CN115206627B - 一种平顶脉冲磁场产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平顶脉冲磁场产生装置，属于强磁场技术领域。包括：第一电路和第二电路；所述第一电路，用于产生稳定度不超过1*104ppm的平顶脉冲磁场；所述第二电路，用于产生与平顶磁场方向相反且磁场峰值为1T以内的叠加磁场。本发明在现有第一电路之外，增加了第二电路，该第二电路产生与平顶磁场方向相反且磁场峰值为1T以内的叠加磁场，与磁场线圈产生的原始平顶脉冲磁场进行叠加，与平顶磁场叠加产生磁场强度高，平顶持续时间长，稳定度高的平顶脉冲磁场，突破了平顶脉冲磁场的技术瓶颈。

Description

一种平顶脉冲磁场产生装置
技术领域
本发明属于强磁场技术领域，更具体地，涉及一种平顶脉冲磁场产生装置。
背景技术
平顶脉冲磁场综合了稳态磁场高稳定度和脉冲磁场高场强的优势，能在较高磁场水平(>40T)维持毫秒级以上的稳定磁场值，是大功率太赫兹源、高精度比热测量、高场核磁共振等前沿基础科学重要的实验工具。
带可控整流器的飞轮驱动交流发电机具有能量高、存储密度大及可控性好的优点，可通过调整受控整流器的触发角来控制电流波形从而产生平顶脉冲磁场，是获得平顶脉冲磁场的经典方法。由于整流器纹波的影响，发电机的输出电流会存在一定的纹波振荡，并且不能被滤波器完全消除，因此，以脉冲发电机为电源获得的平顶脉冲磁场波形不够平滑，磁场稳定度不高。对于蓄电池型电源供电的磁体，可通过电流旁路系统向磁体中注入电流或者吸收部分电源输出电流来得到一定脉宽的平顶磁场，但受蓄电池输出功率限制，难以实现高场强的平顶脉冲强磁场。
对于采用电容器型电源放电运行的脉冲强磁场系统，放电电流变化快、脉宽短使得电流波形难以通过电路进行直接的调控。为了以一种简单且经济的方式获得平顶脉冲磁场，2014年武汉国家脉冲强磁场科学中心提出了一种创新的平顶脉冲磁场产生系统，该系统有两套电容器型电源，这些电容器组用作两个放电电路(磁体回路和辅助电路)的电源，磁体回路产生典型的脉冲磁场，通过辅助电路抑制磁体回路峰值附近的磁场，使得脉冲顶部变得平坦。目前，武汉国家脉冲强磁场科学中心使用该技术已经产生磁场强度64T，平顶时间10ms的平顶脉冲磁场。但该平顶脉冲磁场的稳定度仅为3000ppm，难以满足目前大功率太赫兹源、高精度比热测量、高场核磁共振等前沿基础科学实验需要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平顶脉冲磁场产生装置，旨在解决现有技术中平顶脉冲磁场稳定度低、强度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种平顶脉冲磁场产生装置，包括：第一电路和第二电路；所述第一电路，用于产生稳定度不超过1*104ppm的平顶脉冲磁场；所述第二电路，用于产生与平顶磁场方向相反且磁场峰值为1T以内的叠加磁场。
优选地，所述第二电路包括依次串联的调波电源、调波线圈、缓冲电感及缓冲电阻；所述调波线圈包括同轴放置的第一补偿线圈、主线圈和第二补偿线圈；所述主线圈位于第一电路中磁体线圈的磁体孔径正中心；所述第一补偿线圈与第二补偿线圈结构参数完全一致，并对称分布在所述主线圈的上下两侧；所述调波电源，用于产生与通入第一电路中磁体线圈电流波形一致的电流波形。
需要说明的是，本发明采用2个补偿线圈及1个主线圈的结构绕制，主线圈产生与磁场线圈反向的调节磁场，与磁场线圈产生的原始平顶脉冲磁场进行叠加产生高稳定度的平顶脉冲磁场。一方面，对称分布的补偿线圈使得主线圈与磁体线圈等效解耦，避免了在磁场叠加时主线圈因电磁耦合产生磁场误差，能得到精确的高稳定度平顶脉冲磁场。另一方面，所述调波电源由信号发生器和功率放大器组成，对于信号发生器能产生的波形，均能通过功率放大器产生相同波形的电流，从而通过调波线圈得到对应的调节磁场，可控度高，产生波形种类多。
优选地，所述第一补偿线圈与第二补偿线圈的绕制匝数低于主线圈。
需要说明的是，本发明优选第一补偿线圈及第二补偿线圈的匝数低于主线圈，降低其与主线圈的耦合效应，更好地对磁体线圈及主线圈进行等效解耦。
优选地，所述第一补偿线圈与主线圈之间的距离与主线圈绕制高度为同一个量级。
需要说明的是，由于主线圈放置于磁体线圈孔径的正中心，当补偿线圈与主线圈之间的距离过大时，磁体线圈与补偿线圈的耦合效应弱，不能实现磁体线圈与主线圈较好效果的等效解耦。当补偿线圈与主线圈之间的距离过小时，补偿线圈与主线圈的耦合效应强，影响调波线圈的磁场调节精度。因此本发明优选上述间距，实现主线圈与磁体线圈更好地等效解耦。
优选地，所述缓冲电感的电感值为调波线圈的0.5倍～1倍。
需要说明的是，较大的缓冲电感能有效防止匀场电路的电流瞬间过大，保护其放电安全。而缓冲电感太大将影响调波线圈的输入电流，从而影响匀场电路的磁场调节能力，因此本发明优选上述电感值，实现不影响调波线圈的输入电流的情况下，保证匀场电路的放电安全。
优选地，所述缓冲电阻的电阻值为调波线圈的0.5倍～1倍。
需要说明的是，本发明优选上述电阻值，该阻值的缓冲电阻能分担匀场电路的热功率，实现降低调波线圈温度的效果。
优选地，所述第一电路包括并联的n个放电回路和磁体线圈，n为不小于2的正整数。
需要说明的是，本发明优选上述第一电路，由于所述第一电路只需要一套控制系统、一个磁体线圈便能实现平顶脉冲磁场，通过增加放电回路n的个数，便能得到更长的平顶时间。
优选地，所述放电回路包括：电容器电源、续流回路、开关；所述续流回路包括：续流电阻及单向导通元件；所述续流电阻第一端与单向导通元件的正极端连接，第二端与所述电容器电源的负极端连接；所述电容器电源的正极端与所述单向导通元件的负极端连接；所述开关的正极端与所述电容器电源正极端连接；所述磁体线圈的正极端与所述开关的负极端连接，所述磁体线圈的负极端与所述电容器电源的负极端连接。
需要说明的是，本发明优选上述放电回路，所述放电回路触发后，在所述电容器电源电压为正时，所述电容器电源、所述磁体线圈构成典型的RLC放电回路，产生脉冲向上的磁场。当所述电容器电源电压为负时，放电回路通过所述续流电阻及所述单向导通元件续流，脉冲磁场逐渐降低，产生类似正弦波的脉冲磁场。并配合n个放电回路，实现平顶脉冲磁场。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明提出一种平顶脉冲磁场产生装置，在现有第一电路之外，增加了第二电路，第二电路产生与平顶磁场方向相反且磁场峰值为1T以内的叠加磁场，与第一电路产生的该“波浪”形磁场进行叠加后，产生磁场强度高，平顶持续时间长，稳定度高的平顶脉冲磁场，突破了平顶脉冲磁场的技术瓶颈。此外，本发明避免在第一电路中串联大电感，能有效提高磁体线圈产生的磁场强度。
附图说明
图1是本发明提供的一种平顶脉冲磁场产生装置拓扑结构。
图2是本发明实施例提供的调波线圈结构示意图。
图3是本发明实施例提供的当具有6个放电回路时的高稳定度平顶脉冲磁场产生装置的电路拓扑结构。
图4是本发明实施例提供的不加入调波线圈时产生的稳定度较低的平顶脉冲磁场波形。
图5是本发明实施例提供的磁体线圈及调波线圈的相对位置结构图。
图6是本发明实施例提供的磁体线圈及调波线圈的电流波形。
图7是本发明实施例提供的未调波和调波的平顶磁场波形对比图。
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。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明提供的一种平顶脉冲磁场产生装置拓扑结构。如图1所示，所述平顶脉冲磁场产生装置，包括：第一电路及第二电路；所述第一电路，用于产生稳定度不超过1*104ppm的平顶脉冲磁场，电容型或者电机型均可；所述第二电路，用于产生与平顶磁场方向相反且磁场峰值为1T以内的叠加磁场。
具体地，所述第一电路包括：n个放电回路及磁体线圈，n为不小于2的正整数。n∈[2,20]，n越大，在磁体温升满足要求的情况下，平顶磁场的持续时间越长。
具体地，所述放电回路包括：电容器电源、续流回路、开关；所述续流回路包括：续流电阻及单向导通元件。
具体地，所述续流电阻第一端与单向导通元件的正极端连接，所述续流电阻第二端与所述电源的负极端连接，所述电源的正极端与所述单向导通元件的负极端连接，所述开关的正极端与所述电源正极端连接。
具体地，所述磁体线圈的正极端与所述开关的负极端连接，所述磁体线圈的负极端与所述电源的负极端连接。
具体地，先将所述n个电源充电至指定电压，接着触发n个所述开关对所述磁体线圈瞬间放电。
具体地，通过控制n个放电回路的n个开关触发时间，在所述磁体线圈中产生稳定度较低的平顶脉冲磁场。n个开关的具体触发时间规则为：第n个开关触发时间为第n-1个放电回路产生的磁场波形下降到目标磁场时。
具体地，所述第二电路包括：调波电源、缓冲电感L5、缓冲电阻RL及调波线圈L2-L4。
具体地，所述调波电源的正极端与所述调波线圈的正极端连接，所述调波线圈的负极端与所述缓冲电感的正极端连接，所述缓冲电感的负极端与所述缓冲电阻的正极端连接，所述缓冲电阻的正极端与所述调波电源的负极端连接。
缓冲电感用于防止电源开通时电路电流瞬间过大。缓冲电阻用于降低调波线圈的发热量。调波线圈用于与磁体线圈叠加，产生平顶磁场。
具体地，所述调波电源由信号发生器及功率放大器组成，可以输出任意波形的调波电流。
优选地，所述第一补偿线圈与第二补偿线圈的绕制匝数低于主线圈。
优选地，所述第一补偿线圈与主线圈之间的距离与主线圈绕制高度为同一个量级。
优选地，所述缓冲电感的电感值为调波线圈的0.5倍～1倍。
优选地，所述缓冲电阻的电阻值为调波线圈的0.5倍～1倍。
具体地，所述调波线圈包括：2个补偿线圈(L3和L4)及1个主线圈(L2)，2个补偿线圈的结构参数完全一致，并对称分布在所述主线圈的上下两侧。图2是本发明实施例提供的调波线圈结构示意图。如图2所示，补偿线圈与主线圈均是同轴放置在磁体线圈中心。补偿线圈与主线圈的绕制半径均较小，本实施例中，绕制半径约为10mm，补偿线圈的绕制匝数为主线圈的2倍，主线圈约为10匝，补偿线圈约为20匝，绕制线径与主线圈一致，导线为圆形线，本实施例中，直径约为2mm。
具体地，在磁体线圈产生平顶脉冲磁场时，所述2个补偿线圈由于电磁耦合产生等大反向的磁场，实现主线圈和磁体线圈的等效解耦。
具体地，所述主线圈产生的磁场与第一电路产生的平顶磁场方向相反，磁场叠加实现高稳定度的平顶脉冲磁场。
在本实施例中，以第一电路具有6个放电回路为例进行详细介绍。
图3是本发明实施例提供的当具有6个放电回路时的高稳定度平顶脉冲磁场产生装置的电路拓扑结构。如图3所示，第一放电回路包括电容器C1、续流电阻R1、二极管D1、晶闸管开关T1；第二放电回路包括电容器C2、续流电阻R2、二极管D2、晶闸管开关T2；第三放电回路包括电容器C3、续流电阻R3、二极管D3、晶闸管开关T3；第四放电回路包括电容器C4、续流电阻R4、二极管D4、晶闸管开关T4；第五放电回路包括电容器C5、续流电阻R5、二极管D5、晶闸管开关T5；第六放电回路包括电容器C6、续流电阻R6、二极管D6、晶闸管开关T6；6个放电回路并联于磁体线圈两端。
首先关断T1～T6晶闸管开关，对C1～C6电容器电源进行充电，充电电压分别为20.5kV、7.5kV、7.6kV、7.7kV、7.8kV、7.9kV，电源能量分别为10MJ、1MJ、1MJ、1MJ、1MJ、1MJ。磁体线圈电感值为11.4mH，电阻值为34.8mΩ，电流磁场比为450A/T。
接着开通晶闸管T1，触发第一回路对磁体线圈放电，将产生经典的脉冲磁场波形，放电电流为28.8kA，磁场强度达到64T。
在第一放电回路的磁场峰值过后，磁场开始下降，当磁场下降到目标磁场时，此时开通晶闸管T2，触发第二回路对磁体线圈放电，放电电流开始上升，磁场增大。
同理，在第二放电回路的磁场峰值过后，继续开通晶闸管T3，触发第三回路对磁体线圈放电，放电电流开始上升，磁场增大。
依次开通T1～T6晶闸管开关，将得到稳定度较低的平顶脉冲磁场。图4是本发明实施例提供的不加入调波线圈时产生的稳定度较低的平顶脉冲磁场波形。如图4所示，磁场强度为64T，平顶持续时间为10ms，稳定度为5000ppm。
为了得到高稳定度的平顶脉冲磁场，在磁体线圈中加入调波线圈，由调波电源为调波线圈供电，产生与平顶磁场相反的调节磁场。调波线圈由2个补偿线圈及一个主线圈绕制而成，2个补偿线圈电感值均为30μH，电阻值均为5mΩ，与磁体线圈的互感均为25μH，对称地分布在主线圈的上下两端，主线圈的电感值均为60μH，电阻值均为10mΩ。缓冲电阻为15mΩ，缓冲电感为100μH。图5是本发明实施例提供的磁体线圈及调波线圈的相对位置结构图。如图5所示，调波线圈放置在磁体线圈孔径中，其中，主线圈放置在磁体线圈孔径正中心，2个补偿线圈对称地分布在主线圈上下两侧。
在磁体线圈产生平顶磁场阶段，调波电源采用信号发生器配合功率放大器对调波线圈输出电流，电流峰值为583A，电流波形与磁体线圈的电流波形相反。图6是本发明实施例提供的磁体线圈及调波线圈的电流波形。如图6所示，磁体线圈的电流顶部为“波浪”形状，调波线圈的电流顶部也为相同的“波浪”形状。此时2个补偿线圈由于磁体线圈的电磁耦合，会在主线圈中产生等大反向的磁场，磁场互相抵消，使主线圈与磁体线圈等效解耦。主线圈产生的磁场与平顶磁场的方向相反，磁场幅值为1T，在磁体线圈中进行磁场叠加。此时将第一放电回路的电容器电源C1充电电压提高到22.5kV，利用调波线圈进行对平顶磁场进行调节，将产生磁场强度71.5T，平顶持续时间10ms，稳定度为200ppm的高稳定度平顶脉冲磁场。
图7是本发明实施例提供的未调波和调波的平顶磁场波形对比图。如图7所示，当未调波时磁场波形顶部为稳定度较低的“波形”形磁场，加入匀场电路调节后，能产生稳定度极高的平顶脉冲磁场。
本方案的平顶磁场拓扑电路，具有体积小、结构简单、系统可靠性强等优点，解决了现有平顶磁场难以兼顾高场强、高稳定度、长平顶脉宽的问题，具有一定的普适性。
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 (5)

1.一种平顶脉冲磁场产生装置，其特征在于，包括：第一电路和第二电路；
所述第一电路，用于产生稳定度不超过1*104ppm的平顶脉冲磁场；
所述第二电路，用于产生与平顶磁场方向相反且磁场峰值为1T以内的叠加磁场；
所述第一电路包括并联的n个放电回路和磁体线圈，n为不小于2的正整数；所述放电回路包括：电容器电源、续流回路、开关；所述续流回路包括：续流电阻及单向导通元件；所述续流电阻第一端与单向导通元件的正极端连接，第二端与所述电容器电源的负极端连接；所述电容器电源的正极端与所述单向导通元件的负极端连接；所述开关的正极端与所述电容器电源正极端连接；所述磁体线圈的正极端与所述开关的负极端连接，所述磁体线圈的负极端与所述电容器电源的负极端连接；
所述第二电路包括依次串联的调波电源、调波线圈、缓冲电感及缓冲电阻；所述调波线圈包括同轴放置的第一补偿线圈、主线圈和第二补偿线圈；所述主线圈位于第一电路中磁体线圈的磁体孔径正中心；
所述第一补偿线圈与第二补偿线圈结构参数完全一致，并对称分布在所述主线圈的上下两侧；所述调波电源，用于产生与通入第一电路中磁体线圈电流波形一致的电流波形。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一补偿线圈与第二补偿线圈的绕制匝数低于主线圈。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一补偿线圈与主线圈之间的距离与主线圈绕制高度为同一个量级。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲电感的电感值为调波线圈的0.5倍～1倍。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲电阻的电阻值为调波线圈的0.5倍～1倍。
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