[发明专利]一种重复脉冲强磁场产生装置和方法

说明书

本发明提供了一种重复脉冲强磁场产生装置及方法，属于强磁场领域。该装置包括磁体线圈和多个独立的电源单元，所述多个独立的电源单元均并联于所述磁体线圈两端；其中，每个电源单元包括供能元件、续流回路和电气开关，所述续流回路与所述供能元件并联后再与所述电气开关串联；所述续流回路包括相互串联的续流电阻和单向导通元件。本发明采用多套电源对单一磁体放电方案，通过控制多个电源单元与磁体线圈的连接方式以及电气开关放电时序便可产生重复脉冲强磁场，具有电路拓扑和控制系统简单、磁场波形多样化，磁场极性、磁场强度和重复频率任意可控的优点。

技术领域

本发明属于强磁场技术领域，更具体地，涉及一种重复脉冲强磁场产生装置和方法。

背景技术

强磁场在现代科学研究中用于提供极为重要的极端实验条件。国际上一般采用永磁或者超导磁体系统来提供该强磁场，然而永磁体系统必须采用机械运动方式实现磁致冷材料的磁场交替，超导磁体系统存在低温运行条件、失超限制以及造价成本高昂等问题。

脉冲磁场是指利用脉冲电流通过磁体线圈在空间中产生的磁场，流过线圈电流方向决定了磁场波形的极性，间断性地重复对磁体线圈通入脉冲电流将产生重复脉冲磁场。相比于永磁或超导磁体，重复脉冲磁场系统可通过通电的方式控制磁场有无，具有避免永磁体的机械往复运动、同时比超导磁体系统造价成本低、可实现场强高的优点而获得了广泛的研究。其中磁场强度、磁场稳定度和磁场波形重复频率是关键的实验参数。

目前的重复脉冲电磁系统，一般通过设计电源拓扑来控制高电压下的大电流波形而产生重复脉冲磁场波形。例如，武汉国家脉冲实验室以交流电容器为电源，通过对双向反并联晶闸管进行控制，实现了单次放电为正负极性、磁场强度为3T的重复脉冲强磁场。该系统在理论上能量利用率达到最大，但是受充电机功率限制，可实现场强不高，磁场波形重复频率受电源充电时间限制，其极性也只能是正负交替产生。又如，针对中子衍射、磁化等科学实验中所需的重复脉冲强磁场波形，美国国家实验室以脉冲发电机为电源，提供两路电流输入，通过双向反并联晶闸管作为控制开关与电源输入相配合，实现了2Hz的双极性重复脉冲强磁场。但该系统设备控制复杂，系统元件繁多，且由于电路中馈能电感的存在使得其不适用于大电感磁体。

总体而言，目前世界上重复脉冲强磁场装置普遍存在以下几个方面的缺点：(1)电源拓扑或控制系统复杂，建设成本高；(2)电磁装置中磁体电感适用范围受馈能电感限制，产生的磁场强度相对较低；(3)采用一套电源，磁场强度受充电机功率限制，重复频率受电源充电时间限制；(4)重复脉冲磁场波形单一。

发明内容

针对现有方案的缺陷，本发明提供了一种重复脉冲强磁场产生装置和方法，采用多套电源对单一磁体放电的方案实现重复脉冲磁场，其目的是解决现有系统拓扑和控制系统复杂、电磁装置中磁体电感适用范围受馈能电感限制、磁场强度受电源功率限制、重复频率受电源充电时间限制以及重复磁场波形单一的技术问题。

本发明提供了一种重复脉冲强磁场产生装置，该装置包括磁体线圈和多个独立的电源单元，所述多个独立的电源单元均并联于所述磁体线圈两端；

其中，每个电源单元包括供能元件、续流回路和电气开关，所述续流回路与所述供能元件并联后再与所述电气开关串联；所述续流回路包括相互串联的续流电阻和单向导通元件。

进一步地，所述供能元件为电容器，所述单向导通元件为二极管，所述电气开关为可控晶闸管。

本发明还提供了一种基于上述重复脉冲强磁场产生装置的强磁场产生方法，包括如下步骤：

(1)将磁体线圈浸入液氮进行冷却，通过测量磁体电阻值的变化监测磁体的冷却过程；

(2)根据预设的磁场波形的极性将多个电源单元的正负极与磁体线圈的接线端连接，对每个电源单元中的供能元件充电至预设电压；

(3)多个电源单元按照预设的放电时序依次对磁体线圈进行放电。