CN105259400A - 一种z箍缩丝阵负载电压测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Z箍缩丝阵负载电压测量装置及基于该装置的Z箍缩丝阵负载电压测量方法。本发明所提供的电压测量装置包括安装于阳极板上的电容分压器和电流微分探头；电容分压器包括铜电极、地电极、积分电阻和电压信号输出口；铜电极和地电极间通过绝缘薄膜构成低压电容；铜电极与阴极板构成高压电容；积分电阻通过导线与低压电容相连接；电流微分探头用于直接获得回路中的电流微分信号。本发明通过安装电容分压器和电流微分探头，结合安培环路定律即可计算得到Z箍缩丝阵负载电压，计算结果合理且准确。

Description

一种Z箍缩丝阵负载电压测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种Z箍缩丝阵负载电压测量装置及基于该装置的电压测量方法。

背景技术

高功率Z箍缩是利用金属丝阵负载在大电流下放电形成等离子体，在强磁场作用下内爆运动至中心，最终辐射出强X射线。Z箍缩技术可用于开展惯性约束聚变、武器物理模拟、等离子体辐射、实验室天体物理、高能密度物理等相关研究。

直至目前为止，Z箍缩研究领域仍然有诸多基本物理问题尚未能完全阐述清楚。其中对于丝阵负载Z箍缩过程中电压测量手段仍然未能完全解决。这是由于负载电压测量受到测量空间小(～1cm)、高电压(～1MV)、散射电子离子等多种不利因素影响。美国Sandia实验室报道了在Saturn装置上用安装于负载真空靶室内腔中的真空电压计来尝试测量Z箍缩负载电压的方法，真空电压计的基本结构类似轴线绝缘堆结构，由金属铝均压环和带45°角的绝缘环交替叠加构成，然后在内腔中注入硫酸铜或其他水电阻溶液；英国帝国理工大学也于2010年在MAGPIE装置上使用了相同结构的电压计用于测量负载电压。

Sandia利用该真空电压计测量了Saturn装置上喷氩气负载电压，并通过电压分析了馈入负载能量与辐射能量的关系。从结果看，馈入负载的能量一直比辐射能大，对于多余能量的去向研究人员也未作相关说明，因此实验中获得的馈入能量要比辐射能大很多的结果并未得到圆满解释，这无疑降低了结果的可信度。另外，利用真空电压计进行铝丝阵负载电压测量时未能获得波形，Sandia实验室给出的解释为电子轰击导致绝缘环失效所致。

英国帝国理工大学在MAGPIE装置上主要对铝丝阵负载Z箍缩中电压进行了测量，从实验结果看，在聚爆的早期阶段电压波形通过系数修正能够正确反映负载电压变化情况，随着聚爆的进行，尤其在接近滞止阶段时，电压波形获取的数据不可信，根据电压波形获得的电感变化与聚爆过程中实际电感变化相差较大，研究者给出的原因为分压器有击穿的情况。

综合上述实验结果可以看出，就目前的情况来说，利用堆栈式电阻分压器用于测量丝阵负载电压的技术还处于实验阶段，手段不是太成熟，不论在Saturn装置还是MAGPIE装置上测量结果均存在难以解释的部分，这也说明负载电压测量仍存在很大挑战性。

发明内容

本发明的目的是提供一种Z箍缩丝阵负载电压测量装置和方法，可以有效地获得合理准确的Z箍缩丝阵负载电压。

本发明的技术解决方案是：提供一种Z箍缩丝阵负载电压测量装置，其特殊之处在于：包括安装于阳极板上的电容分压器和电流微分探头；所述电容分压器包括铜电极、地电极、积分电阻和电压信号输出口；铜电极和地电极间通过绝缘薄膜构成低压电容；铜电极与阴极板构成高压电容；所述积分电阻通过导线与低压电容相连接；所述电流微分探头用于直接获得回路中的电流微分信号。使用本发明提供的测量装置结合安培环路定律即可计算得到Z箍缩丝阵负载电压。

上述铜电极使用环氧树脂进行封装，有效地保护并固定高压铜电极。

上述绝缘薄膜为厚度15～75μm的聚酯薄膜，具有较好的低频特性。

上电容分压器还包括一个干扰信号采集口，通过两个信号差分可有效降低干扰信号的影响。

本发明还提供一种基于上述Z箍缩丝阵负载电压测量装置的电压测量方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

1】在阳极板上安装电容分压器和电流微分探头；

2】标定电容分压器的分压比：

2.1】预测所测电压幅值，并确定合适的分压比；

2.2】将标准电阻分压器安装于丝针锥座，作为终端负载；

2.3】对阴极板馈入低电压方波，通过对比电容分压器输出信号与标准电阻分压器信号幅值，获得电容分压器分压比；

3】标定过渡法兰和丝阵锥座的电感值L_P：

3.1】将已知尺寸的铜棒安装于丝针锥座，作为终端负载；

3.2】对阴极板馈入近似余弦且幅值衰减的电压信号；

3.3】根据电容分压器得到的电压波形以及电流微分探头得到的电流微分信号计算得到整体负载电感值L₁；

3.4】计算铜棒和回流柱的电感值L₂；

3.5】计算过渡法兰和丝阵锥座的电感值L_P＝L₁-L₂；

4】将丝阵负载安装于丝针锥座进行Z箍缩实验，并测量负载电压V_A：

4.1】由电容分压器获得阳极板和阴极板间的电压V_C；

4.2】由电流微分探头获得电流微分信号

4.3】根据安培环路定律计算得到负载电压

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过安装电容分压器和电流微分探头可以有效地获得Z箍缩丝阵负载电压，结果合理且准确。

(2)本发明的电容分压器和电流微分探头安装在阳极板上，避免了直接测量丝阵负载电压时会遇到的空间小、干扰强、探测器易受高能离子或电子轰击而损坏的不足。

(3)本发明采用的电容分压器制作成本低、结构紧凑、重复利用效率高。

(4)本发明使用环氧树脂对电容分压器的铜电极进行封装，可以有效地保护并固定高压铜电极，避免散射电子直接轰击电容电极。

(5)本发明的铜电极与地电极之间利用聚酯薄膜绝缘形成低压电容，薄膜厚度约为15～75μm，具有较好的低频特性。

(6)本发明的电容分压器除了电压信号输出口外，还有一干扰信号采集口，通过两个信号差分可以有效降低信号传输电缆上引入的干扰信号的影响。

附图说明

图1为本发明的Z箍缩丝阵负载电压测量装置结构示意图；

图2为本发明的丝阵负载局部放大图；

图3为本发明的电容分压器结构示意图；

图4为实验测得的电容分压器输出波形及电流微分波形；

图5为实验测得的丝阵负载的电压波形。

具体实施方式

参见图1和图2，Z箍缩丝阵负载的主要安装结构包括阳极板1、阴极板2、过渡法兰3、丝阵锥座4、回流柱5和金属丝阵6。从图中可以看出，如果将丝阵负载电压记为V_A，阳极板和阴极板间电压记为V_C，回路中电流记为I，丝阵法兰及锥座部分的电感记为L_P，则根据安培环路定律可有：

$V_C=V_a+L_P\frac{dI}{dt}$

因此，如果可以获得阴阳极板间电压V_C及电感L_P，则可结合电流I(或电流微分dI/dt)利用公式获得丝阵负载电压V_a。

回路中电流I及电流微分dI/dt的获得方法十分成熟，可使用电流微分探头7直接获得电流微分信号，在此不再赘述。

对于阳极板和阴极板间的电压V_C，由于阴阳极板间距离有限(10～20cm)，且电压较高(1～2MV)，又有较为严重的电磁干扰和散射电子，因此本发明采用在阳极板1上安装电容分压器8的方式来测量阴阳极板间电压。

本发明的Z箍缩丝阵负载电压测量装置的较佳实施例采用图3所示的电容分压器，其具体结构包括铜电极81、地电极82、积分电阻83和电压信号输出口84。铜电极81和地电极82间通过绝缘薄膜85构成低压电容，铜电极81与阴极板2构成高压电极。积分电阻83通过导线与低压电容相连接，通过选用合适的阻值可以保证电容分压器输出信号为电压信号而不是电压微分信号。为了保护及有效固定高压铜电极81，在安装完成后，利用环氧树脂对铜电极81进行封装，可以避免散射电子直接轰击电容电极。此外，为了同时有效监测信号传输电缆上引入的干扰信号，电容分压器除了电压信号输出口84外，还有一干扰信号采集口86，通过两个信号差分可有效降低干扰信号的影响。对于电容分压器的分压比，可以根据实验标定系数的方法获得。

本发明的Z箍缩丝阵负载电压测量方法的较佳实施例采用如下步骤对过渡法兰和丝阵锥座的电感值L_P进行标定：首先对阴极板2馈入近似余弦且幅值衰减的电压信号，并用已知尺寸的铜棒代替丝阵负载，通过电容分压器即可获得此时阴阳极间电压波形，而电流微分波形可根据电流微分探头7获得，由于此时整个负载结构(包括丝阵法兰、锥座、铜棒、回流柱)的电气参数可等效为一个集中参数的整体负载电感L₁，因此根据阴阳极间电压及电流微分信号获得该电感值，而铜棒与回流柱构成的电感值L₂可根据成熟公式计算得知，因此，丝阵法兰及锥座部分的电感值L_P即为上述二者电感值之差。

至此，阴阳极板间电压、丝阵附属结构的电感、丝阵负载电流微分均可获得，因而可得知丝阵负载电压。

在国内强脉冲辐射模拟与效应国家重点实验室的“强光一号”装置上开展的Z箍缩实验中，使用本发明的装置及方法成功获得了平面型铝丝阵负载在Z箍缩过程中电压的变化情况，并根据电压波形进一步开展了丝阵电感、电阻等参数变化规律的研究，取得了良好的实用效果。

本发明的装置及方法在“强光一号”装置上的具体实施过程如下：

(1)根据“强光一号”阴阳极板尺寸确定电容分压器结构，预测所测电压幅值，并根据该预测幅值确定合适的分压比。具体选取的电容器低压电容为0.07pF，高压电容为90pF，积分电阻为13kΩ，与阻抗为50Ω的信号电缆形成的二级分压比为260。

(2)对电容分压器分压比进行标定。对阴极板馈入低电压(50V)方波，用标准电阻分压器代替丝阵负载作为阴阳极板间终端负载，通过对比采用电容分压器输出信号与标准电阻分压器信号幅值，获得电容分压器分压比，对于“强光一号”使用的电容分压器其分压比为3.3×10⁵。

(3)对“强光一号”丝阵附属结构电感值(包括过渡法兰和丝阵锥座)进行标定，馈入电压采用幅值1kV，周期600ns的余弦电压波形，根据标定波形获得“强光一号”加速器这一部分电感为35nH。

(4)进行平面型铝丝阵Z箍缩实验，利用电容分压器8获取阴阳极板间电压，利用电流微分探头7获得回路电流微分信号，实验结果如图4所示；进一步通过公式计算可得出丝阵负载电压，其波形如图5所示。

Claims (7)

1.一种Z箍缩丝阵负载电压测量装置，其特征在于：包括安装于阳极板上的电容分压器和电流微分探头；

所述电容分压器包括铜电极、地电极、积分电阻和电压信号输出口；铜电极和地电极间通过绝缘薄膜构成低压电容；铜电极与阴极板构成高压电容；所述积分电阻通过导线与低压电容相连接；

所述电流微分探头用于直接获得回路中的电流微分信号。

2.根据权利要求1所述的Z箍缩丝阵负载电压测量装置，其特征在于：所述铜电极使用环氧树脂进行封装。

3.根据权利要求1或2所述的Z箍缩丝阵负载电压测量装置，其特征在于：所述绝缘薄膜为厚度15～75μm的聚酯薄膜。

4.根据权利要求3所述的Z箍缩丝阵负载电压测量装置，其特征在于：所述电容分压器还包括一个干扰信号采集口。

5.一种Z箍缩丝阵负载电压测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】在阳极板上安装电容分压器和电流微分探头；

2】标定电容分压器的分压比：

3】标定过渡法兰和丝阵锥座的电感值L_P；

4】将丝阵负载安装于丝针锥座进行Z箍缩实验，并测量负载电压V_A：

4.1】由电容分压器获得阳极板和阴极板间的电压V_C；

4.2】由电流微分探头获得电流微分信号

4.3】计算得到负载电压

6.根据权利要求5所述的Z箍缩丝阵负载电压测量方法，其特征在于：所述步骤2】中的分压比标定方法包括以下步骤：

2.1】预测所测电压幅值，并确定合适的分压比；

2.2】将标准电阻分压器安装于丝针锥座，作为终端负载；

2.3】对阴极板馈入低电压方波，通过对比电容分压器输出信号与标准电阻分压器信号幅值，获得电容分压器分压比。

7.根据权利要求5或6所述的Z箍缩丝阵负载电压测量方法，其特征在于：所述步骤3】中电感值L_P的标定方法包括以下步骤：

3.1】将已知尺寸的铜棒安装于丝针锥座，作为终端负载；

3.2】对阴极板馈入近似余弦且幅值衰减的电压信号；

3.3】根据电容分压器得到的电压波形以及电流微分探头得到的电流微分信号计算得到整体负载电感值L₁；

3.4】计算铜棒和回流柱的电感值L₂；

3.5】计算过渡法兰和丝阵锥座的电感值L_P＝L₁-L₂。