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.pdfVIP

2024年1月电工技术学报Vol.39No.2

第39卷第2期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJan.2024

DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.230087

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

张绍哲1,2魏文琦1,2樊俊显1,2谢剑峰1,2韩小涛1,2

（1.华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心武汉430074

2.强电磁技术全国重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院）武汉430074）

摘要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1T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45.2T、持续时间

为8ms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。

关键词：平顶脉冲磁场双电容器耦合磁场补偿线性调控高稳定度

中图分类号：TM15

长越好[6]，初步建设目标平顶持续时间大于5ms。

0引言

但是，产生大于20T脉冲磁场的电流值一般大于

强磁场对物质磁矩有强烈作用，能够改变核自10kA，大电流作用下平顶期间磁体内阻在0.1s内

旋和电子结构，进而改变物质特性，是研究物理现变化幅度高达2～7倍，故实现平顶磁场的0.01%高

象和机理的重要极端条件[1]。高磁场强度是引发材精度量级难度极大。

料发生奇特物理现象的关键环境因素，而排除磁场美国国家强磁场实验室（NHMFL）、日本东京

变化引发的感应加热和涡流效应的影响，精准测出大学物性研究所（ISSP）、WHMFC采用脉冲发电机、

材料物性的变化过程，必须使磁场在材料的弛豫时电容器、蓄电池等电源供电，通过各类调控手段实

间内保持稳定[2]。平顶脉冲磁场（Flat-TopPulsed现了不同参数的FTPMF，见表1[2]。综述文献[2]对

MagneticField,FTPMF）兼具脉冲磁场高场强和稳实现FTPMF的各类方法进行了详细分析。其中，

态磁场高稳定度的双重优点，是进行高场核磁共振仅有ISSP实现了磁感应强度大于40T，稳定度在

（NuclearMagneticResonance,NMR）和I-V测量，0.01%量级的FTPMF，并据此大力发展脉冲场比热

开展磁化效应、磁阻效应、电输运等凝聚态物理研测量、脉冲场NMR等技术[7-8]。ISSP采用的方法是

究，发现新物理现象的重要工具[3]。利用电容器或直流脉冲发电机提供一个无纹波的背

中国武汉国家脉冲强磁场科学中心（WHMFC）景磁场，然后在主磁体内嵌入小线圈，通过小线圈

建设了脉冲强磁场NMR、I-V测量实验站，其要求补偿背景磁场变化实现高精度平顶磁场。然而，利

磁感应强度大于40T，平顶稳定度在0.01%量级[4-5]。用电容器提供背景磁场，可调节的平顶持续时间较

为了一次放电测量多次共振信号，平顶持续时间