[发明专利]一种平顶磁场发生装置及方法

说明书

本发明属于强磁场技术领域，公开了一种平顶磁场发生装置及方法；装置包括常温磁体、充电机、触发电路、电容支路、电流传感器、调整支路、驱动保护电路和控制器；电容支路用于为常温磁体供电；调整支路用于在放电过程中等效为可变电阻，并通过改变电路阻抗来控制电流；控制器用于在放电开始前计算电容器充电电压，控制充电机对电容器进行充电，在放电阶段中根据预先计算的时序控制电容支路的开关触发。本发明由于使用常温磁体，相比较于超导磁体和低温磁体低温脉冲磁体方案，建设成本、维护成本低；由于通过电流传感器和调整支路、控制器、驱动电路等构成负反馈控制，因此波形重复性好，准确度高。

技术领域

本发明属于强磁场技术领域，具体涉及一种平顶磁场发生装置及方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，强磁场作为一种极端物理环境，已经成为许多工业工程和基础前沿科学研究的必要条件。而某些领域不仅要求磁场强度高，对磁场的稳定度也有很高的要求，如回旋管型太赫兹波源、核磁共振装置、比热测量实验、电磁发射等。

太赫兹波是指频率介于100GHz到10THz之间的电磁波谱区域，在空间探测、雷达、高速数据通信、生物医学成像、空间输能等领域具有广阔的应用场景。在产生太赫兹波的所有方法中，回旋管具有最高的输出功率和较高的输出频率，是产生千瓦级太赫兹波的唯一方法。研究如何使回旋管太赫兹波源输出更高频率、更大功率、更长脉宽的太赫兹波是当前的热点研究内容。为满足回旋管中电子束的谐振条件，需要在空间上磁场位型高度精确、时间上磁场强度高度稳定、重复性好的磁场。研究适用于长脉宽大功率高频回旋管太赫兹波源的平顶磁场发生装置很有必要。

核磁共振是原子核自旋与电磁波相互作用的基本物理现象。在所有已发现的共振现象中，核磁共振的波谱学具有最高的频率分辨率，在生命科学、化学和物理学领域得到了广泛应用。核磁共振的分辨率和探测灵敏度和磁场强度成正相关，同时高磁场强度还可以大大减少测量时间。因此，核磁共振实验对强磁场的磁场强度和平顶稳定度要求越来越高，已经成为开发磁场强度更高，平顶稳定性更好的高稳定度平顶脉冲磁场的重要推动力。

以800GHz二次谐波长脉宽回旋管太赫兹波源所需脉冲平顶磁场举例，为满足磁场位形需要，磁体高度约为460mm，直径约为800mm；在磁场强度方面，磁场强度应为14.87T且准确度达到3‰；在脉宽方面，磁场稳定时间应大于1ms。

由于材料物理限制，超过2T磁场强度的磁场只能使用电磁体产生。目前常用的电磁体有超导磁体、常温磁体、水冷磁体、低温脉冲磁体。

超导磁体的磁场强度可以达到30T，稳定度可以达到ppm级，装置体积小，且为稳态磁场，十分适合长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置和高场核磁共振装置，得到了广泛应用。但是受限于材料临界磁场限制，磁场强度无法做的很高，且适用于高频回旋管和高场核磁共振的超导磁体价格十分昂贵。

常温磁体是指工作温度为室温且无水冷结构的磁体。其的优点是成本低，占地面积小，缺点是常态电阻大，对电源的功率需求很高。如800GHz长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置使用常温磁体，则其常温电阻为83mΩ，稳态电流约为20kA，稳态电压大于1.6kV，需要的电源峰值功率超过33MW。文献Long-Pulse Uncooled Copper Magnet forGyrotron提出了一种使用蓄电池供电，可以应用于常温磁体的平顶磁场装置，并将其应用于回旋管上，但是磁场强度低，只能运行于GHz频段，无法达到THz频段。公开号为CN103715938 B的专利文献提出了一种平顶脉冲磁场产生装置，使用比功率高的电容供电，可以用于低温脉冲磁体和常温磁体，但是整个装置开环控制，受限于温度变化和充电精度，其重复性和稳定性无法满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹装置和高场核磁共振装置的要求。文献“电容式电磁炮电源电路的设计与仿真”中设计了一种脉冲成形网络，虽然可以产生平顶磁场，但是稳定度较差，通常用于电磁发射，无法满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹装置和高场核磁共振装置的要求。