[发明专利]一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法

说明书

本发明提供一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法，主要包括：高压电容器电源，由高压电容器组和晶闸管构成；蓄电池电源，由蓄电池组、第一直流断路器和换流开关构成；超级电容器电源，由超级电容器组、第二直流断路器和多相交错并联DC/DC变换器构成；高压隔离单元；续流支路；磁体；工作过程如下，首先高压电容器电源对磁体放电，使其电流快速上升，然后当高压电容器组电压低于蓄电池组电压时，二者换流，换流后超级电容器电源和蓄电池电源同时对磁体供电，通过多相交错并联DC/DC变换器对磁体电流进行负反馈控制产生平顶磁场，放电结束后，由续流回路释放磁体能量。综上，产生高稳定度、长持续时间、高平顶占比平顶脉冲磁场。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，脉冲强磁场作为一种极端的实验环境，已经成为基础前沿科学研究必不可少的研究条件。比热测量、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）、大功率回旋管太赫兹源等众多科学实验和前沿技术不但对磁场强度和磁场稳定度有极高要求，同时磁场持续时间越长越有利于科学研究的实现。例如：在NMR和比热测量中磁场持续时间需分别大于10倍的分子持续时间和样品热弛豫时间，因此，磁场持续时间直接决定了NMR技术可研究的分子种类和比热测量技术可研究的物质；在大功率回旋管太赫兹源中，磁场持续时间直接决定了太赫兹波的发射持续时间，对于其应用场景有着决定性作用，目前，受脉冲磁场波形限制，现有基于脉冲磁场的回旋管太赫兹源的辐射时间小于0.5ms，且稳定性较差，严重制约了其应用。

综上，提升平顶脉冲强磁场的平顶持续时间，并保证其高稳定度和高场强对于基础前沿科学研究和大功率回旋管太赫兹源技术的发展具有重要意义。

现有平顶脉冲磁场参数如表1所示。产生脉冲强磁场的电源主要包括：飞轮储能交流脉冲发电机，电容器组和铅酸蓄电池组。飞轮储能交流脉冲发电机输出电压可控，在储能足够的情况下，可以通过调控输出电压产生多种脉冲波形。但是交流脉冲发电机本质上纹波是不可避免的，所以难以获得高稳定度平顶脉冲磁场，目前该方式产生的平顶脉冲磁场稳定度大约为5000ppm，稳定度不能满足回旋管、NMR等的应用需求。

表1现有平顶脉冲磁场类型及参数

高压电容器组的优点是输出功率没有限制，可以利用其高电压的优势使磁体电流快速上升。但是，其储能较低，输出电压不可控，放电过程输出电压迅速跌落，所以难以在放电过程中保持平顶。中国强磁场和日本固体物理研究所提出了利用高压电容器供电产生平顶脉冲磁场的方法，分别产生了64T/2000ppm/6ms和60.64T/82ppm/2ms的平顶脉冲磁场，但是难以解决平顶持续时间较短的问题，分别见中国专利ZL201310728223.5和英文论文“Generation of flat-top pulsed magnetic fields with feedback controlapproach”，中文名称为：采用反馈控制产生平顶脉冲磁场。

蓄电池电源兼具脉冲发电机电源储能高和电容器电源无纹波的优点，较为适合产生长脉冲磁场。但是，蓄电池输出功率低，磁场上升时间长，大电流作用下磁体产生焦耳热，热效应使磁体电阻逐渐增大，从而使磁场达到最大值后缓慢下降。为此，武汉国家脉冲强磁场中心的科研人员提出了采用并联PWM调节旁路，参见英文论文：“Development of aHigh-Stability Flat-Top Pulsed Magnetic Field Facility”中文名称为：一种高稳定度平顶脉冲磁场设备的研制和中国专利：ZL201810411004.7基于IGBT有源区的线性调节旁路，以产生平顶脉冲强磁场。通过旁路调控改变磁体与磁体串联阻抗的分压比，可以在磁场峰值处产生一定时间的平顶，但是调节能力有限，实现大范围调控难度大。

另外，现有平顶脉冲磁场普遍存在平顶时间相对于脉宽时间占比较小，即平顶占比较小，效率低下的问题。

发明内容