感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)及其標(biāo)定裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出一種測(cè)量感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流角向分布的B-dot陣列及標(biāo)定方法，在感應(yīng)電壓疊加器、真空磁絕緣傳輸線等脈沖功率裝置中具有重要應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]磁絕緣感應(yīng)電壓疊加器(Magneticallyinduct1n voltage adders, MIVA)是一種強(qiáng)流脈沖功率加速器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生電壓幾MV?幾十MV，電流幾十kA?數(shù)百kA的高功率電脈沖，在γ射線輻射效應(yīng)模擬、材料動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、高功率微波等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。MIVA由多級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔串聯(lián)組成，每級(jí)感應(yīng)腔可視為變比為1:1的脈沖變壓器?；陔姶鸥袘?yīng)原理，饋入各級(jí)感應(yīng)腔的脈沖電壓在同一個(gè)次級(jí)上感應(yīng)疊加。通常情況下，電脈沖是在感應(yīng)腔初級(jí)單端口或幾端口饋入，這種饋入方式?jīng)Q定了感應(yīng)腔初、次級(jí)電流在不同角向位置存在空間分布差異，即角向非均勻分布。對(duì)MIVA初、次級(jí)電流空間角向分布的測(cè)量，是研究感應(yīng)腔工作特性、評(píng)估MIVA次級(jí)磁絕緣行為和功率傳輸特性的重要手段。但是，MIVA次級(jí)磁絕緣傳輸線極強(qiáng)的空間電子干擾及復(fù)雜的電磁環(huán)境，給次級(jí)電流角向分布測(cè)量帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。
[0003]B-dot電流探頭由于響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)被測(cè)對(duì)象影響小等優(yōu)點(diǎn)在真空磁絕緣傳輸線、直線感應(yīng)加速器等方面廣泛應(yīng)用。多個(gè)B-dot組成電流探頭陣列，可以測(cè)量脈沖電流的空間分布。美國(guó) Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 RITS(Rad1graphic Integrated Test Stand)裝置采用36個(gè)B-dot監(jiān)測(cè)次級(jí)內(nèi)筒、外筒電流角向分布，36個(gè)B-dot探頭安裝在功率傳輸方向3個(gè)不同的軸向位置，每個(gè)軸向位置內(nèi)、外筒各均勻布置6個(gè)B-dot。這36個(gè)B-dot組成的探頭陣列，可測(cè)量RITS裝置次級(jí)磁絕緣傳輸線陰、陽(yáng)極電流角向分布，在RITS功率傳輸研究中發(fā)揮了重要作用。但RITS-6裝置所用B-dot陣列的設(shè)計(jì)及標(biāo)定方法在公開(kāi)文獻(xiàn)中未見(jiàn)報(bào)道。
[0004]當(dāng)多個(gè)B-dot探頭組成陣列用于測(cè)量脈沖電流角向分布時(shí)，要求各探頭靈敏度和頻響特性一致，探頭之間靈敏度差異應(yīng)遠(yuǎn)低于被測(cè)電流角向分布的差異。但目前的B-dot探頭的磁感應(yīng)線圈通常采用漆包線或鋼芯電纜纏繞成小圓環(huán)，多個(gè)B-dot磁感應(yīng)線圈的一致性難以保證，致使B-dot靈敏度差異較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種多個(gè)PCB式B-dot組成的電流探頭陣列，用于測(cè)量感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流角向分布，并給出了探頭陣列的標(biāo)定方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0007]—種感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流空間分布測(cè)量系統(tǒng)，所述感應(yīng)電壓疊加器包括中心內(nèi)筒4、接地端外筒2及各級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔1，在各級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔1的出口處設(shè)置有過(guò)渡段外筒5，所述接地端外筒2、各級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔1及各級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔所對(duì)應(yīng)的過(guò)渡段外筒5均設(shè)置在中心內(nèi)筒4的外側(cè)，且沿中心外筒的始端至末端依次串接，
[0008]所述感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流空間分布測(cè)量系統(tǒng)包括多個(gè)B-dot電流探頭陣列，其特殊之處在于:
[0009]每個(gè)B-dot電流探頭陣列3均分為兩個(gè)小組分別設(shè)置于過(guò)渡段外筒5和對(duì)應(yīng)的中心內(nèi)筒4上，且過(guò)渡段外筒5與中心內(nèi)筒4的B-dot電流探頭安裝位置一一對(duì)應(yīng)。
[0010]上述每個(gè)B-dot電流探頭包括至少一個(gè)磁感應(yīng)線圈、電纜連接器及支撐固定裝置，所述磁感應(yīng)線圈用于探測(cè)磁通密度的變化，所述磁感應(yīng)線圈在電路板上沿同一方向順時(shí)針或逆時(shí)針布線，形成PCB式磁感應(yīng)線圈31 ;所述電纜連接器用于測(cè)量信號(hào)的引出；所述支撐固定裝置用于PCB式磁感應(yīng)線圈和/或電纜連接器的支撐固定。
[0011]上述PCB式磁感應(yīng)線圈31的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)磁感應(yīng)線圈同向串聯(lián)使用；
[0012]或所述PCB式磁感應(yīng)線圈31的數(shù)量為兩個(gè)，兩個(gè)磁感應(yīng)線圈反向并聯(lián)使用。
[0013]上述PCB式磁感應(yīng)線圈31為雙層板，磁感應(yīng)線圈在印制板上采用頂層、底層雙層布線，兩層線圈之間通過(guò)金屬過(guò)渡孔35導(dǎo)通。
[0014]上述PCB式磁感應(yīng)線圈31上的線圈頂層布線32始于印制板正面的中心，由印制板頂層的中心向頂端方向順時(shí)針由外而內(nèi)布線，頂層布線結(jié)束后，頂層布線的終點(diǎn)通過(guò)金屬過(guò)渡孔35在下層按照順時(shí)針?lè)较虿季€，線圈下層布線33終止于印制板反面的接地區(qū)34。
[0015]上述的感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流空間分布測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定裝置，其特殊之處在于:
[0016]在感應(yīng)電壓疊加器的結(jié)構(gòu)上，移除各級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔1，在各級(jí)兆伏級(jí)感應(yīng)腔1對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置標(biāo)定外筒6，標(biāo)定外筒6與過(guò)渡段外筒5連接，標(biāo)定外筒6直徑與過(guò)渡段外筒5直徑相同，標(biāo)定外筒6與過(guò)渡段外筒5共同組成標(biāo)定裝置外筒。
[0017]所述標(biāo)定裝置還包括標(biāo)定脈沖電流源8、電流源外筒81及接地端蓋82，所述電流源外筒81與次級(jí)外筒的末端連接，所述接地端蓋82設(shè)置在電流源外筒81的端部，
[0018]所述標(biāo)定脈沖電流源8設(shè)置在電流外筒81內(nèi)，且一端與中心內(nèi)筒4的末端連接用于向中心內(nèi)筒4均勻注入標(biāo)定脈沖電流，另一端與接地端蓋82連接；
[0019]所述標(biāo)定裝置還包括接地圓環(huán)7，所述接地圓環(huán)7設(shè)置在第一級(jí)標(biāo)定外筒6與中心內(nèi)筒4之間，將次級(jí)外筒的始端與中心內(nèi)筒4電氣連接，
[0020]所述中心內(nèi)筒4、接地圓環(huán)7、次級(jí)外筒、電流源外筒81、接地端蓋82及標(biāo)定脈沖電流源8構(gòu)成了標(biāo)定電流回路，
[0021]所述標(biāo)定裝置還包括電流測(cè)量線圈9，所述電流測(cè)量線圈9設(shè)置在標(biāo)定電流回路中。
[0022]上述標(biāo)定脈沖電流源8包括第一同軸型雙端出線電容器、第二同軸型雙端出線電容器及串聯(lián)在兩只電容器之間的氣體火花開(kāi)關(guān)11，其中第一同軸型雙端出線電容器與中心內(nèi)筒4的末端連接，第二同軸型雙端出線電容器與接地端蓋82連接。
[0023]利用上述的標(biāo)定裝置進(jìn)行次級(jí)電流空間分布測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0024]1)、在中心內(nèi)筒4的末端軸心均勻注入標(biāo)定脈沖電流；
[0025]2)、監(jiān)測(cè)相同軸心位置標(biāo)定外筒6和中心內(nèi)筒4處的B-dot探頭輸出信號(hào)；
[0026]3)、監(jiān)測(cè)電流測(cè)量線圈9的輸出信號(hào)；
[0027]4)、將電流測(cè)量線圈9的輸出信號(hào)與B-dot探頭輸出信號(hào)進(jìn)行比較分析。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是:
[0028]1、本發(fā)明感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流測(cè)量系統(tǒng)中B-dot陣列在IVA次級(jí)過(guò)渡段(連接相鄰感應(yīng)腔)內(nèi)、外筒徑向均勻安裝，可監(jiān)測(cè)每級(jí)感應(yīng)腔出口處次級(jí)陰、陽(yáng)極電流角向分布，分析IVA次級(jí)功率傳輸特性。
[0029]2、本發(fā)明的B-dot采用印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)作為磁感應(yīng)線圈，可保證線圈尺寸、形狀等的一致性，提高B-dot響應(yīng)的一致性，同時(shí)便于批量生產(chǎn)，適用于多個(gè)B-dot組成探頭陣列。
[0030]3、本發(fā)明B-dot探頭標(biāo)定中，充分利用IVA已有部件，增加標(biāo)定外筒來(lái)構(gòu)成標(biāo)定電流回路，B-dot陣列在標(biāo)定和裝置實(shí)際過(guò)程中使用環(huán)境一致。
[0031]4、本發(fā)明采用同軸型電流注入源從次級(jí)末端注入快脈沖標(biāo)定電流，確保了標(biāo)定過(guò)程中電流角向均勻分布。
[0032]5、本發(fā)明B-dot探頭中多個(gè)PCB式磁感應(yīng)線圈同向串聯(lián)使用可提高輸出信號(hào)信噪比。兩個(gè)反向并聯(lián)使用，各自輸出信號(hào)經(jīng)差分處理后可去除共模干擾。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1測(cè)量感應(yīng)電壓疊加器次級(jí)電流角向分布的B-dot探頭陣列。
[0034]圖2A為IVA次級(jí)橫截面(垂直于功率傳輸方向)示意圖。
[0035]圖2B為圖2A中C區(qū)域的局部放大視圖。
[0036]圖3A為PCB磁感應(yīng)線圈一面的布線示意圖。
[0037]圖3B為PCB磁感應(yīng)線圈另一面的布線示意圖。
[0038]圖4為IVA次級(jí)B-dot陣列標(biāo)定結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖5為標(biāo)定脈沖電流源示意圖。
[0040]圖6為標(biāo)定回路電氣原理圖。
[0041 ] 圖7為電路模擬得到的標(biāo)定電流波形。
[0042]其中附圖標(biāo)記為:
[0043]1-兆伏級(jí)感應(yīng)腔，2-接地端外筒，3