高稳定度平顶长脉冲强磁场研究

强磁场是诸多科学领域的基本研究工具，迄今为止，强磁场下的科学研究已取得丰硕成果。常用的稳态和脉冲强磁场具有各自的优势和应用局限性。具有高稳定度平顶的长脉冲强磁场，能较好的综合稳态和脉冲强磁场的优势，可满足材料比热测试、高参数NMR等重要科学实验对磁场高场强和高稳定度的双重要求，其研究具有重要的科学意义。本项目将对平顶长脉冲强磁场产生的电源拓扑结构和控制策略、磁场平顶纹波抑制措施、磁体优化设计理论等关键问题进行研究，提出综合考虑磁场波形、电源配备、磁体内部应力和温升等因素的高稳定度平顶长脉冲强磁场的通用优化设计理论和方法，在此基础上，针对所在单位的电源条件，提出场强30T-60T、平顶脉宽2s-100ms的系列长脉冲磁场实现方案，并建立场强35T、平顶脉宽1s的样机，开展实验研究，为高参数的平顶长脉冲强磁场实验装置的研制奠定可靠的理论和技术基础，以满足现代基础研究对该类磁场日益增长的需求。

平顶脉冲强磁场兼具稳态强磁场和脉冲强磁场的优点，能够满足一些科学实验对磁场强度和稳定度的双重要求。尽管目前已有强磁场实验室在平顶脉冲强磁场方面开展了一些研究工作，但磁场强度和稳定度尚不能满足一些高分辨率科学实验的要求。. 项目就高稳定度平顶长脉冲强磁场设计理论和实施方案开展了相关研究，主要研究内容和结果有：①在平顶长脉冲强磁场的优化设计方面，建立脉冲发电机整流型、电容型和蓄电池型电源的动态非线性数学模型和磁体的多物理场数学模型，并通过数字仿真和实验测试等手段分析和验证了其工作特性；提出了平顶脉冲强磁场系统的多目标优化设计理论和方法，引入基于Pareto前沿的微分进化算法实现了综合考虑磁场、温升、电压和电流等因素的平顶脉冲强磁场系统的多目标优化设计。②在平顶长脉冲强磁场控制方面，提出了将d-q变换、遗传算法和快速滤波相结合的同步信号锁相方法，解决了整流器输入电压波形畸变、电压幅值和频率变化导致的同步信号锁相困难的问题；结合基于梯度下降法的磁体变化电阻在线计算技术及重复控制思想，提出了磁场波形的双闭环带前馈控制方式，解决了传统单闭环反馈控制容易出现的平顶磁场低频振荡和控制精度低的问题。③在平顶长脉冲强磁场供电电路拓扑方面，根据项目承担单位建有的100MJ/100MW脉冲发电机整流型、12.6MJ/25kV电容型和7.8GJ/770V蓄电池型电源系统，提出了多种由三类电源单独和三类电源两两组合给单线圈或双线圈磁体供电产生25T-60T平顶长脉冲强磁场的电路拓扑。④在平顶长脉冲强磁场样机测试方面，采用脉冲发电机整流器型电源对双线圈磁体供电实现了50T、平顶脉宽100ms、平顶纹波0.5%的磁场；采用双电容型电源通过耦合线圈驱动单线圈磁体产生了平顶脉宽10ms的52T无纹波磁场；采用蓄电池型电源结合可控旁路对单线圈磁体供电，实现了平顶脉宽200ms、纹波小于150ppm 的25T长脉冲磁场。. 结合该项目的研究，培养硕士6名，博士5名，在国际学术期刊上发表SCI收录论文20篇，获国家发明和实用新型专利各1项。项目研究工作为高参数的平顶长脉冲强磁场装置的研制奠定可靠的理论和技术基础，并将为一些对磁场高场强和高稳定度双重要求的重要科学实验，如材料比热测试、高参数脉冲NMR和大功率太赫兹等研究工作的开展提供重要技术支撑。