平顶脉冲强磁场技术及其应用
2022-10-14韩小涛张绍哲魏文琦王俊峰
韩小涛 张绍哲 魏文琦 王俊峰 李 亮
平顶脉冲强磁场技术及其应用
韩小涛1,2张绍哲1,2魏文琦1,2王俊峰1李 亮1,2
（1. 华中科技大学 国家脉冲强磁场科学中心 武汉 430074 2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学电气与电子工程学院） 武汉 430074）
平顶脉冲磁场（FTPMF）是指峰值磁场能持续稳定一段时间的特殊强磁场，兼具脉冲磁场高场强和稳态磁场高稳定度的双重优点，在前沿基础科学研究和工程技术领域中具有重要应用价值。该文根据飞轮储能脉冲发电机、电容器、蓄电池在功率、容量、输出电压等方面的特点，综述了FTPMF的产生及其高精度调控方法，介绍了改善FTPMF的稳定度、平顶时间等参数指标的最新技术进展。分析了FTPMF对改善核磁共振（NMR）性能和在测量材料物性中的关键作用，结合国家脉冲强磁场科学中心工作，给出了铌金属单质93Nb在22T下的NMR测量、自旋二聚体Ba3Mn2O8在64T下的比热测量、以及电荷密度波材料Li0.9Mo6O17在30T下的非线性I-V测量应用情况。最后，对发展FTPMF需要的电源系统协同供电、小型化与模块化、脉冲磁体材料、寿命及其状态监测等技术，以及FTPMF在脉冲场回旋管太赫兹波源上的应用等进行了展望。
平顶脉冲磁场 脉冲电源 调控技术 核磁共振 太赫兹回旋管
0 引言
强磁场对物质磁矩有强烈作用，能够改变核自旋和电子结构，进而改变物质特性，是研究物理现象和机理的重要极端条件。磁场强度的提高将给基础科学研究带来重大机遇，自1985年以来产生了霍尔效应、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）、超导体等十余项与强磁场相关的诺贝尔奖，涵盖了物理、化学、材料、医学等多个学科[1]。强磁场可分为稳态强磁场和脉冲强磁场两大类，其中脉冲强磁场又包括破坏性和非破坏性磁场，各类磁场的磁感应强度和脉宽范围如图1所示[2]。
图1 磁场类型及参数特性
稳态磁场持续时间为s级以上，但磁感应强度值相对较低。产生稳态磁场有超导磁体、水冷磁体和混合磁体三种方法。超导磁体在励磁之后几乎零功耗，但受超导材料临界磁场和临界电流约束，目前磁感应强度最高为32.35 T[3]，商业化超导磁体磁感应强度一般低于20T。水冷磁体磁感应强度最高达41.4T[4]，与超导磁体嵌套组成混合磁体，通过叠加可提高磁场强度，美国利用混合磁体技术产生了45.5T稳态磁场[5]。不过，水冷磁体及其水冷系统的体积大、功耗大、结构复杂，运行和维护成本非常高。
脉冲强磁场峰值高、时间短，放电期间磁体近似绝热，无需对磁体循环制冷，结构相对简单。脉冲强磁场有破坏性和非破坏性两类。当磁场高于100T时，磁体承受的压力高达4GPa，超过了目前已知导体材料的承受极限，所以一般以磁体破坏为代价产生峰值100T以上的超强脉冲磁场[1]。就目前破坏性脉冲磁场的发展水平，单匝线圈最高可产生峰值为300T的脉冲磁场，再辅以磁通压缩技术可进一步提升峰值磁场强度，最高纪录高达2 800T。但是，破坏性脉冲强磁场的脉宽在μs级及以下，无法调控其波形，故本文只讨论非破坏脉冲磁体产生的脉冲强磁场，下文简称脉冲磁场。在磁场强度方面，2012年美国创造了100.75T的脉冲强磁场世界纪录[6]，德国和中国分别于2016年和2021年实现了95.6T[7]和94.8T[8]脉冲强磁场。相比稳态强磁场，60T等级以下脉冲磁体技术较为成熟，在峰值磁场强度上具有绝对优势。
由于稳态磁场和脉冲磁场在峰值强度和稳定性方面各有优势和不足，为满足科学研究需要，平顶脉冲磁场（Flat-Top Pulsed Magnetic Field, FTPMF）技术得到发展，其兼具脉冲高磁场强度和稳态磁场高稳定度的双重优点，是脉冲强磁场技术领域的重要分支[9]。平顶脉冲磁场波形示意图如图2所示，FTPMF参数指标有平顶磁场强度、平顶持续时间、平顶稳定度、上升时间和下降时间。其中前三项平顶参数与应用场景息息相关，例如，NMR中电场强度正比于其灵敏度，稳定度一般需优于0.01%，持续时间与样品弛豫时间及共振次数密切相关。上升时间和下降时间不是用户关心的核心指标，但直接影响磁体温升，在不影响用户使用的情况下越短越好。
图2 平顶脉冲磁场波形示意图
早在1927年，P. L. Kapitza利用一台单相飞轮储能交流发电机整流后对磁体供电，通过闭环调压控制在5mm孔径磁体中产生了带有5ms平顶的32T FTPMF，但当时并没有用到平顶磁场这一特性，无后续技术研究[10]。荷兰科学家于1959年在阿姆斯特丹建立了世界第一个专业化的脉冲强磁场实验室，选择了电网整流型电源供电，1985年实现了最高参数40T/80ms/0.1%的FTPMF，用以开展磁化效应、磁阻效应、电输运等凝聚态物理研究[11-12]。之后美国、中国、日本的脉冲强磁场实验室采用脉冲发电机、电容器、蓄电池等电源供电，通过不同调控手段实现了不同参数的FTPMF，见表1。
表1 目前已实现的主要FTPMF参数
Tab.1 The main FTPMF parameters that have been implemented
随着电力电子及高速数据采集技术的进步，脉冲磁场波形调控有了较大发展，FTPMF在前沿基础科学研究和工程技术领域得到越来越多的应用。同时，应用的深入也对FTPMF性能参数提出了更高要求。为此，本文将根据电源类型的特点综述FTPMF实现手段及最新技术进展，并介绍现有FTPMF的典型应用，最后对FTPMF关键技术和应用潜力进行分析和展望。
1 FTPMF产生技术
不考虑脉冲磁体复杂的力学结构，其本质上是一个空心螺线管，内径通常为10～30mm。对于电源而言，脉冲磁体是一个大电感负载，电感值约几毫亨到几十毫亨，内阻约几毫欧到百毫欧。产生大于20T脉冲磁场电流值一般大于10kA，大电流作用下平顶期间磁体内阻在0.1s内将增大2～7倍。磁体电流变化率由磁体电感和电源输出电压共同决定，电流变化率越大，平顶之外的磁体通流时间越小，则磁体温升越小，但要求电压也越高。在上述极端工况下，进行精度优于0.1%～0.01%的高精度平顶磁场调控难度极大。
根据储能类型，脉冲强磁场电源有电网储能、飞轮储能交/直流、电容器、电感器和蓄电池等几大类型[9,21]，它们在功率密度、能量密度和输出特性方面各有优缺点，见表2，脉冲电源特性决定了磁场波形的特点。
表2 脉冲电源类型及优缺点
Tab.2 Types of power supply and their advantages and drawbacks
1.1 整流调压型FTPMF
电网储能和飞轮储能交流发电机（Flywheel Energy Storage Alternator, FESA）通过晶闸管多脉波整流将交流电转换成直流电对磁体供能，能量大，输出电压可通过整流触发延迟角调控，易于磁场波形调控。虽然脉冲强磁场电源供电时间最多只有几秒，但是瞬时功率很大，电网取能会冲击电网，产生高次谐波恶化电能质量，目前已被淘汰。
飞轮存储机械能后脱离电网运行，不会冲击电网，是脉冲功率中一种重要的储能形式。美国国家强磁场实验室（NHMFL）的FESA电源，由一台最大输出能量和功率分别为650MJ和1.4GW的FESA外带7个十二脉冲整流器组成，单个整流器满载可输出3.2kV和20kA，各模块可串并联。NHMFL设计了一个三线圈脉冲磁体，磁体导体重2 505.6kg、保护层重1 409.4kg。利用该系统实现60T/100ms、45T/850ms和27T/2.6s等一系列磁场波形，如图3所示[13]。磁体体积大，则电流密度低，磁体温升相对较小，但是需要的能量也大[22]。NHMFL实现60T FTPMF时需要400MW功率，其650MJ和1.4GW的FESA是该方案的能量基础。
图3 NHMFL脉冲磁场装置原理图及典型波形
中国武汉国家脉冲强磁场科学中心（WHMFC）也建有一台100MV·A/100MJ FESA电源，并配有两套67.5MW的十二脉波整流器。2012年WHMFC采用该电源在22mm孔径的双线圈磁体中产生50T/100ms的FTPMF[16]。除此之外，还实现了重频FTPMF和阶梯波脉冲磁场[23]，如图4和图5所示。
图4 20T重复FTPMF
1.2 电容器型FTPMF
电容器功率密度大（＞100kW/kg）、无纹波且结构简单、易于模块化、价格相对较低，是脉冲磁场领域应用最广泛的电源类型。但是，电容器储能密度小（＜0.1W·h/kg），放电时电压跌落速度快，难以进行波形调控，其适合产生高而短的脉冲磁场。
图5 阶梯波脉冲磁场
电容器放电系统的电路模型是电容对阻感负载放电，如图6所示。放电阶段，续流回路不导通，VD=0，磁体电流过了峰值之后，端电压由正变负，续流回路导通，释放磁体能量。主回路开关一般为单向导电的晶闸管，电流减小至零后不会发生振荡，典型放电波形如图7所示。
图6 电容器脉冲放电系统等效电路
图7 电容器脉冲放电系统典型波形
增大电容器的容值将放电脉宽拉长，可将脉冲峰值处一定时间内近似认为平顶，德国强磁场实验室使用43MJ电容器将脉宽拉长至1 500ms，在磁场峰值处产生了55.2T±1T/70ms的近似平顶，为了承受长脉冲电流产生的热量，需相应增大磁体，故其磁体重达1 200kg[24]。该方法装置体积较大、效率低，实用性不强。
利用电容器产生FTPMF的方案主要有脉冲成形网络、双电容器耦合放电。
1.2.1 脉冲成形网络法
脉冲成形网络有线性叠加脉冲成形网络（Pulse Forming Networks, PFN）和时序脉冲成形网络（Sequence Fire PFN , SFPFN）两种类型。PFN是经典的利用电容器实现FTPMF的方法。固定参数的单个RLC放电回路，电流电压波形为衰减振荡的近似正弦波，根据傅里叶分解和线性系统叠加原理，将多个RLC放电回路组合到一起，产生不同频率和幅值的正弦波进行叠加，理论上可产生方波。1974年德国科学家G. Dworschak利用PFN实现了44T FTPMF，但平顶时间仅有1ms、稳定度只有1%[25]。PFN的原理只有在电路参数固定时才适用，大电流作用下磁体内阻变化较大，难以产生近似方波，故PFN常用在对磁场精度和持续时间要求不高的电磁发射领域，未在FTPMF领域得到推广。
为了延长平顶时间，之后又发展出了SFPFN拓扑结构，通过多个电容器对磁体依次放电，可在磁体上产生带纹波的平顶波形，两模块SFPFN基本拓扑如图8所示[26]。2021年WHMFC采用9模块SFPFN实现了最高参数为50T/70ms/0.7%的FTPMF[18]，如图9所示。
图8 两模块SFPFN原理图
图9 WHMFC SFPFN型FTPMF
1.2.2 双电容器耦合法
为了产生无纹波FTPMF，WHMFC发明了耦合电感调控技术，基本原理如图10所示[27]。通过耦合变压器耦合辅助放电回路，在主回路中产生电压dI/d，进行主回路的电压调节。工作流程如下：主回路先放电，磁体电流上升；经过一定延时，在主回路磁体电流到达峰值之前触发辅助回路，辅助回路开始放电时dI/d最大，磁体电流由上升转为平顶，平顶阶段dI/d逐渐变小抵消磁体内阻电压增量及主回路电容器电压下降，形成平顶波形。
图10 双电容器耦合放电电路及原理
采用该方法WHMFC实现了最高参数为64T/ 10ms/0.3%的FTPMF[17]，如图11a所示。双电容器耦合放电是通过辅助回路的电流变化率调节主回路的电压，让主回路电流由上升转为平顶，所以，在辅助回路触发时必须满足互感电压等于磁体电感电压，即dI/d=mdm/d。故系统参数固定后，两个回路的放电时序非常重要，若辅助回路提前触发，那么触发时刻dI/d＜mdm/d平顶就会上斜，反之平顶就会下斜，如图11b所示。为此，WHMFC自主研发了ns级控制时序发生系统以满足双电容器耦合放电时序的需求[28]。
图11 双电容器耦合放电实验结果
脉冲成形网络和双电容器耦合都是开环系统，磁场波形受电容器电源、磁体温升等参数影响较大，稳定度难以做到百万分之一级别。
1.3 蓄电池型FTPMF
蓄电池具有储能密度高（40W·h/kg）、电压稳定且无纹波、模块化的优点，但是功率密度小（750W/kg），理论上可以通过模块串并联获得任意输出电流电压，而在实际工程应用中，蓄电池组输出电压相对较低，放电时磁体电流上升缓慢，适合产生长脉冲磁场。WHMFC的蓄电池电源共由1 050个6GFM—200型铅酸蓄电池串并联连接而成，6GFM—200型铅酸蓄电池的开路电压12.8V、最大电流2kA、内阻约3mΩ。输出电流2kA时，蓄电池内阻压降就有6V，单节蓄电池就有12kW的功耗，对外输出效率仅约50%，而且随着放电次数和放置时间的增加内阻也会逐渐增大，即内阻是限制蓄电池性能和寿命的主要因素[29]。
蓄电池脉冲放电系统的等效电路与图6类似，假设换流时刻为cr，忽略磁体内阻变化，换流前后电路方程分别为
式中，Ub和Rb为蓄电池组开路电压和内阻；τb为放电回路时间常数，τb=L/(R+Rb)；τc为续流回路时间常数，τc=L/(R+Rc)；iL(cr)为换流时刻负载电流。放电和续流过程负载电流皆是e指数函数，理论上磁体电流经过2.3τb上升到稳态值的90%，4τb达到稳态值的98%，电流越大上升越慢，大电流作用时间长，导致磁体温升明显增大；续流阶段，大电流作用时间短，电流拖尾长，对磁体温升贡献不大。放电过程中，虽然回路中蓄电池电压恒定，但磁体受焦耳热内阻增大，故其只能产生稳定度较低的近似平顶脉冲波形，典型放电波形如图12所示。
2 FTPMF高精度调控
上述电容器和蓄电池开环放电产生的FTPMF精度低、稳定性差，为了改善其参数性能，需采用相应手段进行闭环调控。从所调控物理量的角度可分为回路电压调控和回路阻抗调控。从电路形式上可分为串联调控和并联调控：串联调控时部件需要承受与磁体电流相同的大电流；并联调控时部件需要承受和磁体端电压相同的高电压。从调控器件的工作模式可分为开关调控和线性调控：开关调控时器件工作于斩波模式，有高频开关纹波，磁场稳定度受限，其优点是器件功耗小；线性调控时器件工作于有源放大模式，稳定度高，但器件功耗相对较大。
2.1 回路阻抗调控法
回路阻抗调控法有串联和并联两种形式，如图13所示，图13中，eff为回路等效电阻，0为线路电感，m()为磁体内阻的温度函数。假设平顶期间磁体电流保持稳定，等于参考值，则
串联电阻调控时旁路电阻Rp无穷大。可以看出，平顶期间当磁体电阻受热变大时，减小磁体串联电阻Reff或者磁体旁路电阻Rp，可抵消磁体内阻变化，使磁体电流保持稳定。
2.1.1 串联电阻调控法
串联调控法器件需要承受主回路电流，适合小电流等级采用。日本固体物理研究所（ISSP）基于此原理提出了在主磁体中嵌入小线圈的方法进行FTPMF调控[14]。其中主磁体提供较强的背景磁场，小线圈仅产生最大1.5T的可控磁场对背景磁场进行补偿，二者叠加产生平顶波形。在磁体设计方面，为了消除主磁体和补偿线圈的互感，补偿线圈采用了中间正绕、两侧反绕的三段式绕组结构；为不产生纹波，在补偿线圈磁场调控方面，将MOSFET或者IGBT驱动在线性放大区[30]，其等效内阻受门极电压控制，可连续调节，从而实现回路电流的线性调控，故磁场稳定度较高。平顶时间和磁感应强度取决于背景磁场，ISSP采用电容器产生背景磁场实现了最高参数为60.64T/2ms/0.008%的FTPMF，如图14a[14]所示。为了延长平顶时间，又采用飞轮储能直流脉冲发电机供电产生长脉冲背景磁场。脉冲发电机虽然可通过调节励磁调控输出电压，但是其响应速度在百ms量级以上，大于平顶时间尺度，无法调控平顶。ISSP采用小线圈对该长脉冲背景磁场补偿，实现了43.5T/65ms/0.02%的FTPMF，如图14b所示[15]。
图14 ISSP小线圈补偿FTPMF波形
同理，WHMFC在双电容器耦合法产生背景磁场的基础上，通过小线圈补偿将背景磁场的稳定度提升了10倍，达到了0.02%[31]，如图15所示。
图15 小线圈补偿提高双电容器耦合FTPMF平顶稳定度
通过可控弱磁场补偿背景强磁场，小线圈补偿大大减小了调控回路需要的功率等级，相对容易实现。但是，补偿线圈和主磁体的磁场轴向位形不相同，调控时只能保证中心处的磁场波形，而轴向位形是动态变化的，所以只适合于对磁场位形和空间均匀度没有要求的科学实验。理论上，只有设计出和主磁体位形完全相同的补偿线圈才能保证调控过程中磁场位形不变。另外，补偿线圈是电感负载，电流惯性大，难以用来消除高频纹波，所以难以用小线圈补偿提升SFPFN型FTPMF的稳定度。WHMFC正在研究采用耦合电感主动滤波来提升SFPFN型FTPMF稳定度[32]。
同样基于串联电阻调控的思想，文献[33]提出了利用蓄电池内阻进行FTPMF调控的方法。当磁体电流到达峰值时，通过IGBT在原来的蓄电池组上再并入相同电压的蓄电池串，来减小回路电阻以抵消磁体内阻变化，实现平顶控制。该方法理论上可行，但是蓄电池本身较为笨重，使用大量蓄电池进行调控不是很理想的方法。
2.1.2 并联电阻调控法
并联调控法可以利用相对较小的旁路电流调控主回路的大电流，加之蓄电池电源电压等级较低，在IGBT模块承受范围之内，故具有可操作性。2014年，WHMFC提出了PWM旁路法改变旁路电阻p的等效阻值，实现了长平顶脉冲强磁场，如图16所示[19]。在较低磁场下，磁体温升不大，磁体内阻变化较小，旁路系统容易进行平顶控制，平顶时间较长，如图中9.1T/640ms、16T/400ms。当磁体电流较大时，磁体温升明显，磁体内阻变化快、范围大，受到旁路分流容量及调控速度限制，平顶时间以及磁场稳定度会有下降，如图中的20.4T/250ms、25.6T/200ms。受限于蓄电池输出电压，磁场上升时间较长，将磁感应强度提升到40T以上难度较大。另外，PWM旁路会在系统中引入开关纹波，对磁场变化率敏感的科学实验，如磁化测量，有一定影响。
图16 PWM旁路原理图和实验波形
2.2 回路电压调控法
回路电压调控包括串联、并联电压源和并联电流源三种方法，如图17所示。串联、并联电压源法易于理解，随着磁体内阻增大提升电压源输出电压即可保持磁体电流稳定。串联电压源需要承受几十kA的磁体电流；并联电压源电压为磁体电压，输出电流取决于eff的大小，即磁体电压升高导致eff的电流s减小，减小的电流由旁路电流补充。但是从工程实现上考虑，这两种方法都需要设计大功率电力电子设备，难度相对较大，尚未得到应用。
并联电流源调控法的基本原理是：通过旁路电流p控制阻抗eff、0上的电压，蓄电池电压b恒定，那么磁体端电压随阻抗eff、0上的电压变化而变化，电路方程为
图17 回路电压调控法
并联电流源调控法的特殊优势在于可以利用IGBT或MOFET的有源区流控特性实现线性调控，精度高，无需设计复杂的电源设备。基于该方法，WHMFC采用2个IGBT模块FZ3600R17KE2实现了最高参数为23.37T/100ms/0.0064%的FTPMF[20]。
3 FTPMF的应用
FTPMF可产生比现有稳态磁场更高强度的准稳态磁场，诸多以往难以在脉冲磁场下开展的高精度科学实验测量手段，如NMR、比热、I-V等，可在更高电场强度下进行，FTPMF将为相关领域基础科学研究提供更极端的磁场环境与测试条件。
3.1 脉冲磁场NMR技术
NMR是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下，自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率射频辐射的物理过程，能精确分辨出物质微观结构信息，在物理、化学、材料、生物医学等基础学科领域获得了广泛的应用。提高磁感应强度可直接扩大能极差、增强共振信号（SNR∝2.51.5,为被测元素旋磁比），从而提高NMR空间分辨率、减小信号平均次数。2003年至今，德国HLD、法国强磁场实验室、日本ISSP均积极开展了脉冲场NMR技术研究，发展出磁场与FID信号相位互锁、频域反卷积、信号归一化平均等算法策略提高谱分析质量[34-36]，并用于研究场致列相变[37]和高温超导材料磁相变[38-39]。
文献[40]综述了脉冲场NMR的发展现状及趋势，指出目前脉冲场NMR仅在磁场强度方面具有独特优势，而脉冲场磁场稳定度低、稳定时间短、空间均匀度和重复性差严重限制了NMR信号质量（FID信号线宽加宽、基线失稳、相位畸变）、样品极化时间和样品体积，导致磁场-谱仪同步效率低下，可检测体系单一，极化时间与弛豫时间不足等问题。而平顶脉冲磁场调控是解决传统脉冲磁场稳定度低、重复性差的唯一技术手段。
目前，日本ISSP和中国WHMFC已经开展了平顶脉冲磁场NMR技术研究，日本在13T FTPMF下测得了单晶铜的NMR信号[41]，WHMFC在22T FTPMF下测得了铌金属单质93Nb的NMR信号，并在单次放电下实现了多次有效激发[42]，如图19所示。
FTPMF-NMR技术处于刚起步阶段，在FTPMF方面仍然需要进一步优化磁场强度、稳定度、持续时间和空间均匀度等性能参数，以提升FTPMF-NMR信号质量和适用范围。此外，采用永磁体的小型无液氦NMR装置已走向市场，例如美国Anasazi公司的EFT-60 (60MHz)、EFT-90 (90MHz)，已在全球近700家科研院所、高科技企业得到应用。然而，永磁体的磁感应强度仅有2T左右，使装置性能受限。研制磁感应强度3～10T、高重频、常温水冷、小型化的FTPMF装置将十分有利于FTPMF-NMR技术的应用推广。
3.2 平顶脉冲磁场的科学应用
强磁场下比热测量和I-V曲线测量是凝聚态物理中探究强关联电子体系、电荷密度波材料、高温超导中非线性输运等特性和材料结构相变相机理的关键测量手段[43]。高磁场强度是引发材料发生奇特物理现象关键环境因素，而排除磁场变化引发的感应加热和涡流效应的影响，精准测出材料物性的变化过程，就必须用到平顶磁场这一特性，磁场的高场强和持续稳定缺一不可，同时平顶持续时间必须能够覆盖材料的弛豫时间。
目前，美国、日本和中国都已开发了FTPMF下的比热测量技术，如图20所示。采用这一技术，美国NHMFL首次观察到Kondo绝缘体的自旋带隙关闭现象和URu2Si2的隐秩序相变[44-46]；日本ISSP则观测到了强磁场抑制CeCu2Ge2重费米子体系λ型相变的现象[15]；WHMFC在64T FTPMF下实现了自旋二聚体Ba3Mn2O8的比热测量，同样具备了FTPMF下的比热测量能力[47]。
在I-V测量方面，WHMFC首次实现了FTPMF下的I-V测量技术，并利用该技术观察到了30T平顶磁场下电荷密度波导体Li0.9Mo6O17的电阻负微分现象，如图21所示[48]，为深入揭示电荷密度波电子输运机理提供了特有的研究手段。FTPMF下的比热和I-V等测量技术将有力推动重费米子体系和电荷密度波材料、高温超导中非线性输运特性等前沿科学研究。
图21 FTPMF下的I-V测量技术
4 前景展望
综上所述，FTPMF产生及波形调控技术已经有了很大进步与发展，并且在NMR、比热和I-V测量中得到应用，但是其巨大的科学与工程价值还未得到充分体现，未来仍需进一步深入研究，并根据应用需求不断发展完善FTPMF技术。
4.1 FTPMF技术展望
脉冲电源方面：
（1）发展多电源协同供电技术。如表1所示，现有FTPMF波形平顶时间占比普遍小于20%，其原因是单一电源不能同时瞬时大功率和高平均功率。故结合电容器和蓄电池的性能优势，综合提升脉冲电源的功率和能量密度，尽可能地延长平顶持续时间，同时缩短上升和下降时间，是提升FTPMF装置性能的重要方向。
（2）应用新型储能介质。超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能元件，能量密度是高压电容器的30倍，功率密度是蓄电池的10倍。日本ISSP已尝试采用超级电容器产生长脉冲磁场[49]。利用新型储能介质优化脉冲强磁场电源系统储能结构[50]，对其集成化、小型化具有重要意义。
（3）利用电力电子技术进行波形调控。欧洲核子研究组织已采用电力电子装备实现了电流0.2～2kA、平顶时间0.1～2ms、稳定度0.01%～0.1%的平顶电流波形，用于产生相对较弱的FTPMF进行粒子加速[51]。随着电力电子器件参数等级的提高和多相交错并联等电源技术的发展，未来可采用高度集成化的电力电子设备进行平顶磁场调控。
脉冲磁体方面：
（1）发展新型导线材料。磁体温升是限制FTPMF性能提高的主要因素之一，脉冲放电时温度时间常数远大于电路时间常数，磁体近似绝热体，解决磁体温升问题只能通过发展新型材料，提高导线电导率、增大比热容实现。据悉，中车研究院已初步具备了生产铜和石墨烯复合线材的能力，该线材的电导率是普通线材的1.16倍[52]。材料的强度和电导率相互制约，掌握材料特性的调控规律，在满足应力要求的前提下尽可能地提高电导率是FTPMF领域重要的研究方向。
（2）未来FTPMF下的科学仪器及工程技术走向产业应用时，磁体寿命及磁体状态在线监测至关重要。对于60T级别及以上的脉冲磁体，其寿命的主要影响因素是放电时磁体承受的应力水平。根据WHMFC运行经验，60～65T的磁体额定载荷下可累计放电2 000次左右[53]。对于40T级别及以下的脉冲磁体，主要考虑反复加载下的材料疲劳寿命。总之，提高磁体寿命需根据不同磁场等级，针对材料性能、加固方式、散热结构和制作工艺等多个方面开展深入研究。同时，实时监测磁体绝缘状况、温升和应力分布、磁体阻抗等磁体状态参数，对于装置安全运行、预判磁体失效十分关键。
（3）基于超导材料制作脉冲磁体，短时在高于超导磁体正常磁场值下的运行方式，将是发展FTPMF磁体技术的路径之一。
4.2 大功率回旋管太赫兹源潜在应用
回旋管太赫兹源功率高、体积紧凑，是国际公认最有应用前景的高功率太赫兹源方案之一，在等离子诊断与控制、材料热处理、波谱技术（ESR、DNP-NMR、XDMR、超精细分裂等）、太赫兹雷达、国防安全等诸多领域有巨大应用价值[54]。
回旋管太赫兹源的基本工作原理是电子在磁场作用下回旋运动，与电磁波相互作用从而激发太赫兹辐射，其中磁场的强度和稳定度直接决定了太赫兹波输出频率（基波下比例系数约为36T/THz）和稳定性。基于脉冲强磁场的回旋管太赫兹波源可产生更高极限频率和功率的太赫兹波，是回旋管太赫兹波源的重要发展方向。俄罗斯应用物理研究所[55]、美国马里兰大学[56]、日本福井大学[57]、国内电子科技大学[58]、北京大学[59]和华中科技大学[60]等都开展了脉冲场回旋管的研究。俄罗斯在该领域处于绝对优势，在48.7T脉冲磁场下产生了1.3THz/ 0.5kW/50μs太赫兹波[55]。然而，现有脉冲场回旋管的辐射时间很短，其原因是脉冲磁场在峰值处时间短，受此限制，脉冲场回旋管仅在隐形电离辐射探测上得到了有限应用，M. Y. Glyavin等指出其探测灵敏度与太赫兹波辐射时间呈正相关[61-62]。因此，将FTPMF应用于脉冲场回旋管，将会大幅提升其辐射时间，极大地拓展其应用范围。
现有研究表明，回旋管要求磁场精度（绝对精度和稳定度）小于0.1%，某些太赫兹波谱技术甚至要求达到10-6级[63]；对于磁场位形，要求轴向位形呈近高斯分布且固定不变，在中心处±5mm内磁场均匀度小于0.1%[64]。因此，发展电力电子化的多电源协同供电技术，在单线圈磁体上产生高稳定度平顶、高平顶占比、特定磁场位形的FTPMF，对于提升脉冲场回旋管性能具有重要意义。同时，提升磁体性能、优化储能结构，系统的小型化、可高重频工作等将推动脉冲场回旋管走向大规模应用。
5 结论
在FTPMF产生与调控方面，交流脉冲发电机通过整流器输出，电压可调，易于波形调控，但存在整流纹波，稳定度低；电容器功率密度大，易于实现高场强，但能量低、电压不稳定，单电容器难以形成平顶，需通过SFPFN和双电容器耦合等技术产生FTPMF；蓄电池储能高、电压稳定，功率密度低，不易实现高场强，但便于采用辅助手段进行高精度调控。因此，多电源协同供电和电力电子精确调控技术将是FTPMF下一步的发展方向。
FTPMF应用方面，日本和中国开展了FTPMF-NMR技术研究，证明了FTPMF在改善NMR信号质量、场-频同步等方面的优势，将在凝聚态强关联体系奇异物理性质研究中发挥重要作用；FTPMF下的比热和I-V测量技术已在物性研究中展现了价值，更高电场强度FTPMF下的科学研究将为前沿基础科学研究重大发现提供机遇；此外，大功率回旋管太赫兹源与FTPMF的结合将大幅提升波源辐射时间，拓展其应用。
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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
国家自然科学基金青年基金（52107152）、国家自然科学基金重点项目（U21A20458）、国家自然科学基金-创新群体项目（51821005）和国家重点研发计划（2021YFA1600301）资助。
2022-07-22
2022-08-09
韩小涛 男，1974年生，教授，博士生导师，研究方向为强磁场产生与调控、电磁测量与信号处理。E-mail：xthan@mail.hust.edu.cn
李 亮 男，1963年生，教授，长江学者，博士生导师，杰出青年基金获得者、973项目首席科学家，主要研究方向为脉冲磁场时空调控，脉冲磁体分析、设计、制造及其应用。E-mail：liangli44@hust.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）
