[发明专利]一种平顶脉冲磁场产生装置、方法、介质、设备及终端

说明书

本发明属于强磁场脉冲功率技术领域，公开了一种平顶脉冲磁场产生装置、方法、介质、设备及终端，所述平顶脉冲磁场产生装置包括多个并联而成的电容器型电源，由电容器组及其保护电感、放电晶闸管和续流回路组成；脉冲整流器型电源，由电源及其配套的整流器组成；双线圈磁体；所述脉冲整流器型电源的整流器输出端正极与磁体内线圈的正极连接，整流器输出端负极与磁体内线圈的负极连接；所述电容器型电源输出端正极均与磁体外线圈的正极连接，输出端负极均与磁体外线圈的负极连接。本发明基于双线圈磁体的平顶脉冲磁场产生装置能够产生高稳定度、高场强、长平顶脉宽的平顶脉冲磁场，为核磁共振、比热测量等科学实验提供必要的强磁场环境。

技术领域

本发明属于强磁场脉冲功率技术领域，尤其涉及一种平顶脉冲磁场产生装置、方法、介质、设备及终端。

背景技术

目前，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中必不可少的研究条件。比热测量、核磁共振、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。平顶脉冲强磁场兼具稳态强磁场波动小、持续时间长及脉冲强磁场场强高、运行费用较低的优点。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。

目前，世界上引领平顶磁场研究的科研机构有二十多个，大多分布在欧洲、美国、日本等发达国家地区。各大强磁场实验室主要运用储能电容型、蓄电池型、脉冲发电机型作为平顶脉冲磁场的电源电路。

电容器型电源成本较低，结构简单，附属设施少，易于实现小型化和模块化，同时具有较高的输出电压，可以使得磁体电流迅速上升，减少了磁体在上升沿过程中的发热量，有利于延长磁体使用寿命。但是电容器本身储能密度较低，输出电压不可控，放电过程输出电压迅速跌落，难以维持平顶。中国的WHMC建设完成了由22个1MJ模块和2个0.8MJ模块组成的电容器型电源系统，并且实现了64T/2000ppm/6ms的平顶脉冲强磁场。

蓄电池型电源输出电压稳定，有利于实现较长脉宽的放电，并且可以通过串并联方式提高其输出电压和电流的能力。目前，铅酸电池凭借着其稳定的性能、高倍率放电特性和较强的通用性而得到了广泛的应用。但受蓄电池输出功率限制，难以实现高场强的平顶脉冲强磁场。

脉冲整流器型电源为脉冲交流发电机或交流市电经变压器后对整流器供电，经整流后输出直流电压的电源，其输出能量大、输出电压可调，因此可实现长时间稳压。以脉冲发电机供电为例，目前国际上只有美国LANL和中国的WHMFC各拥有一台脉冲发电机。WHMFC使用100MW/100MJ的脉冲发电机及两套67.5MW的12脉波整流器对双线圈磁体放电得到了50T/100ms/4000ppm的平顶脉冲强磁场，但对磁体的放电控制和时序提出来很高的要求。

总体来看，目前已有的平顶脉冲强磁场电源方案尚且存在一些不足，难以产生同时具备高场强、高稳定度、长平顶脉宽等优势的平顶脉冲强磁场。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的单电容器型电源的优点在于输出功率没有限制，但是其本身储能密度较低，输出电压不可控，放电过程输出电压迅速跌落，难以维持平顶。

(2)脉冲发电机型电源输出电压可控，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，但是脉冲发电机本质上纹波是不可避免的，所以影响了最终磁场的稳定度，另外脉冲发电机的控制较为复杂，应用成本较高。

(3)蓄电池电源兼具脉冲发电机型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，但由于其输出功率较低，磁场上升时间长，在电流上升过程中磁体发热严重，影响磁体使用寿命。

(4)综上所述，目前已有的平顶脉冲强磁场电源方案尚且存在不足，难以产生同时具有高场强、高稳定度、长平顶脉宽等优势的平顶脉冲强磁场。

发明内容