磁場發(fā)生器研究目的意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、磁場發(fā)生器研究目的意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1研究目的及意義12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11研究目的及意義磁場在自然界中無處不在，作為能量載體具有其它能量載體無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，采用磁電換能器傳遞磁能的方式能夠應(yīng)用于更加廣泛的領(lǐng)域。近年，在航天、船舶、電子、地學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究課題中，越來越多地需求能產(chǎn)生各種磁場強(qiáng)度的磁場發(fā)生器,幾乎在現(xiàn)在研究的各個(gè)領(lǐng)域中，磁場發(fā)生器都得到了廣泛的應(yīng)用，從而極大的推動(dòng)了磁場發(fā)生器的發(fā)展。以此對(duì)磁場發(fā)生器的研究是很重要的。在工程實(shí)踐過程中，尤其是軍事領(lǐng)域和特殊行業(yè)，需要定量的確定磁場強(qiáng)度，如環(huán)境磁場測量、地磁測量、工業(yè)制造過程的磁場測量、艦船消磁測量等。為了使磁場測量準(zhǔn)確可靠

2、，必須對(duì)磁場測量儀器進(jìn)行計(jì)量檢定或校準(zhǔn)，目前市場上的通用磁場標(biāo)準(zhǔn)裝置缺乏、功能簡單、操作煩瑣，難以實(shí)現(xiàn)磁場量值的溯源。隨著現(xiàn)代生活電氣化程度的空前提高，人類生存空間的電磁波輻射強(qiáng)度呈指數(shù)級(jí)增長，人們對(duì)磁場的生態(tài)效應(yīng)的關(guān)注越來越多。手機(jī)、微波爐等家用電子類產(chǎn)品的輻射問題一直受到大家的關(guān)注。近十多年來研究者得到的結(jié)果表明，低頻磁場的暴露可能與腫瘤的發(fā)病，神經(jīng)、心血管、內(nèi)分泌等系統(tǒng)疾患，以及生殖和發(fā)育的異常有關(guān)?，F(xiàn)在，對(duì)本問題的研究熱點(diǎn)開始轉(zhuǎn)移至細(xì)胞、分子和基因水平上的生物學(xué)效應(yīng)及其作用機(jī)制。磁場發(fā)生器為這些問題的研究提供了可靠的支持，力求模擬出相似的磁場環(huán)境。雖然到底磁場會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生什么的影響還沒

3、定論，但在研究過程中對(duì)產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生器提出了越來越多的要求，所以一個(gè)性能良好的磁場發(fā)生器必然會(huì)對(duì)研究產(chǎn)生積極的效果。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)磁場已經(jīng)成為許多重要科學(xué)研究的有效工具，得到了越來越深入的研究，越來越廣泛的應(yīng)用，體現(xiàn)了其作為能量載體的優(yōu)秀特性，是其它能量載體所不可比擬的。根據(jù)功能方式當(dāng)前國內(nèi)外的發(fā)生裝置可以分為2種：一種是自供能式的發(fā)生器。它是利用自然中各種能量轉(zhuǎn)化為電能，再進(jìn)行轉(zhuǎn)化，然后輸出；另外一種是主動(dòng)供能式的發(fā)生器。它主要是將交流電或者是直流電轉(zhuǎn)化為磁場能量輸出。根據(jù)脈寬的不同強(qiáng)磁場可以分為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場和脈沖強(qiáng)磁場，對(duì)應(yīng)的發(fā)生裝置的負(fù)載分別為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁體和脈沖強(qiáng)

4、磁體。后者因?yàn)榉治鲈O(shè)計(jì)相對(duì)簡單、成本低廉、操作容易、維護(hù)簡單而迅速發(fā)展,目前被廣泛應(yīng)用在物理、化學(xué)、生物等研究領(lǐng)域。當(dāng)前最常見的主動(dòng)功能式發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)的主要組成主要有三部分：能量收集部分、發(fā)射磁場部分、控制電路。能量收集部分：先利用能量收集器件將市電升高，主要是通過電容完成的。電容充電要受三個(gè)條件限制：其一要有充電脈沖觸發(fā)，其二要看電容器所處的狀態(tài)(電容所蓄能量是否達(dá)到預(yù)設(shè)值) ，最后還要看是否放電(充電不放電, 放電不充電)。發(fā)生磁場部分：主要由線圈組成。線圈的形狀、尺寸和匝數(shù)直接影響磁場的分布和大小。為了不同需要,儀器可配備不同規(guī)格的線圈，密繞長螺線管可將磁場約束在線圈內(nèi)，但電感值大，

5、電流的時(shí)間變化率小，故dB/dt?。辉褦?shù)少和平均半徑大的線圈所產(chǎn)生脈沖磁場的dB/dt和穿透深度均較大；匝數(shù)少和平均半徑小的線圈所產(chǎn)生的脈沖磁場分布區(qū)域小，定位好。為了使儀器可以具有多用途，產(chǎn)生磁場的線圈可以隨意更換?？刂齐娐肪哂锌刂瞥潆?、脈沖磁場的產(chǎn)生、參數(shù)設(shè)置和改變操作方式等功能。20世紀(jì)80年代開始，脈沖強(qiáng)磁場技術(shù)開始應(yīng)用到更廣的科學(xué)研究領(lǐng)域之中。這期間一大批脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室也相繼建立起來，包括牛津大Clarendon 實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室、美國洛斯阿拉莫斯(Los2Alamos) 國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室等等。至此，大部分實(shí)驗(yàn)室能夠產(chǎn)生60 T 的脈沖強(qiáng)磁場,部分70 T 磁場也投

6、入實(shí)驗(yàn)研究階段。國內(nèi)相關(guān)研究略為滯后。近年來國內(nèi)對(duì)磁場發(fā)生器的研究也取得了巨大的成果。多種磁場發(fā)生器的研制和應(yīng)用充分說明了國內(nèi)在這方面的不斷進(jìn)步與發(fā)展，并逐漸追上世界先進(jìn)水平?，F(xiàn)今國內(nèi)磁場發(fā)生器的研究主要由以下幾種： MC-型低頻脈沖強(qiáng)磁場發(fā)生器是一種可輸出磁場強(qiáng)度為0.125T的墻磁場發(fā)生器，其產(chǎn)生的磁場周期可調(diào)。該儀器操作方便、性能可靠，可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，已在磁場生物效應(yīng)的科學(xué)試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。為了使該儀器具有廣泛的應(yīng)用，在線圈設(shè)計(jì)時(shí)只用了幾匝線圈，但是為了產(chǎn)生高達(dá)25T的脈沖強(qiáng)磁場，儀器要求最大的釋放電流高達(dá)8000多安。儀器先采用蓄能，后瞬間釋放能量的工作方式。蓄能是指將市電升壓，通

7、過限流電阻，以幾安得電流對(duì)高壓大電容充電，將能量以電場能存儲(chǔ)在電容中。釋放能量是指要產(chǎn)生脈沖磁場時(shí)，電容中存儲(chǔ)的電場能損耗很小的通過線圈轉(zhuǎn)化為磁場能，通過線圈的脈沖電流產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，磁場的分布空間取決于線圈?；诰C合補(bǔ)償?shù)拇艌霭l(fā)生器是一種通過負(fù)載補(bǔ)償和移相補(bǔ)償，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)于電感負(fù)載，沖輸入電壓信號(hào)到相同波形電流輸出的轉(zhuǎn)換。它采用Helmholtz線圈，放大電路采用一種對(duì)電感負(fù)載及輸出電流及輸出電流香味進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆答伿浇Y(jié)構(gòu)，可以適用于較大幅值的各種波形磁場的生成。同時(shí)此裝置還采用了APEX公司的PA93大功率運(yùn)算模塊，大大降低了電路的復(fù)雜性，提高了整個(gè)電路的帶載能力和可靠性及整個(gè)裝置的的便

8、攜性?；贗GBT與可控硅控制的強(qiáng)脈沖磁場發(fā)生器是一種可以產(chǎn)生強(qiáng)磁場的脈沖磁場發(fā)生設(shè)備。最大直流電壓達(dá)到1200V，在放電線圈中心得到10T的磁場。該設(shè)備由1片AT89C52單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行，得到最高1Hz的強(qiáng)脈沖磁場。該磁場發(fā)生器主要由交流調(diào)壓電路、充電儲(chǔ)能控制電路、放電控制和放電線圈組成。該磁場發(fā)生器的裝置框圖如圖1所示。電源調(diào)壓器升壓變壓器三項(xiàng)整流IGBT及其控制電路單片機(jī)充電電容電壓表隔離A/D轉(zhuǎn)換鍵盤可控硅及其控制電路放電線圈圖1 強(qiáng)脈沖發(fā)生器裝置框圖用于神經(jīng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究的低頻交變磁場發(fā)生器是國內(nèi)研發(fā)的一種專門用于磁場的生物效應(yīng)的儀器裝置。此儀器可以實(shí)現(xiàn)用戶手動(dòng)選擇參

9、數(shù)，輸出一定波形，強(qiáng)度和占空比的信號(hào)，經(jīng)功率放大后得到低頻磁場。它可產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度最高可達(dá)100mT，頻率0-500Hz。此儀器主要由人機(jī)交互電路，電源電路，信號(hào)發(fā)生電路，功率放大電路以及線圈部分組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2 低頻磁場發(fā)生器原理框圖CXLY-型低頻磁場發(fā)生器是我國研制的一種低頻脈沖磁場發(fā)生儀。該磁場發(fā)生器可輸出頻率0-100Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度為150800mT連續(xù)可調(diào)的脈沖磁場，頻率和磁場強(qiáng)度均采用數(shù)碼顯示。該種儀器操作方便、性能可靠，可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，可在電磁場生物效應(yīng)的科研實(shí)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。該儀器主要由線性伏頻轉(zhuǎn)換電路(VFC)即解發(fā)信號(hào)發(fā)生器、Vmos開關(guān)管、數(shù)碼顯示及電源等部分電路組成25。儀器的原理框圖如圖3所示。VFC觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器Vmos開關(guān)管大功率直流電源自感線圈采樣、保持大功率R電位器W強(qiáng)度調(diào)節(jié)15V、+5V電源選擇開關(guān)數(shù)碼顯示圖3 低頻脈沖磁場發(fā)生器原理框圖 以上只是列舉了幾個(gè)國內(nèi)研發(fā)的典型的磁場發(fā)生器，此外還有靶向振蕩磁場發(fā)生器，電磁繼電器磁干擾試驗(yàn)的恒定磁場發(fā)生器，對(duì)稱脈沖強(qiáng)磁場發(fā)生器，多功能磁場發(fā)生