【正文】 各 1 個(gè) ， 以 及 參 數(shù) 為80T/18mm/600ms、 80T/18mm/1900ms 的長(zhǎng)短合成脈沖磁體各 1 個(gè) 。由于磁體冷卻需要時(shí)間，所以電源的頻率不能做的很高（ ），但是這個(gè)電源的設(shè)計(jì)還是很巧妙的。由于電容 C 與磁體電感振蕩的作用在半個(gè)周期之后，電容電壓達(dá)到負(fù)的最大，由于二極管 D2 的作用，電容不會(huì)再對(duì)磁體放電；而是通過(guò) D1 和 L1 回路振蕩，電容電壓會(huì)從負(fù)的最大變成正的最大， D1 起到與 D2 同樣的作用。使用引燃管（ Ignitron）作為放電開(kāi)關(guān)，它控制了電源的放電頻率。 這種可重復(fù)脈沖磁場(chǎng)電源，可以參考 日本仙臺(tái)[17]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，如下圖 11。 圖 9 混合脈沖磁場(chǎng)波形曲線(xiàn) 圖 10 混合脈沖的 實(shí)現(xiàn) [IV] 可重復(fù)的脈沖 在激光、產(chǎn)生 X 射線(xiàn)的加速器、粒子加速器等領(lǐng)域要求重復(fù)產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。 從圖 10 可了解混合脈沖的實(shí)現(xiàn)方法，在外磁體（長(zhǎng)脈沖磁體）上加一個(gè)脈沖寬度很長(zhǎng)的電流形成磁場(chǎng)，稱(chēng)為背景磁場(chǎng)；在背景磁磁場(chǎng)達(dá)到峰值時(shí)，在內(nèi)磁體（短脈沖）上通入短脈沖電流，在背景磁場(chǎng)上疊加了一個(gè)短的脈沖磁場(chǎng)，總的磁場(chǎng)強(qiáng)度等與兩個(gè)脈沖磁場(chǎng)之和。平頂電流華中 科技大學(xué)研究生院 11 有利于改善磁場(chǎng)性能，同時(shí)它還在核磁共振和核磁共振成 像等諸多領(lǐng)域有著很重要的應(yīng)用，它是未來(lái)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)展的方向。 [II] 脈沖 平頂電流波 脈沖平頂波，一種類(lèi)似梯形的脈沖電流波。普通的脈沖只是為了達(dá)到磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求，而沒(méi)有考慮波形的因素，這是比較粗糙的。就目前世界研究的現(xiàn)狀來(lái)看，主要有以下幾種電流波形： [I] 普通的單脈沖電流波 這是最普通的情況，按照脈沖長(zhǎng)度有可以分為短脈沖 ， 脈沖寬度一般幾十個(gè)ms；長(zhǎng)脈沖，脈沖寬度一般幾百 ms；超長(zhǎng)脈沖，脈沖寬度可達(dá)秒級(jí)。由于是在空氣中不存在磁飽和的情況，所以磁體 的電流與磁體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)成線(xiàn)性關(guān)系。但是在與脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)方面，我國(guó)已具備較好的技術(shù)基礎(chǔ)。在教育部 “211工程 ”的資助下，研制了 1MJ 電容儲(chǔ)能型脈沖電源模塊，與比利時(shí)魯汶大學(xué)合作研制了場(chǎng)強(qiáng)達(dá) 70T的脈沖磁體，并在此基礎(chǔ)上建立了兩個(gè)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)站。中科院等離子體物理所曾研制過(guò)一臺(tái) 40T的脈沖磁體。由于電容器電源的 諸多 優(yōu)點(diǎn)， 目前它 是脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的最主要的電源。一般只適合于小功率磁體不適合于大磁體，有地域限制。 脈沖發(fā)電機(jī)， 先儲(chǔ)存動(dòng)能再變化為電能輸出，最大的有點(diǎn)就是，儲(chǔ)存的能量大，功率大，可以根據(jù)需要輸出脈沖波形；缺點(diǎn)就是控制復(fù)雜 ，造價(jià)高。 電容器組電源 造價(jià)不高，易于管理和維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)能量利用率高，電容器自身不損耗能量。 從表 1 可以看出，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的電源有以下幾種： 電容器組電源 ,電容器組電源 ,脈沖發(fā)電機(jī)，電網(wǎng) 。擁有 14MJ 的電容儲(chǔ)能型電源和 40T－ 60T 的系列用戶(hù)型脈沖磁體。德國(guó)的德累斯頓脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的電容器組電源可以作為電容器電源的典型代表。計(jì)劃建造 50T－ 70T 的系列脈沖磁場(chǎng)，并計(jì)劃沖擊 100T 的非破壞 性脈沖極限磁場(chǎng)。 德國(guó)的德累斯頓脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn) [13]室于 2020 年開(kāi)始建設(shè)，計(jì)劃于 2020 年建成。這種脈沖磁場(chǎng)的平頂波形，是通過(guò)控制磁體的電流波形得到的。 例如 60T的長(zhǎng)脈沖磁體有三個(gè)獨(dú)立的磁體組合而成，由內(nèi)到外為 mag1， mag2， mag3，對(duì)應(yīng)的脈沖磁場(chǎng)波形為 Group1， Group2， Group3。而在整個(gè)脈 沖期間，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)電壓維持不變。 可控整流器調(diào)節(jié)輸出的電能，使之到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求。電機(jī)開(kāi)始工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 1800rpm 時(shí)存儲(chǔ)的能量為 1260MJ。 如圖 7 這個(gè)電源系統(tǒng)已脈沖發(fā)電機(jī)為核心。目前，該實(shí)驗(yàn)室正在設(shè)計(jì)建設(shè) 100T 的非破壞性脈沖極限磁場(chǎng)。另外，該實(shí)驗(yàn)室還采用 的電容器組，實(shí)現(xiàn)了50－ 70T的多種短脈 華中 科技大學(xué)研究生院 7 表 1 目前國(guó)際上主要脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的主要技術(shù)參數(shù) 國(guó) 家 所在地 電 源 場(chǎng)強(qiáng) (T)/孔徑 (mm)/脈寬 (ms) 美 國(guó) Los Alamos 電容 MJ 68 / 15 / 20， 60 / 15 / 35 50 / 15 / 350 電機(jī) 100 / 24 / 20 (建設(shè)中 ) 60 / 32 / 1000 (建設(shè)中 ) 60 / 32 / 100， 50 / 32 / 200 40 / 32 / 500 MIT 電容 MJ 65 / 13 / 法 國(guó) Toulouse 電容 14 MJ 80 / 15 / 10(建設(shè)中 ) 76/15/300， 61 / 11 / 150 61 / 24 / 200， 58 / 26 / 285 荷 蘭 Nijmegen 電容 2 MJ 80 / 23 / 5(建設(shè)中 ) Amsterdam 電網(wǎng) 6 MW 40 / 20 / 1500 德 國(guó) Dresden 電容 50 MJ 100 / 20 / 10－ 20 (建設(shè)中 ) 70 / 24 / 100－ 200 (建設(shè)中 ) 60 / 50 / 1000 (建設(shè)中 ) 50 / 24 / 13， 50 / 24 / 10 Berlin 電容 MJ 60 / 18 / Frankfurt 電容 MJ 50 / 24 / 24， 36 / 22 / 600 日 本 Osaka 電容 MJ 80 / 10 / 25， 70 / 10 / 7 Tokyo 電容 MJ 50 / 22 / 50， 50 / 20 / 20 比利時(shí) Leuven 電容 MJ 73 / 10 / 10， 60 / 20 / 20 英 國(guó) Bristol 電容 MJ 60 / 12 / 50 Oxford 電容 MJ 60 / 12 / 10 俄羅斯 Moscow 電容 MJ 55 / 15 / 澳大利亞 Sydney 電容 60 / 22 / 25 意大利 Parma 電容 60 / 27 / 60 葡萄牙 Porto 電容 25 / 30 / 2020 西班牙 Zaragoza 電容 31 / 30 / 2020 波 蘭 Wroclaw 電網(wǎng) 30 MW 47T /10 /10 奧地利 Vienna 電網(wǎng) 16 MW 40T / 25 / 10 華中 科技大學(xué)研究生院 8 沖磁場(chǎng)。 美國(guó)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室建在位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 [12]。 從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和磁場(chǎng)參數(shù)來(lái)看，比較有代表性的三大脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室是：美國(guó)洛斯阿拉莫斯強(qiáng)磁場(chǎng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、法國(guó)圖盧茲脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)德累斯頓脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。 二、 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)電源的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)外： 截至目前，全球共有 30 多個(gè)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí) 驗(yàn)室 [11]， 如 表 1。缺點(diǎn)有：儲(chǔ)能效率低、系統(tǒng)復(fù)雜。先用可控整流對(duì)儲(chǔ)能電感充電，然后要通過(guò) DCDC 變換才能對(duì)磁體供電。目前法國(guó) Grenoble 強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室適用的電感儲(chǔ)能系統(tǒng)作為磁體電源 ，而且他們正在研究?jī)?chǔ)能電感直接對(duì)磁體供電的可 行性 [10]。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)沒(méi)有能量損失，但是目前還在研究階段，而且成本極高，還不適合作強(qiáng)磁場(chǎng)電源。 電感儲(chǔ)能 電感儲(chǔ)能電源包括阻性電感儲(chǔ)能（普通電感）和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（ SMES）。若要對(duì)高能能量磁體供電，一般要求實(shí)驗(yàn)室建在大電廠(chǎng)或變電站附近才可行。電網(wǎng)電源系統(tǒng)圖如下： 圖 5 電網(wǎng)電源系統(tǒng) 電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)降壓變壓器后，再通過(guò)可控整流器對(duì)磁體供電，整個(gè)控制系統(tǒng)的 響應(yīng)速度很快 （數(shù) ms），控制靈活。 電網(wǎng) 電網(wǎng)也是脈沖磁場(chǎng)的一種電源。 綜上所述，脈沖發(fā)電機(jī)電源的優(yōu)點(diǎn)主要有儲(chǔ)存能量大，儲(chǔ)能密度高，功率大，可控性好，控制系統(tǒng)靈活，主要適用于長(zhǎng)脈沖或者超長(zhǎng)脈沖磁體的電源，一般不適 用 于短脈沖 磁體電源。 圖 4 脈沖交流發(fā)電機(jī)可控整流電源 這種系 統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是功率大、存儲(chǔ)的能量大、控制靈活，電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，可以使用一臺(tái)電機(jī)同時(shí)對(duì)一個(gè)磁體（或者混合磁體的幾個(gè)部分）供電，如NHMF 的 60T 磁體長(zhǎng)脈沖供系統(tǒng)。 可控脈沖交流發(fā)電機(jī)（如圖 4），交流發(fā)電機(jī)的電流通過(guò)可能整流再對(duì)磁體供電。 不控整流交流發(fā)電機(jī) （如圖 3） 與直流電機(jī)一樣也是通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)磁體的供電電壓。直流發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：系統(tǒng)簡(jiǎn)單、輸出電壓的紋波很?。蝗秉c(diǎn)就是由于電機(jī)的電刷的限制，直流電機(jī)的功 率不能做的很大。 脈沖發(fā)電機(jī)可以分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)可以直接給磁體供電，而交流電機(jī)要通過(guò)可控整流或者不整流變成直流給磁體供電。 脈沖發(fā)電機(jī) 脈沖發(fā)電機(jī)是脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的又一重要的電源，由于其可控性好和儲(chǔ)存的能量大而受到關(guān)注 ，脈沖發(fā)電機(jī)電源典型的代表是美國(guó) Los Alamos 的 NHMF(國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室 )使用的 。圖中的 2mH 的電感起故障限流作用，保護(hù)放電開(kāi)關(guān)。 電容器的保護(hù)（如圖中的 fuse）是為了保護(hù)電容器安全，當(dāng)某臺(tái)電容 器發(fā)生擊穿故障時(shí)， fuse 熔斷，將該臺(tái)電容器切除，以防止事故發(fā)生。 圖 1 電容器組電源 [9] 電容器組電源主要由多臺(tái)電容器、極性轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、放電開(kāi)關(guān)、電容器的保護(hù)、Crowbar 回路、泄能回路、充電電路和控制系統(tǒng)組成，如上圖所示 . 極性轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，為了滿(mǎn)足有些實(shí)驗(yàn)中要求磁體中產(chǎn)生正向或反向磁場(chǎng)的要求。同時(shí)電容器還有可靠性好、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。 脈沖發(fā)電機(jī)是先儲(chǔ)存動(dòng)能，然后將動(dòng)能變化為電能，所以?xún)?chǔ)能效率不會(huì)很高，對(duì)電機(jī)的控制也很復(fù)雜，而且發(fā)出的電能要經(jīng)過(guò)變換才能給磁體供電，所以控制復(fù)雜，電機(jī)的造價(jià)高而且整流變換部分又增加成本，所以造價(jià)很高。與電感儲(chǔ)能和脈沖發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能相比，它的儲(chǔ)能效率是