[发明专利]一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置

说明书

本发明公开了一种高稳定度的平顶脉冲强磁场发生装置，包括：主磁场发生模块、反馈控制模块、磁场调节模块和耦合线圈模块；主磁场发生模块提供产生磁场强度高的主磁场所需的脉冲电流；耦合线圈模块用于当主磁场低于目标值时控制耦合叠加磁场增大且当主磁场超过目标值时控制耦合叠加磁场减小，实现在指定区域形成高稳定度脉冲平顶磁场；反馈控制模块用于接收实时磁场感应的电压信号并接收上位机组模块的控制信号；反馈控制模块用于根据上位机组模块的控制信号进行磁场强度调节控制；磁场调节模块用于通过调整电流配比实现对磁场的动态调整。本发明可以提供一种磁场强度高、持续时间长且稳定性好的平顶脉冲强磁场，以满足NMR、比热测试等实验的要求。

技术领域

本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种可以为科学实验研究和工程技术应用提供高稳定度磁场环境的平顶磁场发生装置。

背景技术

强磁场对核磁矩、电子自旋和电子轨道磁矩有强烈作用，是现代基础科学研究最为重要的极端条件之一，脉冲磁体技术可提供50T以上的磁场，是满足相关前沿科学研究对磁场强度需求的最有效手段。但脉冲磁场持续时间一般在毫秒级，难以满足弛豫时间长的样品高精度测试需求，而平顶脉冲强磁场由于兼具高场强和长持续时间，大大扩展了脉冲强磁磁场的应用范围，尤其是在高场高频核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）实验、比热测试、基于回旋管的大功率太赫兹辐射源研发中将发挥重要作用，成为脉冲强磁场技术的重要发展方向。为了说明平顶脉冲磁场的作用，下面以其在NMR中的应用为例进行说明，其应用场景不限于NMR实验。

核磁共振方法作为目前主要的微观结构解析手段之一，具有广泛的科学应用。在生物学领域，NMR被广泛的用于揭示蛋白质、核酸等结构与功能之间的关系，其能够捕获生物大分子的瞬时动态结构、且所表征的分子十分接近实际生理状态；在原子物理方面，NMR测量是探寻磁有序、轨道有序和电荷有序及其短程涨落的有力工具。近年来，发展高强度脉冲磁场下的NMR检测成为相关科学研究一个重要趋势，其至少存在如下两点驱动力：

（1）提高检测信噪比。由于NMR检测的精确性与其谱图的信噪比息息相关，谱图的信噪比又和谱仪的磁场强度指数相关。要提高NMR的信噪比，一种方法是提高样品的浓度，而样品浓度通常受到天然丰度以及提取、分离等技术的制约而存在上限值；另一种方法就是获得更高的磁场场强，而产生稳态强磁场的相关装置如永磁体、超导磁体等受到发热温升、电磁力冲击形变等影响难以突破40T。

（2）超高场强下的NMR检测可能发现一些有别于常态的奇异物理性质。比如在YBCO中，中国科学技术大学在稳态强磁场33.5T下用NMR技术测量了欠掺杂p=0.108和0.12样品，发现了磁场引发的CDW相。这为高温超导材料中存在电荷有序提供了有力证明，也暗示着在最佳掺杂的量子临界点的有序态可能正是这种CDW。但是相关的直接证据目前还没有，因为同样的实验在更接近于最佳掺杂的样品中必须要在更高的磁场下进行，超出了目前已知稳态强磁场技术的设计极限。

综上，发展脉冲强磁场下的核磁共振技术是解决此技术难题的重要途径。然而核磁共振实验对磁场稳定性有很高的要求，需要一段时间内稳定保持在10 ppm量级。2005年来，德国、日本、法国等科学研究机构相继展开了脉冲强磁场下的NMR研究，分别在56T、55T、48.8T下观察到了¹H、⁶³Cu/⁵⁹Co及⁶³Cu/⁶⁵Cu的NMR现象，射频频率最高达到2.4GHz，但都存在脉冲磁场顶部时长较短、稳定度不够的问题（均不低于几百个ppm），导致弛豫时间不满足、自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）信号采集线宽加宽、基线失稳、相位畸变等问题，为核磁共振谱的分析工作带来了困难，德国和法国研究团队曾经发表相关反卷积算法以解决磁场稳定度不够的问题，但仍难以将此参数控制在100ppm以内。由此可见，建设具有高稳定性的平顶脉冲磁场系统成为发展高场高频核磁共振实验的关键任务。