[发明专利]一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法

说明书

本发明提供一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法，包括：对磁体放电前，对超级电容器组和第一高压电容器组充电储能；对磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电；当检测到磁体电流达到设定值时，多相交错并联DC/DC变换器开始工作，超级电容器组通过多相交错并联DC/DC变换器对磁体放电，根据第一高压电容器组的端电压和磁体电流进行状态控制，改变多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制，抵消超级电容器组电压下降和磁体内阻增加的影响，使磁体电流稳定在设定值；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭多相交错并联DC/DC变换器。本发明提升了平顶脉冲磁场的综合性能。

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1THz ~10 THz的电磁波，具有高频大带宽、强透射性、高波谱分辨率、强生物兼容性等特性，被评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹源是太赫兹技术的核心基础，诸多太赫兹源方案中，基于脉冲强磁场的回旋管太赫兹波源（以下简称：脉冲场回旋管）可产生更高极限频率和功率的太赫兹波，是极具应用前景的太赫兹源方案之一。但是，受脉冲磁场波形限制，现有脉冲场回旋管的辐射时间小于0.5 ms，且稳定性较差，严重制约了其应用。平顶脉冲磁场兼具脉冲磁场场强高和稳态磁场稳定度高的优点，可为增加脉冲场回旋管辐射时间提供新途径。因此，发展紧凑型、高稳定度（100ppm）、长持续时间（100ms）的平顶脉冲强磁场是提升脉冲场回旋管性能的关键。

表1现有平顶脉冲磁场类型及参数

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、核磁共振等的应用需求。

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，从而减少磁体的发热。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，但是不能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 withfeedback control approach”。

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”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，且无法解决蓄电池功率密度低的问题。

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，即平顶占比较小，效率低下的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法，旨在解决现有平顶脉冲磁场在稳定度和平顶持续时间难以兼顾和平顶占比较小、效率低下，导致其难以在太赫兹回旋管中应用的问题。