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，采用磁電換能器傳遞磁能的方式能夠應用于更加廣泛的領域。近年，在航天、船舶、電子、地學、生物科學等領域的研究課題中，越來越多地需求能產(chǎn)生各種磁場強度的磁場發(fā)生器,幾乎在現(xiàn)在研究的各個領域中，磁場發(fā)生器都得到了廣泛的應用，從而極大的推動了磁場發(fā)生器的發(fā)展。以此對磁場發(fā)生器的研究是很重要的。在工程實踐過程中，尤其是軍事領域和特殊行業(yè)，需要定量的確定磁場強度，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。為了使磁場測量準確可靠

2、，必須對磁場測量儀器進行計量檢定或校準，目前市場上的通用磁場標準裝置缺乏、功能簡單、操作煩瑣，難以實現(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度呈指數(shù)級增長，人們對磁場的生態(tài)效應的關注越來越多。手機、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注。近十多年來研究者得到的結果表明，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。現(xiàn)在，對本問題的研究熱點開始轉(zhuǎn)移至細胞、分子和基因水平上的生物學效應及其作用機制。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。雖然到底磁場會對生物產(chǎn)生什么的影響還沒

3、定論，但在研究過程中對產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生器提出了越來越多的要求，所以一個性能良好的磁場發(fā)生器必然會對研究產(chǎn)生積極的效果。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科學技術的發(fā)展，強磁場已經(jīng)成為許多重要科學研究的有效工具，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，再進行轉(zhuǎn)化，然后輸出；另外一種是主動供能式的發(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)脈寬的不同強磁場可以分為穩(wěn)態(tài)強磁場和脈沖強磁場，對應的發(fā)生裝置的負載分別為穩(wěn)態(tài)強磁體和脈沖強

4、磁體。后者因為分析設計相對簡單、成本低廉、操作容易、維護簡單而迅速發(fā)展,目前被廣泛應用在物理、化學、生物等研究領域。當前最常見的主動功能式發(fā)生器的電路結構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到預設值) ，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)設置和改變操作方式等功能。20世紀80年代開始，脈沖強磁場技術開始應用到更廣的科學研究領域之中。這期間一大批脈沖強磁場實驗室也相繼建立起來，包括牛津大Clarendon 實驗室、澳大利亞國家強磁場實驗室、美國洛斯阿拉莫斯(Los2Alamos) 國家強磁場實驗室等等。至此，大部分實驗室能夠產(chǎn)生60 T 的脈沖強磁場,部分70 T 磁場也投

6、入實驗研究階段。國內(nèi)相關研究略為滯后。近年來國內(nèi)對磁場發(fā)生器的研究也取得了巨大的成果。多種磁場發(fā)生器的研制和應用充分說明了國內(nèi)在這方面的不斷進步與發(fā)展，并逐漸追上世界先進水平?，F(xiàn)今國內(nèi)磁場發(fā)生器的研究主要由以下幾種： MC-型低頻脈沖強磁場發(fā)生器是一種可輸出磁場強度為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，可長時間穩(wěn)定運行，已在磁場生物效應的科學試驗中得到廣泛應用。為了使該儀器具有廣泛的應用，在線圈設計時只用了幾匝線圈，但是為了產(chǎn)生高達25T的脈沖強磁場，儀器要求最大的釋放電流高達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，以幾安得電流對高壓大電容充電，將能量以電場能存儲在電容中。釋放能量是指要產(chǎn)生脈沖磁場時，電容中存儲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)生脈沖強磁場，磁場的分布空間取決于線圈?；诰C合補償?shù)拇艌霭l(fā)生器是一種通過負載補償和移相補償，較好的實現(xiàn)了對于電感負載，沖輸入電壓信號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電感負載及輸出電流及輸出電流香味進行補償?shù)姆答伿浇Y構，可以適用于較大幅值的各種波形磁場的生成。同時此裝置還采用了APEX公司的PA93大功率運算模塊，大大降低了電路的復雜性，提高了整個電路的帶載能力和可靠性及整個裝置的的便

8、攜性?；贗GBT與可控硅控制的強脈沖磁場發(fā)生器是一種可以產(chǎn)生強磁場的脈沖磁場發(fā)生設備。最大直流電壓達到1200V，在放電線圈中心得到10T的磁場。該設備由1片AT89C52單片機控制實現(xiàn)自動運行和手動運行，得到最高1Hz的強脈沖磁場。該磁場發(fā)生器主要由交流調(diào)壓電路、充電儲能控制電路、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整流IGBT及其控制電路單片機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 強脈沖發(fā)生器裝置框圖用于神經(jīng)細胞實驗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的儀器裝置。此儀器可以實現(xiàn)用戶手動選擇參

9、數(shù)，輸出一定波形，強度和占空比的信號，經(jīng)功率放大后得到低頻磁場。它可產(chǎn)生的磁場強度最高可達100mT，頻率0-500Hz。此儀器主要由人機交互電路，電源電路，信號發(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，磁感應強度為150800mT連續(xù)可調(diào)的脈沖磁場，頻率和磁場強度均采用數(shù)碼顯示。該種儀器操作方便、性能可靠，可長時間穩(wěn)定運行，可在電磁場生物效應的科研實驗中得到廣泛應用。該儀器主要由線性伏頻轉(zhuǎn)換電路(VFC)即解發(fā)信號發(fā)生器、Vmos開關管、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)信號發(fā)生器Vmos開關管大功率直流電源自感線圈采樣、保持大功率R電位器W強度調(diào)節(jié)15V、+5V電源選擇開關數(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的恒定磁場發(fā)生器，對稱脈沖強磁場發(fā)生器，多功能磁場發(fā)生