摘要：针对生物、医学和环保等领域对小型脉冲强磁场装置的科研需求,设计研制了磁感应强度为20 T级的集成式脉冲磁场装置。介绍了强磁场装置的构成,给出了出口保护电感的设计方法和计算实例,重点介绍了控制系统的设计和关键实现技术。控制系统提供了手动操作和自动操作两种控制模式,由主控程序和本地控制单元构成,两者之间由光纤连接,应用了有限状态机的通信机制,实现对实验流程的全过程控制、装置状态和采集数据的实时显示。实验测试结果表明,不同放电电压下对应的磁感应强度峰值比例关系的线性度优于2%;同一放电电压下多次放电的重复特性较好,峰值波动范围保持在1%以内,可以满足科研实验需要。

摘要：研制并实验测试一台65T脉冲强磁场磁体。磁体线圈采用14层纯铜导线与Zylon纤维交替缠绕而成,内绕组采用分布式加固技术,实现应力分布的优化,外层由不锈钢套筒与碳纤维加固。内外绕组分别采用两种不同横截面导线平衡能量分布,实现内外绕组温度分布相对均匀,避免局部过热。磁体孔径为12mm,高为120mm,通过1MJ/3.2mF/25kV高储能密度电容器供电,在20.6kV电压时,获得了磁感应强度为65T、持续时间为20ms的脉冲磁场。

摘要：多通道经颅电刺激作为一种非侵入式神经刺激技术,具有更高的聚焦度和灵活度,但电极数的增加也加大了电极故障的风险,对电刺激装置的安全性和可靠性提出了更严格的要求。电极阻抗能反映皮肤接触状态及电极电化学变化,电极阻抗的在线监测有助于提高电刺激期间的安全性。由于多通道电刺激中存在串扰问题,直接测量电极阻抗误差较大,该文提出一种适用于多通道电刺激的新型在线阻抗测量方法,通过在刺激波形上叠加短时、小幅值电流扰动实现串扰解耦,从而测量各电极阻抗,实现对故障电极的定位。在上述方法的基础上,设计复合放大器增强型Howland电流源电路,采用现场可编程门阵列(FPGA)控制器,搭建多通道多模式经颅电刺激装置。最后通过该装置开展一系列人体实验研究,实现基于电流扰动法的电极阻抗在线监测,并在几类常见电极接触不良实验中成功定位故障电极。

摘要：脉冲强磁体处于复杂的电磁、热、应力等多物理场共同作用下,设计中考虑的因素众多,物理关系复杂,分析过程繁琐。借助大型有限元软件分析工具ANSYS建立了70T脉冲强磁体中电磁、温度场耦合分析模型,实现了磁场与温度场的计算,并通过有限元方法实现了脉冲磁体性能的优化。实验结果表明,磁体样机达到70T磁场水平。

摘要：石墨烯作为一种拥有高电子迁移率和高饱和速度的二维材料,在射频电子学领域具有很大的应用潜力,引起了人们广泛的研究兴趣.近些年随着化学气相沉积制备石墨烯技术的发展,高质量大尺寸的单晶石墨烯生长技术也愈加成熟.本文基于化学气相沉积生长的毫米级单晶石墨烯,在高介电常数介质上制备出高性能的石墨烯倍频器,并且对其倍频特性做了系统的研究.研究结果表明:在输入信号频率为1 GHz时,倍频增益可以达到-23.4 dB,频谱纯度可以达到94%.研究了不同漏极偏压以及输入信号功率下倍频增益的变化特性,随着漏极偏压以及输入信号功率的增加,倍频增益增加.对具有不同跨导和电子空穴电导对称性的器件的倍频增益和频谱纯度随输入信号频率f_(in)的变化关系进行了研究.结果表明,跨导对于倍频增益影响显著,在f_(in)=1 GHz时器件的频谱纯度差别不大,均大于90%,但是随着f_(in)增加至4 GHz,电子空穴电导对称性较差的器件频谱纯度下降至42%,电子空穴电导对称性较好的器件仍能保持85%的频谱纯度.这是电子空穴电导对称性和电子空穴响应速度共同作用的结果.本文的研究结果对于高性能石墨烯倍频器设计具有一定的指导意义.

摘要：高频高压变压器在电容器充电电源、脉冲强磁场系统、静电除尘等诸多领域有重要应用,为了提高变压器运行的可靠性,该文以减小高频高压变压器的分布电容和限制其损耗作为设计时的优化目标,并针对此目标提出了一种基于Lagrange数乘法的高频高压变压器分布电容的优化设计方法。并依据此设计方法绕制了一台输入电压500V,输出电压10kV,额定频率15kH z,额定功率为30k V×A的高频高压变压器。对所设计的变压器进行了仿真和实验,得到的分布电容和损耗与理论计算结果一致,且满足绝缘和损耗要求,验证了文中建立的Lagrange模型的准确性。将优化后的变压器与未优化的变压器进行充电对比实验,优化后的变压器充电速度更快,线性度更好,实验结果验证了该优化设计方法的有效性和可行性。

摘要：测量物质在不同外加磁场方向下的电输运性质是近年来研究拓扑量子材料的一种重要实验方法,为探索物质的新奇特性提供了独特的视角和手段.研究表明,在超高强度的脉冲强磁场下,材料的电输运研究可能扩展至量子极限区域,将观察到更加丰富的物理现象.而现有的电输运测量系统中,稳态场下的样品测量杆受限于尺寸和材料,难以适应脉冲场测量要求;脉冲场下的传统样品测量杆的角度分辨率和空间利用率较低,亟需研制更高性能的转角测量系统.为此,本文提出一种拉杆式转角样品杆,基于该转角样品杆的脉冲强磁场电输运测量系统,能够在极低温、强磁场的极端环境下,于脉冲磁体中心通孔的微型样品腔内开展磁场方向190°范围内任意变化的电输运性质测量实验,其旋转结构稳定性良好,转角控制精度达到0.1°;通过合理设计集成电路布局、前置补偿放大和数字锁相提取等信号处理环节,电输运测量结果的精确度优于0.1 m W.本文详细阐述了该测量系统的组成、转角测量杆的设计与研制、校准原理与信号处理过程,并简要介绍了该测量系统在费米面重构、拓扑绝缘体表面态、量子极限输运、超导电性等前沿研究领域的应用.

摘要：结构力学表明,磁体失效包含材料强度失效和结构整体失效两个方面。现有磁体失效模型是基于材料强度模型,忽略结构失稳问题,难以解释超高场脉冲磁体经常在低于其设计值就发生破坏的现象。且已有研究显示,屈曲是导致超高场脉冲磁体失效的主要原因之一,但脉冲磁体屈曲的形成机理和演变规律尚不明确。该文从结构稳定性的角度出发,分析指出脉冲磁体自由分离层可等效为薄壁圆柱壳,具有高屈曲风险,并提出基于圆柱壳体结构屈曲的超高场脉冲磁体力学失效分析方法,建立脉冲磁体静态电磁屈曲Ansys有限元模型,进行了屈曲行为研究分析,仿真结果与实际结果吻合。屈曲分析结果表明:在电磁载荷方面,轴向电磁力是产生屈曲的决定性因素,径向电磁力对于外层绕组轴向屈曲的影响不明显,可在一定程度上抑制内层绕组的轴向屈曲;在绕组结构方面,外层绕组对螺旋绕组缝隙较为敏感,需重点关注。

摘要：良好的控制策略是实现并联型有源电力滤波器(active power filter,APF)补偿功能的关键。由于并联型APF常规电流PI控制方法的闭环增益受系统稳定性条件约束,并联型APF对负载主要谐波分量补偿不充分。针对该问题,提出一种用于APF的新型选择性谐波电流控制策略。该控制策略在常规电流PI控制策略的基础上,对负载电流主要谐波(该文主要指5次、7次谐波)单独提取与控制,而对其余次谐波采用一个常规电流PI控制器控制。该设计方法,增大了系统对主要谐波分量的跟踪增益,提高了APF对谐波的补偿率,实现了控制系统更好的频率响应。将该方法应用于实验室制作的一台30 kVA并联型APF实验装置,可将电流总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)由23.21%补偿为3.75%。仿真与实验结果证明了以上结论。

摘要：平顶脉冲磁场具备脉冲磁场强度高和稳态磁场稳定度高的双重优势,是现代物理科学研究的重要工具。为满足脉冲场核磁共振、I-V测量等科学实验对平顶脉冲磁场高稳定度的需求,该文提出基于双电容器回路耦合放电和线性补偿的平顶磁场调控方案。为此,理论分析双电容器回路耦合放电过程,建立配置主/辅回路电容电压和放电时序的优化方法,基于IGBT有源区的流控特性,设计线性调节补偿回路和前馈反馈相结合的控制器,研制与主磁体解耦的1 T补偿磁体,对双电容器回路耦合放电产生的背景磁场进行高精度调控,最终实现了强度为45.2 T、持续时间为8 ms以及稳定度为0.02%的平顶脉冲磁场,满足相关固态核磁共振等科学实验需求。