[发明专利]一种平顶脉冲磁场产生装置及平顶脉冲电流产生装置

说明书

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及平顶脉冲电流产生装置。

背景技术

导轨型电磁驱动系统已成为电磁发射领域的热点，采用固体电枢的导轨型电磁驱动系统在工作过程中，固体电枢的滑行性能与其自身的结构形状、尺寸、材料特性有关外，还有脉冲电流的输出波形相关。为了使固体电枢能够承受更高的充放电能量，达到更高的出口速度，电磁发射中应尽可能按照平顶原则对输出的脉冲电流进行调制。同时，平顶电流也有利于固体电枢与导轨良好的接触，电枢的滑行性能将表现得更好。

导轨型电磁驱动系统输出的脉冲电流通常由多个单脉冲按照出发时序叠加而成，其波形的调制是利用脉冲形成网络(PFN)实现的，通过调整PFN参数来获得不同的输出波形。本发明提出一种产生平顶脉冲电流的新方案，为电磁驱动系统中脉冲电源的设计提供了一种新方法，也有望运用于其他需要平顶脉冲电流的场合。

强磁场已成为现代科学研究中一种极为重要的实验条件。除了磁场强度之外，脉冲波形和磁场稳定度也是关键的实验参数，特别是对于比热测量、核磁共振等科学实验。因此，平顶脉冲磁场的概念被提出并取得很大的进展。

脉冲发电机通过整流器对磁体放电是产生平顶脉冲磁场的一种理想电源，其具有储能大、输出电流波形可通过整流器触发角控制的特点。美国国家强磁场实验室(NHMFL)采用1430MVA/650MJ的脉冲发电机产生了不同形状的磁场波形，其中包括60T/100ms的平顶磁场。科学家在此平顶磁场下进行了比热测量实验，并取得了极好的实验数据。2012年，武汉国家脉冲强磁场科学中心(筹)的100MVA/100MJ脉冲发电机和配套的整流器系统投入运行，此系统实现了50T/100ms的平顶磁场。为实现更高稳定度的磁场，武汉国家脉冲强磁场科学中心(筹)开发了蓄电池型脉冲电源，通过加入可控的旁路系统，实现了稳定度达100ppm的25T/400ms平顶脉冲磁场。

虽然脉冲发电机和蓄电池型电源能用于产生平顶脉冲磁场，但是其整流系统或旁路系统带来的纹波却无法通过滤波器完全消除，部分科学实验的信号测量会受到这些纹波的干扰；相反，电容器电源放电产生的脉冲波形是相当平滑的。如果脉冲波形的脉宽很长，那么峰值时刻附近一段时间内的磁场可看成是近似稳定的。基于此，德累斯顿强磁场实验室(HLD)开发了电容器电源驱动的60T长脉冲磁体。为了增大磁体的电感从而得到较大的时间常数，该磁体由26层铜导线绕制而成，装配后磁体总质量超过1200kg，为了给该磁体供电，使用了高达43MJ的电容储能。目前，此系统实现了55.2T的峰值磁场，脉宽达1500ms，在约70ms的时间里，磁场的波动稳定在±1T内。该磁体产生的平顶磁场已运用于比热测量和核磁共振实验。由于体积庞大，此系统一个显著的缺点是其冷却时间长达8小时。

总体来说，目前世界上的平顶脉冲磁场产生装置有以下几个方面的缺点：(1)电源系统的建造成本高；(2)磁体的体积庞大、结构复杂，磁体的冷却时间长；(3)脉冲发电机和蓄电池供电的平顶装置需要复杂的控制系统。

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电流及磁场产生装置，其目的在于产生无纹波的平顶磁场，由此解决产生平顶脉冲磁场需要脉冲发电机、蓄电池组或高储能电容器等电源，需要设计和建造体积庞大、结构复杂的磁体等技术问题。

本发明提供了一种平顶脉冲磁场产生装置，包括变压器，由所述变压器的原边线圈、第一电容器、第一开关和磁体依次串联构成的第一回路，以及由所述变压器的副边线圈、第二电容器和第二开关依次串联构成的第二回路。

更进一步地，所述第一回路还包括并联在所述第一电容器两端的第一续流回路；所述第二回路还包括并联在所述第二电容器两端的第二续流回路。

更进一步地，所述第一续流回路包括依次连接在所述第一电容器两端的第一电阻和第一单向导通元件。

更进一步地，所述第一单向导通元件为第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一电容器与所述第一开关的连接端连接，所述第一二极管的阳极通过所述第一电阻与所述第一电容器与所述变压器的连接端连接。

更进一步地，所述第二续流回路包括依次连接在所述第二电容器两端的第二电阻和第二单向导通元件。

更进一步地，所述第二单向导通元件为第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第二电容器与所述第二开关的连接端连接，所述第二二极管的阴极通过所述第二电阻与所述第二电容器与所述变压器的连接端连接。