电继电器Sc、充电保护泄放电阻、接地开关、分压器35。充电保护硅堆、充电继电器Sc、充电保护泄放电阻、接地开关集成在充泄放组件36中，双极性充电机12首先与充电保护硅堆连接，然后经充电继电器Sc、充电保护泄放电阻连接、接地开关、分压器35与熔断器34和高压脉冲电容器33连接，其中熔断器34和高压脉冲电容器33为串联连接。放电电路的基本原理为并联续流支路的RLC放电电路，高压脉冲电容器33的输出正端子串联熔断器34后与作为放电开关的晶闸管组件32连接，然后再与放电模块的正极输出29连接。续流支路为二极管组件39串联续流电阻38后再与高压脉冲电容器33并联，其中二极管组件39为续流开关。高压脉冲电容器33的输出负端子直接与放电模块的负极输出30连接，输出同轴电缆9与放电模块的正极输出29和负极输出30连接后与汇流盘连接。在分压器35中具有接地装置，用来平衡高压脉冲电容器33两端正负电压。

如图5所示，为该装置的远程控制系统的控制及参数设置界面的上部是6套脉冲大电流发生器、安全连锁设备、同步触发设备的总状态参数显示标签，以及数据存储设备的数据读取功能标签，除了数据读取功能标签，其他标签均会通过颜色表示当前状态信息，包括：红色—故障、绿色—正常、灰色—断网、蓝色—命令反馈。左侧是6套脉冲大电流发生器的设置界面，为方便表述，脉冲大电流发生器简称为电源，包括对投入运行的电源的选择，触发延时设置，充电电压设置及电源当前电压的实时显示(显示当前电源中最低电压的放电模块的电容器电压)，泄放电阻和续流电阻温度的显示以及上限设置，显示参数的采样周期设置。右侧是相应电源中10个模块的投入使用设置以及模块触发的延时设置。所有参数设置完成后，通过下部的保存参数设置按钮完成配置参数下发给各个电源和放电模块的功能，读取上次参数设置可以读取最近一次的各项参数配置，保存后可以按照最近一次的各项参数设置完成本次放电流程。下部是整个脉冲大电流装置的控制功能，包括检测各套投入使用电源的状态是否正常的自检功能，闭合充电继电器的准备充电功能，使充电机开始充电的充电功能，必要时刻断开充电继电器的停止充电功能(正常情况充电到设置电压后自动断开充电继电器)，使放电开始执行短路命令进而实现电源放电的触发功能，释放电容器残余电压即闭合泄放开关的泄放功能，完成一次放电操作后使电源恢复自检前初始状态的复位功能，以及每次放电操作过程倒计时功能。在每次进行触发放电这一流程前，系统会在右上角默认生成此次数据编号，方便数据查找读取。

每套脉冲大电流发生器的详细状态显示通过点击总状态参数显示标签来显示，以CK-A电源为例，如图6所示，界面上部显示当前电源中每个充电机的与远程控制系统的通信状态故障、连接光纤状态故障、充电机开路故障、过压故障、过流故障、温度过高故障、电位不平衡故障，以充电机的与远程控制系统的通信状态故障为例，当此故障发生时，状态指示灯亮起。界面下部显示当前电源中每个放电模块的与远程控制系统的通信状态故障、连接光纤状态故障、触发故障、晶闸管组件均压故障、与晶闸管组件中各个晶闸管连接的触发线故障、二极管组件均压故障、泄放电阻温度、续流电阻温度，以晶闸管均压故障为例，当次故障发生时，状态指示灯亮起。界面右侧显示当前电源本地控制的与远程控制系统的通信状态故障、连接光纤状态故障、触发故障、充电超时故障、高压超时故障、温度过高故障，以连接光纤状态故障为例，当此故障发生时，状态指示灯亮起。

当需要查询某一次放电触发的具体参数状态以及输出电流的波形数据时，可以点击数据读取选项卡进行查看，如图7所示，根据年月日时间操作序号查询所需的数据，并可以进行导出数据或者删除数据操作。根据数据编号查询当前数据信息中，可以显示6套脉冲大电流发生器的基本信息，通过选择具体的脉冲大电流发生器选择下拉标签可以查看具体的信息，包括参数设置信息、电源状态、本空状态、充电机状态、放电模块状态信息。电源状态包括模块投入使用信息、模块触发延时信息、泄放和续流电阻温度信息。本空状态、充电机状态、放电模块状态信息包括如图6所示中的所有信息。

如图8所示，为该装置完整的触发放电实施操作流程装置开始运行后，首先选择需要投入运行的电源以及模块并设置充电电压和触发延时，还要根据需要设置输出的采样周期和泄放、续流电阻的温度上限，所有设置参数保存正常后可以进行下一步操作，此时可以通过点击总状态参数显示标签查看详细的状态信息。一切无问题后，点击自检检测投入运行电源的触发功能、安全连锁功能、同步触发功能等是否正常，总状态参数显示标签显示蓝色表示电源对自检命令反馈正常，红色为故障，需要解决方可执行下一步操作。自检正常后，点击复位使得电源恢复初始化状态，反馈正常后可以进行正式出发放电操作，首先点击待充，闭合充电继电器，完成准备充电动作，然后点击开始充电，充电机开始执行对电容器充电命令，并且计时功能开始进行150s倒计时，电容器上的电压达到设置值后可以自行完成停止充电命令，此时充电继电器断开，或者充电过程进行了120s后自动执行停止充电命令，必要情况可以手动点击停充执行停止充电命令，若充电过程中出现故障情况，根据不同故障情况执行停止充电命令或闭合泄放开关的泄放命令。充电完成后，可以点击触发执行放电开关的短路操作，即脉冲大电流装置对所连接相应的负载线圈进行放电，触发完成后需要点击泄放来执行对电容器上剩余能量的释放动作，必要情况，可以跳过触发动作，直接点击泄放完成对电容器上存储能量的释放，此外，150s倒计时完成后，自动执行泄放动作。以上是用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置一次完整的触发放电实施操作流程，若要继续运行，可以从复位开始重复操作其后的操作流程。

本发明所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置中磁控线圈A、B、C、D、E、F和对应脉冲大电流发生器(简称电源)。6套磁控线圈具有相同的结构、电阻和电感。6套电源采用相同的模块化设计，都具有相同的结构，所以理论上每套电源的输出电流波形相同。每套电源在额定充电电压20kV的情况下，可以为对应的负载线圈提供峰值高达520kA的脉冲电流。

如图9所示，为了满足物理实验的需求，该脉冲电流可在0.11ms时刻达到高于400kA的幅值，并且为了减少电流在负载线圈上的热积累，其电流波形从峰值电流下降到10％峰值电流的持续时间小于0.6ms。必要时，需要直接泄放操作，电容器额定电压20kV可在30s内泄放至安全电压36V。当触发和泄放功能失效时，电容器额定电压20kV可在24小时内降低到安全电压36V。真空室上部的磁控A、B、C线圈与下部的磁控D、E、F线圈沿着真空室中心轴向水平面对称分布，当两组磁控线圈的距离为2m时，在上述电源提供的激励脉冲电流下，可在磁控A、B、C线圈或磁控D、E、F线圈在真空室中心轴向水平面投影位置产生磁感应强度不小于400G的磁场。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情况或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (5)

1.一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，其特征在于，该装置包括6套脉冲功率装置、安全连锁设备（15），同步触发设备（16），数据交换机（17），远程控制系统（21）和数据存储设备（22）；6套脉冲功率装置包括为A套脉冲功率装置（A）、B套脉冲功率装置(B)、C套脉冲功率装置(C)、D套脉冲功率装置（D）、E套脉冲功率装置（E）、F套脉冲功率装置（F）；

6套脉冲功率装置之间并联；

远程控制系统（21）用于与数据交换机（17）之间实现数据交互，完成远程控制；

数据交换机（17）用于与6套脉冲功率装置、安全连锁设备（15）和同步触发设备（16）实现数据交互；

同步触发设备（16）用于触发6套脉冲功率装置；

安全连锁设备（15）用于接收6套脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至同步触发设备（16）；

数据存储设备（22）用于与数据交换机（17）实现数据交互，实现数据存储；

所述6套脉冲功率装置结构相同，均由脉冲大电流发生器经汇流盘为磁控线圈提供激励电流，具体连接方式如下：汇流盘组（8）包括汇流盘A、汇流盘B、汇流盘C、汇流盘D、汇流盘E、汇流盘F；

A套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器A、汇流盘A、磁控A线圈（1）；脉冲大电流发生器A经汇流盘A为磁控A线圈（1）提供激励电流；

B套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器B、汇流盘B、磁控B线圈（2）；脉冲大电流发生器B经汇流盘B为磁控B线圈（2）提供激励电流；

C套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器C、汇流盘C、磁控C线圈（3）；脉冲大电流发生器C经汇流盘C为磁控C线圈（3）提供激励电流；

D套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器D、汇流盘D、磁控D线圈（4）；脉冲大电流发生器D经汇流盘D为磁控D线圈（4）提供激励电流；

E套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器E、汇流盘E、磁控E线圈（5）；脉冲大电流发生器E经汇流盘E为磁控E线圈（5）提供激励电流；

F套脉冲功率装置包括脉冲大电流发生器F、汇流盘F、磁控F线圈（6）；脉冲大电流发生器F经汇流盘F为磁控F线圈（6）提供激励电流；

该装置还包括过渡同轴电缆（7），过渡同轴电缆（7）作为中间传输介质完成汇流盘为磁控线圈提供激励电流；

该装置还包括输出同轴电缆（9），且所述脉冲大电流发生器A、脉冲大电流发生器B、脉冲大电流发生器C、脉冲大电流发生器D、脉冲大电流发生器E和脉冲大电流发生器F结构相同，均由本地控制器（14）、双极性充电机组（12）和放电模块组（10）组成；双极性充电机组（12）包括10个充电机，即充电机1至充电机10，放电模块组（10）包括10个放电模块，即放电模块1至放电模块10；

本地控制器（14）用于接收同步触发设备（16）发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备（15），本地控制器（14）还用于控制双极性充电机组（12）和放电模块组（10）工作，双极性充电机组（12）中的每个充电机对应连接放电模块组（10）中的一个放电模块，即充电机1连接放电模块1，依次类推，充电机10连接放电模块10；

放电模块组（10）通过输出同轴电缆（9）连接汇流盘组（8）；

述放电模块1至放电模块10均包括晶闸管组件（32）、高压脉冲电容器（33）、熔断器（34），分压器（35）、充泄放组件（36）、模块控制器（37）、续流电阻（38）、二极管组件（39）、电压显示器（23）、双极性充电机连接端子（24）、电主机电源插座（25）、控制电源插座（26）、散热风扇（27）、光纤接口（28）、正极输出（29）、负极输出（30）、输出同轴电缆（9）和接地端子（31）；

晶闸管组件（32）用作放电开关；高压脉冲电容器（33）用作储能元件；熔断器（34）用作保护电容器免受短路电流冲击；分压器（35）中具有接地装置，用来平衡电容器两端正负；电压充泄放组件（36）用于集成充电继电器、泄放继电器、接地开关、泄放电阻、保护电阻和保护二极管，模块控制器（37）用于接收本地控制器控制命令、参数设置以及上传本放电模块状态参数，续流电阻（38）用来调节输出电流下降沿波形以及吸收负载上多余能量，二极管组件（39）作为续流开关的；电压显示器（23）用来实时显示放电模块中高压脉冲电容器上的电压；双极性充电机连接端子（24）用于连接双极性充电机组（12）；散热风扇（27）用来快速为放电模块中的元件散热；光纤接口（28）通过光纤与本地控制器连接；正极输出（29）用来引出放电模块中高压脉冲电容器的正极并连接输出同轴电缆（9）的内芯；负极输出（30）用来引出放电模块中高压脉冲电容器的负极并连接输出同轴电缆（9）的外芯；输出同轴电缆（9）用来传输放电模块的输出电流；接地端子（31）用来连接输出同轴电缆（9）的屏蔽层从而减小电磁干扰。

2.根据权利要求1所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，其特征在于，该装置还包括UPS（19），UPS（19）用于为数据交换机（17）、安全连锁设备（15）和同步触发设备（16）供电。

3.根据权利要求2所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，其特征在于，该装置还包括放电模块货架（11）、充电机货架（13）和机柜（18），所述充电机货架（13）用于放置双极性充电机组（12）和本地控制器（14）；

所述放电模块货架（11）用于放置放电模块组（10）；所述机柜（18）用于放置数据交换机（17）、同步触发设备（16）、安全连锁设备（15）以及UPS（19）。

4.根据权利要求3所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，其特征在于，所述放电模块组（10）中的10个放电模块结构相同，即放电模块1至放电模块10结构均相同。

5.根据权利要求4所述的一种用于调控模拟磁层顶磁场位形的脉冲功率装置，其特征在于，该装置还包括光纤（20），所述远程控制系统（21）、数据存储设备（22）、数据交换机（17）、安全连锁设备（15）和同步触发设备（16）构成用于调控模拟磁层顶磁场位形脉冲功率装置控制系统，远程控制系统（21）通过光纤（20）与数据交换机（17）连接，数据交换机（17）通过光纤（20）与本地控制器（14）、安全连锁设备（15）、同步触发设备（16）数据存储设备（22）连接；安全连锁设备（15）和同步触发设备（16）分别通过光纤（20）与本地控制器（14）连接；安全连锁设备（15）和同步触发设备（16）之间通过光纤（20）连接。

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