一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术提升了平顶脉冲磁场的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法
本专利技术属于脉冲功率
，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。
技术介绍
太赫兹波是频率在0.1THz~10THz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0.5ms，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“Generationofflat-toppulsedmagneticfieldswithfeedbackcontrolapproach”。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：“DevelopmentofaHigh-StabilityFlat-TopPulsedMagneticFieldFacility”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。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术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。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置，包括：超级电容器电源、第一高压电容器组以及磁体；所述超级电容器电源的正极与第一高压电容器组的正极和磁体的一端连接；所述超级电容器电源的负极、第一高压电容器组的负极以及磁体的另一端共同接地；对所述磁体放电前，对所述超级电容器电源和第一高压电容器组充电储能；对所述磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段；当检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联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，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。在一个可选的示例中，所述超级电容器组电源包括：超级电容器组、直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；所述超级电容器组通过直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端为超级电容器电源的正极；所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压。在一个可选的示例中，该装置还包括：能量回收支路和直流控制开关；所述磁体的另一端连接所述直流控制开关后接地；所述能量回收支路和直流控制开关并联；在磁体电流上升阶段和磁体电流平顶阶段，所述直流控制开关开通，所述能量回收支路被短路；在磁体电流下降阶段，所述直流控制开关关断，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中电感的磁场能量通过能量回收支路释放，实现磁场能量的回收，直至磁体电流降至零放电结束。在一个可选的示例中，所述能量回收支路包括：续流二极管和和第二高压电容器组；磁体电流下降阶段，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组，第二高压电容器组可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收。在一个可选的示例中，该装置还包括：高压隔离单元和晶闸管；所述高压隔离单元的阳极连接超级电容器电源的正极，阴极连接第一高压电容器组的正极和晶闸管的正极；所述晶闸管的负极连接磁体的一端；所述高压隔离单元用于隔离第一高压电容器的高电压，以免超级电容器电源被所述高压击穿损坏；所述晶闸管作为第一高压电容器组对磁体放电的开关。在一个可选的示例中，该装置还包括：控制器、电压传感器以及电流传感器；所述电流传感器采集磁体的电流值；所述电压传感器采集第一高压电容器组的端电压；所述控制器结合电流传感器和电压传感器采集的数据控制整个装置的工作过程，以产生平顶脉冲强磁场。在一个可选的示例中，所述控制器分别控制直流断路器、晶闸管以及直流控制开关的开通和关断；且所述控制器输出多路PWM控制信号从控制多相交错并联DC/DC变换器。在一个可选的示例中，设置第一高压电容器组和第二高压电容器组的参数相同，对磁体进行一次放电后，将第一高压电容器组和第二高压电容器组互换位置，以实现能量重复利用。第二方面，本专利技术提供了一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，包括：超级电容器电源、第一高压电容器组以及磁体；/n所述超级电容器电源的正极与第一高压电容器组的正极和磁体的一端连接；/n所述超级电容器电源的负极、第一高压电容器组的负极以及磁体的另一端共同接地；/n对所述磁体放电前，对所述超级电容器电源和第一高压电容器组充电储能；/n对所述磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段；当检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联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，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。/n...

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置，其特征在于，包括：超级电容器电源、第一高压电容器组以及磁体；
所述超级电容器电源的正极与第一高压电容器组的正极和磁体的一端连接；
所述超级电容器电源的负极、第一高压电容器组的负极以及磁体的另一端共同接地；
对所述磁体放电前，对所述超级电容器电源和第一高压电容器组充电储能；
对所述磁体放电时，首先控制第一高压电容器组对磁体放电，此时处于磁体电流上升阶段；当检测到磁体电流达到设定值时，进入磁体电流平顶阶段，超级电容器电源开始对磁体放电，以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量，磁体电流为控制量，改变超级电容器电源内多相交错并联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，抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响，使得磁体电流稳定在所述设定值，此时第一高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容，以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波，保证磁体电流稳定；当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时，关闭所述多相交错并联DC/DC变换器，进入磁体电流下降阶段；所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场，其转换系数为常数。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超级电容器组电源包括：超级电容器组、直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器；
所述超级电容器组通过直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端，多相交错并联DC/DC变换器的输出端为超级电容器电源的正极；
所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件，直流断路器为超级电容器电源的保护开关，多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：能量回收支路和直流控制开关；
所述磁体的另一端连接所述直流控制开关后接地；所述能量回收支路和直流控制开关并联；
在磁体电流上升阶段和磁体电流平顶阶段，所述直流控制开关开通，所述能量回收支路被短路；
在磁体电流下降阶段，所述直流控制开关关断，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中电感的磁场能量通过能量回收支路释放，实现磁场能量的回收，直至磁体电流降至零放电结束。


4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述能量回收支路包括：续流二极管和和第二高压电容器组；
磁体电流下降阶段，磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组，第二高压电容器组可承受瞬时大功率，实现磁场能量的快速回收。


5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：高压隔离单元和晶闸管；...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩小涛，张绍哲，王正磊，姜涛，谢剑峰，肖后秀，丁同海，李亮，潘垣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42