CN114337349A - 一种用于模拟太阳风的脉冲功率源 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，涉及脉冲功率技术领域，它包括数据采集与控制系统、数据交换机、延时同步器、安全连锁设备、N套极向场PF脉冲功率源、N套环向场TF脉冲功率源。数据采集与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、数据采集和存储；数据交换机用于与8套脉冲功率源、安全连锁设备和延时同步器实现数据交互；延时同步器用于触发各套脉冲功率源；安全连锁设备用于接收各套脉冲功率装置输出的故障信号，并发出锁定信号至延时同步器。本发明能够为磁鞘线圈提供激励电流产生模拟的太阳风从而驱动磁鞘侧磁重联实验。

Description

一种用于模拟太阳风的脉冲功率源

技术领域

本发明专利涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于模拟太阳风的脉冲功率技术。

背景技术

太阳大气层最外层的日冕层中，高温高压的日冕等离子体向外膨胀形成的高速粒子流称为：太阳风，由于冻结效应，太阳磁场被太阳风带向星际空间形成行星际磁场。当太阳风在星际空间遇到地球时，由于地球电离层中的中性气体已经被完全电离，所以当太阳风遇到这些等离子体时，它们之间将会发生强烈的相互作用，加之地球地磁场的影响，使得地球周围磁场和等离子具有独特的结构和分布。

在地球的向阳面，受到地球磁场的磁压和逆磁电流的安培力的阻挡作用，在离地球13个地球半径处，形成弓形激波，在弓形激波的下游，太阳风以亚音速向地球侧运动，由于地球磁压的不断增强，在离地球距离约10个地球半径处，太阳风将被磁压所阻止，形成阻挡层，这时太阳风只能沿这一阻挡层的外侧向前运动，该阻挡层称为磁层顶，弓形激波面与磁层顶之间的区域称为磁鞘，在该区域会产生磁重联现象，磁重联是天体物理中一种非常重要的快速能量释放过程，也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。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。磁重联过程重组磁场拓扑位形，能在极短的时间内将磁能转化为等离子体的动能和热能，其相关研究对于灾害性空间天气的防范具有重要意义，而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鞘侧磁重联现象，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，并且地面实验室环境的空间尺度和环境参数要与真实环境相匹配。

太阳风能够向磁层提供粒子、动量和能量，是磁鞘侧磁重联产生的驱动因素，所以要想完成磁鞘侧磁重联模拟实验，就需要产生近似真实的模拟太阳风。由于太阳风中包含行星际磁场和等离子体，所以在空间等离子体环境模拟与研究系统中使用4组磁鞘线圈模拟太阳风，每组磁鞘线圈又由1个极向场（PF）线圈和环向场（TF）线圈组成，每个PF线圈和TF线圈又分别由4个子线圈组成，其中PF线圈用来产生行模拟的星际磁场，而TF线圈通过电感耦合产生等离子体。通常在地面实验室中进行模拟磁重联实验的主要手段是使用脉冲功率源为线圈提供激励电流，因此，如何通过使用脉冲功率源为磁鞘线圈提供激励电流，从而在磁鞘侧磁重联实验中产生模拟的太阳风，以及通过改变脉冲功率源所提供激励电流的大小来改变模拟太阳风的状态，从而满足不同的物理实验需求，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在空间等离子体环境模拟与研究系统中，如何解决为磁鞘线圈提供激励电流产生模拟的太阳风从而驱动磁鞘侧磁重联实验的问题，以及解决通过改变脉冲功率源所提供激励电流的大小来改变模拟太阳风的状态来满足不同物理实验需求的问题。。

本发明采用的技术方案是：

一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，该脉冲功率源包括数据采集与控制系统1、数据交换机2、延时同步器3、安全连锁设备4、N套极向场PF脉冲功率源和N套环向场TF脉冲功率源，N为正整数，每套PF脉冲功率源包括PF-A脉冲功率源5、PF-B脉冲功率源6、PF-C脉冲功率源9和PF-D脉冲功率源11；每套TF脉冲功率源包括TF-A脉冲功率源7、TF-B脉冲功率源8、TF-C脉冲功率源10和TF-D脉冲功率源12。

数据采集与控制系统1用于与数据交换机2之间实现数据交互，完成远程控制以及数据采集和存储。

数据交换机2用于与4套PF脉冲功率源、4套TF脉冲功率源、安全连锁设备4和延时同步器3实现数据交互；

延时同步器3用于触发4套PF脉冲功率源和N套TF脉冲功率源；

安全连锁设备4用于接收4套PF脉冲功率源和N套TF脉冲功率源输出的故障信号，并发出锁定信号至延时同步器3；

本发明中，每套PF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成。每套PF脉冲功率源用于为对应的PF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风的行星际磁场。

每套脉冲功率源的充电机组由9台结构和功能相同的高功率双极性充电机构成，9台双极性充电机并联后再与放电模块组中的放电模块连接，从而在充电过程中，如果有某台双极性充电机故障，仍然可以为放电模块中的储能元件进行充电，这种连接方式下，双极性充电机的位置顺序可以不与放电模块进行对应，可以随意更换。

每套脉冲功率源的放电模块组由9台放电模块组成，9台放电模块中有1台为主模块，具有续流电流测量和电容电压测量的功能，其余8台放电模块除了不具有上述两个功能外其余结构和功能均与主模块相同。每台放电模块连接一条输出同轴电缆，其输出和输入端连接分同轴电缆的内芯和外芯，同轴电缆的另一端连接汇流盘。

本地控制器通过光纤与充电机组和放电模块组连接，用于接收延时同步器发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备，本地控制器还用于控制充电机组和放电模块组工作。

汇流盘输入端连接9台放电模块的输出同轴电缆，用于将9台放电模块的输出电流汇聚为总电流，并分离同轴电缆的内芯电流流出端和外芯电流流回端。汇流盘的输出端并联连接8根过渡同轴电缆，从而保证同轴电缆在强脉冲电流下耐受能力，过渡同轴电缆可以根据实际场地的安装条件灵活设置长度，方便与负载进行连接。

接线盘一共4个，每个的输出端与对应的4个PF子线圈的输入输出端连接，每个接线盘的输入端连接2条过渡同轴电缆，接线盘是脉冲功率源与负载的连接点。

本发明中，每套TF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成。每套TF脉冲功率源用于为对应的TF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风中的等离子体。充电机组由4台结构和功能相同的低功率双极性充电机构成，放电模块组由4台放电模块组成。其他结构和功能均与PF脉冲功率源相同。

本发明中，每套PF脉冲功率源和每套TF脉冲功率源的放电模块都由充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元、正极输出、负极输出和状态监测组成。除此之外，每套脉冲功率源的主放电模块还具有电容电压测量单元和续流电流测量单元。4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源的所有放电模块除了储能单元和续流单元所使用的元件参数不同外，其余结构和功能完全相同。PF脉冲功率源的储能单元使用560 μF高压脉冲电容器，TF脉冲功率源的储能单元使用320 μF高压脉冲电容器；PF脉冲功率源的续流单元中的续流电阻为144 mΩ, TF脉冲功率源的续流单元中的续流电阻为100 mΩ。

充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元依次串联，充电保护单元两个输入端连接双极性充电机的输出端，放电开关单元的输出端为正极输出和负极输出，用于连接输出同轴电缆的内芯和外芯。充电保护单元用于在充电过程中放电开关单元出现误触发的情况下，且充电保护单元内部充电开关没有断开的情况下保护双极性充电机免收电位不平衡冲击和倒灌脉冲大电流的冲击；电容泄放单元用于在放电模块触发放电输出完脉冲电流后，释放高压脉冲电容器剩余能量，或者在不需要触发放电的情况下，直接释放高压脉冲电容器中的能量；电容均压单元用于平衡高压脉冲电容器两端电压，使其保持正负极性均衡；接地单元用于在脉冲功率源不使用的情况下使得高压脉冲电容器接地；储能单元为高压脉冲电容器，用于接收双极性充电机充能，储能并释放电能；续流单元包括续流电阻和续流开关，用于保护高压脉冲电容器，防止震荡电流对高压脉冲电容器的损坏，同时通过续流电阻可以调节电流下降沿波形；放电开关单元为短路开关，用于接收本地控制器下发的触发信号进行短路后放电；正极输出和负极输出用于连接输出同轴电缆的内芯和外芯，输出的脉冲电流通过内芯流出，通过外芯流回；状态监测分别连接电容泄放单元、续流单元和放电开关单元，用于监测泄放单元中泄放电阻的温度，续流单元中续流电阻的温度，续流单元中续流开关和放电开关单元中放电开关的状态；对于主放电模块电容电压测量单元与电容均压单元连接用于测量电容上的电压，续流电流测量单元与续流单元连接用于测量续流单元中的续流电流。

本发明中，所述4套PF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.11 ms处产生不小于360 kA的幅值；4套TF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.08 ms处产生不小于200 kA的幅值。PF脉冲功率源和TF脉冲功率源同时放电，分别为PF线圈和TF线圈提供激励电流，PF线圈产生行模拟的星际磁场，TF线圈通过感应耦合方式产生等离子体，等离子体在磁压的作用下随着模拟的行星际磁场向外扩散，从而形成模拟的太阳风。

有益效果：本发明所述脉冲功率源，能够为4组磁鞘线圈提供激励电流产生模拟的太阳风从而驱动磁鞘侧磁重联实验，并且通过改变脉冲功率源所提供激励电流的大小来改变模拟太阳风的状态来满足不同物理实验需求。

本发明中所述装置的有益效果是：1）可以使用该脉冲功率源为4组磁鞘线圈提供激励电流产生模拟的太阳风从而驱动磁鞘侧磁重联实验；2）该装置可以通过调整充电电压或者调整投入使用的放电模块来改变输出电流，从而为4组磁鞘线圈提供不同的激励脉冲电流，从而满足不同的物理实验需求。

附图说明

图1为一种用于模拟太阳风的脉冲功率源的拓扑结构示意图；

图2为一种用于模拟太阳风的脉冲功率源中的一套磁鞘极向场脉冲功率源的结构示意图；

图3为一种用于模拟太阳风的脉冲功率源中的一套磁鞘环向场脉冲功率源的结构示意图；

图4为放电模块的拓扑结构示意图；

图5为一种用于模拟太阳风的脉冲功率源中两种脉冲功率源的输出电流波形；

图6为模拟太阳风的产生原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1至5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，该脉冲功率源包括数据采集与控制系统1、数据交换机2、延时同步器3、安全连锁设备4、4套极向场（PF）脉冲功率源、4套环向场（TF）脉冲功率源。4套PF脉冲功率源包括PF-A脉冲功率源5、PF-B脉冲功率源6、PF-C脉冲功率源9和PF-D脉冲功率源11；4套TF脉冲功率源包括TF-A脉冲功率源7、TF-B脉冲功率源8、TF-C脉冲功率源10和TF-D脉冲功率源12。

数据采集与控制系统1用于与数据交换机2之间实现数据交互，完成远程控制以及数据采集和存储。

数据交换机2用于与4套PF脉冲功率源、4套TF脉冲功率源、安全连锁设备和延时同步器实现数据交互；

延时同步器用于触发4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源；

安全连锁设备4用于接收4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源输出的故障信号，并发出锁定信号至延时同步器3。

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模拟太阳风的脉冲功率源的进一步说明，本实施方式中，每套PF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成。每套PF脉冲功率源用于为对应的PF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风的行星际磁场。

每套脉冲功率源的充电机组由9台结构和功能相同的高功率双极性充电机构成，9台双极性充电机并联后再与放电模块组中的放电模块连接，从而在充电过程中，如果有某台双极性充电机故障，仍然可以为放电模块中的储能元件进行充电，这种连接方式下，双极性充电机的位置顺序可以不与放电模块进行对应，可以随意更换。

每套脉冲功率源的放电模块组由9台放电子模块组成，9台放电子模块中有1台为主模块，具有续流电流测量和电容电压测量的功能，其余8台放电子模块除了不具有上述两个功能外其余结构和功能均与主模块相同。每台放电子模块连接一条输出同轴电缆，其输出和输入端连接分同轴电缆的内芯和外芯，同轴电缆的另一端连接汇流盘。

本地控制器通过光纤与充电机组和放电模块组连接，用于接收延时同步器发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备，本地控制器还用于控制充电机组和放电模块组工作。

汇流盘输入端连接9台放电模块的输出同轴电缆，用于将9台放电模块的输出电流汇聚为总电流，并分离同轴电缆的内芯电流流出端和外芯电流流回端。汇流盘的输出端并联连接8根过渡同轴电缆，从而保证同轴电缆在强脉冲电流下耐受能力，过渡同轴电缆可以根据实际场地的安装条件灵活设置长度，方便与负载进行连接。

接线盘一共4个，每个的输出端与对应的4个PF子线圈的输入输出端连接，每个接线盘的输入端连接2条过渡同轴电缆，接线盘是脉冲功率源与负载的连接点。

具体实施方式三、本实施方式时对实施方式一所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源的进一步说明，本实施方式中，4套TF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成。每套TF脉冲功率源用于为对应的TF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风中的等离子体。充电机组由4台结构和功能相同的低功率双极性充电机构成，放电模块组由4台放电模块组成。其他结构和功能均与PF脉冲功率源相同。

具体实施方式四、本实施方式时对实施方式二和实施方式三所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源的进一步说明，本实施方式中，所述4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源的放电模块都由充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元、正极输出、负极输出和状态监测组成。除此之外，每套脉冲功率源的主放电模块还具有电容电压测量单元和续流电流测量单元。4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源的所有放电模块除了储能单元和续流单元所使用的元件参数不同外，其余结构和功能完全相同。PF脉冲功率源的储能单元使用560 μF高压脉冲电容器，TF脉冲功率源的储能单元使用320 μF高压脉冲电容器；PF脉冲功率源的续流单元中的续流电阻为144 mΩ, TF脉冲功率源的续流单元中的续流电阻为100 mΩ。

充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元依次串联，充电保护单元两个输入端连接双极性充电机的输出端，放电开关单元的输出端为正极输出和负极输出，用于连接输出同轴电缆的内芯和外芯。充电保护单元用于在充电过程中放电开关单元出现误触发的情况下，且充电保护单元内部充电开关没有断开的情况下保护双极性充电机免收电位不平衡冲击和倒灌脉冲大电流的冲击；电容泄放单元用于在放电模块触发放电输出完脉冲电流后，释放高压脉冲电容器剩余能量，或者在不需要触发放电的情况下，直接释放高压脉冲电容器中的能量；电容均压单元用于平衡高压脉冲电容器两端电压，使其保持正负极性均衡；接地单元用于在脉冲功率源不使用的情况下使得高压脉冲电容器接地；储能单元为高压脉冲电容器，用于接收双极性充电机充能，储能并释放电能；续流单元包括续流电阻和续流开关，用于保护高压脉冲电容器，防止震荡电流对高压脉冲电容器的损坏，同时通过续流电阻可以调节电流下降沿波形；放电开关单元为短路开关，用于接收本地控制器下发的触发信号进行短路后放电；正极输出和负极输出用于连接输出同轴电缆的内芯和外芯，输出的脉冲电流通过内芯流出，通过外芯流回；状态监测分别连接电容泄放单元、续流单元和放电开关单元，用于监测泄放单元中泄放电阻的温度，续流单元中续流电阻的温度，续流单元中续流开关和放电开关单元中放电开关的状态；对于主放电模块电容电压测量单元与电容均压单元连接用于测量电容上的电压，续流电流测量单元与续流单元连接用于测量续流单元中的续流电流。

具体实施方式五、本实施方式时对实施方式一所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源的进一步说明，本实施方式中，所述4套PF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.11 ms处产生不小于360 kA的幅值；4套TF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.08 ms处产生不小于200 kA的幅值。PF脉冲功率源和TF脉冲功率源同时放电，分别为PF线圈和TF线圈提供激励电流，PF线圈产生行模拟的星际磁场，TF线圈通过感应耦合方式产生等离子体，等离子体在磁压的作用下随着模拟的行星际磁场向外扩散，从而形成模拟的太阳风。

具体实施方式六、本实施方式时对实施方式一所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源的进一步说明，本实施方式中，所述4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源均可以通过改变充电电压和投入使用的放电模块来改变输出电流。通过数据采集与控制系统输入充电电压，充电压不超过20 kV，根据不同的实验需求输入不同的充电电压可以改变每套脉冲功率源输出电流的幅值；通过改变每套PF脉冲功率源和TF脉冲功率源中投入使用的放电模块的数量可以改变每套脉冲功率源输出电流的前沿波形。

实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，该脉冲功率源包括数据采集与控制系统、数据交换机、延时同步器、安全连锁设备、4套极向场（PF）脉冲功率源、4套环向场（TF）脉冲功率源。4套PF脉冲功率源包括PF-A脉冲功率源、PF-B脉冲功率源、PF-C脉冲功率源和PF-D脉冲功率源；4套TF脉冲功率源包括TF-A脉冲功率源、TF-B脉冲功率源、TF-C脉冲功率源和TF-D脉冲功率源。

数据采集与控制系统用于与数据交换机之间实现数据交互，完成远程控制以及数据采集和存储。

数据交换机用于与4套PF脉冲功率源、4套TF脉冲功率源、安全连锁设备和延时同步器实现数据交互；

延时同步器用于触发4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源；

安全连锁设备用于接收4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源输出的故障信号，并发出锁定信号至延时同步器。

如图2所示，图中为4套PF脉冲功率源中的一套的结构示意图，4套PF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成。每套PF脉冲功率源用于为对应的PF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风的行星际磁场。

每套脉冲功率源的充电机组由9台结构和功能相同的高功率双极性充电机构成，9台双极性充电机并联后再与放电模块组中的放电模块连接，从而在充电过程中，如果有某台双极性充电机故障，仍然可以为放电模块中的储能元件进行充电，这种连接方式下，双极性充电机的位置顺序可以不与放电模块进行对应，可以随意更换。

每套脉冲功率源的放电模块组由9台放电子模块组成，9台放电子模块中有1台为主模块，具有续流电流测量和电容电压测量的功能，其余8台放电子模块除了不具有上述两个功能外其余结构和功能均与主模块相同。每台放电子模块连接一条输出同轴电缆，其输出和输入端连接分同轴电缆的内芯和外芯，同轴电缆的另一端连接汇流盘。

本地控制器通过光纤与充电机组和放电模块组连接，用于接收延时同步器发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备，本地控制器还用于控制充电机组和放电模块组工作。

汇流盘输入端连接9台放电模块的输出同轴电缆，用于将9台放电模块的输出电流汇聚为总电流，并分离同轴电缆的内芯电流流出端和外芯电流流回端。汇流盘的输出端并联连接8根过渡同轴电缆，从而保证同轴电缆在强脉冲电流下耐受能力，过渡同轴电缆可以根据实际场地的安装条件灵活设置长度，方便与负载进行连接。

接线盘一共4个，每个的输出端与对应的4个PF子线圈的输入输出端连接，每个接线盘的输入端连接2条过渡同轴电缆，接线盘是脉冲功率源与负载的连接点。

如图3所示，图中为4套TF脉冲功率源中的一套结构示意图，4套TF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成。每套TF脉冲功率源用于为对应的TF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风中的等离子体。充电机组由4台结构和功能相同的低功率双极性充电机构成，放电模块组由4台放电模块组成。其他结构和功能均与PF脉冲功率源相同。

如图4所示，为所述的放电模块的拓扑结构，4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源的放电模块都由充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元、正极输出、负极输出和状态监测组成。除此之外，每套脉冲功率源的主放电模块还具有电容电压测量单元和续流电流测量单元。4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源的所有放电模块除了储能单元和续流单元所使用的元件参数不同外，其余结构和功能完全相同。PF脉冲功率源的储能单元使用560 μF高压脉冲电容器，TF脉冲功率源的储能单元使用320 μF高压脉冲电容器；PF脉冲功率源的续流单元中的续流电阻为144 mΩ, TF脉冲功率源的续流单元中的续流电阻为100 mΩ。

充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元依次串联，充电保护单元两个输入端连接双极性充电机的输出端，放电开关单元的输出端为正极输出和负极输出，用于连接输出同轴电缆的内芯和外芯。充电保护单元用于在充电过程中放电开关单元出现误触发的情况下，且充电保护单元内部充电开关没有断开的情况下保护双极性充电机免收电位不平衡冲击和倒灌脉冲大电流的冲击；电容泄放单元用于在放电模块触发放电输出完脉冲电流后，释放高压脉冲电容器剩余能量，或者在不需要触发放电的情况下，直接释放高压脉冲电容器中的能量；电容均压单元用于平衡高压脉冲电容器两端电压，使其保持正负极性均衡；接地单元用于在脉冲功率源不使用的情况下使得高压脉冲电容器接地；储能单元为高压脉冲电容器，用于接收双极性充电机充能，储能并释放电能；续流单元包括续流电阻和续流开关，用于保护高压脉冲电容器，防止震荡电流对高压脉冲电容器的损坏，同时通过续流电阻可以调节电流下降沿波形；放电开关单元为短路开关，用于接收本地控制器下发的触发信号进行短路后放电；正极输出和负极输出用于连接输出同轴电缆的内芯和外芯，输出的脉冲电流通过内芯流出，通过外芯流回；状态监测分别连接电容泄放单元、续流单元和放电开关单元，用于监测泄放单元中泄放电阻的温度，续流单元中续流电阻的温度，续流单元中续流开关和放电开关单元中放电开关的状态；对于主放电模块电容电压测量单元与电容均压单元连接用于测量电容上的电压，续流电流测量单元与续流单元连接用于测量续流单元中的续流电流。

如图5和图6所示，4套PF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.11 ms处产生不小于360 kA的幅值；4套TF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.08 ms处产生不小于200 kA的幅值。PF脉冲功率源和TF脉冲功率源同时放电，分别为PF线圈和TF线圈提供激励电流，PF线圈产生行模拟的星际磁场，TF线圈通过感应耦合方式产生等离子体，等离子体在磁压的作用下随着模拟的行星际磁场向外扩散，从而形成模拟的太阳风。

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 (8)

1.一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，该脉冲功率源包括数据采集与控制系统(1)、数据交换机(2)、延时同步器（3）、安全连锁设备（4）、N套极向场PF脉冲功率源和N套环向场TF脉冲功率源，N为正整数；

所述数据采集与控制系统（1）用于与数据交换机（2）之间实现数据交互，完成远程控制、数据采集和数据存储；

所述数据交换机（2）用于与N套PF脉冲功率源、N套TF脉冲功率源、安全连锁设备（4）和延时同步器（3）实现数据交互；

所述延时同步器（3）用于触发所述N套PF脉冲功率源和所述N套TF脉冲功率源；

所述安全连锁设备用于接收所述N套PF脉冲功率源和所述N套TF脉冲功率源输出的故障信号，并发出锁定信号至延时同步器（3）。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，所述N套PF脉冲功率源包括PF-A脉冲功率源、PF-B脉冲功率源、PF-C脉冲功率源和PF-D脉冲功率源；所述N套TF脉冲功率源包括TF-A脉冲功率源、TF-B脉冲功率源、TF-C脉冲功率源和TF-D脉冲功率源。

3.根据权利要求2所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，每套PF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘和接线盘组成，每套PF脉冲功率源用于为对应的PF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风的行星际磁场，每套脉冲功率源的充电机组由M台结构和功能相同的高功率双极性充电机构成，M为正整数，每台双极性充电机并联后再与放电模块组中的放电模块连接，从而在充电过程中，如果有其中一台双极性充电机故障，仍然能够为放电模块中的储能元件进行充电，这种连接方式下，双极性充电机的位置顺序能够不与放电模块进行对应，能够随意更换，每套脉冲功率源的放电模块组由M台放电子模块组成，每台放电子模块中有1台为主模块，具有续流电流测量和电容电压测量的功能，其余M-1台放电子模块除了不具有上述两个功能外其余结构和功能均与主模块相同，每台放电子模块连接一条输出同轴电缆，且其输出端和输入端分别连接该同轴电缆的内芯和外芯，同轴电缆的另一端连接汇流盘，本地控制器通过光纤与充电机组和放电模块组连接，用于接收延时同步器（3）发出的触发信号，还用于上报故障信号至安全连锁设备（4），本地控制器还用于控制充电机组和放电模块组工作，汇流盘输入端连接M台放电模块的输出同轴电缆，用于将M台放电模块的输出电流汇聚为总电流，并分离同轴电缆的内芯电流流出端和外芯电流流回端，汇流盘的输出端并联连接8根过渡同轴电缆，从而保证同轴电缆在强脉冲电流下耐受能力，过渡同轴电缆能够根据实际场地的安装条件灵活设置长度，方便与负载进行连接，接线盘一共K个，K为正整数，每个接线盘的输出端与对应的4个PF子线圈的输入输出端连接，每个接线盘的输入端连接2条过渡同轴电缆，接线盘是脉冲功率源与负载的连接点。

4.根据权利要求3所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，每套TF脉冲功率源结构相同，均由充电机组、放电模块组、本地控制器、汇流盘、接线盘组成，每套TF脉冲功率源用于为对应的TF线圈提供激励电流，用于产生模拟太阳风中的等离子体，充电机组由N台结构和功能相同的低功率双极性充电机构成，放电模块组由N台放电模块组成，其他结构和功能均与PF脉冲功率源相同。

5.根据权利要求4所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，每套PF脉冲功率源和每套TF脉冲功率源的放电模块都由充电保护单元、电容泄放单元、电容均压单元、接地单元、储能单元、续流单元、放电开关单元、正极输出、负极输出和状态监测组成，除此之外，每套脉冲功率源的放电模块组的主放电模块还具有电容电压测量单元和续流电流测量单元，4套PF脉冲功率源和4套TF脉冲功率源的所有放电模块除了储能单元和续流单元所使用的元件参数不同外，其余结构和功能完全相同。

6.根据权利要求5所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，PF脉冲功率源和TF脉冲功率源同时放电，分别为PF线圈和TF线圈提供激励电流，PF线圈产生行模拟的星际磁场，TF线圈通过感应耦合方式产生等离子体，等离子体在磁压的作用下随着模拟的行星际磁场向外扩散，从而形成模拟的太阳风。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，每套PF脉冲功率源输出电流波形相同，典型工作模式下输出的脉冲电流要在0.11 ms处产生不小于360kA的幅值；N套TF脉冲功率源输出电流波形均相同，典型工作模式下输出的脉冲电流在0.08ms处产生不小于200 kA的幅值。

8.根据权利要求1所述的一种用于模拟太阳风的脉冲功率源，其特征在于，所述N套PF脉冲功率源和N套TF脉冲功率源均可以通过改变充电电压和投入使用的放电模块来改变输出电流，通过数据采集与控制系统输入充电电压，充电压不超过20 kV，根据不同的实验需求输入不同的充电电压能够改变每套脉冲功率源输出电流的幅值；通过改变每套PF脉冲功率源和TF脉冲功率源中投入使用的放电模块的数量能够改变每套脉冲功率源输出电流的前沿波形。

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