磁场测试仪原理

记一次脉冲强磁场设备维修原创：大陆2015-11-13一、前言磁场设备是磁学研究中产生磁场的设备，根据可产生最高磁场强弱可以分为亥姆赫兹线圈、永磁场发生器、电磁铁、超导磁体与强脉冲磁场发生器几种，其中使用脉冲磁场发生器原理是短时间通大电流产生强磁场，在相同的散热及供电功率等配套条件下可以产生比稳恒磁体强一个数量级以上的磁场，因而可以在物理、化学与生物研究中需要强场的场合应用。目前脉冲强磁场能产生的最高磁场的世界纪录超过2千特斯拉，不过这些极端磁场的产生过程伴随爆炸冲击波作用，只是一次性的产生，线圈无法再次使用，而且需要防爆实验环境；能够重复使用同一个线圈可控产生的脉冲强磁场最高约1百特斯拉，这需要配套专门的实验室与供电通道；在普通实验室条件下对脉冲磁场发生装置的需求一是不需要专门的电力改造，且整个装置方便移动，不过产生的磁场最高超过10特斯拉，我们实验室(磁学国家重点实验室)就有一套这样的样机设备，是实验室几位老前辈在1990年前后自己做的，设备整体照片如图1，它的主体分为充放电控制模块、线圈负载与电容柜(如图02中肚子里主要装的是1kV，0.1mF的电容阵列，合计98个，总容量9.8毫法拉) 、。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573466_1611921_3.png图01 脉冲强磁场装置照片http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573467_1611921_3.jpeg图02 脉冲强磁场装置中的电容二、故障及诊断维修前段时间有使用者在使用过程中发现设备电容无法充到设定电压，从而无法放电产生磁场。首先通过沟通，获知设备是在用户更换自己的负载线圈之后引起，用户自己的负载线圈电感约10纳亨，而设备标配的负载线圈是280微亨，相差4个数量级；然后结合图03所示的脉冲强磁场的电路分析故障在充电模块；最后打开机柜，通过肉眼观察线路板与元器件，如图04所示，可以看到大功率晶闸管的散热固定木柱有裂纹，从而将故障诊断在晶闸管上。值得一提的是，必须赞一下实验室前辈们：在设备制造过程中保留着晶闸管的铭牌，这样尽管他们退休好多年了，设备出现问题，后人还可以找到配件的线索。将晶闸管拆下来后发现正反向都是导通状态，显然控制端无法控制其单向积累电荷给电容充电，因而根据铭牌上的最大电流500A、耐压1800V、控制电压1.5V指标购买替换晶闸管，幸运的是市场上还能找到同样规格的KP-500A晶闸管，买回来替换上后测试发现仪器可以正常充放电，至此维修工作完成。简单分析其原因是使用者将负载换成特别轻的电感，这样在最高800V充电后，电感几乎不能增加阻抗，此时放电回路电路中的阻抗幅值约0.5欧姆，导致放电回路中的电流瞬间超过1600安培，而晶闸管的最高承受电流只有500安培，所以损坏导致故障。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573468_1611921_3.gif图03 脉冲强磁场装置充放电原理电路图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573469_1611921_3.png图04 脉冲强磁场装置充放电电路照片http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573470_1611921_3.jpeg图05 更换的晶闸管照片三、测试验证我们知道，设备维修让设备能工作与是否适合科学研究是两码事，为了让使用者更好的在该设备上开展研究，需要在正常工作的基础上对其性能做一次测试验证，测量不同充电电压对应在标准负载线圈中的放电脉冲磁场。测试用到的工具是带轴向(霍尔传感器)磁场探头的特斯拉计(高斯计)，与一台示波器，如图06所示，由于仪器尾部自带有BNC模拟接口，将其连在示波器上，但初步测试发现仪器标配的模拟信号在较高磁场下有饱和截断平台，如图07所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573471_1611921_3.png图06 测试验证需要的仪器http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573472_1611921_3.png图07 直接使用模拟信号观测脉冲场波形经过与特斯拉计的工程师交流，得知其模拟输出的是原始霍尔电压信号放大10倍并做滤波限幅保护等电路处理之后输出的结果，而设备限幅4V，对应典型传感器最高只能测量4T的磁场。我们目前的应用明显要测量超过4T的磁场，那么要想获得高于4T的模拟脉冲信号，怎么办呢？使用原始(未经放大、调理、限幅处理的)霍尔电压信号！于是打开特斯拉计机箱，如图08所示，http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573473_1611921_3.png图08 特斯拉计内部电路结构http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/11/201511132130_573474_1611921_3.png图09 改变模拟BNC输入线的接入位置做好以上的准备工作后，开始进行测量系统标定，为了简便，这里使用一块永磁体产生磁场做动态模拟电压-磁场标定，放在探头边上，通过调节距离改变特斯拉计的输入磁场，记录特斯拉计与示波器上直流信号的平均值，绘制成曲线并拟合如图10所示。然后将磁场探头放入负载线圈的中心位置，测量不同放电电压下产生的脉冲磁场波形，并根据指数衰减放电函数拟合出峰值与脉宽，如图11所示。最后将所有的初始放电电压获得的脉冲磁场信号曲线的拟合结果汇总可得脉宽不随放电电压变化，恒定约1毫秒，峰值磁场与初始放电电压关系经拟合满足为B(特斯拉)=20V(千伏)关系，该设备在最高800V电压充电时产生峰值磁场约16T，使用相对简单的原理与低成本[c