基于双电容器耦合和线性补偿的高稳定度平顶脉冲强磁场调控系统分析与设计

平顶脉冲磁场具备脉冲磁场强度高和稳态磁场稳定度高的双重优势,是现代物理科学研究的重要工具。为满足脉冲场核磁共振、I-V测量等科学实验对平顶脉冲磁场高稳定度的需求,该文提出基于双电容器回路耦合放电和线性补偿的平顶磁场调控方案。为此,理论分析双电容器回路耦合放电过程,建立配置主/辅回路电容电压和放电时序的优化方法,基于IGBT有源区的流控特性,设计线性调节补偿回路和前馈反馈相结合的控制器,研制与主磁体解耦的1 T补偿磁体,对双电容器回路耦合放电产生的背景磁场进行高精度调控,最终实现了强度为45.2 T、持续时间为8 ms以及稳定度为0.02%的平顶脉冲磁场,满足相关固态核磁共振等科学实验需求。

脉冲强磁场——现代基础科学研究的重要实验工具

随着基础科学研究的逐步深入,许多新现象、新问题需要在高压、低温、强磁场等极端物理环境下发现和研究。脉冲强磁场技术作为产生超强磁场的一种主要手段得到了国内外相关领域专家的普遍重视。脉冲磁体是脉冲强磁场技术的核心装置,利用储能装置的瞬时放电,产生峰值达数万安培,脉宽在数十到数百毫秒的电流脉冲,从而产生超高强度的磁场。

脉冲强磁场实验装置安全及管理

脉冲强磁场设施建有一系列脉冲磁体、电源及精确时序控制系统,还建有电输运、磁特性、磁光、电子自旋共振等8个科学实验站及配套低温系统和相应的材料制备实验室,涉及高电压、大电流、强磁场、低温、机械加工、高温设备及危化品等多种安全风险源。在这种条件下如何预防安全事故的发生,保障脉冲强磁场科学中心(以下简称:强磁场中心)各类人员及财产的安全,避免损失,是我们实验室安全工作中永恒的课题。

脉冲强磁场工程应用

脉冲强磁场具有独特的非接触力能效应,可与金属或磁性材料相互作用产生强电磁力场,是实现材料形貌和性能调控、催生电磁新技术的重要途径,在航空航天、新能源和国防军工等领域具有广泛应用价值。一、脉冲强磁场在航空航天领域中的应用轻量化已成为航空航天等领域先进制造技术的重要发展方向,是提高运载器件承载极限能力、实现节能减排的重要技术手段。例如,飞机机体减重5公斤,可增加飞机有效商载50公斤。

脉冲强磁场极端成形制造技术——原始-现代、意外-发明、积累-开创的结合

脉冲强磁场电磁成形制造,属于“十四五”国家重大科技基础设施脉冲强磁场优化提升项目中金属材料形性调控实验站的核心建设内容。它是脉冲强磁场技术与先进极端制造领域的有机融合,它基于电磁感应原理、利用脉冲强磁场瞬变特性、以非接触方式,产生大幅值、高柔性、强扩展的多时空脉冲电磁成形力场,可打破传统机械接触力/液力制造能场时空极限。

脉冲强磁场技术

强磁场是基础科学研究的重要工具。根据磁场持续时间长短不同,强磁场可以分为稳态强磁场和脉冲强磁场,稳态磁场一般是由水冷直流磁体或超导直流磁体或由它们的混合体产生,其特点是磁场能一直稳定在某一数值,目前稳态磁场的世界纪录是45T。脉冲强磁场的脉宽非常窄,只有数十毫秒,甚至几微秒。根据产生脉冲磁场的磁体是否可以被重复使用,脉冲磁场又可以分为两类。

强磁场及其前沿科学研究

磁场是一种描述电磁相互作用的矢量场,所谓强磁场是指采用超导技术、脉冲技术、混合磁体技术或者超高功率电磁铁技术产生的一种自然界达不到的物理场。通常认为,磁场强度大于5特斯拉(5T)就被归为强磁场。目前,实验室可实现的最高可控磁场强度为100T,远高于地磁场(0.00005T)和永磁体的磁场强度(1T)。我国的国家脉冲强磁场科学中心(武汉)可实现最高94.8T的强磁场。

强磁场下的热、电输运科学研究

电输运现象涵盖了电阻和霍尔效应,而热输运则包括热电效应、热导率及其横向效应[1]。它们是凝聚态物理学中历史悠久且持续活跃的研究领域,通过结合强磁场和低温环境,可以开展一系列引人入胜的科学探索,这里就笔者开展的工作为例进行阐述。

脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统设计

为解决脉冲强磁场实验装置难以直接用于实验教学问题,构建了脉冲强磁场实验装置虚拟仿真实验教学系统。通过设计认知学习、虚拟装配、参数设计等多个不同模块层级的虚拟训练,旨在使学生充分了解和掌握脉冲强磁场实验装置的组成、工作原理和基本设计方法。该虚拟仿真系统开辟了大科学装置实验教学新路径,在学生工程实践能力培养、科研反哺教学、学科交叉融合等方面取得了显著成效。

基于PCB空心线圈和数字积分器的脉冲强磁场装置放电电流测量

脉冲强磁场装置放电电流的准确测量对实现放电过程的监控具有重要意义。文章通过仿真分析了脉冲强磁场装置放电过程及电流波形特性,根据脉冲大电流的特性及空心线圈的基本原理,提出了基于印制电路板(PCB)空心线圈和改进Al-Alaoui算法数字积分器的电流测量方案。通过和Pearson 4427电流互感器的标定和对比测试,验证了电流测量的准确性和稳定性,该方案可满足脉冲电流测试需要。

用于细胞活性研究的高重频脉冲磁场装置

一定时间的脉冲磁场序列可刺激某些类型的细胞和组织产生有益的生物效应。由于磁体本质上是一个大感性负载,难以同时实现磁体电流的高di/dt和高精度调节。为此,该文提出一种两级联合调控拓扑,前级电路为同步降压电路,用于实现di/dt随磁场期望值同步调节,后级电路是桥式电路,用于实现脉冲磁场波形周期、振幅、稳定度、刺激间隔等参数的控制,为了实现电流从快速上升到稳定值的平滑过渡,引入一种由滞环控制器和PI控制器组成的混合型控制器。在此基础上,研制了频率范围为1 Hz~5 kHz、脉冲边沿小于50μs、可调精度为0.1 mT、峰值强度高达10 mT的便携式高频脉冲磁场发生装置样机,并应用于脉冲磁场对高龄小鼠的体外成熟卵母细胞受精和胚胎发育能力影响的研究。在脉冲磁场作用下囊胚形成率从15.15%提高至52.94%,表明脉冲磁场显著促进了高龄小鼠体外成熟卵母细胞的发育能力。

脉冲强磁场装置监控软件系统的研制

针对现有脉冲强磁场实验装置的监控系统操作繁琐、交互性差等问题,研制了脉冲强磁场装置监控软件系统,从监控软件系统采用C/S结构、监控内部通信采用TCP和UDP混合协议,控制软件与装置的通信采用TCP、OPC技术,界面设计采用Flash开发程序等方面分析关键技术,实现了远程监视和控制功能,应用效果良好,为强磁场下的科学研究提供了良好的操作平台。

长脉冲强磁场的蓄电池性能测试平台研制

国家脉冲强磁场科学中心(筹)在国际上首次大规模地将铅酸蓄电池用于脉冲强磁场,该蓄电池型电源由900台12 V/200 Ah的阀控式铅酸蓄电池通过串并联组成770 V/35 k A/2 s的电源系统,初步实现了35.8 T/2 s的长脉冲磁场以及25 T/200 ms/0.01%的高精度平顶磁场,拓宽了科学实验的研究领域。为了提高科学实验的效率、电源系统的安全性以及电池的寿命,专门研制了一套蓄电池性能测试平台。该平台由基于IGBT并联的脉冲放电开关、阻性负载、电压电流测量以及基于Lab VIEW的控制系统等组成,可以实现蓄电池静态和动态性能的测定。试验结果表明该平台运行可靠,满足设计要求。

教育部高校首个国家重大科技基础设施

国家脉冲强磁场科学中心是从事强磁场科学、技术及应用研究的国家级大科学平台,承担脉冲强磁场国家重大科技基础设施的建设和运行任务。脉冲强磁场设施是教育部高校首个国家重大科技基础设施,是物理、化学、材料和生物医学等多学科领域科学研究的国之重器,对支撑前沿科学技术发展具有重大战略意义。

平顶脉冲强磁场技术及其应用

平顶脉冲磁场(FTPMF)是指峰值磁场能持续稳定一段时间的特殊强磁场,兼具脉冲磁场高场强和稳态磁场高稳定度的双重优点,在前沿基础科学研究和工程技术领域中具有重要应用价值。该文根据飞轮储能脉冲发电机、电容器、蓄电池在功率、容量、输出电压等方面的特点,综述了FTPMF的产生及其高精度调控方法,介绍了改善FTPMF的稳定度、平顶时间等参数指标的最新技术进展。分析了FTPMF对改善核磁共振(NMR)性能和在测量材料物性中的关键作用,结合国家脉冲强磁场科学中心工作,给出了铌金属单质^(93)Nb在22T下的NMR测量、自旋二聚体Ba_(3)Mn_(2)O_(8)在64T下的比热测量、以及电荷密度波材料Li_(0.9)Mo_(6)O_(17)在30T下的非线性I-V测量应用情况。最后,对发展FTPMF需要的电源系统协同供电、小型化与模块化、脉冲磁体材料、寿命及其状态监测等技术,以及FTPMF在脉冲场回旋管太赫兹波源上的应用等进行了展望。

基于转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统

测量物质在不同外加磁场方向下的电输运性质是近年来研究拓扑量子材料的一种重要实验方法,为探索物质的新奇特性提供了独特的视角和手段.研究表明,在超高强度的脉冲强磁场下,材料的电输运研究可能扩展至量子极限区域,将观察到更加丰富的物理现象.而现有的电输运测量系统中,稳态场下的样品测量杆受限于尺寸和材料,难以适应脉冲场测量要求;脉冲场下的传统样品测量杆的角度分辨率和空间利用率较低,亟需研制更高性能的转角测量系统.为此,本文提出一种拉杆式转角样品杆,基于该转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统,能够在极低温、强磁场的极端环境下,于脉冲磁体中心通孔的微型样品腔内开展磁场方向190°范围内任意变化的电输运性质测量实验,其旋转结构稳定性良好,转角控制精度达到0.1°;通过合理设计集成电路布局、前置补偿放大和数字锁相提取等信号处理环节,电输运测量结果的精确度优于0.1 m W.本文详细阐述了该测量系统的组成、转角测量杆的设计与研制、校准原理与信号处理过程,并简要介绍了该测量系统在费米面重构、拓扑绝缘体表面态、量子极限输运、超导电性等前沿研究领域的应用.

脉冲强磁场电子自旋共振实验测试技术研究进展

该文介绍了国际强磁场ESR谱仪概况。首先,针对强磁场ESR分辨率高、应用范围广等优点,阐明我国建设强磁场ESR谱仪的必要性和紧迫性;然后介绍我国脉冲强磁场ESR谱仪的综合性能指标和开放运行情况,分析强磁场ESR实验技术的发展方向和应用领域新需求;最后,提出了我国脉冲强磁场ESR谱仪优化提升的目标和规划。

脉冲强磁场装置间谐波分析和测试

国家脉冲强磁场实验装置的脉冲电容器型电源是产生最高90T以上超强脉冲磁场的关键设备,其充电采用整流、高频逆变、整流的高精度恒流充电机,多台充电机同时工作时对实验室1 MVA的小型配电网产生较大冲击,特别是充电过程中产生的间谐波,给其他高端精密的科学测量仪器等用电设备造成干扰,严重影响前沿基础科学实验的高精度数据采集。在此首先进行串联谐振恒流充电机的原理分析,通过建立系统仿真模型,开展间谐波发射特性的研究,最后在装置上进行了间谐波测试,仿真结果和实验数据吻合,验证了理论和仿真分析的正确性,为下一步间谐波治理方案设计提供了重要的基础。

第10届国际脉冲强磁场科学研究会议

2012年7月3-6日，由国家脉冲强磁场科学中心举办的第10届国际强磁场科学研究会议在武汉成功举行。来自美国、德国、法国、荷兰、日本、俄罗斯、以色列和中国等20个国家和地区的200余名著名专家学者参加会议，其中，海外代表145人，国内代表75人。大会首先由国家脉冲强磁场科学中心（筹）主任李亮教授和华中科技大学副校长罗俊院士致欢迎辞。李亮教授简单回顾了RHMF会议的历程，对与会专家不顾高温来武汉参会表示感谢，并对曾经给予帮助的国内外专家表示感谢。罗校长介绍了华中科技大学的概况，

基于新型磁电阻材料TaP的强磁场传感器设计

针对强磁场的检测需求,设计了基于新型磁电阻材料外尔半金属TaP的强磁场传感器。首先,分析介绍了外尔半金属材料进行强磁场检测的原理,材料的各向异性以及SdH振荡现象。之后,以外尔半金属TaP为磁敏感材料进行相关特性测试和传感器设计,通过锁相放大器OE1022D采集传感器输出信号。最后,通过实验测试,对传感器的灵敏度、噪声特性和测量范围进行标定。设计的传感器测量范围为-3~3 T,灵敏度为8.97μV/Gs,噪声特性为2mGs/√Hz@1Hz,实际测量结果误差小,分辨率较高,噪声小,对于强磁场的测量有一定的实用价值。