一种直线型超导磁体室温磁场测量装置及测量方法

1.本发明属于粒子加速器中磁场测量技术领域，更具体地，涉及一种直线型超导磁体室温磁场测量装置及测量方法。


背景技术：

2.超导磁体一直是加速器领域中更轻、更紧凑的磁体发展方向。近三十年来，高能物理一直是超导磁体和超导技术的主要推动者，而高场强超导磁体也已经成为加速器和粒子对撞机获得更高能量的关键。超导磁体的磁场测量结果可以为加速器平稳运行提供必要数据，也是发现磁体制造缺陷的重要工具。低温直流测量可以同时对超导磁体的绝缘性能、接头电阻、电流裕度等特性进行测试，以全面地检验磁体性能。但是，低温测试需要复杂的机械支撑结构以及大量的低温、真空设备等，一旦超导磁体存在结构缺陷，则需要反复拆装，尤其是当超导磁体数量较多时，这给超导磁体的磁场测量带来了极大的挑战。
3.室温测量成本较低，操作简单，可以在磁体制造之初检测装配质量，是超导磁体批量生产和规模应用的关键。但室温下，超导磁体的线圈电流密度持续过大会造成较大的线圈温升，同时小电流激励下磁场强度较低，容易受到地磁场、剩磁以及电磁噪声的干扰，对测量系统的灵敏度和分辨率要求较高，这些因素制约着超导磁体室温磁场测量的发展与应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种直线型超导磁体室温磁场测量装置及测量方法，其目的在于解决现有技术中超导磁体室温测量磁场强度低，易受干扰等问题，将对磁场强度的设计要求转化为对磁场变化速率的设计要求，不受磁场大小限制，更为灵活；也可以在室温下达到较大的瞬时电流密度，显著降低电磁噪声的干扰，提高测量精度，实现更小的局部测量。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种直线型超导磁体室温磁场测量装置，包括：上位机控制单元、励磁电源单元、同步触发单元、谐波线圈单元、运动控制单元以及数据采集单元；
6.所述上位机控制单元用于根据室温下待测超导磁体的线圈温升要求，制定所述励磁电源单元需要输出的电流波形及重复频率，并将所述电流波形及重复频率下发至所述励磁电源单元，同时下发触发命令至所述同步触发单元；
7.所述同步触发单元用于接收所述触发命令，并输出两路触发脉冲信号，其中一路连接至所述励磁电源单元，另一路连接至所述数据采集单元；
8.所述励磁电源单元用于根据接收的触发脉冲信号输出电流至所述待测超导磁体，以在所述待测超导磁体中产生相应的磁场；
9.所述运动控制单元位于所述谐波线圈单元的两端，用于旋转所述谐波线圈单元，以使所述谐波线圈单元感应所述待测超导磁体在不同角度的磁通变化量，并产生相应的感
应电压信号；
10.所述数据采集单元与谐波线圈单元连接，用于采集所述感应电压信号并对积分后的感应电压信号进行傅里叶分析，以得到所述待测超导磁体在动态励磁过程中局部磁场的高次谐波分量。
11.进一步地，所述运动控制单元用于旋转所述谐波线圈单元时，将整个旋转周期分成为2n等份，以使所述谐波线圈单元感应所述待测超导磁体在2n个不同角度的磁通变化量。
12.进一步地，所述电流波形为类梯形波或类三角波。
13.进一步地，所述励磁电源单元输出的电流由电流传感器转化为等比例的电信号，并传输至所述数据采集单元。
14.进一步地，所述谐波线圈单元由多个相同的谐波线圈并排组成，以同时测试多个区域的磁场。
15.本发明另一方面还提供了一种基于上述的直线型超导磁体室温磁场测量装置的测量方法，包括：
16.所述上位机控制单元根据室温下待测超导磁体的线圈温升要求，制定所述励磁电源单元需要输出的电流波形及重复频率，并将所述电流波形及重复频率下发至所述励磁电源单元，同时下发触发命令至所述同步触发单元；
17.所述同步触发单元接收所述触发命令，并输出两路触发脉冲信号，其中一路连接至所述励磁电源单元，另一路连接至所述数据采集单元；
18.所述励磁电源单元根据接收的触发脉冲信号输出电流至所述待测超导磁体，以在所述待测超导磁体中产生相应的磁场；
19.所述运动控制单元旋转所述谐波线圈单元，以使所述谐波线圈单元感应所述待测超导磁体不同角度的磁通变化量，并产生相应的感应电压信号；
20.所述数据采集单元采集所述感应电压信号并对积分后的感应电压信号进行傅里叶分析，以得到所述待测超导磁体在动态励磁过程中局部磁场的高次谐波分量。
21.进一步地，完成所述待测超导磁体在一个测量点的局部磁场测量后，所述运动控制单元将所述谐波线圈单元平移至下一个测量点，直至覆盖整个测量区域。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
23.一方面，本发明利用脉冲激励测量超导磁体的磁场，在脉冲激励过程中只要磁场稳定后就可以得到与直流激励相同的磁场分布。同时，瞬态过程中测量的是磁通变化量，可以有效地避免地磁场、剩磁以及电磁噪声的干扰。在低测量周期条件下，也可以通过脉冲激励达到较大的瞬时电流密度，从而实现较高的磁场强度。另一方面，相比于通过平移感应线圈，只能测量不同平面的磁场差值；本发明通过旋转谐波线圈单元，使谐波线圈单元能够感应待测超导磁体在不同角度的磁通变化量，能够直接得到待测超导磁体在动态励磁过程中局部磁场的高次谐波分量，从而实现更为精确的磁场测量。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的一种直线型超导磁体室温磁场测量装置的结构框图；
25.图2为本发明实施例提供的一种直线型超导磁体室温磁场测量装置的整体结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
28.根据麦克斯韦方程组，变化的磁场在感应线圈内产生电压信号，通过对该电压信号进行积分，可以得到感应线圈内的磁通变化量。基于脉冲励磁的磁场测量方法是采用同一线圈或同一组线圈在不同位置使用相同的励磁电流进行测量，以获取被测试磁体在励磁电流快速变化过程中的磁场动态特性。
29.参阅图1，结合图2，本发明提供了一种直线型超导磁体室温磁场测量装置，包括：上位机控制单元、励磁电源单元、同步触发单元、谐波线圈单元以及运动控制单元。
30.上位机控制单元用于根据室温下待测超导磁体的线圈温升要求，制定励磁电源单元需要输出的电流波形及重复频率，并将电流波形及重复频率下发至励磁电源单元，同时下发触发命令至同步触发单元。
31.具体地，通过以下方式制定励磁电源单元需要输出的电流波形及重复频率：a)对于励磁电流曲线，由于使用脉冲激励，感应线圈获得的感应电压幅值主要与磁场变化速率相关，不受电流大小限制，电流变化速率可以在一定范围内自由调整，以降低工程难度；b)对于平顶时间及平顶电流，其主要影响了磁场稳定过程以及超导磁体的热温升，通过建立瞬态分析模型寻找磁场稳定的最小时间，尽可能降低平顶电流的持续时间及相应的局部热温升；c)在长时间测量过程中，虽然可以通过降低重复频率来限制线圈发热，但是设计过程中需要在允许范围内尽可能增加重复频率来提高测试效率。
32.优选地，电流波形为类梯形波或类三角波。以梯形波为例，主要从升流时间、稳流时间、降流时间以及平顶电流进行优化。
33.同步触发单元用于接收触发命令，并输出两路触发脉冲信号，其中一路连接至励磁电源单元，另一路连接至数据采集单元，用于励磁电源单元和数据采集单元之间的同步。
34.励磁电源单元用于根据接收的触发脉冲信号输出电流至待测超导磁体，以在待测超导磁体中产生相应的磁场。励磁电源单元输出的电流由电流传感器转化为等比例的电信号，而后传输至待测超导磁体以及被数据采集单元采集。
35.运动控制单元位于谐波线圈单元的两端，用于旋转谐波线圈单元，以使谐波线圈单元感应待测超导磁体在不同角度的磁通变化量，并产生相应的感应电压信号。
36.本实施例中，运动控制单元包括二维运动平台和旋转电机，其中，旋转电机用于旋转谐波线圈单元，优选地，将整个旋转周期(360
°
)分成为2n等份，以使谐波线圈单元感应待测超导磁体在2n个不同角度的磁通变化量。完成待测超导磁体在一个测量点的局部磁场测量后，使用二维运动平台将谐波线圈单元平移至下一个测量点，直至覆盖整个测量区域。
37.进一步地，本发明中谐波线圈单元可以是单个谐波线圈，此时测量的是单点磁场；也可以由多个相同的谐波线圈并排组成，以同时测试多个区域的磁场。
38.数据采集单元与谐波线圈单元连接，用于采集感应电压信号并对积分后的感应电
压信号进行傅里叶分析，以得到待测超导磁体在动态励磁过程中局部磁场的高次谐波分量。
39.需要说明的是，对感应电压信号的积分可以在数据采集之前，也可以在数据采集之后，当在数据采集之前进行使用的是模拟积分器，当在数据采集之后时，使用的是数字积分器。
40.进一步地，对积分后的感应电压信号可以理解为：对不同角度相同电流的磁场响应值进行傅里叶分析。
41.如图2所示，一种直线型超导磁体室温磁场测量装置包括：pcb谐波线圈单元、二维运动平台、编码器和旋转电机。针对直线型超导磁体拟采用谐波线圈法，将整个旋转周期(360
°
)分成n等份(一般为2n份)，而后利用谐波线圈测量不同角度的磁场响应曲线，并进行傅里叶分析，最终得到被测试磁体在动态励磁过程中局部磁场的高次谐波分量。在完成一个位置的局部磁场测量后，利用二维运动平台将感应线圈位移到下一个测量点，直至覆盖整个测量区域。同时可以利用两边的位移平台实现感应线圈的轴向移动，从而实现整个区间内的磁场测量。
42.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。