2015, Vol. 44
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2. 中国人民解放军63610部队 新疆 库尔勒 841001
2. The Unit 63610 of Chinese People Liberation Amy Kuerle Xinjiang 841001
脉冲磁场相比于稳态磁场，其磁场峰值更高，能够满足绝大部分科学研究的需要，因而得到各国科学家的广泛重视[1]。脉冲磁场能提供瞬态电磁测试条件，其作为一种优秀的激励源，广泛应用于半导体、金属以及生物材料性质的无损检测中[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]。而在国际热核聚变实验堆(ITER)项目中，包层材料瞬态电磁性能的仿真测试及实验测试尤为重要，关乎项目的安全；涉及实验包层模块(TBM)材料的瞬态电磁性能模拟仿真[13, 14, 15, 16]和实验室测试项目，需要一个上升时间约为3 ms，磁感应强度可达0.8 T的脉冲磁场。而目前的脉冲磁场产生系统是超强磁场或小微磁场[17]，不适用于该测试项目。因此，本文脉冲磁场产生系统的研究，首先能满足该瞬态电磁测试项目的需要，其次还能扩展其他基于脉冲磁场的无损检测技术在较强磁场强度下的应用。
1 脉冲磁场产生系统的结构系统平台如图 1所示，包括电源控制系统、磁场产生装置、磁场测试系统、真空系统、数据信号采集系统。为了保证在强电环境下控制系统的安全性和稳定性，电源控制系统采用抗干扰能力强，可靠性高的西门子可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器，配以西门子的工控机作为控制系统的上位机。电源控制系统控制充电和放电过程，在放电的过程中，磁场产生装置会产生瞬态电磁环境。
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| 图 1 脉冲磁场产生系统框图 |
通过磁场测试系统测量所产生的脉冲磁场，由数据信号采集系统采集并做处理。为减少高压电离和周围环境的影响，整个磁场产生装置放置于真空腔中，由真空系统控制。
2 产生磁场原理分析及参数设计磁场产生装置主要是螺线管，放电过程中，螺线管内电流急剧变化，从而导致脉冲磁场的产生。螺线管如图 2所示，为多层线圈。
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| 图 2 螺线管模型及其三维图 |
在中轴线P(0,0,z)处产生的磁感应强度为：
| $B{\rm{(0,0,}}\,z{\rm{) = }}\int_{{R_1}}^{{R_2}} {\frac{{{\mu _0}NI{\rm{(}}t{\rm{)}}}}{{{\rm{4}}b{\rm{(}}{R_{\rm{2}}} - {R_1}{\rm{)}}}}} \left( {\frac{{z + b}}{{\sqrt {{r^2} + {\rm{(}}z + b{\rm{)}}} }}} \right. - \left. {\frac{{z - b}}{{\sqrt {{r^2} + {{{\rm{(}}z - b{\rm{)}}}^2}} }}} \right){\rm{d}}r = \frac{{{\mu _0}NI{\rm{(}}t{\rm{)}}}}{{{\rm{4}}b{\rm{(}}{R_{\rm{2}}} - {R_1}{\rm{)}}}} \times$ $\left[ {{\rm{(}}z + b{\rm{)ln}}\left( {\frac{{{R_{\rm{2}}} + \sqrt {R_2^2 + {{{\rm{(}}z + b{\rm{)}}}^{\rm{2}}}} }}{{{R_{\rm{1}}} + \sqrt {R_1^2 + {{{\rm{(}}z + b{\rm{)}}}^{\rm{2}}}} }}} \right)} \right. - {\rm{(}}z - b{\rm{)}} \times \left. {{\rm{ln}}\left( {\frac{{{R_{\rm{2}}} + \sqrt {R_2^2 + {{{\rm{(}}z - b{\rm{)}}}^{\rm{2}}}} }}{{{R_{\rm{1}}} + \sqrt {R_1^2 + {{{\rm{(}}z - b{\rm{)}}}^{\rm{2}}}} }}} \right)} \right]$ | (1) |
式中，R1为螺线管内径；R2为螺线管外径；r=(R1+R2)/2；2b为螺线管长度；N为线圈总匝数；μ0=4π×10-7 N/A2为真空磁导率；I(t)为通过螺线管的电流。
当z=0，即螺线管中心处，得最大磁场为：
| ${B_{{\rm{max}}}} = \frac{{{\mu _0}NI{\rm{(}}t{\rm{)}}}}{{2{\rm{(}}{R_{\rm{2}}} - {R_1}{\rm{)}}}}{\rm{ln}}\left( {\frac{{{R_{\rm{2}}} + \sqrt {R_2^2 + {b^{\rm{2}}}} }}{{{R_{\rm{1}}} + \sqrt {R_1^2 + {b^{\rm{2}}}} }}} \right)$ | (2) |
式中，I(t)由RLC放电回路决定，有：
| $I{\rm{(}}t{\rm{)}} = \frac{U}{{\sqrt {L/C - {R^2}/4} }}{{\rm{e}}^{ - \frac{R}{{2L}}t}}{\rm{sin}}\left( {\sqrt {\frac{1}{{LC}} - \frac{{{R^2}}}{{4{L^2}}}} t} \right)$ | (3) |
式中，U为电容初始放电电压；L为电感值；R为电阻值；C为电容值。
为使最大磁场强度能达到0.8 T，上升时间约为 3 ms，结合现有实验条件和元件参数，设计的各个参数为螺线管内径R1=5 cm，外径R2=14 cm，螺线管长度2b=40 cm，总匝数N=142，电感L=1.37 mH，电容C=4 400 μF，电阻R=0.5 Ω。按照以上实际参数，理论上螺线管中心处磁场为：
| ${B_{{\rm{max}}}} = 8.052\;2 \times {10^{ - 4}}U{{\rm{e}}^{ - 182.48t}}{\rm{sin(}}353.04t{\rm{)}}$ | (4) |
按照式(4)，当初始放电电压达到2 000 V，在t=3.04 ms时，螺线管中心处磁场可达最大0.821 7 T。因此，以上参数理论上可以使系统达到设计要求。
3 脉冲磁场测试结果实际磁场强度通过磁场测试系统测量得到。采用电磁感应法，将感应线圈放入螺线管中心处，当螺线管中通过瞬间大电流时，感应线圈里将会产生大小为ε(t)的感应电动势，则实测螺线管中心处磁场为：
| ${B_{{\rm{max}}}} = \frac{1}{{nS}}\int {\varepsilon {\rm{(}}t{\rm{)d}}t} $ | (5) |
式中，n为感应线圈的匝数；S为感应线圈的横截面积，均为常数；ε(t)由示波器实时测定。依据式(5)可以得到螺线管中心处的磁感应强度测量值。
如图 3所示，在放电电压为2 000 V时，螺线管中心处的磁感应强度可达0.816 T，上升时间为3.20 ms。随着放电电压的增大，螺线管中心处的脉冲磁场最大磁感应强度也在增大，从图中可看出两者基本是线性关系。而比较磁感应强度测量值与理论计算值，可看出两者在磁场上升期比较吻合，但在下降期，理论负脉冲最小值为-0.176 T，实测负脉冲最小值为-0.115 T，有0.061 T的偏差。
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| 图 3 同放电电压下，平台中心处的脉冲磁场磁感应强度 |
由于RLC放电回路的实际参数满足欠阻尼条件，电容上的电压会随时间而变化，有：
| ${U_C}{\rm{(}}t{\rm{)}} = \frac{1}{C}\int_{{\rm{ }}0}^{{\rm{ }}t} {i{\rm{(}}t{\rm{)d}}t} = - \frac{U}{\omega }{{\rm{e}}^{ - \frac{R}{{2L}}t}}\left( { - \frac{R}{{2L}}{\rm{sin}}\omega t - w{\rm{cos}}\omega t} \right)$ | (6) |
电容上的电压会在某一时刻改变方向，导致电容在某一时间段承受瞬间的反压。若初始电压U为 2 000 V，则按照式(6)计算，反向电压最大能达 400 V。虽然电容没有极性，但如果加在电容上的电压方向改变，还是会对电容造成一定的伤害，降低电容的使用寿命。为了避免这一情况的出现，实际系统中RLC电路加了一个续流回路。
如图 4所示，在1 000 V初始电压下的放电情况，有无续流回路对测量值的影响。从图中可以看出，当有续流回路时，测量值的负脉冲最小值为-0.05 T，无续流回路时为-0.11 T，负脉冲明显减小。因此，图 3中磁感应强度测量值与理论计算值在下降后期出现的差异主要是因为实际系统中续流回路的影响。续流回路减小了反向电压，这就会导 致磁场负脉冲强度的减小。
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| 图 4 续流回路对螺线管中心处磁场的影响 |
对电容初始电压为1 000 V情况下产生的磁感强度进行了3次重复测量，示波器分辨率分别为50、100、200 mV/格，得到的测量值和理论值如图 5所示。从图中可以看出，随着示波器分辨率的降低，测量结果与理论值的差异依次为0.009、0.012和0.028 T，逐渐增大。所以示波器的分辨率在量程足够的情况下应尽量选高分辨率。
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| 图 5 测量感应电动势所用示波器分辨率对螺线管中心处磁感应强度测量值的影响 |
理论上分析了脉冲磁场产生原理，结合设计目标和现有实验条件及元件参数，确定了本文系统各项参数，理论上螺线管中心处的磁感应强度最大可达0.8217 T，上升时间为3.04 ms。按照设计参数搭建了系统，实际测得螺线管中心处的磁感应强度最大可达0.816 T，上升时间为3.20 ms。分析了续流回路对脉冲磁场的影响，以及示波器分辨率对测量带来的误差。结果表明本文脉冲磁场产生系统能满足瞬态电磁测试项目的需要，通过了合作单位的验收。此外，本文系统还能扩展其他基于脉冲磁场的无损检测技术在较强磁场强度下的应用。
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