中国科大在电力电子、天文、磁场重联等研究领域取得重要进展

＋

近期科研速览目录：

• 中国科大在合肥先进光源快校正磁铁电源研究取得重要进展；

• 2.5-5um波段红外天光背景测量仪研制成功；

• 中国科大首次发现磁通量绳内部的磁场重联；

带你一览近期我校取得的最新科研进展！

01

中国科大在合肥先进光源

快校正磁铁电源研究取得重要进展

近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室的加速器磁铁电源课题组在束流轨道快速校正磁铁电源的研制方面取得重要进展，相关成果于发表于电力电子领域著名期刊《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》。

电子加速器装置运行时，多种因素会导致束流轨道偏离正常值，以及束流轨道的快速震荡。研制出响应速度快、调节精度高、稳定性好的校正磁铁电源对轨道反馈系统乃至最终同步辐射光源的品质有重要意义。

由于磁铁负载的电感特性，常规的电源功率变换拓扑结构存在一定的局限性，主要体现在电源输出响应速度和输出电流稳定性之间存在矛盾、输出电流分辨率不够高等。该研究调研对比了多种电源拓扑结构，首次提出了一种基于MOSFET线性工作区的“类H桥”结构如图1、2所示。利用了MOSFET工作在线性区以及H桥结构的换相作用，成功研制出了响应快、高稳定性的双极性电源样机。样机测试结果显示，该电源的小信号带宽可以达到10 kHz, 8小时长期稳定度优于10 ppm，输出电流分辨率优于10 ppm，满足了合肥先进光源预研工程需求。

图1. 基于MOSFET线性工作区的快响应磁铁电源架构。图2. 线性电源频率响应测试结果。该薄膜与多种传统塑料强度、模量、最高服役温度和热膨胀系数的Ashby图。

该系列研究还提出了一种基于Buck电路级联的三电平开关电源拓扑如图3、4所示（https://网址未加载/10.1016/j.nima.2019.163083）。该方案采用Buck模块级联以及120载波移相的多电平的方案，将等效开关频率提高了三倍，基于FPGA的HRPWM最小调节精度达到78ps，有效降低了输出电流纹波，提高了响应速度。

图3. 基于Buck模块级联的三电平开关电源架构。图4. 基于移相倍频的PWM控制波形。

论文的第一作者为我校博士生邵琢瑕，通讯作者为高辉教授、张海燕副教授。线性和开关两种快响应磁铁电源样机作为该研究的成果，已经通过了合肥先进光源预研工程的专家组验收。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的经费支持。

原文链接：https://ieeexplore.网址未加载/document/8786188

02

2.5-5um波段

红外天光背景测量仪研制成功

红外观测是天文研究的重要手段。长久以来，我国红外天文研究发展受限于优良台址和探测器的缺乏。国内红外探测器技术起步较晚且发展相对滞后，加上国外在红外设备方面对中国的商业限制，使得我国红外天文发展严重落后。

随着近年来我国天文研究领域的不断扩展，中国天文界拥有红外天文观测能力的愿望也更加迫切。近期我国多项大型光学红外天文观测设备项目获得天文界支持，为了保证这些大型设备建设成功后，顺利高效地开展红外观测仪器的研制和红外天文的观测研究，必须对相关候选站址进行红外天光背景的测量。在红外波段的天光背景辐射强度很大程度上限制着红外望远镜及其他观测设备的一些重要性能，如巡天深度、能够观测的极限星等、天文成像系统曝光时间等。

由于地面大气的吸收效应，地基红外望远镜只能从若干大气窗口进行观测。2.5-5um是热红外波段的开始，是地面观测的重要窗口L和M波段的所在区域。

地面红外可观测波段

由中国科学技术大学近代物理系“核探测与核电子学国家重点实验室”王坚课题组带领的光电探测技术团队经过两年的攻关，根据InSb探测器在2.5-5um波段上高响应的性能，利用线性可变滤波片在此波段线性可变的特点完成了此波段上连续扫描观测的红外天光背景测量仪。

光学模型和测量仪外形

由于天光背景强度极其微弱，探测器输出信号低于nA量级，采用锁相放大技术成功提取出淹没在噪声中的信号；为了降低探测器暗电流的影响，探测器制冷到-150℃以下；为了克服由于仪器带来的背景热噪声，进行了适应低温的斩波器和光学设计。团队攻克了微弱信号检测，高增益灵敏放大，暗流及背景噪声抑制，高真空低温封装，高精度数字锁相放大等关键技术，相关成果于2020年8月13日发表在JATIS上【J. Astron. Telesc. Instrum. Syst. 6(3), 036001 (2020)】。同时申请专利“用于窄波段连续红外光谱扫描的天光背景测量装置和方法”并获得授权，专利号：ZL201810845379.4

论文链接：

https://网址未加载/10.1117/1.JATIS.6.3.036001

03

中国科大首次发现磁通量绳内部的磁场重联

中国科大中科院近地空间环境重点实验室陆全明、王荣生研究团队，和北京航空航天大学的符慧山教授合作，在磁场重联的磁能耗散研究领域取得重要进展。他们利用MMS卫星高分辨率观测资料，首次发现在磁场重联产生的磁通量绳内部丝状电流中，可发生次级重联并导致磁能的快速耗散。相关结果8月7日在线发表在《Nature Communications》上。

磁场重联是一种基本的等离子体物理过程。磁场重联过程中，磁自由能被快速地释放而转化为等离子体动能和热能，并伴随着磁场拓扑结构的显著改变。磁场重联是太阳耀斑、日冕物质抛射、磁层亚暴等爆发性空间天气事件的起因。由于撕裂模不稳定性，大尺度电流片会破碎形成大量螺旋型磁结构——磁通量绳。磁通量绳之间的相互作用使得整个重联区域呈湍动态，能量从大尺度输运到小尺度，最终至动力学尺度。此外，这些磁通量绳（即相干结构）和电子加速及快重联率密切相关。

考虑到电流片中大量的磁通量绳，这些磁通量绳携带着可观的磁自由能。利用高时间分辨率高精度的卫星数据，该研究团队首次发现磁通量绳内部的小尺度电流片会进一步发生不稳定而破碎成丝状电流，丝状电流内部可以触发次级磁场重联，快速地耗散磁能。由于磁场重联过程中、电流片中会生成大量磁通量绳，由磁通量绳内部的次级磁场重联产生的耗散，可能在整个磁场重联过程中将占据重要位置。

论文第一作者是中国科学技术大学博士生王诗谋，通讯作者是中国科学技术大学王荣生和陆全明教授。该研究获得了中国科学院和国家自然科学基金委的资助。

论文链接：

https://www.网址未加载/articles/s41467-020-17803-3

推荐阅读

中国科大2020级本科新生入学须知，请逐一查收学校的暖心~

AR攻略指南！快来看看录取通知书的另一种打开方式

请查收 | 中国科大首批录取通知书已经寄出！

@准科大人，你的录取通知书即将派送！快来打开属于你的未来！

中国科大2020级本科新生群汇总，欢迎新同学加入！

我知道你在看哟