基于磁聚焦和固态开关的脉冲磁场发生器的研制

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为了研究脉冲磁场治疗肿瘤技术的生物电磁学效应,探索能够有效治疗肿瘤的脉冲磁场参数配置,本文结合脉冲功率技术、磁场聚焦技术和固态开关技术,研制了一套基于磁场聚焦和固态开关的脉冲磁场发生器。首先,本文通过建立几何模型和Comsol Multiphysics有限元软件的仿真优化,确定了磁场聚焦线圈阵列的模型;进而在该仿真模型下,对线圈阵列子线圈的线径和半径进行了参数仿真选型;参数确定后,对线圈进行了实物加工和性能实测,实测结果显示,该磁场聚焦线圈阵列可以将磁场有效聚焦在一个范围内,聚焦性能良好。然后,采用遗传优化算法对磁场聚焦线圈阵列的聚焦性能进行了优化,得到了获得最佳聚焦能力的电流组合方式,并采用Comsol Multiphysics有限元软件对优化前和优化后磁场线圈的聚焦能力进行了比较,结果显示优化后线圈的聚焦能力有了明显的提高,该结果对脉冲磁场发生器的电路实现具有指导作用。最后,本文对基于固态开关的脉冲磁场发生器进行了设计和研制,文中分别采用了IGBT模块和IGBT单管并联作为放电开关单元,通过对IGBT模块和单管的选型、触发控制电路和驱动、保护电路的设计开发,完成了脉冲磁场发生器的研制,并且对其输出波形进行了测试。测试结果显示,基于IGBT模块的脉冲磁场发生器在电容取2μF时,产生的脉冲电流幅值为0-1000A,上升时间3μs,脉宽5.5μs,磁感应强度幅值14.4高斯;当电容取10μF时,产生的脉冲电流幅值为1500A,上升时间4μs,脉宽14μs,磁感应强度幅值18.9高斯。基于IGBT单管并联的脉冲磁场发生器产生的脉冲电流幅值为0-1000A,上升时间1μs,脉宽3.5μs,磁感应强度幅值为10高斯。该发生器产生的脉冲磁场符合设计的要求,可进一步用于医学实验的研究。
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