一种在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法和装置

摘要

一种在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法和装置，根据时变磁场和时变电流的函数关系推导出理想时变磁场对应的时变电流，将该输入电流作为输入，以控制交流磁铁的磁场强度为理想时变磁场，从而把对时变磁场的精确控制转化为对时变电流的精确控制。由于对时变电流的精确控制较为容易实现，因此，该方法和装置在实现对交流磁铁的磁场强度控制时可操作性更强。另外，该方法和装置不仅可以适用于低重复频率交流磁铁，还可以适用于高重复频率交流磁铁，其具有普适性，并且调控精度高。

说明书

技术领域

本申请涉及磁技术领域，具体涉及一种在交流磁铁上得到高精度时变磁场 的方法和装置。

背景技术

中国散裂中子源(CSNS)是国家十二五规划重大科技基础设施项目，它利 用粒子加速器提供高能质子打靶产生高通量中子，最高能量为1.6GeV、重复频 率为25Hz的高能快循环同步加速器(RCS)是该装置最重要的组成部分之一。

磁铁是粒子加速器(下面简称加速器)上最重要的设备之一，能量变化的 加速器需要用到交流磁铁，交流磁铁的磁场精度决定了加速器的性能，在交流 磁铁上得到高精度时变磁场的方法是个非常关键的技术。对无磁饱和交流磁铁， 由于磁场随电流线性变化，用高精度时变电源就能实现对场强随时间变化关系 的精确控制。为了获得更高的磁场强度，磁铁需要工作在磁饱和区域，此时， 磁场随电流变化是非线性的。对重复频率很低的交流磁铁，当前技术一般采用 反馈系统实现对场强随时间变化关系的精确控制。其具体实现方法是：实时测 量不同时刻磁场强度，如果某些时刻磁场不是理想值，通过逐点对电流做修正 达到校正磁场的目的，反复迭代可最终实现对场强随时间变化关系的精确控制。 为了减小对电网的影响，对高重复频率交流磁铁需要用谐振电源供电，使用谐 振电源无法借助反馈系统实现对磁场的精确控制。所以，目前对高重复频率交 流磁铁难以实现对磁场的精确控制，现有的磁场精确控制方法适用性不强。

发明内容

本申请提供一种在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法和装置，能够实 现对低重复频率和高重复频率交流磁铁磁场的精确控制。

根据本申请的第一方面，本申请提供了一种在交流磁铁上得到高精度时变 磁场的方法，包括第一次调控；所述第一次调控包括：

获取当前时变磁场与时变电流在时间上的对应关系；

根据所述对应关系拟合得到时变磁场和时变电流的函数关系；

根据所述函数关系得到理想时变磁场对应的时变电流；

将得到的理想时变磁场对应的时变电流作为输入，以控制交流磁铁的磁场 强度为所述理想时变磁场。

根据本申请的第二方面，本申请提供了一种在交流磁铁上得到高精度时变 磁场的装置，包括第一次调控单元，用于进行第一次调控；所述第一次调控单 元包括：

对应关系获取模块，用于获取当前时变磁场与时变电流在时间上的对应关 系；

函数关系拟合模块，用于根据所述对应关系拟合得到时变磁场和时变电流 的函数关系；

调控电流计算模块，用于根据所述函数关系得到理想时变磁场对应的时变 电流；

调控电流输入模块，用于将得到的理想时变磁场对应的时变电流作为输入， 以控制交流磁铁的磁场强度为所述理想时变磁场。

本申请提供的在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法和装置，根据时变 磁场和时变电流的函数关系推导出理想时变磁场对应的时变电流，将该输入电 流作为输入，以控制交流磁铁的磁场强度为理想时变磁场，从而把对时变磁场 的精确控制转化为对时变电流的精确控制。由于对时变电流的精确控制较为容 易实现，因此，该方法和装置在实现对交流磁铁的磁场强度控制时可操作性更 强。另外，该方法和装置不仅可以适用于低重复频率交流磁铁，还可以适用于 高重复频率交流磁铁，其具有普适性，并且调控精度高。

附图说明

图1为本申请一种实施例中在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法的流 程示意图；

图2为本申请一种实施例中在交流四极磁铁上得到高精度时变磁场的方法 的具体流程示意图；

图3为本申请一种实施例中采集的一个周期内时变电流的变化曲线示意图；

图4为本申请一种实施例中采集的一个周期内时变磁场的变化曲线示意图；

图5为本申请一种实施例中重新排序后时变电流的变化曲线示意图；

图6为本申请一种实施例中重新排序后时变磁场的变化曲线示意图；

图7为本申请一种实施例中对磁场做精确控制前后磁场高次时间谐波分量 的比较示意图；

图8为本申请一种实施例中对磁场精确控前后一个周期内各时刻磁场与按 照正弦曲线变化的理想磁场强度的偏差图；

图9为本申请一种实施例中对磁场精确控前后一个周期内各时刻磁场与一 随机理想磁场强度的偏差图；

图10为本申请一种实施例中对磁场做两次精确控制前后磁场高次时间谐波 分量的比较图；

图11为本申请一种实施例中对磁铁磁场两次调控前后一个周期内各时刻磁 场与按照正弦曲线变化的理想磁场强度的偏差图；

图12为本申请一种实施例中在交流磁铁上得到高精度时变磁场的装置的模 块示意图。

具体实施方式

本申请的发明构思在于：根据磁场测量系统和电流采集系统得到交流磁铁 的时变磁场和时变电流的对应关系(即函数关系，本申请称之为传递函数)，推 导出理想(高精度)时变磁场(理想时变磁场是指对交流磁铁进行调控后所要 达到的时变磁场)对应的时变电流，从而把对时变磁场的精确控制转化为对时 变电流的精确控制，而对时变电流的精确控制是比较成熟的技术，较为容易实 现。

本申请的原理为：首先借助磁场测量系统和电流采集系统得到时变磁场与 时变电流在时间上(点对点)的对应关系，根据点对点的时变磁场与时变电流 的对应关系拟合出时变磁场与时变电流的函数关系(做拟合是为了减小磁场测 量和电流采集误差的影响)，即传递函数，再根据传递函数推导出理想时变磁场 对应的时变电流，从而实现了把对时变磁场的精确控制转化为对时变电流的精 确控制。

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一

请参考图1，本实施例提供了一种在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法， 包括第一次调控。第一次调控包括下面步骤：

步骤1.1：获取当前时变磁场与时变电流在时间上的对应关系。为了获取该 对应关系，需要先采集当前交流磁铁的时变磁场和时变电流，具体的，可以通 过搭建或使用已有的交流磁场测量系统及电流采集系统来分别采集时变磁场和 时变电流。时变磁场与时变电流在时间上的对应关系具体可以是指在时间上， 两者点对点的对应关系。

步骤1.2：根据该对应关系拟合得到时变磁场和时变电流的函数关系。

另外，由于实际情况下，时变磁场与时变电流存在一定的滞后，为了更好 地保证得到的函数关系的准确性，优选的，根据该对应关系分别拟合得到时变 磁场上升和下降过程中时变磁场和时变电流的函数关系，即得到下面两个函数 关系：

I＝F_下降(B)

I＝F_上升(B)

步骤1.3：根据得到的函数关系得到理想时变磁场对应的时变电流。

步骤1.4：将得到的理想时变磁场对应的时变电流作为输入，以控制交流磁 铁的磁场强度为理想时变磁场。

在某些实施例中，交流磁铁为低重复频率交流磁铁，低重复频率交流磁铁 使用高精度时变电源进行供电。则步骤1.4具体为：将得到的理想时变磁场对应 的时变电流输入高精度时变电源，以通过高精度时变电源控制交流磁铁的磁场 强度为理想时变磁场。

在另一些实施例中，交流磁铁为高重复频率交流磁铁，高重复频率交流磁 铁使用谐振电源进行供电。则步骤1.4具体为：对得到的理想时变磁场对应的时 变电流进行谐波分析，将分析得到的各次时间谐波分量和直流偏置输入谐振电 源，以通过谐振电源控制交流磁铁的磁场强度为理想时变磁场。

本实施例提供的方法已在中国散裂中子源交流四极磁铁上得到验证。中国 散裂中子源(CSNS)是国家十二五规划重大科技基础设施项目，它利用加速器 提供高能质子打靶产生高通量中子，最高能量为1.6GeV、重复频率为25Hz的 高能快循环同步加速器(RCS)是该装置最重要的组成部分之一。由于能量较高， 四极磁铁需要较高的磁场，所以CSNS/RCS上所有四极磁铁都工作在磁饱和区 域。下面以对其中一种类型的四极磁铁时变磁场的精确控制为例，在四极磁铁 上实现了把磁场随时间变化关系精确控制到标准正弦曲线或其它任意类型曲线， 来对本实施例做进一步说明。

请参考图2，为对四极磁铁时变磁场的精确控制的具体步骤示意图。

首先介绍在四极磁铁上实现了把磁场随时间变化关系精确控制到标准正弦 曲线的具体操作步骤。

步骤2.1：通过交流磁场测量系统及电流采集系统获得一个周期内不同时刻 的磁场及电流，CSNS/RCS上四极磁铁在一个周期40毫秒时间内采集8000个 时刻点的磁场及电流，其中8000个时刻点等时间间隔，具体数据如下表：

表1：

表1一共有8000行数据，由表1可以得到磁场与电流随时间的变化曲线， 如图3-4所示。

需要说明的是，在交流磁场测量系统和电流采集系统采集不同时刻的磁场 及电流时，可以采集一个或多个周期内的磁场及电流。

步骤2.2：对步骤2.1获得的不同时刻的电流及磁场曲线对齐排序。由于磁 场对励磁电流有一定的滞后性，某一时刻的磁场是由前面某一时刻的电流激发 的，所以步骤2.2中需要对以上8000个时刻点的电流与磁场重新排序。排序方 法是，分别把图3-4中虚线框标注的随时间下降的数据点按箭头方向移至一个周 期的初始位置，使重新排序后电流和磁场随时间变化都是从最大值下降到最小 值再上升到最大值，如图5-6所示。

步骤2.3：对以上磁场与电流对应关系做数据拟合，分别拟合出磁场下降及 上升过程中磁场与电流的传递函数。做数据拟合的目的是减小磁场测量系统及 电流采集系统误差的影响。根据以上数据拟合出磁场下降及上升过程磁场与电 流的传递函数，分别为：

I＝F_下降(B)

I＝F_上升(B)

步骤2.4：给定满足随时间按照正弦曲线变化的不同时刻的磁场强度。随时 间按照正弦曲线变化的磁场可表示为：

$B\left(t\right)=B_0+B_{1}sin(2\times 25\pi t+\frac{\pi }{2})$

其中B₀为理想磁场的直流偏置，B₁为理想磁场的交流基波分量，25表示 25Hz的重复频率，相位加π/2是为了保证磁场随时间变化关系趋势与磁场采集 系统一致，也就是与图5-6中先下降后上升的趋势一致。根据上述表达式生成一 个周期40毫秒时间内不同时刻点的磁场如下表：

表2：

步骤2.5：分别根据步骤2.3拟合出的磁场下降及上升过程中磁场与电流的 传递函数，计算出以上理想磁场下降及上升过程中各时刻对应的电流，结果如 下表：

表3：

步骤2.6：对步骤2.5得到的电流作傅里叶分析，得到电流直流偏置及各次 时间谐波分量。

最后把得到的电流直流偏置及各次时间谐波分量注入谐振电源，即可得到 场强随时间按正弦变化的磁场，测试结果如图7-8所示。图7给出了利用本实施 例提供的方法对磁场做精确控制前、后磁场高次时间谐波的比较，图中高次时 间谐波分量为各高次时间谐波与基波(也就是25Hz谐波)的比值。可以看到，通 过对磁场做精确控制，有效减小了磁场高次时间谐波分量。需要说明的是，图7 只给出了低于125Hz的高次谐波分量，高于125Hz的高次谐波分量较小，可以 忽略。图8为对磁铁磁场精确控制前、后一个周期内各时刻磁场与按照正弦曲 线变化的理想磁场强度的偏差，通过利用本实施例提供的方法对磁场做精确控 制，磁场强度与按照正弦曲线变化的理想磁场强度最大偏差从2.2％减小到 0.027％，即磁场的控制精度可达到0.027％，达到了把磁铁磁场随时间变化关系 精确控制到标准正弦曲线的目的。

利用本实施例提供的方法在四极磁铁上也能实现把磁场随时间变化关系精 确控制到其它任意类型曲线的目的，具体操作步骤的前三步与上述步骤2.1-2.3 完全相同。而在第四步(步骤2.4)中，生成磁场随时间变化关系时为某一任意 类型曲线的不同时刻的磁场强度。随时间变化关系为某一任意类型曲线的理想 磁场可表示为(式中只给出了低于125Hz的高次时间谐波，高于125Hz的高次 时间谐波分量较小，可以忽略)：

$\left(\begin{array}{c}B\left(t\right)=B_0+B_1\sin (2\times 25\pi t+\frac{\pi }{2})+b_{50}{B}_1\sin (2\times 50\pi t+\frac{\pi }{2}+{\theta }_{50})+b_{75}{B}_1\sin (2\times 75\pi t+\frac{\pi }{2}+{\theta }_{75})\\ +b_{100}{B}_1\sin (2\times 100\pi t+\frac{\pi }{2}+{\theta }_{100})+b_{125}{B}_1\sin (2\times 125\pi t+\frac{\pi }{2}+{\theta }_{125})\end{array}\right)$

其中B₀为理想磁场的直流偏置，B₁为理想磁场的交流基波分量，b₅₀、b₇₅、 b₁₀₀、b₁₂₅为理想磁场各高次时间谐波与基波的相对值，θ₅₀、θ₇₅、θ₁₀₀、θ₁₂₅为各 高次时间谐波与基波的相位差。根据上述表达式生成一个周期内不同时刻点的 磁场，并把不同时刻磁场参照图3-4所示的方法重新排序，重新排序后的磁场随 时间变化从最大值下降到最小值再上升到最大值。本实施例中，四极磁铁上做 测试时取：b₅₀＝3.73‰、b₇₅＝1.20‰、b₁₀₀＝0.383‰、b₁₂₅＝0.152‰、θ₅₀＝80.55°、 θ₇₅＝76.75°、θ₁₀₀＝74.50°、θ₁₂₅＝72.63°。在其他实施例中，这些参数的取值由磁铁 的类型确定。

其余操作步骤与上面介绍的把磁场随时间变化关系精确调控到标准正弦曲 线的情况完全相同。即分别根据磁场下降及上升过程磁场与电流的传递函数， 给出第四步(步骤2.4)生成的磁场下降及上升过程各时刻磁场对应的电流，并 对得到的电流做谐波分析，最后把得到的电流直流偏置及各次时间谐波分量注 入谐振电源即可得到理想磁场，测试结果如图9所示。图9给出了对磁铁磁场 精确控制前后一个周期内各时刻磁场与的理想磁场强度的偏差，通过利用本实 施例提供的方法对磁场做精确控制，磁场强度与理想磁场强度最大偏差从1.4％ 减小到0.11％，也就是磁场的控制精度可达到0.11％，达到了把磁铁磁场随时间 变化关系精确控制到某一任意类型曲线的目的。综上，利用本实施例提供的方 法，既可以把磁铁磁场随时间变化关系精确调控到标准正弦曲线，也可以调控 到其它任意类型曲线。

对磁饱和严重的磁铁，用本实施例提供的方法对磁场做一次调控如果无法 达到理想精度，可以做多次调控来提高磁场控制精度。所以，优选的，本实施 例中，在第一次调控结束后，还包括至少一次第二次调控的步骤，以期获得更 高调控精度。第二次调控的步骤与第一次调控的步骤(步骤2.1-步骤2.6)相同。

下面介绍利用本实施例提供的方法，对磁场进行多次调控，逐次提高交流 磁铁磁场精确控制的步骤，本实施例以调控到正弦曲线的时变磁场为例。

首先，按照上述步骤2.1-步骤2.6，对四极磁铁磁场做第一次调控，测试结 果如图10所示。同未调控前比，虽然已经大幅降低了各高次时间谐波分量，但 是没有达到高精度控制的目的，有些高次时间谐波分量超过了1‰。可以用本实 施例提供的方法再次对磁场做进一步调控，即进行第二次调控，第二次调控的 具体操作步骤与第一次调控类似。

首先，通过磁场测量系统和电流采集系统分别获得对磁场做第一次调控后 一个周期(可以是第一次调控后任意一个或多个周期)内不同时刻的时变磁场 和时变电流，然后对时变磁场和时变电流重新排序，再拟合出时变磁场下降及 上升过程中时变磁场与时变电流的传递函数，分别根据新拟合出的时变磁场下 降及上升过程时变磁场与时变电流的传递函数给出时变磁场随时间按照正弦下 降及上升过程各时刻时变磁场对应的时变电流，最后把得到的时变电流做傅里 叶分析，把分析得到的电流直流偏置及各次时间谐波分量注入谐振电源，即可 得到随时间更接近正弦变化的(理想)时变磁场，如图10所示。通过对磁场做 两次调控，有效减小了磁场高次时间谐波分量，从而把磁场随时间变化关系精 确调控到了标准正弦曲线。如果两次调控仍未达到理想精度，可以用同样的方 法步骤再做多次调控。图11给出了对磁铁磁场精确控前后一个周期内各时刻磁 场与按照正弦曲线变化的理想磁场强度的偏差，通过利用本实施例提供的方法 对磁场做第一次精确控制，磁场强度与理想磁场最大偏差从6.5％减小到0.50％， 做第二次精确调控后，最大偏差进一步减小到0.09％。

以上以CSNS/RCS四极磁铁为例，介绍了本实施例提供的方法对于高重复 频率交流磁铁磁场精确控制的步骤及测试结果。对于低重复频率交流磁铁情况 也可以利用本实施例提供的方法对磁场做精确控制，具体步骤与图2中的步骤 2.1-步骤2.5相同，由于低重复频率交流磁铁不由谐振电源激励，所以不需要对 步骤2.5得到的电流进行傅里叶分析，可直接把步骤2.5得到的电流随时间变化 曲线注入电源(即图2中步骤2.7)，即可得到理想磁场。与对高重复频率交流 磁铁磁场做精确控制同样的道理，如果一次调控无法把磁场控制到理想精度， 可做多次调控以提高控制精度。与现有技术中低重复频率交流磁铁上常用的获 得高精度时变磁场的方法——电流反馈方法相比，本实施例提供的方法操作更 简单。

实施例二

请参考图12，对应于上述实施例一提供的方法，本实施例相应提供了一种 在交流磁铁上得到高精度时变磁场的装置，包括第一次调控单元AA，用于进行 第一次调控；第一次调控单元AA包括对应关系获取模块101、函数关系拟合模 块102、调控电流计算模块103和调控电流输入模块104。

对应关系获取模块101用于获取当前时变磁场与时变电流在时间上的对应 关系。

函数关系拟合模块102用于根据对应关系拟合得到时变磁场和时变电流的 函数关系。

调控电流计算模块103用于根据函数关系得到理想时变磁场对应的时变电 流。

调控电流输入模块104用于将得到的理想时变磁场对应的时变电流作为输 入，以控制交流磁铁的磁场强度为理想时变磁场。

在某些实施例中，交流磁铁为低重复频率交流磁铁，低重复频率交流磁铁 使用高精度时变电源进行供电。调控电流输入模块104用于将得到的理想时变 磁场对应的时变电流输入高精度时变电源，以通过高精度时变电源控制交流磁 铁的磁场强度为理想时变磁场。

在另一些实施例中，交流磁铁为高重复频率交流磁铁，高重复频率交流磁 铁使用谐振电源进行供电。调控电流输入模块104用于对得到的理想时变磁场 对应的时变电流进行谐波分析，将分析得到的各次时间谐波分量和直流偏置输 入谐振电源，以通过谐振电源控制交流磁铁的磁场强度为理想时变磁场。

优选的，函数关系拟合模块用于根据对应关系分别拟合得到时变磁场上升 和下降过程中时变磁场和时变电流的函数关系。

优选的，在交流磁铁上得到高精度时变磁场的装置还包括第二次调控单元 BB，用于进行至少一次第二次调控。第二次调控的步骤与第一次调控的步骤相 同。

需要说明的是，本实施例提供的装置与上述实施例一提供的在交流磁铁上 得到高精度时变磁场的方法对应，本实施例不再对其做进一步说明。

本申请实施例提供的在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法和装置，首 先需要搭建或利用已有的交流磁场测量系统及电流采集系统，利用它们获取时 变磁场与时变电流点对点的对应关系。根据采集到的测量数据，分别拟合出磁 场在上升和下降过程与电流的传递函数，再根据传递函数推导出高精度时变磁 场对应的时变励磁电流，从而实现把对时变磁场的精确控制转化为对时变电流 的精确控制。本实施例分两种情况实现对电流的精确控制：(1)对于低重复频 率交流磁铁，把得到的时变电流波形逐点输入到高精度时变电源即可，无需反 馈控制，相对简单；(2)对高重复频率交流磁铁，情况较为复杂，这是因为， 为了减小对电网的影响，高功率磁铁需要用谐振电源供电，以形成交流磁铁与 电源的谐振网络，此时，无法对电源输出电流进行逐点控制，需要对得到的时 变电流做谐波分析，把分析出的各时间谐波分量及直流偏置输入电源即可。

需要说明的是，本申请提供的在交流磁铁上得到高精度时变磁场的方法和 装置，不仅可以应用于需要精确控制交流磁铁磁场强度的加速器中，还同样可 以应用于需要精确控制交流磁铁磁场强度的其他仪器设备中。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认 定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替 换。