[發明專利]一種高穩定度平頂脈沖強磁場發生裝置及控制方法

有效

• 申請號: 201810411004.7
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN109062303B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 韓小濤;張紹哲;王正磊;謝劍鋒;丁同海;肖后秀
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56;H02M11/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開了一種高穩定度平頂脈沖強磁場發生裝置，包括蓄電池組、磁體、串聯電阻R₀、調節旁路、實時控制器及觀測電流傳感器CT₀；其中，調節旁路由調控半導體Q，瞬態抑制二極管TVS，監測電流傳感器CT及旁路二極管D_b組成。蓄電池組正極通過串聯電阻同磁體一端連接，磁體一端同調節旁路正極端連接，蓄電池組負極、磁體另一端及調節旁路負極端相互連接，實時控制器的磁體輸入端同觀測電流傳感器的輸出端連接，實時控制器的旁路輸出端同調節旁路的控制端連接，觀測電流傳感器用于采集磁體電流信號，實時控制器根據磁體電流信號變化趨勢輸出控制信號，控制調節旁路中電流實現連續調節磁體電壓，使磁體產生無紋波高穩定度平頂脈沖強磁場。

技術領域

本發明屬于脈沖功率領域，更具體地，涉及一種高穩定度平頂脈沖強磁場發生裝置及控制方法。

背景技術

隨著科技的飛速發展，脈沖強磁場作為一種極端的實驗環境，已經成為基礎前沿科學研究必不可少的研究條件。比熱測量、核磁共振等眾多科學實驗不但對磁場強度有較高要求，同時對磁場穩定度有極高要求，例如磁場穩定度直接決定了核磁共振測量信號信噪比，比熱測量實驗中要求樣品熱弛豫時間內磁場保持不變，故磁場穩定度和持續時間是決定許多科學實驗成敗的關鍵因素。平頂脈沖強磁場兼具高磁場強度和高穩定度的優點，可以滿足多種科學實驗對極端磁場環境的需求，因此一直是研究的重難點之一。

產生脈沖強磁場的電源主要包括：飛輪儲能交流脈沖發電機，電容器組和鉛酸蓄電池組。飛輪儲能交流脈沖發電機輸出電壓可控，在儲能足夠的情況下，可以通過調控輸出電壓產生多種脈沖波形。利用脈沖發電機供電，美國通過調控輸出電壓實現了60T/100ms、45T/850ms和27T/2.6s的平頂脈沖強磁場；中國采用類似的方式實現了50T/100ms的平頂脈沖強磁場。但是交流脈沖發電機本質上紋波是不可避免的，所以難以獲得高穩定度平頂脈沖磁場，目前該方式產生的平頂脈沖磁場穩定度大約為0.5％。專利“脈沖磁場產生裝置”(CN101387694B)采用雙磁體結構，外磁體采用脈沖發電機供電，內磁體采用電容器供電。放電時，先觸發電容器回路對磁體放電，當電容器電壓降落時觸發脈沖發電機對磁體放電，并且通過PID控制脈沖發電機輸出電壓達到穩定磁場的目的。基于上述敘述，該方法所產生的平頂磁場含有高頻紋波。

目前在脈沖磁場領域，電容器組是應用最廣的供電方式，其優點是輸出功率沒有限制，可以利用其高電壓的優勢使磁體電流快速上升，從而減少磁體的發熱。但是電容器儲能有限，輸出電壓不可控，放電過程輸出電壓迅速跌落，所以難以在放電過程中保持平頂。為了利用電容器組產生平頂脈沖強磁場，許多研究者進行了諸多研究。專利“一種平頂脈沖磁場產生裝置及平頂脈沖電流產生裝置”(ZL201310728223.5)利用電容器對雙回路耦合放電，通過輔助回路對耦合變壓器的原邊放電，在主回路中感應出輔助電壓，從而使磁體電壓一定時間內保持穩定，該方法利用了電容器高電壓的優勢，使電流快速上升，大大減小了磁體體積。但是由于主回路感應電壓是由輔助回路電流變化率決定的，因此難以精確控制，需要經過試驗反復調節以匹配放電時序，而且由于輔助回路放電時間限制，電流上升時間很短，所以平頂時間很短。日本采用電容器作為主電源，利用多線圈結構實現了高穩定度平頂脈沖強磁場。其中，使用電容器對60T主磁體放電，在主磁體內放置一個小磁體，并使用蓄電池對小磁體供電，根據磁場疊加原理通過調節小磁體的磁場，使合成磁場保持穩定，以此實現高穩定度平頂脈沖磁場。該方法需要精確設計外加磁體防止外加磁體與主磁體相互耦合，而且需要額外的供電電源，因此實現較為復雜。