一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关及方法

1.本发明属于磁增益开关领域，更具体地，涉及一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关及方法。


背景技术：

2.化学氧碘激光器(coil)所产生的激光对金属具有极高的耦合效率，在定向能武器、材料加工和医疗上都具有巨大应用前景。理论计算表明，相较于连续波工作模式，coil的脉冲模式峰值功率可增加770倍，将对目标产生巨大的热破坏作用。
3.磁增益开关是实现coil脉冲工作模式的最佳技术，其原理是通过磁场所产生的塞曼效应，控制碘原子的跃迁，从而实现激光的脉冲输出与功率放大。然而，永磁体产生的磁场大小无法调节，而采用电磁线圈产生磁场，由于电路中含有电感、电容等原件，其电路特性决定了磁场长时间维持与瞬间下降之间存在无法解决的矛盾，因此现有电磁线圈系统的磁场下降时间和激光脉宽都高达数十微秒，导致最高功率增益只有55左右，还无法完全满足使用要求。因此，如何解决大空间范围内磁场长时间维持之后的快速清除问题，是实现高性能磁增益开关的主要技术难点。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关及方法，旨在解决现有技术中磁场长时间维持之后不能快速清除导致的磁增益开关功率增益较低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关，包括谐振腔、第一永磁体、第二永磁体、第一电磁线圈和第二电磁线圈；所述第一永磁体和第二永磁体在谐振腔内共同产生磁场，所述第一电磁线圈和第二电磁线圈在通电的状态下在谐振腔内共同产生与所述恒定磁场方向相反的平顶脉冲磁场。
6.优先地，两个永磁体相对放置，分别位于所述谐振腔的上方和下方，在所述谐振腔内产生恒定磁场，以此维持塞曼效应。
7.优先地，两个电磁线圈相对放置，分别位于两个永磁体的外侧，在所述谐振腔内产生与永磁体恒定磁场相反的平顶脉冲磁场，并且平顶脉冲磁场的上升沿极短，磁场能迅速地从零上升到峰值。
8.优先地，所述电磁线圈产生的平顶脉冲磁场峰值与所述永磁体产生的恒定磁场大小相等，因此在所述电磁线圈通电后，所述谐振腔内的合成磁场会迅速降低到零，从而实现了磁场长时间维持之后的快速清除。
9.优先地，所述永磁体与所述电磁线圈完全独立运行，所述永磁体产生的恒定磁场维持时间长短由两次平顶脉冲磁场之间的时间间隔决定，可在大范围内灵活调节。
10.优先地，所述电磁线圈在所述永磁体维持恒定磁场期间不工作，所述电磁线圈的发热大幅降低，能实现高重复频率脉冲工作。
11.优先地，所述永磁体的个数可以根据需要进行选择和设计，可以是一个或者多个，能产生维持塞曼效应的恒定磁场即可，可以是铁氧体、钕铁硼、钐钴以及其他类型合理的永磁材料的一种或者多种组合。
12.优先地，所述电磁线圈的个数可以根据需要进行设计和选择，可以是一个或者多个，能保证产生的平顶脉冲磁场上升沿极短，磁场峰值能与所述永磁体产生的恒定磁场等大反向即可。
13.本发明另一方面提供了一种基于上述磁增益开关的开关方法，包括：当永磁体产生恒定磁场时，电磁线圈在通电的状态下产生与所述恒定磁场方向相反的平顶脉冲磁场，平顶脉冲磁场上升沿极短，磁场叠加后迅速实现磁场为零，实现开关动作。
14.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
15.1、本发明提供的基于平顶脉冲磁场的磁增益开关，其中的永磁体无需电源就产生恒定的磁场，满足维持塞曼效应的磁场需要，永磁体和电磁线圈完全独立运行，因此永磁体产生的恒定磁场维持时间长短由两次平顶脉冲磁场之间的时间间隔决定，可在大范围内灵活调节。
16.2、本发明提供的基于平顶脉冲磁场的磁增益开关，平顶脉冲磁场上升沿极短，磁场上升阶段近似方波，能实现谐振腔内的磁场快速下降和清空，能大幅提高磁增益开关的功率增益。
17.3、本发明提供的基于平顶脉冲磁场的磁增益开关，在永磁体维持恒定磁场阶段，电磁线圈不工作，因此电流在电磁线圈中产生的热量大幅降低，使得电磁线圈能够高重复频率脉冲工作，从而实现磁增益开关的高重频工作。
18.4、本发明提供的基于平顶脉冲磁场的磁增益开关，电磁线圈产生的平顶脉冲磁场的磁场峰值与永磁体产生的恒定磁场等大反向，低于永磁材料的矫顽力，不会造成永磁体退磁。
附图说明
19.图1是本发明实施例提供的一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关的剖面结构示意图；
21.图3是本发明实施例提供的谐振腔内的磁场波形图。
具体实施方式
22.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。
23.本发明提供了一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关，通过永磁体产生的恒定磁场维持塞曼效应；再利用电磁线圈产生反向的平顶脉冲磁场抵消永磁体产生的恒定磁场，将谐振腔内的合成磁场快速清空，最终实现恒定磁场维持时间长短灵活可调、磁场长时间维持之后能迅速下降和清空、电磁线圈仅短时工作降低发热等目的，突破了磁增益开关的技
术瓶颈。
24.如图1所示为本发明实施例提供的一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关的结构示意图，在本实施例中，以两个永磁体，两个电磁线圈为例进行详细介绍。包括谐振腔1、永磁体2-1和2-2、电磁线圈3-1和3-2；所述永磁体2-1和2-2在谐振腔内产生恒定磁场，所述电磁线圈3-1和3-2在谐振腔内产生平顶脉冲磁场。
25.具体地，两个永磁体相对放置，分别位于所述谐振腔的上方和下方，在所述谐振腔内产生恒定磁场，以此维持塞曼效应。
26.具体地，两个电磁线圈相对放置，分别位于两个永磁体的外侧，在所述谐振腔内产生与永磁体恒定磁场相反的平顶脉冲磁场，并且平顶脉冲磁场的上升沿极短，磁场能迅速地从零上升到峰值。
27.具体地，所述电磁线圈产生的平顶脉冲磁场峰值与所述永磁体产生的恒定磁场大小相等，因此在所述电磁线圈通电后，所述谐振腔内的合成磁场会迅速降低到零，从而实现了磁场长时间维持之后的快速清除。
28.具体地，所述永磁体与所述电磁线圈完全独立运行，所述永磁体产生的恒定磁场维持时间长短由两次平顶脉冲磁场之间的时间间隔决定，可在大范围内灵活调节。
29.具体地，所述电磁线圈在所述永磁体维持恒定磁场期间不工作，所述电磁线圈的发热大幅降低，能实现高重复频率脉冲工作。
30.具体地，所述永磁体的个数可以根据需要进行选择和设计，可以是一个或者多个，能产生维持塞曼效应的恒定磁场即可，可以是铁氧体、钕铁硼、钐钴以及其他类型合理的永磁材料的一种或者多种组合。
31.具体地，所述电磁线圈的个数可以根据需要进行设计和选择，可以是一个或者多个，能保证产生的平顶脉冲磁场上升沿极短，磁场峰值能与所述永磁体产生的恒定磁场等大反向即可。
32.图2为本发明实施例提供的一种基于平顶脉冲磁场的磁增益开关的剖面结构示意图，永磁体2-1和永磁体2-2分别位于谐振腔1的上方和下方，电磁线圈3-1位于永磁体2-1的上方，电磁线圈3-2位于永磁体2-2的下方。图3为本发明实施例提供的谐振腔内的磁场波形图，在t1到t2阶段，电磁线圈3-1、3-2不工作，永磁体2-1、2-2在谐振腔1中产生向上的恒定磁场b1，维持塞曼效应；在t2时刻，电磁线圈3-1、3-2放电，产生向下的平顶脉冲磁场b2，此时谐振腔1中合成磁场b3为b2与b1的叠加。如果b2峰值与b1相同，则在t3时刻，谐振腔1中合成磁场b3降低为零并且保持至t4时刻。永磁体2-1、2-2和电磁线圈3-1、3-2完全独立工作，t1到t2阶段电磁线圈3-1、3-2不工作，大幅降低了电磁线圈3-1、3-2的发热，从而实现其高重复频率脉冲工作；并且从t3到t4时刻，合成磁场b3都保持为零，避免了永磁体2-1、2-2的退磁问题；由于平顶脉冲磁场的上升沿t2到t3时刻极短，因此合成磁场b3会迅速降低到零，达到了谐振腔1内的磁场快速下降和清空的目的，大幅提高了磁增益开关的功率增益。
33.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。