韓小濤 張紹哲 魏文琦 王俊峰 李 亮

平頂脈沖強(qiáng)磁場技術(shù)及其應(yīng)用

韓小濤1,2張紹哲1,2魏文琦1,2王俊峰1李 亮1,2

（1. 華中科技大學(xué) 國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心 武漢 430074 2. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院） 武漢 430074）

平頂脈沖磁場（FTPMF）是指峰值磁場能持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間的特殊強(qiáng)磁場，兼具脈沖磁場高場強(qiáng)和穩(wěn)態(tài)磁場高穩(wěn)定度的雙重優(yōu)點(diǎn)，在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值。該文根據(jù)飛輪儲能脈沖發(fā)電機(jī)、電容器、蓄電池在功率、容量、輸出電壓等方面的特點(diǎn)，綜述了FTPMF的產(chǎn)生及其高精度調(diào)控方法，介紹了改善FTPMF的穩(wěn)定度、平頂時(shí)間等參數(shù)指標(biāo)的最新技術(shù)進(jìn)展。分析了FTPMF對改善核磁共振（NMR）性能和在測量材料物性中的關(guān)鍵作用，結(jié)合國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心工作，給出了鈮金屬單質(zhì)93Nb在22T下的NMR測量、自旋二聚體Ba3Mn2O8在64T下的比熱測量、以及電荷密度波材料Li0.9Mo6O17在30T下的非線性I-V測量應(yīng)用情況。最后，對發(fā)展FTPMF需要的電源系統(tǒng)協(xié)同供電、小型化與模塊化、脈沖磁體材料、壽命及其狀態(tài)監(jiān)測等技術(shù)，以及FTPMF在脈沖場回旋管太赫茲波源上的應(yīng)用等進(jìn)行了展望。

平頂脈沖磁場 脈沖電源 調(diào)控技術(shù) 核磁共振 太赫茲回旋管

0 引言

強(qiáng)磁場對物質(zhì)磁矩有強(qiáng)烈作用，能夠改變核自旋和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變物質(zhì)特性，是研究物理現(xiàn)象和機(jī)理的重要極端條件。磁場強(qiáng)度的提高將給基礎(chǔ)科學(xué)研究帶來重大機(jī)遇，自1985年以來產(chǎn)生了霍爾效應(yīng)、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）、超導(dǎo)體等十余項(xiàng)與強(qiáng)磁場相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)，涵蓋了物理、化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科[1]。強(qiáng)磁場可分為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場和脈沖強(qiáng)磁場兩大類，其中脈沖強(qiáng)磁場又包括破壞性和非破壞性磁場，各類磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度和脈寬范圍如圖1所示[2]。

圖1 磁場類型及參數(shù)特性

穩(wěn)態(tài)磁場持續(xù)時(shí)間為s級以上，但磁感應(yīng)強(qiáng)度值相對較低。產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁場有超導(dǎo)磁體、水冷磁體和混合磁體三種方法。超導(dǎo)磁體在勵(lì)磁之后幾乎零功耗，但受超導(dǎo)材料臨界磁場和臨界電流約束，目前磁感應(yīng)強(qiáng)度最高為32.35 T[3]，商業(yè)化超導(dǎo)磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度一般低于20T。水冷磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度最高達(dá)41.4T[4]，與超導(dǎo)磁體嵌套組成混合磁體，通過疊加可提高磁場強(qiáng)度，美國利用混合磁體技術(shù)產(chǎn)生了45.5T穩(wěn)態(tài)磁場[5]。不過，水冷磁體及其水冷系統(tǒng)的體積大、功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行和維護(hù)成本非常高。

脈沖強(qiáng)磁場峰值高、時(shí)間短，放電期間磁體近似絕熱，無需對磁體循環(huán)制冷，結(jié)構(gòu)相對簡單。脈沖強(qiáng)磁場有破壞性和非破壞性兩類。當(dāng)磁場高于100T時(shí)，磁體承受的壓力高達(dá)4GPa，超過了目前已知導(dǎo)體材料的承受極限，所以一般以磁體破壞為代價(jià)產(chǎn)生峰值100T以上的超強(qiáng)脈沖磁場[1]。就目前破壞性脈沖磁場的發(fā)展水平，單匝線圈最高可產(chǎn)生峰值為300T的脈沖磁場，再輔以磁通壓縮技術(shù)可進(jìn)一步提升峰值磁場強(qiáng)度，最高紀(jì)錄高達(dá)2 800T。但是，破壞性脈沖強(qiáng)磁場的脈寬在μs級及以下，無法調(diào)控其波形，故本文只討論非破壞脈沖磁體產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)磁場，下文簡稱脈沖磁場。在磁場強(qiáng)度方面，2012年美國創(chuàng)造了100.75T的脈沖強(qiáng)磁場世界紀(jì)錄[6]，德國和中國分別于2016年和2021年實(shí)現(xiàn)了95.6T[7]和94.8T[8]脈沖強(qiáng)磁場。相比穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場，60T等級以下脈沖磁體技術(shù)較為成熟，在峰值磁場強(qiáng)度上具有絕對優(yōu)勢。

由于穩(wěn)態(tài)磁場和脈沖磁場在峰值強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面各有優(yōu)勢和不足，為滿足科學(xué)研究需要，平頂脈沖磁場（Flat-Top Pulsed Magnetic Field, FTPMF）技術(shù)得到發(fā)展，其兼具脈沖高磁場強(qiáng)度和穩(wěn)態(tài)磁場高穩(wěn)定度的雙重優(yōu)點(diǎn)，是脈沖強(qiáng)磁場技術(shù)領(lǐng)域的重要分支[9]。平頂脈沖磁場波形示意圖如圖2所示，F(xiàn)TPMF參數(shù)指標(biāo)有平頂磁場強(qiáng)度、平頂持續(xù)時(shí)間、平頂穩(wěn)定度、上升時(shí)間和下降時(shí)間。其中前三項(xiàng)平頂參數(shù)與應(yīng)用場景息息相關(guān)，例如，NMR中電場強(qiáng)度正比于其靈敏度，穩(wěn)定度一般需優(yōu)于0.01%，持續(xù)時(shí)間與樣品弛豫時(shí)間及共振次數(shù)密切相關(guān)。上升時(shí)間和下降時(shí)間不是用戶關(guān)心的核心指標(biāo)，但直接影響磁體溫升，在不影響用戶使用的情況下越短越好。

圖2 平頂脈沖磁場波形示意圖

早在1927年，P. L. Kapitza利用一臺單相飛輪儲能交流發(fā)電機(jī)整流后對磁體供電，通過閉環(huán)調(diào)壓控制在5mm孔徑磁體中產(chǎn)生了帶有5ms平頂?shù)?2T FTPMF，但當(dāng)時(shí)并沒有用到平頂磁場這一特性，無后續(xù)技術(shù)研究[10]。荷蘭科學(xué)家于1959年在阿姆斯特丹建立了世界第一個(gè)專業(yè)化的脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室，選擇了電網(wǎng)整流型電源供電，1985年實(shí)現(xiàn)了最高參數(shù)40T/80ms/0.1%的FTPMF，用以開展磁化效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、電輸運(yùn)等凝聚態(tài)物理研究[11-12]。之后美國、中國、日本的脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室采用脈沖發(fā)電機(jī)、電容器、蓄電池等電源供電，通過不同調(diào)控手段實(shí)現(xiàn)了不同參數(shù)的FTPMF，見表1。

表1 目前已實(shí)現(xiàn)的主要FTPMF參數(shù)

Tab.1 The main FTPMF parameters that have been implemented

隨著電力電子及高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步，脈沖磁場波形調(diào)控有了較大發(fā)展，F(xiàn)TPMF在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。同時(shí)，應(yīng)用的深入也對FTPMF性能參數(shù)提出了更高要求。為此，本文將根據(jù)電源類型的特點(diǎn)綜述FTPMF實(shí)現(xiàn)手段及最新技術(shù)進(jìn)展，并介紹現(xiàn)有FTPMF的典型應(yīng)用，最后對FTPMF關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用潛力進(jìn)行分析和展望。

1 FTPMF產(chǎn)生技術(shù)

不考慮脈沖磁體復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)上是一個(gè)空心螺線管，內(nèi)徑通常為10～30mm。對于電源而言，脈沖磁體是一個(gè)大電感負(fù)載，電感值約幾毫亨到幾十毫亨，內(nèi)阻約幾毫歐到百毫歐。產(chǎn)生大于20T脈沖磁場電流值一般大于10kA，大電流作用下平頂期間磁體內(nèi)阻在0.1s內(nèi)將增大2～7倍。磁體電流變化率由磁體電感和電源輸出電壓共同決定，電流變化率越大，平頂之外的磁體通流時(shí)間越小，則磁體溫升越小，但要求電壓也越高。在上述極端工況下，進(jìn)行精度優(yōu)于0.1%～0.01%的高精度平頂磁場調(diào)控難度極大。

根據(jù)儲能類型，脈沖強(qiáng)磁場電源有電網(wǎng)儲能、飛輪儲能交/直流、電容器、電感器和蓄電池等幾大類型[9,21]，它們在功率密度、能量密度和輸出特性方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，見表2，脈沖電源特性決定了磁場波形的特點(diǎn)。

表2 脈沖電源類型及優(yōu)缺點(diǎn)

Tab.2 Types of power supply and their advantages and drawbacks

1.1 整流調(diào)壓型FTPMF

電網(wǎng)儲能和飛輪儲能交流發(fā)電機(jī)（Flywheel Energy Storage Alternator, FESA）通過晶閘管多脈波整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電對磁體供能，能量大，輸出電壓可通過整流觸發(fā)延遲角調(diào)控，易于磁場波形調(diào)控。雖然脈沖強(qiáng)磁場電源供電時(shí)間最多只有幾秒，但是瞬時(shí)功率很大，電網(wǎng)取能會沖擊電網(wǎng)，產(chǎn)生高次諧波惡化電能質(zhì)量，目前已被淘汰。

飛輪存儲機(jī)械能后脫離電網(wǎng)運(yùn)行，不會沖擊電網(wǎng)，是脈沖功率中一種重要的儲能形式。美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室（NHMFL）的FESA電源，由一臺最大輸出能量和功率分別為650MJ和1.4GW的FESA外帶7個(gè)十二脈沖整流器組成，單個(gè)整流器滿載可輸出3.2kV和20kA，各模塊可串并聯(lián)。NHMFL設(shè)計(jì)了一個(gè)三線圈脈沖磁體，磁體導(dǎo)體重2 505.6kg、保護(hù)層重1 409.4kg。利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)60T/100ms、45T/850ms和27T/2.6s等一系列磁場波形，如圖3所示[13]。磁體體積大，則電流密度低，磁體溫升相對較小，但是需要的能量也大[22]。NHMFL實(shí)現(xiàn)60T FTPMF時(shí)需要400MW功率，其650MJ和1.4GW的FESA是該方案的能量基礎(chǔ)。

圖3 NHMFL脈沖磁場裝置原理圖及典型波形

中國武漢國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心（WHMFC）也建有一臺100MV·A/100MJ FESA電源，并配有兩套67.5MW的十二脈波整流器。2012年WHMFC采用該電源在22mm孔徑的雙線圈磁體中產(chǎn)生50T/100ms的FTPMF[16]。除此之外，還實(shí)現(xiàn)了重頻FTPMF和階梯波脈沖磁場[23]，如圖4和圖5所示。

圖4 20T重復(fù)FTPMF

1.2 電容器型FTPMF

電容器功率密度大（＞100kW/kg）、無紋波且結(jié)構(gòu)簡單、易于模塊化、價(jià)格相對較低，是脈沖磁場領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電源類型。但是，電容器儲能密度小（＜0.1W·h/kg），放電時(shí)電壓跌落速度快，難以進(jìn)行波形調(diào)控，其適合產(chǎn)生高而短的脈沖磁場。

圖5 階梯波脈沖磁場

電容器放電系統(tǒng)的電路模型是電容對阻感負(fù)載放電，如圖6所示。放電階段，續(xù)流回路不導(dǎo)通，VD=0，磁體電流過了峰值之后，端電壓由正變負(fù)，續(xù)流回路導(dǎo)通，釋放磁體能量。主回路開關(guān)一般為單向?qū)щ姷木чl管，電流減小至零后不會發(fā)生振蕩，典型放電波形如圖7所示。

圖6 電容器脈沖放電系統(tǒng)等效電路

圖7 電容器脈沖放電系統(tǒng)典型波形

增大電容器的容值將放電脈寬拉長，可將脈沖峰值處一定時(shí)間內(nèi)近似認(rèn)為平頂，德國強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室使用43MJ電容器將脈寬拉長至1 500ms，在磁場峰值處產(chǎn)生了55.2T±1T/70ms的近似平頂，為了承受長脈沖電流產(chǎn)生的熱量，需相應(yīng)增大磁體，故其磁體重達(dá)1 200kg[24]。該方法裝置體積較大、效率低，實(shí)用性不強(qiáng)。

利用電容器產(chǎn)生FTPMF的方案主要有脈沖成形網(wǎng)絡(luò)、雙電容器耦合放電。

1.2.1 脈沖成形網(wǎng)絡(luò)法

脈沖成形網(wǎng)絡(luò)有線性疊加脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（Pulse Forming Networks, PFN）和時(shí)序脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（Sequence Fire PFN , SFPFN）兩種類型。PFN是經(jīng)典的利用電容器實(shí)現(xiàn)FTPMF的方法。固定參數(shù)的單個(gè)RLC放電回路，電流電壓波形為衰減振蕩的近似正弦波，根據(jù)傅里葉分解和線性系統(tǒng)疊加原理，將多個(gè)RLC放電回路組合到一起，產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦波進(jìn)行疊加，理論上可產(chǎn)生方波。1974年德國科學(xué)家G. Dworschak利用PFN實(shí)現(xiàn)了44T FTPMF，但平頂時(shí)間僅有1ms、穩(wěn)定度只有1%[25]。PFN的原理只有在電路參數(shù)固定時(shí)才適用，大電流作用下磁體內(nèi)阻變化較大，難以產(chǎn)生近似方波，故PFN常用在對磁場精度和持續(xù)時(shí)間要求不高的電磁發(fā)射領(lǐng)域，未在FTPMF領(lǐng)域得到推廣。

為了延長平頂時(shí)間，之后又發(fā)展出了SFPFN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過多個(gè)電容器對磁體依次放電，可在磁體上產(chǎn)生帶紋波的平頂波形，兩模塊SFPFN基本拓?fù)淙鐖D8所示[26]。2021年WHMFC采用9模塊SFPFN實(shí)現(xiàn)了最高參數(shù)為50T/70ms/0.7%的FTPMF[18]，如圖9所示。

圖8 兩模塊SFPFN原理圖

圖9 WHMFC SFPFN型FTPMF

1.2.2 雙電容器耦合法

為了產(chǎn)生無紋波FTPMF，WHMFC發(fā)明了耦合電感調(diào)控技術(shù)，基本原理如圖10所示[27]。通過耦合變壓器耦合輔助放電回路，在主回路中產(chǎn)生電壓dI/d，進(jìn)行主回路的電壓調(diào)節(jié)。工作流程如下：主回路先放電，磁體電流上升；經(jīng)過一定延時(shí)，在主回路磁體電流到達(dá)峰值之前觸發(fā)輔助回路，輔助回路開始放電時(shí)dI/d最大，磁體電流由上升轉(zhuǎn)為平頂，平頂階段dI/d逐漸變小抵消磁體內(nèi)阻電壓增量及主回路電容器電壓下降，形成平頂波形。

圖10 雙電容器耦合放電電路及原理

采用該方法WHMFC實(shí)現(xiàn)了最高參數(shù)為64T/ 10ms/0.3%的FTPMF[17]，如圖11a所示。雙電容器耦合放電是通過輔助回路的電流變化率調(diào)節(jié)主回路的電壓，讓主回路電流由上升轉(zhuǎn)為平頂，所以，在輔助回路觸發(fā)時(shí)必須滿足互感電壓等于磁體電感電壓，即dI/d=mdm/d。故系統(tǒng)參數(shù)固定后，兩個(gè)回路的放電時(shí)序非常重要，若輔助回路提前觸發(fā)，那么觸發(fā)時(shí)刻dI/d＜mdm/d平頂就會上斜，反之平頂就會下斜，如圖11b所示。為此，WHMFC自主研發(fā)了ns級控制時(shí)序發(fā)生系統(tǒng)以滿足雙電容器耦合放電時(shí)序的需求[28]。

圖11 雙電容器耦合放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

脈沖成形網(wǎng)絡(luò)和雙電容器耦合都是開環(huán)系統(tǒng)，磁場波形受電容器電源、磁體溫升等參數(shù)影響較大，穩(wěn)定度難以做到百萬分之一級別。

1.3 蓄電池型FTPMF

蓄電池具有儲能密度高（40W·h/kg）、電壓穩(wěn)定且無紋波、模塊化的優(yōu)點(diǎn)，但是功率密度?。?50W/kg），理論上可以通過模塊串并聯(lián)獲得任意輸出電流電壓，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，蓄電池組輸出電壓相對較低，放電時(shí)磁體電流上升緩慢，適合產(chǎn)生長脈沖磁場。WHMFC的蓄電池電源共由1 050個(gè)6GFM—200型鉛酸蓄電池串并聯(lián)連接而成，6GFM—200型鉛酸蓄電池的開路電壓12.8V、最大電流2kA、內(nèi)阻約3mΩ。輸出電流2kA時(shí)，蓄電池內(nèi)阻壓降就有6V，單節(jié)蓄電池就有12kW的功耗，對外輸出效率僅約50%，而且隨著放電次數(shù)和放置時(shí)間的增加內(nèi)阻也會逐漸增大，即內(nèi)阻是限制蓄電池性能和壽命的主要因素[29]。

蓄電池脈沖放電系統(tǒng)的等效電路與圖6類似，假設(shè)換流時(shí)刻為cr，忽略磁體內(nèi)阻變化，換流前后電路方程分別為

式中，Ub和Rb為蓄電池組開路電壓和內(nèi)阻；τb為放電回路時(shí)間常數(shù)，τb=L/(R+Rb)；τc為續(xù)流回路時(shí)間常數(shù)，τc=L/(R+Rc)；iL(cr)為換流時(shí)刻負(fù)載電流。放電和續(xù)流過程負(fù)載電流皆是e指數(shù)函數(shù)，理論上磁體電流經(jīng)過2.3τb上升到穩(wěn)態(tài)值的90%，4τb達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98%，電流越大上升越慢，大電流作用時(shí)間長，導(dǎo)致磁體溫升明顯增大；續(xù)流階段，大電流作用時(shí)間短，電流拖尾長，對磁體溫升貢獻(xiàn)不大。放電過程中，雖然回路中蓄電池電壓恒定，但磁體受焦耳熱內(nèi)阻增大，故其只能產(chǎn)生穩(wěn)定度較低的近似平頂脈沖波形，典型放電波形如圖12所示。

2 FTPMF高精度調(diào)控

上述電容器和蓄電池開環(huán)放電產(chǎn)生的FTPMF精度低、穩(wěn)定性差，為了改善其參數(shù)性能，需采用相應(yīng)手段進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控。從所調(diào)控物理量的角度可分為回路電壓調(diào)控和回路阻抗調(diào)控。從電路形式上可分為串聯(lián)調(diào)控和并聯(lián)調(diào)控：串聯(lián)調(diào)控時(shí)部件需要承受與磁體電流相同的大電流；并聯(lián)調(diào)控時(shí)部件需要承受和磁體端電壓相同的高電壓。從調(diào)控器件的工作模式可分為開關(guān)調(diào)控和線性調(diào)控：開關(guān)調(diào)控時(shí)器件工作于斬波模式，有高頻開關(guān)紋波，磁場穩(wěn)定度受限，其優(yōu)點(diǎn)是器件功耗??；線性調(diào)控時(shí)器件工作于有源放大模式，穩(wěn)定度高，但器件功耗相對較大。

2.1 回路阻抗調(diào)控法

回路阻抗調(diào)控法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式，如圖13所示，圖13中，eff為回路等效電阻，0為線路電感，m()為磁體內(nèi)阻的溫度函數(shù)。假設(shè)平頂期間磁體電流保持穩(wěn)定，等于參考值，則

串聯(lián)電阻調(diào)控時(shí)旁路電阻Rp無窮大?？梢钥闯?，平頂期間當(dāng)磁體電阻受熱變大時(shí)，減小磁體串聯(lián)電阻Reff或者磁體旁路電阻Rp，可抵消磁體內(nèi)阻變化，使磁體電流保持穩(wěn)定。

2.1.1 串聯(lián)電阻調(diào)控法

串聯(lián)調(diào)控法器件需要承受主回路電流，適合小電流等級采用。日本固體物理研究所（ISSP）基于此原理提出了在主磁體中嵌入小線圈的方法進(jìn)行FTPMF調(diào)控[14]。其中主磁體提供較強(qiáng)的背景磁場，小線圈僅產(chǎn)生最大1.5T的可控磁場對背景磁場進(jìn)行補(bǔ)償，二者疊加產(chǎn)生平頂波形。在磁體設(shè)計(jì)方面，為了消除主磁體和補(bǔ)償線圈的互感，補(bǔ)償線圈采用了中間正繞、兩側(cè)反繞的三段式繞組結(jié)構(gòu)；為不產(chǎn)生紋波，在補(bǔ)償線圈磁場調(diào)控方面，將MOSFET或者IGBT驅(qū)動在線性放大區(qū)[30]，其等效內(nèi)阻受門極電壓控制，可連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)回路電流的線性調(diào)控，故磁場穩(wěn)定度較高。平頂時(shí)間和磁感應(yīng)強(qiáng)度取決于背景磁場，ISSP采用電容器產(chǎn)生背景磁場實(shí)現(xiàn)了最高參數(shù)為60.64T/2ms/0.008%的FTPMF，如圖14a[14]所示。為了延長平頂時(shí)間，又采用飛輪儲能直流脈沖發(fā)電機(jī)供電產(chǎn)生長脈沖背景磁場。脈沖發(fā)電機(jī)雖然可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)控輸出電壓，但是其響應(yīng)速度在百ms量級以上，大于平頂時(shí)間尺度，無法調(diào)控平頂。ISSP采用小線圈對該長脈沖背景磁場補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了43.5T/65ms/0.02%的FTPMF，如圖14b所示[15]。

圖14 ISSP小線圈補(bǔ)償FTPMF波形

同理，WHMFC在雙電容器耦合法產(chǎn)生背景磁場的基礎(chǔ)上，通過小線圈補(bǔ)償將背景磁場的穩(wěn)定度提升了10倍，達(dá)到了0.02%[31]，如圖15所示。

圖15 小線圈補(bǔ)償提高雙電容器耦合FTPMF平頂穩(wěn)定度

通過可控弱磁場補(bǔ)償背景強(qiáng)磁場，小線圈補(bǔ)償大大減小了調(diào)控回路需要的功率等級，相對容易實(shí)現(xiàn)。但是，補(bǔ)償線圈和主磁體的磁場軸向位形不相同，調(diào)控時(shí)只能保證中心處的磁場波形，而軸向位形是動態(tài)變化的，所以只適合于對磁場位形和空間均勻度沒有要求的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。理論上，只有設(shè)計(jì)出和主磁體位形完全相同的補(bǔ)償線圈才能保證調(diào)控過程中磁場位形不變。另外，補(bǔ)償線圈是電感負(fù)載，電流慣性大，難以用來消除高頻紋波，所以難以用小線圈補(bǔ)償提升SFPFN型FTPMF的穩(wěn)定度。WHMFC正在研究采用耦合電感主動濾波來提升SFPFN型FTPMF穩(wěn)定度[32]。

同樣基于串聯(lián)電阻調(diào)控的思想，文獻(xiàn)[33]提出了利用蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行FTPMF調(diào)控的方法。當(dāng)磁體電流到達(dá)峰值時(shí)，通過IGBT在原來的蓄電池組上再并入相同電壓的蓄電池串，來減小回路電阻以抵消磁體內(nèi)阻變化，實(shí)現(xiàn)平頂控制。該方法理論上可行，但是蓄電池本身較為笨重，使用大量蓄電池進(jìn)行調(diào)控不是很理想的方法。

2.1.2 并聯(lián)電阻調(diào)控法

并聯(lián)調(diào)控法可以利用相對較小的旁路電流調(diào)控主回路的大電流，加之蓄電池電源電壓等級較低，在IGBT模塊承受范圍之內(nèi)，故具有可操作性。2014年，WHMFC提出了PWM旁路法改變旁路電阻p的等效阻值，實(shí)現(xiàn)了長平頂脈沖強(qiáng)磁場，如圖16所示[19]。在較低磁場下，磁體溫升不大，磁體內(nèi)阻變化較小，旁路系統(tǒng)容易進(jìn)行平頂控制，平頂時(shí)間較長，如圖中9.1T/640ms、16T/400ms。當(dāng)磁體電流較大時(shí)，磁體溫升明顯，磁體內(nèi)阻變化快、范圍大，受到旁路分流容量及調(diào)控速度限制，平頂時(shí)間以及磁場穩(wěn)定度會有下降，如圖中的20.4T/250ms、25.6T/200ms。受限于蓄電池輸出電壓，磁場上升時(shí)間較長，將磁感應(yīng)強(qiáng)度提升到40T以上難度較大。另外，PWM旁路會在系統(tǒng)中引入開關(guān)紋波，對磁場變化率敏感的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如磁化測量，有一定影響。

圖16 PWM旁路原理圖和實(shí)驗(yàn)波形

2.2 回路電壓調(diào)控法

回路電壓調(diào)控包括串聯(lián)、并聯(lián)電壓源和并聯(lián)電流源三種方法，如圖17所示。串聯(lián)、并聯(lián)電壓源法易于理解，隨著磁體內(nèi)阻增大提升電壓源輸出電壓即可保持磁體電流穩(wěn)定。串聯(lián)電壓源需要承受幾十kA的磁體電流；并聯(lián)電壓源電壓為磁體電壓，輸出電流取決于eff的大小，即磁體電壓升高導(dǎo)致eff的電流s減小，減小的電流由旁路電流補(bǔ)充。但是從工程實(shí)現(xiàn)上考慮，這兩種方法都需要設(shè)計(jì)大功率電力電子設(shè)備，難度相對較大，尚未得到應(yīng)用。

并聯(lián)電流源調(diào)控法的基本原理是：通過旁路電流p控制阻抗eff、0上的電壓，蓄電池電壓b恒定，那么磁體端電壓隨阻抗eff、0上的電壓變化而變化，電路方程為

圖17 回路電壓調(diào)控法

并聯(lián)電流源調(diào)控法的特殊優(yōu)勢在于可以利用IGBT或MOFET的有源區(qū)流控特性實(shí)現(xiàn)線性調(diào)控，精度高，無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的電源設(shè)備。基于該方法，WHMFC采用2個(gè)IGBT模塊FZ3600R17KE2實(shí)現(xiàn)了最高參數(shù)為23.37T/100ms/0.0064%的FTPMF[20]。

3 FTPMF的應(yīng)用

FTPMF可產(chǎn)生比現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)磁場更高強(qiáng)度的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)磁場，諸多以往難以在脈沖磁場下開展的高精度科學(xué)實(shí)驗(yàn)測量手段，如NMR、比熱、I-V等，可在更高電場強(qiáng)度下進(jìn)行，F(xiàn)TPMF將為相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)研究提供更極端的磁場環(huán)境與測試條件。

3.1 脈沖磁場NMR技術(shù)

NMR是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下，自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率射頻輻射的物理過程，能精確分辨出物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)信息，在物理、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。提高磁感應(yīng)強(qiáng)度可直接擴(kuò)大能極差、增強(qiáng)共振信號（SNR∝2.51.5,為被測元素旋磁比），從而提高NMR空間分辨率、減小信號平均次數(shù)。2003年至今，德國HLD、法國強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室、日本ISSP均積極開展了脈沖場NMR技術(shù)研究，發(fā)展出磁場與FID信號相位互鎖、頻域反卷積、信號歸一化平均等算法策略提高譜分析質(zhì)量[34-36]，并用于研究場致列相變[37]和高溫超導(dǎo)材料磁相變[38-39]。

文獻(xiàn)[40]綜述了脈沖場NMR的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，指出目前脈沖場NMR僅在磁場強(qiáng)度方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，而脈沖場磁場穩(wěn)定度低、穩(wěn)定時(shí)間短、空間均勻度和重復(fù)性差嚴(yán)重限制了NMR信號質(zhì)量（FID信號線寬加寬、基線失穩(wěn)、相位畸變）、樣品極化時(shí)間和樣品體積，導(dǎo)致磁場-譜儀同步效率低下，可檢測體系單一，極化時(shí)間與弛豫時(shí)間不足等問題。而平頂脈沖磁場調(diào)控是解決傳統(tǒng)脈沖磁場穩(wěn)定度低、重復(fù)性差的唯一技術(shù)手段。

目前，日本ISSP和中國WHMFC已經(jīng)開展了平頂脈沖磁場NMR技術(shù)研究，日本在13T FTPMF下測得了單晶銅的NMR信號[41]，WHMFC在22T FTPMF下測得了鈮金屬單質(zhì)93Nb的NMR信號，并在單次放電下實(shí)現(xiàn)了多次有效激發(fā)[42]，如圖19所示。

FTPMF-NMR技術(shù)處于剛起步階段，在FTPMF方面仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化磁場強(qiáng)度、穩(wěn)定度、持續(xù)時(shí)間和空間均勻度等性能參數(shù)，以提升FTPMF-NMR信號質(zhì)量和適用范圍。此外，采用永磁體的小型無液氦NMR裝置已走向市場，例如美國Anasazi公司的EFT-60 (60MHz)、EFT-90 (90MHz)，已在全球近700家科研院所、高科技企業(yè)得到應(yīng)用。然而，永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅有2T左右，使裝置性能受限。研制磁感應(yīng)強(qiáng)度3～10T、高重頻、常溫水冷、小型化的FTPMF裝置將十分有利于FTPMF-NMR技術(shù)的應(yīng)用推廣。

3.2 平頂脈沖磁場的科學(xué)應(yīng)用

強(qiáng)磁場下比熱測量和I-V曲線測量是凝聚態(tài)物理中探究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系、電荷密度波材料、高溫超導(dǎo)中非線性輸運(yùn)等特性和材料結(jié)構(gòu)相變相機(jī)理的關(guān)鍵測量手段[43]。高磁場強(qiáng)度是引發(fā)材料發(fā)生奇特物理現(xiàn)象關(guān)鍵環(huán)境因素，而排除磁場變化引發(fā)的感應(yīng)加熱和渦流效應(yīng)的影響，精準(zhǔn)測出材料物性的變化過程，就必須用到平頂磁場這一特性，磁場的高場強(qiáng)和持續(xù)穩(wěn)定缺一不可，同時(shí)平頂持續(xù)時(shí)間必須能夠覆蓋材料的弛豫時(shí)間。

目前，美國、日本和中國都已開發(fā)了FTPMF下的比熱測量技術(shù)，如圖20所示。采用這一技術(shù)，美國NHMFL首次觀察到Kondo絕緣體的自旋帶隙關(guān)閉現(xiàn)象和URu2Si2的隱秩序相變[44-46]；日本ISSP則觀測到了強(qiáng)磁場抑制CeCu2Ge2重費(fèi)米子體系λ型相變的現(xiàn)象[15]；WHMFC在64T FTPMF下實(shí)現(xiàn)了自旋二聚體Ba3Mn2O8的比熱測量，同樣具備了FTPMF下的比熱測量能力[47]。

在I-V測量方面，WHMFC首次實(shí)現(xiàn)了FTPMF下的I-V測量技術(shù)，并利用該技術(shù)觀察到了30T平頂磁場下電荷密度波導(dǎo)體Li0.9Mo6O17的電阻負(fù)微分現(xiàn)象，如圖21所示[48]，為深入揭示電荷密度波電子輸運(yùn)機(jī)理提供了特有的研究手段。FTPMF下的比熱和I-V等測量技術(shù)將有力推動重費(fèi)米子體系和電荷密度波材料、高溫超導(dǎo)中非線性輸運(yùn)特性等前沿科學(xué)研究。

圖21 FTPMF下的I-V測量技術(shù)

4 前景展望

綜上所述，F(xiàn)TPMF產(chǎn)生及波形調(diào)控技術(shù)已經(jīng)有了很大進(jìn)步與發(fā)展，并且在NMR、比熱和I-V測量中得到應(yīng)用，但是其巨大的科學(xué)與工程價(jià)值還未得到充分體現(xiàn)，未來仍需進(jìn)一步深入研究，并根據(jù)應(yīng)用需求不斷發(fā)展完善FTPMF技術(shù)。

4.1 FTPMF技術(shù)展望

脈沖電源方面：

（1）發(fā)展多電源協(xié)同供電技術(shù)。如表1所示，現(xiàn)有FTPMF波形平頂時(shí)間占比普遍小于20%，其原因是單一電源不能同時(shí)瞬時(shí)大功率和高平均功率。故結(jié)合電容器和蓄電池的性能優(yōu)勢，綜合提升脈沖電源的功率和能量密度，盡可能地延長平頂持續(xù)時(shí)間，同時(shí)縮短上升和下降時(shí)間，是提升FTPMF裝置性能的重要方向。

（2）應(yīng)用新型儲能介質(zhì)。超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之間的一種新型儲能元件，能量密度是高壓電容器的30倍，功率密度是蓄電池的10倍。日本ISSP已嘗試采用超級電容器產(chǎn)生長脈沖磁場[49]。利用新型儲能介質(zhì)優(yōu)化脈沖強(qiáng)磁場電源系統(tǒng)儲能結(jié)構(gòu)[50]，對其集成化、小型化具有重要意義。

（3）利用電力電子技術(shù)進(jìn)行波形調(diào)控。歐洲核子研究組織已采用電力電子裝備實(shí)現(xiàn)了電流0.2～2kA、平頂時(shí)間0.1～2ms、穩(wěn)定度0.01%～0.1%的平頂電流波形，用于產(chǎn)生相對較弱的FTPMF進(jìn)行粒子加速[51]。隨著電力電子器件參數(shù)等級的提高和多相交錯(cuò)并聯(lián)等電源技術(shù)的發(fā)展，未來可采用高度集成化的電力電子設(shè)備進(jìn)行平頂磁場調(diào)控。

脈沖磁體方面：

（1）發(fā)展新型導(dǎo)線材料。磁體溫升是限制FTPMF性能提高的主要因素之一，脈沖放電時(shí)溫度時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電路時(shí)間常數(shù)，磁體近似絕熱體，解決磁體溫升問題只能通過發(fā)展新型材料，提高導(dǎo)線電導(dǎo)率、增大比熱容實(shí)現(xiàn)。據(jù)悉，中車研究院已初步具備了生產(chǎn)銅和石墨烯復(fù)合線材的能力，該線材的電導(dǎo)率是普通線材的1.16倍[52]。材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率相互制約，掌握材料特性的調(diào)控規(guī)律，在滿足應(yīng)力要求的前提下盡可能地提高電導(dǎo)率是FTPMF領(lǐng)域重要的研究方向。

（2）未來FTPMF下的科學(xué)儀器及工程技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用時(shí)，磁體壽命及磁體狀態(tài)在線監(jiān)測至關(guān)重要。對于60T級別及以上的脈沖磁體，其壽命的主要影響因素是放電時(shí)磁體承受的應(yīng)力水平。根據(jù)WHMFC運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，60～65T的磁體額定載荷下可累計(jì)放電2 000次左右[53]。對于40T級別及以下的脈沖磁體，主要考慮反復(fù)加載下的材料疲勞壽命?？傊?，提高磁體壽命需根據(jù)不同磁場等級，針對材料性能、加固方式、散熱結(jié)構(gòu)和制作工藝等多個(gè)方面開展深入研究。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測磁體絕緣狀況、溫升和應(yīng)力分布、磁體阻抗等磁體狀態(tài)參數(shù)，對于裝置安全運(yùn)行、預(yù)判磁體失效十分關(guān)鍵。

（3）基于超導(dǎo)材料制作脈沖磁體，短時(shí)在高于超導(dǎo)磁體正常磁場值下的運(yùn)行方式，將是發(fā)展FTPMF磁體技術(shù)的路徑之一。

4.2 大功率回旋管太赫茲源潛在應(yīng)用

回旋管太赫茲源功率高、體積緊湊，是國際公認(rèn)最有應(yīng)用前景的高功率太赫茲源方案之一，在等離子診斷與控制、材料熱處理、波譜技術(shù)（ESR、DNP-NMR、XDMR、超精細(xì)分裂等）、太赫茲雷達(dá)、國防安全等諸多領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價(jià)值[54]。

回旋管太赫茲源的基本工作原理是電子在磁場作用下回旋運(yùn)動，與電磁波相互作用從而激發(fā)太赫茲輻射，其中磁場的強(qiáng)度和穩(wěn)定度直接決定了太赫茲波輸出頻率（基波下比例系數(shù)約為36T/THz）和穩(wěn)定性?；诿}沖強(qiáng)磁場的回旋管太赫茲波源可產(chǎn)生更高極限頻率和功率的太赫茲波，是回旋管太赫茲波源的重要發(fā)展方向。俄羅斯應(yīng)用物理研究所[55]、美國馬里蘭大學(xué)[56]、日本福井大學(xué)[57]、國內(nèi)電子科技大學(xué)[58]、北京大學(xué)[59]和華中科技大學(xué)[60]等都開展了脈沖場回旋管的研究。俄羅斯在該領(lǐng)域處于絕對優(yōu)勢，在48.7T脈沖磁場下產(chǎn)生了1.3THz/ 0.5kW/50μs太赫茲波[55]。然而，現(xiàn)有脈沖場回旋管的輻射時(shí)間很短，其原因是脈沖磁場在峰值處時(shí)間短，受此限制，脈沖場回旋管僅在隱形電離輻射探測上得到了有限應(yīng)用，M. Y. Glyavin等指出其探測靈敏度與太赫茲波輻射時(shí)間呈正相關(guān)[61-62]。因此，將FTPMF應(yīng)用于脈沖場回旋管，將會大幅提升其輻射時(shí)間，極大地拓展其應(yīng)用范圍。

現(xiàn)有研究表明，回旋管要求磁場精度（絕對精度和穩(wěn)定度）小于0.1%，某些太赫茲波譜技術(shù)甚至要求達(dá)到10-6級[63]；對于磁場位形，要求軸向位形呈近高斯分布且固定不變，在中心處±5mm內(nèi)磁場均勻度小于0.1%[64]。因此，發(fā)展電力電子化的多電源協(xié)同供電技術(shù)，在單線圈磁體上產(chǎn)生高穩(wěn)定度平頂、高平頂占比、特定磁場位形的FTPMF，對于提升脈沖場回旋管性能具有重要意義。同時(shí)，提升磁體性能、優(yōu)化儲能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的小型化、可高重頻工作等將推動脈沖場回旋管走向大規(guī)模應(yīng)用。

5 結(jié)論

在FTPMF產(chǎn)生與調(diào)控方面，交流脈沖發(fā)電機(jī)通過整流器輸出，電壓可調(diào)，易于波形調(diào)控，但存在整流紋波，穩(wěn)定度低；電容器功率密度大，易于實(shí)現(xiàn)高場強(qiáng)，但能量低、電壓不穩(wěn)定，單電容器難以形成平頂，需通過SFPFN和雙電容器耦合等技術(shù)產(chǎn)生FTPMF；蓄電池儲能高、電壓穩(wěn)定，功率密度低，不易實(shí)現(xiàn)高場強(qiáng)，但便于采用輔助手段進(jìn)行高精度調(diào)控。因此，多電源協(xié)同供電和電力電子精確調(diào)控技術(shù)將是FTPMF下一步的發(fā)展方向。

FTPMF應(yīng)用方面，日本和中國開展了FTPMF-NMR技術(shù)研究，證明了FTPMF在改善NMR信號質(zhì)量、場-頻同步等方面的優(yōu)勢，將在凝聚態(tài)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系奇異物理性質(zhì)研究中發(fā)揮重要作用；FTPMF下的比熱和I-V測量技術(shù)已在物性研究中展現(xiàn)了價(jià)值，更高電場強(qiáng)度FTPMF下的科學(xué)研究將為前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究重大發(fā)現(xiàn)提供機(jī)遇；此外，大功率回旋管太赫茲源與FTPMF的結(jié)合將大幅提升波源輻射時(shí)間，拓展其應(yīng)用。

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Flat-Top Pulsed High Magnetic Field Technology and Its Application

Han Xiaotao1,2Zhang Shaozhe1,2Wei Wenqi1,2Wang Junfeng1Li Liang1,2

（1. Wuhan National High Magnetic Field Center Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

Flat-top pulsed magnetic field (FTPMF) is a kind of peculiar high magnetic fields where the peak field remains nearly unchanged within a finite duration time. Due to the advantages of its high field strength and high stability, it offers great opportunities to not only frontier fundamental science but also advanced technology. This paper summarizes recent progresses on generation of the FTPMF and high precision control of the flat-top parameters (stability and duration) by utilizing different power supplies such as flywheel energy storage pulse generator, capacitor bank and battery. We also introduce the key roles of FTPMF to improve the nuclear magnetic resonance (NMR) and physical property measurements. Several experimental results conducted at the Wuhan National High Magnetic Field Center are reported. These include the NMR measurement of 93Nb single crystal at 22T, specific heat of a spin dimer system Ba3Mn2O8at 64T, as well as the nonlinear I-V characteristic measurement of the charge-density-wave compound Li0.9Mo6O17in a field up to 30T. Finally, we discuss the cooperative power supply (miniaturization and modularization) and the material performance of the pulsed magnet. The application of FTPMF in pulsed field gyrotron terahertz source is also prospected.

Flat top pulsed magnetic field, pulsed power supply, regulation technique, nuclear magnetic resonance (NMR), terahertz gyrotron

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221421

TM511；O312

國家自然科學(xué)基金青年基金（52107152）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U21A20458）、國家自然科學(xué)基金-創(chuàng)新群體項(xiàng)目（51821005）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1600301）資助。

2022-07-22

2022-08-09

韓小濤 男，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?qiáng)磁場產(chǎn)生與調(diào)控、電磁測量與信號處理。E-mail：xthan@mail.hust.edu.cn

李 亮 男，1963年生，教授，長江學(xué)者，博士生導(dǎo)師，杰出青年基金獲得者、973項(xiàng)目首席科學(xué)家，主要研究方向?yàn)槊}沖磁場時(shí)空調(diào)控，脈沖磁體分析、設(shè)計(jì)、制造及其應(yīng)用。E-mail：liangli44@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）