平頂脈沖強磁場技術及其應用

韓小濤 張紹哲 魏文琦 王俊峰 李 亮

平頂脈沖強磁場技術及其應用

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 國家脈沖強磁場科學中心 武漢 430074 2. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院） 武漢 430074）

平頂脈沖磁場（FTPMF）是指峰值磁場能持續穩定一段時間的特殊強磁場，兼具脈沖磁場高場強和穩態磁場高穩定度的雙重優點，在前沿基礎科學研究和工程技術領域中具有重要應用價值。該文根據飛輪儲能脈沖發電機、電容器、蓄電池在功率、容量、輸出電壓等方面的特點，綜述了FTPMF的產生及其高精度調控方法，介紹了改善FTPMF的穩定度、平頂時間等參數指標的最新技術進展。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鍵作用，結合國家脈沖強磁場科學中心工作，給出了鈮金屬單質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測量應用情況。最后，對發展FTPMF需要的電源系統協同供電、小型化與模塊化、脈沖磁體材料、壽命及其狀態監測等技術，以及FTPMF在脈沖場回旋管太赫茲波源上的應用等進行了展望。

平頂脈沖磁場 脈沖電源 調控技術 核磁共振 太赫茲回旋管

0 引言

強磁場對物質磁矩有強烈作用，能夠改變核自旋和電子結構，進而改變物質特性，是研究物理現象和機理的重要極端條件。磁場強度的提高將給基礎科學研究帶來重大機遇，自1985年以來產生了霍爾效應、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）、超導體等十余項與強磁場相關的諾貝爾獎，涵蓋了物理、化學、材料、醫學等多個學科[1]。強磁場可分為穩態強磁場和脈沖強磁場兩大類，其中脈沖強磁場又包括破壞性和非破壞性磁場，各類磁場的磁感應強度和脈寬范圍如圖1所示[2]。

圖1 磁場類型及參數特性

穩態磁場持續時間為s級以上，但磁感應強度值相對較低。產生穩態磁場有超導磁體、水冷磁體和混合磁體三種方法。超導磁體在勵磁之后幾乎零功耗，但受超導材料臨界磁場和臨界電流約束，目前磁感應強度最高為32.35 T[3]，商業化超導磁體磁感應強度一般低于20T。水冷磁體磁感應強度最高達41.4T[4]，與超導磁體嵌套組成混合磁體，通過疊加可提高磁場強度，美國利用混合磁體技術產生了45.5T穩態磁場[5]。不過，水冷磁體及其水冷系統的體積大、功耗大、結構復雜，運行和維護成本非常高。

脈沖強磁場峰值高、時間短，放電期間磁體近似絕熱，無需對磁體循環制冷，結構相對簡單。脈沖強磁場有破壞性和非破壞性兩類。當磁場高于100T時，磁體承受的壓力高達4GPa，超過了目前已知導體材料的承受極限，所以一般以磁體破壞為代價產生峰值100T以上的超強脈沖磁場[1]。就目前破壞性脈沖磁場的發展水平，單匝線圈最高可產生峰值為300T的脈沖磁場，再輔以磁通壓縮技術可進一步提升峰值磁場強度，最高紀錄高達2 800T。但是，破壞性脈沖強磁場的脈寬在μs級及以下，無法調控其波形，故本文只討論非破壞脈沖磁體產生的脈沖強磁場，下文簡稱脈沖磁場。在磁場強度方面，2012年美國創造了100.75T的脈沖強磁場世界紀錄[6]，德國和中國分別于2016年和2021年實現了95.6T[7]和94.8T[8]脈沖強磁場。相比穩態強磁場，60T等級以下脈沖磁體技術較為成熟，在峰值磁場強度上具有絕對優勢。

由于穩態磁場和脈沖磁場在峰值強度和穩定性方面各有優勢和不足，為滿足科學研究需要，平頂脈沖磁場（Flat-Top Pulsed Magnetic Field, FTPMF）技術得到發展，其兼具脈沖高磁場強度和穩態磁場高穩定度的雙重優點，是脈沖強磁場技術領域的重要分支[9]。平頂脈沖磁場波形示意圖如圖2所示，FTPMF參數指標有平頂磁場強度、平頂持續時間、平頂穩定度、上升時間和下降時間。其中前三項平頂參數與應用場景息息相關，例如，NMR中電場強度正比于其靈敏度，穩定度一般需優于0.01%，持續時間與樣品弛豫時間及共振次數密切相關。上升時間和下降時間不是用戶關心的核心指標，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電機整流后對磁體供電，通過閉環調壓控制在5mm孔徑磁體中產生了帶有5ms平頂的32T FTPMF，但當時并沒有用到平頂磁場這一特性，無后續技術研究[10]。荷蘭科學家于1959年在阿姆斯特丹建立了世界第一個專業化的脈沖強磁場實驗室，選擇了電網整流型電源供電，1985年實現了最高參數40T/80ms/0.1%的FTPMF，用以開展磁化效應、磁阻效應、電輸運等凝聚態物理研究[11-12]。之后美國、中國、日本的脈沖強磁場實驗室采用脈沖發電機、電容器、蓄電池等電源供電，通過不同調控手段實現了不同參數的FTPMF，見表1。

表1 目前已實現的主要FTPMF參數

Tab.1 The main FTPMF parameters that have been implemented

隨著電力電子及高速數據采集技術的進步，脈沖磁場波形調控有了較大發展，FTPMF在前沿基礎科學研究和工程技術領域得到越來越多的應用。同時，應用的深入也對FTPMF性能參數提出了更高要求。為此，本文將根據電源類型的特點綜述FTPMF實現手段及最新技術進展，并介紹現有FTPMF的典型應用，最后對FTPMF關鍵技術和應用潛力進行分析和展望。

1 FTPMF產生技術

不考慮脈沖磁體復雜的力學結構，其本質上是一個空心螺線管，內徑通常為10～30mm。對于電源而言，脈沖磁體是一個大電感負載，電感值約幾毫亨到幾十毫亨，內阻約幾毫歐到百毫歐。產生大于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阻在0.1s內將增大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，進行精度優于0.1%～0.01%的高精度平頂磁場調控難度極大。

根據儲能類型，脈沖強磁場電源有電網儲能、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缺點，見表2，脈沖電源特性決定了磁場波形的特點。

表2 脈沖電源類型及優缺點

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

1.1 整流調壓型FTPMF

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

飛輪存儲機械能后脫離電網運行，不會沖擊電網，是脈沖功率中一種重要的儲能形式。美國國家強磁場實驗室（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個十二脈沖整流器組成，單個整流器滿載可輸出3.2kV和20kA，各模塊可串并聯。NHMFL設計了一個三線圈脈沖磁體，磁體導體重2 505.6kg、保護層重1 409.4kg。利用該系統實現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實現60T FTPMF時需要400MW功率，其650MJ和1.4GW的FESA是該方案的能量基礎。

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磁場科學中心（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生50T/100ms的FTPMF[16]。除此之外，還實現了重頻FTPMF和階梯波脈沖磁場[23]，如圖4和圖5所示。

圖4 20T重復FTPMF

1.2 電容器型FTPMF

電容器功率密度大（＞100kW/kg）、無紋波且結構簡單、易于模塊化、價格相對較低，是脈沖磁場領域應用最廣泛的電源類型。但是，電容器儲能密度小（＜0.1W·h/kg），放電時電壓跌落速度快，難以進行波形調控，其適合產生高而短的脈沖磁場。

圖5 階梯波脈沖磁場

電容器放電系統的電路模型是電容對阻感負載放電，如圖6所示。放電階段，續流回路不導通，VD=0，磁體電流過了峰值之后，端電壓由正變負，續流回路導通，釋放磁體能量。主回路開關一般為單向導電的晶閘管，電流減小至零后不會發生振蕩，典型放電波形如圖7所示。

圖6 電容器脈沖放電系統等效電路

圖7 電容器脈沖放電系統典型波形

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間內近似認為平頂，德國強磁場實驗室使用43MJ電容器將脈寬拉長至1 500ms，在磁場峰值處產生了55.2T±1T/70ms的近似平頂，為了承受長脈沖電流產生的熱量，需相應增大磁體，故其磁體重達1 200kg[24]。該方法裝置體積較大、效率低，實用性不強。

利用電容器產生FTPMF的方案主要有脈沖成形網絡、雙電容器耦合放電。

1.2.1 脈沖成形網絡法

脈沖成形網絡有線性疊加脈沖成形網絡（Pulse Forming Networks, PFN）和時序脈沖成形網絡（Sequence Fire PFN , SFPFN）兩種類型。PFN是經典的利用電容器實現FTPMF的方法。固定參數的單個RLC放電回路，電流電壓波形為衰減振蕩的近似正弦波，根據傅里葉分解和線性系統疊加原理，將多個RLC放電回路組合到一起，產生不同頻率和幅值的正弦波進行疊加，理論上可產生方波。1974年德國科學家G. Dworschak利用PFN實現了44T FTPMF，但平頂時間僅有1ms、穩定度只有1%[25]。PFN的原理只有在電路參數固定時才適用，大電流作用下磁體內阻變化較大，難以產生近似方波，故PFN常用在對磁場精度和持續時間要求不高的電磁發射領域，未在FTPMF領域得到推廣。

為了延長平頂時間，之后又發展出了SFPFN拓撲結構，通過多個電容器對磁體依次放電，可在磁體上產生帶紋波的平頂波形，兩模塊SFPFN基本拓撲如圖8所示[26]。2021年WHMFC采用9模塊SFPFN實現了最高參數為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

為了產生無紋波FTPMF，WHMFC發明了耦合電感調控技術，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，在主回路中產生電壓dI/d，進行主回路的電壓調節。工作流程如下：主回路先放電，磁體電流上升；經過一定延時，在主回路磁體電流到達峰值之前觸發輔助回路，輔助回路開始放電時dI/d最大，磁體電流由上升轉為平頂，平頂階段dI/d逐漸變小抵消磁體內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實現了最高參數為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節主回路的電壓，讓主回路電流由上升轉為平頂，所以，在輔助回路觸發時必須滿足互感電壓等于磁體電感電壓，即dI/d=mdm/d。故系統參數固定后，兩個回路的放電時序非常重要，若輔助回路提前觸發，那么觸發時刻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自主研發了ns級控制時序發生系統以滿足雙電容器耦合放電時序的需求[28]。

圖11 雙電容器耦合放電實驗結果

脈沖成形網絡和雙電容器耦合都是開環系統，磁場波形受電容器電源、磁體溫升等參數影響較大，穩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）、電壓穩定且無紋波、模塊化的優點，但是功率密度小（750W/kg），理論上可以通過模塊串并聯獲得任意輸出電流電壓，而在實際工程應用中，蓄電池組輸出電壓相對較低，放電時磁體電流上升緩慢，適合產生長脈沖磁場。WHMFC的蓄電池電源共由1 050個6GFM—200型鉛酸蓄電池串并聯連接而成，6GFM—200型鉛酸蓄電池的開路電壓12.8V、最大電流2kA、內阻約3mΩ。輸出電流2kA時，蓄電池內阻壓降就有6V，單節蓄電池就有12kW的功耗，對外輸出效率僅約50%，而且隨著放電次數和放置時間的增加內阻也會逐漸增大，即內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的等效電路與圖6類似，假設換流時刻為cr，忽略磁體內阻變化，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阻；τb為放電回路時間常數，τb=L/(R+Rb)；τc為續流回路時間常數，τc=L/(R+Rc)；iL(cr)為換流時刻負載電流。放電和續流過程負載電流皆是e指數函數，理論上磁體電流經過2.3τb上升到穩態值的90%，4τb達到穩態值的98%，電流越大上升越慢，大電流作用時間長，導致磁體溫升明顯增大；續流階段，大電流作用時間短，電流拖尾長，對磁體溫升貢獻不大。放電過程中，雖然回路中蓄電池電壓恒定，但磁體受焦耳熱內阻增大，故其只能產生穩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高精度調控

上述電容器和蓄電池開環放電產生的FTPMF精度低、穩定性差，為了改善其參數性能，需采用相應手段進行閉環調控。從所調控物理量的角度可分為回路電壓調控和回路阻抗調控。從電路形式上可分為串聯調控和并聯調控：串聯調控時部件需要承受與磁體電流相同的大電流；并聯調控時部件需要承受和磁體端電壓相同的高電壓。從調控器件的工作模式可分為開關調控和線性調控：開關調控時器件工作于斬波模式，有高頻開關紋波，磁場穩定度受限，其優點是器件功耗小；線性調控時器件工作于有源放大模式，穩定度高，但器件功耗相對較大。

2.1 回路阻抗調控法

回路阻抗調控法有串聯和并聯兩種形式，如圖13所示，圖13中，eff為回路等效電阻，0為線路電感，m()為磁體內阻的溫度函數。假設平頂期間磁體電流保持穩定，等于參考值，則

串聯電阻調控時旁路電阻Rp無窮大。可以看出，平頂期間當磁體電阻受熱變大時，減小磁體串聯電阻Reff或者磁體旁路電阻Rp，可抵消磁體內阻變化，使磁體電流保持穩定。

2.1.1 串聯電阻調控法

串聯調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行FTPMF調控[14]。其中主磁體提供較強的背景磁場，小線圈僅產生最大1.5T的可控磁場對背景磁場進行補償，二者疊加產生平頂波形。在磁體設計方面，為了消除主磁體和補償線圈的互感，補償線圈采用了中間正繞、兩側反繞的三段式繞組結構；為不產生紋波，在補償線圈磁場調控方面，將MOSFET或者IGBT驅動在線性放大區[30]，其等效內阻受門極電壓控制，可連續調節，從而實現回路電流的線性調控，故磁場穩定度較高。平頂時間和磁感應強度取決于背景磁場，ISSP采用電容器產生背景磁場實現了最高參數為60.64T/2ms/0.008%的FTPMF，如圖14a[14]所示。為了延長平頂時間，又采用飛輪儲能直流脈沖發電機供電產生長脈沖背景磁場。脈沖發電機雖然可通過調節勵磁調控輸出電壓，但是其響應速度在百ms量級以上，大于平頂時間尺度，無法調控平頂。ISSP采用小線圈對該長脈沖背景磁場補償，實現了43.5T/65ms/0.02%的FTPMF，如圖14b所示[15]。

圖14 ISSP小線圈補償FTPMF波形

同理，WHMFC在雙電容器耦合法產生背景磁場的基礎上，通過小線圈補償將背景磁場的穩定度提升了10倍，達到了0.02%[31]，如圖15所示。

圖15 小線圈補償提高雙電容器耦合FTPMF平頂穩定度

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

同樣基于串聯電阻調控的思想，文獻[33]提出了利用蓄電池內阻進行FTPMF調控的方法。當磁體電流到達峰值時，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阻變化，實現平頂控制。該方法理論上可行，但是蓄電池本身較為笨重，使用大量蓄電池進行調控不是很理想的方法。

2.1.2 并聯電阻調控法

并聯調控法可以利用相對較小的旁路電流調控主回路的大電流，加之蓄電池電源電壓等級較低，在IGBT模塊承受范圍之內，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，實現了長平頂脈沖強磁場，如圖16所示[19]。在較低磁場下，磁體溫升不大，磁體內阻變化較小，旁路系統容易進行平頂控制，平頂時間較長，如圖中9.1T/640ms、16T/400ms。當磁體電流較大時，磁體溫升明顯，磁體內阻變化快、范圍大，受到旁路分流容量及調控速度限制，平頂時間以及磁場穩定度會有下降，如圖中的20.4T/250ms、25.6T/200ms。受限于蓄電池輸出電壓，磁場上升時間較長，將磁感應強度提升到40T以上難度較大。另外，PWM旁路會在系統中引入開關紋波，對磁場變化率敏感的科學實驗，如磁化測量，有一定影響。

圖16 PWM旁路原理圖和實驗波形

2.2 回路電壓調控法

回路電壓調控包括串聯、并聯電壓源和并聯電流源三種方法，如圖17所示。串聯、并聯電壓源法易于理解，隨著磁體內阻增大提升電壓源輸出電壓即可保持磁體電流穩定。串聯電壓源需要承受幾十kA的磁體電流；并聯電壓源電壓為磁體電壓，輸出電流取決于eff的大小，即磁體電壓升高導致eff的電流s減小，減小的電流由旁路電流補充。但是從工程實現上考慮，這兩種方法都需要設計大功率電力電子設備，難度相對較大，尚未得到應用。

并聯電流源調控法的基本原理是：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 回路電壓調控法

并聯電流源調控法的特殊優勢在于可以利用IGBT或MOFET的有源區流控特性實現線性調控，精度高，無需設計復雜的電源設備。基于該方法，WHMFC采用2個IGBT模塊FZ3600R17KE2實現了最高參數為23.37T/100ms/0.0064%的FTPMF[20]。

3 FTPMF的應用

FTPMF可產生比現有穩態磁場更高強度的準穩態磁場，諸多以往難以在脈沖磁場下開展的高精度科學實驗測量手段，如NMR、比熱、I-V等，可在更高電場強度下進行，FTPMF將為相關領域基礎科學研究提供更極端的磁場環境與測試條件。

3.1 脈沖磁場NMR技術

NMR是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下，自旋能級發生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率射頻輻射的物理過程，能精確分辨出物質微觀結構信息，在物理、化學、材料、生物醫學等基礎學科領域獲得了廣泛的應用。提高磁感應強度可直接擴大能極差、增強共振信號（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。2003年至今，德國HLD、法國強磁場實驗室、日本ISSP均積極開展了脈沖場NMR技術研究，發展出磁場與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量[34-36]，并用于研究場致列相變[37]和高溫超導材料磁相變[38-39]。

文獻[40]綜述了脈沖場NMR的發展現狀及趨勢，指出目前脈沖場NMR僅在磁場強度方面具有獨特優勢，而脈沖場磁場穩定度低、穩定時間短、空間均勻度和重復性差嚴重限制了NMR信號質量（FID信號線寬加寬、基線失穩、相位畸變）、樣品極化時間和樣品體積，導致磁場-譜儀同步效率低下，可檢測體系單一，極化時間與弛豫時間不足等問題。而平頂脈沖磁場調控是解決傳統脈沖磁場穩定度低、重復性差的唯一技術手段。

目前，日本ISSP和中國WHMFC已經開展了平頂脈沖磁場NMR技術研究，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93Nb的NMR信號，并在單次放電下實現了多次有效激發[42]，如圖19所示。

FTPMF-NMR技術處于剛起步階段，在FTPMF方面仍然需要進一步優化磁場強度、穩定度、持續時間和空間均勻度等性能參數，以提升FTPMF-NMR信號質量和適用范圍。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、高科技企業得到應用。然而，永磁體的磁感應強度僅有2T左右，使裝置性能受限。研制磁感應強度3～10T、高重頻、常溫水冷、小型化的FTPMF裝置將十分有利于FTPMF-NMR技術的應用推廣。

3.2 平頂脈沖磁場的科學應用

強磁場下比熱測量和I-V曲線測量是凝聚態物理中探究強關聯電子體系、電荷密度波材料、高溫超導中非線性輸運等特性和材料結構相變相機理的關鍵測量手段[43]。高磁場強度是引發材料發生奇特物理現象關鍵環境因素，而排除磁場變化引發的感應加熱和渦流效應的影響，精準測出材料物性的變化過程，就必須用到平頂磁場這一特性，磁場的高場強和持續穩定缺一不可，同時平頂持續時間必須能夠覆蓋材料的弛豫時間。

目前，美國、日本和中國都已開發了FTPMF下的比熱測量技術，如圖20所示。采用這一技術，美國NHMFL首次觀察到Kondo絕緣體的自旋帶隙關閉現象和URu2Si2的隱秩序相變[44-46]；日本ISSP則觀測到了強磁場抑制CeCu2Ge2重費米子體系λ型相變的現象[15]；WHMFC在64T FTPMF下實現了自旋二聚體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首次實現了FTPMF下的I-V測量技術，并利用該技術觀察到了30T平頂磁場下電荷密度波導體Li0.9Mo6O17的電阻負微分現象，如圖21所示[48]，為深入揭示電荷密度波電子輸運機理提供了特有的研究手段。FTPMF下的比熱和I-V等測量技術將有力推動重費米子體系和電荷密度波材料、高溫超導中非線性輸運特性等前沿科學研究。

圖21 FTPMF下的I-V測量技術

4 前景展望

綜上所述，FTPMF產生及波形調控技術已經有了很大進步與發展，并且在NMR、比熱和I-V測量中得到應用，但是其巨大的科學與工程價值還未得到充分體現，未來仍需進一步深入研究，并根據應用需求不斷發展完善FTPMF技術。

4.1 FTPMF技術展望

脈沖電源方面：

（1）發展多電源協同供電技術。如表1所示，現有FTPMF波形平頂時間占比普遍小于20%，其原因是單一電源不能同時瞬時大功率和高平均功率。故結合電容器和蓄電池的性能優勢，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時間，同時縮短上升和下降時間，是提升FTPMF裝置性能的重要方向。

（2）應用新型儲能介質。超級電容器是介于傳統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生長脈沖磁場[49]。利用新型儲能介質優化脈沖強磁場電源系統儲能結構[50]，對其集成化、小型化具有重要意義。

（3）利用電力電子技術進行波形調控。歐洲核子研究組織已采用電力電子裝備實現了電流0.2～2kA、平頂時間0.1～2ms、穩定度0.01%～0.1%的平頂電流波形，用于產生相對較弱的FTPMF進行粒子加速[51]。隨著電力電子器件參數等級的提高和多相交錯并聯等電源技術的發展，未來可采用高度集成化的電力電子設備進行平頂磁場調控。

脈沖磁體方面：

（1）發展新型導線材料。磁體溫升是限制FTPMF性能提高的主要因素之一，脈沖放電時溫度時間常數遠大于電路時間常數，磁體近似絕熱體，解決磁體溫升問題只能通過發展新型材料，提高導線電導率、增大比熱容實現。據悉，中車研究院已初步具備了生產銅和石墨烯復合線材的能力，該線材的電導率是普通線材的1.16倍[52]。材料的強度和電導率相互制約，掌握材料特性的調控規律，在滿足應力要求的前提下盡可能地提高電導率是FTPMF領域重要的研究方向。

（2）未來FTPMF下的科學儀器及工程技術走向產業應用時，磁體壽命及磁體狀態在線監測至關重要。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磁體承受的應力水平。根據WHMFC運行經驗，60～65T的磁體額定載荷下可累計放電2 000次左右[53]。對于40T級別及以下的脈沖磁體，主要考慮反復加載下的材料疲勞壽命。總之，提高磁體壽命需根據不同磁場等級，針對材料性能、加固方式、散熱結構和制作工藝等多個方面開展深入研究。同時，實時監測磁體絕緣狀況、溫升和應力分布、磁體阻抗等磁體狀態參數，對于裝置安全運行、預判磁體失效十分關鍵。

（3）基于超導材料制作脈沖磁體，短時在高于超導磁體正常磁場值下的運行方式，將是發展FTPMF磁體技術的路徑之一。

4.2 大功率回旋管太赫茲源潛在應用

回旋管太赫茲源功率高、體積緊湊，是國際公認最有應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（ESR、DNP-NMR、XDMR、超精細分裂等）、太赫茲雷達、國防安全等諸多領域有巨大應用價值[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動，與電磁波相互作用從而激發太赫茲輻射，其中磁場的強度和穩定度直接決定了太赫茲波輸出頻率（基波下比例系數約為36T/THz）和穩定性。基于脈沖強磁場的回旋管太赫茲波源可產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展方向。俄羅斯應用物理研究所[55]、美國馬里蘭大學[56]、日本福井大學[57]、國內電子科技大學[58]、北京大學[59]和華中科技大學[60]等都開展了脈沖場回旋管的研究。俄羅斯在該領域處于絕對優勢，在48.7T脈沖磁場下產生了1.3THz/ 0.5kW/50μs太赫茲波[55]。然而，現有脈沖場回旋管的輻射時間很短，其原因是脈沖磁場在峰值處時間短，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用，M. Y. Glyavin等指出其探測靈敏度與太赫茲波輻射時間呈正相關[61-62]。因此，將FTPMF應用于脈沖場回旋管，將會大幅提升其輻射時間，極大地拓展其應用范圍。

現有研究表明，回旋管要求磁場精度（絕對精度和穩定度）小于0.1%，某些太赫茲波譜技術甚至要求達到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內磁場均勻度小于0.1%[64]。因此，發展電力電子化的多電源協同供電技術，在單線圈磁體上產生高穩定度平頂、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，提升磁體性能、優化儲能結構，系統的小型化、可高重頻工作等將推動脈沖場回旋管走向大規模應用。

5 結論

在FTPMF產生與調控方面，交流脈沖發電機通過整流器輸出，電壓可調，易于波形調控，但存在整流紋波，穩定度低；電容器功率密度大，易于實現高場強，但能量低、電壓不穩定，單電容器難以形成平頂，需通過SFPFN和雙電容器耦合等技術產生FTPMF；蓄電池儲能高、電壓穩定，功率密度低，不易實現高場強，但便于采用輔助手段進行高精度調控。因此，多電源協同供電和電力電子精確調控技術將是FTPMF下一步的發展方向。

FTPMF應用方面，日本和中國開展了FTPMF-NMR技術研究，證明了FTPMF在改善NMR信號質量、場-頻同步等方面的優勢，將在凝聚態強關聯體系奇異物理性質研究中發揮重要作用；FTPMF下的比熱和I-V測量技術已在物性研究中展現了價值，更高電場強度FTPMF下的科學研究將為前沿基礎科學研究重大發現提供機遇；此外，大功率回旋管太赫茲源與FTPMF的結合將大幅提升波源輻射時間，拓展其應用。

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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

國家自然科學基金青年基金（52107152）、國家自然科學基金重點項目（U21A20458）、國家自然科學基金-創新群體項目（51821005）和國家重點研發計劃（2021YFA1600301）資助。

2022-07-22

2022-08-09

韓小濤 男，1974年生，教授，博士生導師，研究方向為強磁場產生與調控、電磁測量與信號處理。E-mail：xthan@mail.hust.edu.cn

李 亮 男，1963年生，教授，長江學者，博士生導師，杰出青年基金獲得者、973項目首席科學家，主要研究方向為脈沖磁場時空調控，脈沖磁體分析、設計、制造及其應用。E-mail：liangli44@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）