CN103869143A - 一种气体放电电流测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体放电电流测量装置，包括基座（2）、罗科夫斯基线圈（3）、固定螺钉（5）、绝缘片（4）和回流块（6），基座（2）和回流块（6）形成闭合空腔，罗科夫斯基线圈（3）置于空腔内部，线圈（3）测量获得的脉冲电信号通过电缆引出，绝缘片（4）将基座（2）和回流块（6）在线圈位置处电隔离，固定螺钉（5）则将基座（2）和回流块（6）连接在一起形成电流通道。由于只有放电电极间隙的主放电电流经过测量装置并被罗科夫斯基线圈检测到，排除了其它回路电流的叠加影响。同时，线圈整体封装在金属腔体内部，大大提高了测量装置的抗电磁干扰能力。

Description

一种气体放电电流测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于放电电流测量的装置，尤其是一种适用于气体激光器介质大电流放电电流测量的装置。
背景技术
在高功率气体激光技术研究中，激光器的高电压泵浦源在成对设置的主放电电极间隙形成脉冲高电压，激励放电电极间隙的高压气体介质发生均匀体放电，放电产生的等离子体将激光介质激励至高能态，高能态分子向低能态跃迁时产生光辐射，并在激光谐振腔的作用下形成激光输出。其中放电电极间气体放电电流是激光器泵浦源的重要参数，对激光器运行状态诊断和泵浦源及激光器的电效率计算具有重要意义。
现有高功率气体激光器中气体放电电流测量主要采用罗科夫斯基电流线圈和分流器。这两种测量装置虽然可以实现放电回路的大电流测量，但存在两方面的不足。一是测量装置安装在放电回路中，测量获得的脉冲电流除气体放电主放电回路电流外，还包括预电离和峰化等放电回路的电流，因而并不利于对气体放电状态的诊断。二是测量装置抗电磁干扰能力差，由于激光器中泵浦源主开关和激光放电电极间隙导通产生的强电磁辐射对测量装置形成干扰，测量获得的波形失真严重，难以获得准确的放电电流值。因此，如何实现主放电电流测量，提高装置的抗电磁干扰能力需要有新的思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可用于气体激光器中的气体放电电流的测量装置，将罗科夫斯基线圈嵌入在与放电电极联接的金属基座内，并用金属回流块封装。当放电电极与金属基座连接在一起时，只有放电电极间隙的主放电电流经过测量装置并被罗科夫斯基线圈检测到，排除了其它回路电流的叠加影响。同时，线圈整体封装在金属腔体内部，具有很强的抗电磁干扰能力。
本发明的技术方案如下：
一种气体放电电流测量装置，包括放电电极、罗科夫斯基线圈组件、基座、回流块和绝缘片，放电电极固定在基座的侧面，基座的上端开有长条槽，回流块通过固定螺钉固定在长条槽上盖处，并使得基座和回流块构成闭合空腔，罗科夫斯基线圈组件设置在闭合空腔内，且线圈芯轴方向与长条槽的长度方向一致，绝缘片设置在长条槽和回流块之间，并使得放电电极处的电流依次通过基座的表面和固定螺钉后，流入回流块。
上述气体放电电流测量装置中，放电电极和基座采用同一块材料一体化加工而得。
上述气体放电电流测量装置中，罗科夫斯基线圈组件包括罗科夫斯基线圈、积分电阻和电缆接头，电缆接头的接地端与基座相联，积分电阻的一端与电缆接头接地端和线圈的一个抽头相联，积分电阻的另一端与电缆接头的信号端和线圈的另一个抽头相联。
上述气体放电电流测量装置中，罗科夫斯基线圈组件满足下面的关系：
R+r《ωL
其中r为线圈内阻、L为线圈电感、R为积分电阻阻值，i为测量回路电流，ω为角频率。
上述气体放电电流测量装置中，罗科夫斯基线圈由金属导线缠绕在绝缘芯轴上制成，金属导线外部有绝缘层。
上述气体放电电流测量装置中，绝缘芯轴为塑料软管。
上述气体放电电流测量装置中，回流块与放电回路连接。
上述气体放电电流测量装置中，放电电极为长条形，其长度方向线圈芯轴方向一致。
上述气体放电电流测量装置中，基座由硬铝制作而成，绝缘片为塑料或石墨。
上述气体放电电流测量装置中，固定螺钉和回流块均为金属材料。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明将罗科夫斯基线圈嵌入测量装置基座内部，只有放电电极间隙之间的主放电电流经过测量装置并被线圈检测到，排除了其它回路电流的叠加影响。
2、本发明的罗科夫斯基线圈整体封装在金属腔体内部，大大提高了抗电磁干扰能力，所测电流波形不失真，提高了测量精度。
3、本发明的罗科夫斯基线圈与放电回路绝缘，不影响放电回路电气结构和放电特性。
4、与其他电流测量设备相比，本发明的测量装置更容易实现现场标定，确保了测量准确度。
5、本发明的罗科夫斯基线圈的接线方式为内积分方式，积分电阻两端的电压信号通过导线引出至装置外侧标准BNC电缆接头，这种紧凑设计可以大大减小测量装置的结构尺寸。
附图说明：
图1为本发明气体放电电流测量装置的结构示意图；
图2为图1气体放电电流测量装置沿A-A面的剖视图；
图3为本发明气体放电电流测量装置优化设计结构示意图；
附图标记为：1—放电电极；2—基座；3—罗科夫斯基线圈；4—绝缘片；5—固定螺钉；6—回流块；7—电流流动方向；21—线圈芯轴；22—金属导线；23—积分电阻；24—电缆接头。
具体实施方式
如图1所示，本发明的气体放电电流测量装置包括放电电极1、罗科夫斯基线圈组件3、基座2、回流块6和绝缘片4，基座2为硬铝材料，放电电极1固定在基座2的侧面，基座2的上端开有长条槽，回流块6通过固定螺钉5固定在长条槽上盖处，并使得基座2和回流块6构成闭合空腔3，罗科夫斯基线圈组件3设置在闭合空腔3内，且线圈芯轴方向与长条槽的长度方向一致，固定螺钉5和回流块6均采用金属材料制作，绝缘片4设置在长条槽和回流块6之间，绝缘片4将基座2和回流块6在线圈3位置处电隔离，回流块6与基座2之间通过固定螺钉5连接在一起，形成电流通道。
由高斯定理可知，处于闭合放电回路中的导体内部电场为零，因此回路电流只沿导体内表面流动。当放电电极中有电流流入时，放电电极1处的电流依次通过基座2的表面和固定螺钉5后，流入回流块6，再经过放电电路流出。图1中在放电电流经由放电电极1、基座2、固定螺钉5和回流块6沿如图箭头方向7围绕罗科夫斯基线圈组件3通过时，由电磁感应原理知，线圈两端会产生感生电动势，实现对放电电流的测量。
图2为罗科夫斯基线圈组件的结构示意图，罗科夫斯基线圈组件3包括罗科夫斯基线圈、积分电阻23和电缆接头24，电缆接头24的接地端与基座3相联，积分电阻23的一端与电缆接头24接地端和线圈的一个抽头相联，积分电阻23的另一端与电缆接头24的信号端和线圈的另一个抽头相联，并通过BNC电缆接头、传输电缆，将信号传输至记录仪器。
罗科夫斯基线圈两端产生的电动势是放电电流的微分形式，需要通过积分电路才能获得放电电流的真实波形。通常有内积分和外积分两种形式。外积分方式是在线圈外部串接积分电路，获得放电电流波形。内积分方式是在线圈3两端连接一个阻值较小的无感电阻，当罗科夫斯基线圈内阻r、线圈电感L、无感积分电阻R和测量回路电流i及其角频率ω之间必须满足R+r《ωL关系（即R+r远小于ωL）时，电阻两端的电位差与放电电流成正比，即电阻两端的电压波形与放电电流波形除幅值差别外，形状完全一致。此时该电阻也称为信号电阻或积分电阻23。
本发明气体放电电流测量装置即采用内积分方式，积分电阻23两端的电压信号通过导线引出至装置外侧标准BNC电缆接头，这种紧凑设计可以大大减小装置的结构尺寸。
绝缘片4采用具有高电压击穿阈值的聚四氟乙烯材料，以避免基座2和回流块6之间发生电接触而使电流不再围绕线圈流动。固定螺钉5将回流块6压紧后，绝缘片4厚度极小，整个线圈3完全处于由基座2和回流块6组成的金属屏蔽盒内，此时电流测量装置具有极高的抗电磁干扰能力，所测电流波形几乎不受电磁脉冲影响，波形不失真、测量精度高。因为除了放电电极间隙击穿的主放电电流外，其它回路的电流并不绕线圈流动并被检测，因此排除了其它回路电流的叠加影响。
如图3所示，作为优化设计方案，放电电极1和基座2可以合为一体，采用同一种材料一体化加工而得，这样电流测量装置更为紧凑，但此时对放电电极的加工和安装要更为复杂一些。
本发明不局限于上述具体实施方式，比如绝缘片的制作材料可以选择石墨材料以外的其它绝缘材料制成，基座、压块和固定螺钉也可选用其它金属材料，线圈形状可以是直线型或圆弧型，线圈的绕制方法可根据实际需要进行改变，线圈匝间可以并接阻尼电阻改善其特性，线圈采用外积分方式等待。以上变化，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体放电电流测量装置，其特征在于：包括放电电极（1）、罗科夫斯基线圈组件（3）、基座（2）、回流块（6）和绝缘片（4），所述的放电电极（1）固定在基座（2）的侧面，所述基座（2）的上端开有长条槽，回流块（6）通过固定螺钉（5）固定在长条槽上盖处，并使得基座（2）和回流块（6）构成闭合空腔（3），所述的罗科夫斯基线圈组件（3）设置在闭合空腔（3）内，且线圈芯轴方向与长条槽的长度方向一致，所述的绝缘片（4）设置在长条槽和回流块（6）之间，并使得放电电极（1）处的电流依次通过基座（2）的表面和固定螺钉（5）后，流入回流块（6）。
2.根据权利要求1所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的放电电极（1）和基座（2）采用同一块材料一体化加工而得。
3.根据权利要求1所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的罗科夫斯基线圈组件（3）包括罗科夫斯基线圈、积分电阻（23）和电缆接头（24），所述的电缆接头（24）的接地端与基座（3）相联，所述积分电阻（23）的一端与电缆接头（24）接地端和线圈的一个抽头相联，积分电阻（23）的另一端与电缆接头（24）的信号端和线圈的另一个抽头相联。
4.根据权利要求3所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述罗科夫斯基线圈组件（3）满足下面的关系：
R+r《ωL
其中r为线圈内阻、L为线圈电感、R为积分电阻阻值，i为测量回路电流，ω为角频率。
5.根据权利要求3所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述罗科夫斯基线圈由金属导线缠绕在绝缘芯轴上制成，所述金属导线外部有绝缘层。
6.根据权利要求5所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的绝缘芯轴为塑料软管。
7.根据权利要求1所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的回流块（6）与放电回路连接。
8.根据权利要求1所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的放电电极（1）为长条形，其长度方向线圈芯轴方向一致。
9.根据权利要求1所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的基座（2）由硬铝制作而成，所述的绝缘片（4）为塑料或石墨材料制成。
10.根据权利要求1所述的气体放电电流测量装置，其特征在于：所述的固定螺钉（5）和回流块（6）均为金属材料。
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