CN105334371B - 感应电压叠加器次级电流测量系统及其标定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应电压叠加器次级电流测量系统及其标定装置与方法，其中，电流测量系统是在IVA次级感应腔之间过渡段的内、外筒上分别角向均布多个B‑dot阵列，以测量IVA次级每级感应腔出口处的次级电流角向分布。由于感应腔特殊的电气结构；在B‑dot探头阵列标定中，在原来感应腔的位置增加同轴型标定外圆筒代替感应腔，从而使流经B‑dot阵列的电流角向均匀，标定外筒和过渡连接段共同组成电流闭合回路。在次级末端采用同轴型快脉冲电流源提供均匀的注入电流，利用套在接地端的电流测量线圈监测脉冲源电流参数，对次级内、外筒B‑dot阵列进行标定。

Description

感应电压叠加器次级电流测量系统及其标定装置与方法

技术领域

本发明提出一种测量感应电压叠加器次级电流角向分布的B-dot阵列及标定方法，在感应电压叠加器、真空磁绝缘传输线等脉冲功率装置中具有重要应用。

背景技术

磁绝缘感应电压叠加器(Magnetically induction voltage adders,MIVA)是一种强流脉冲功率加速器拓扑结构，可产生电压几MV～几十MV，电流几十kA～数百kA的高功率电脉冲，在γ射线辐射效应模拟、材料动力学实验、高功率微波等领域具有重要应用。MIVA由多级兆伏级感应腔串联组成，每级感应腔可视为变比为1：1的脉冲变压器。基于电磁感应原理，馈入各级感应腔的脉冲电压在同一个次级上感应叠加。通常情况下，电脉冲是在感应腔初级单端口或几端口馈入，这种馈入方式决定了感应腔初、次级电流在不同角向位置存在空间分布差异，即角向非均匀分布。对MIVA初、次级电流空间角向分布的测量，是研究感应腔工作特性、评估MIVA次级磁绝缘行为和功率传输特性的重要手段。但是，MIVA次级磁绝缘传输线极强的空间电子干扰及复杂的电磁环境，给次级电流角向分布测量带来了极大挑战。

B-dot电流探头由于响应快、抗干扰能力强、对被测对象影响小等优点在真空磁绝缘传输线、直线感应加速器等方面广泛应用。多个B-dot组成电流探头阵列，可以测量脉冲电流的空间分布。美国Sandia国家实验室RITS(Radiographic Integrated Test Stand)装置采用36个B-dot监测次级内筒、外筒电流角向分布，36个B-dot探头安装在功率传输方向3个不同的轴向位置，每个轴向位置内、外筒各均匀布置6个B-dot。这36个B-dot组成的探头阵列，可测量RITS装置次级磁绝缘传输线阴、阳极电流角向分布，在RITS功率传输研究中发挥了重要作用。但RITS-6装置所用B-dot阵列的设计及标定方法在公开文献中未见报道。

当多个B-dot探头组成阵列用于测量脉冲电流角向分布时，要求各探头灵敏度和频响特性一致，探头之间灵敏度差异应远低于被测电流角向分布的差异。但目前的B-dot探头的磁感应线圈通常采用漆包线或钢芯电缆缠绕成小圆环，多个B-dot磁感应线圈的一致性难以保证，致使B-dot灵敏度差异较大。

发明内容

本发明提出一种多个PCB式B-dot组成的电流探头阵列，用于测量感应电压叠加器次级电流角向分布，并给出了探头阵列的标定方法。

本发明的技术解决方案：

一种感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统，所述感应电压叠加器包括中心内筒4、接地端外筒2及各级兆伏级感应腔1，在各级兆伏级感应腔1的出口处设置有过渡段外筒5，所述接地端外筒2、各级兆伏级感应腔1及各级兆伏级感应腔所对应的过渡段外筒5均设置在中心内筒4的外侧，且沿中心内筒的始端至末端依次串接，

所述感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统包括多个B-dot电流探头阵列，其特殊之处在于：

每个B-dot电流探头阵列3均分为两个小组分别设置于过渡段外筒5和对应的中心内筒4上，且过渡段外筒5与中心内筒4的B-dot电流探头安装位置一一对应。

上述每个B-dot电流探头包括至少一个磁感应线圈、电缆连接器及支撑固定装置，所述磁感应线圈用于探测磁通密度的变化，所述磁感应线圈在电路板上沿同一方向顺时针或逆时针布线，形成PCB式磁感应线圈31；所述电缆连接器用于测量信号的引出；所述支撑固定装置用于PCB式磁感应线圈和/或电缆连接器的支撑固定。

上述PCB式磁感应线圈31的数量为多个，多个磁感应线圈同向串联使用；

或所述PCB式磁感应线圈31的数量为两个，两个磁感应线圈反向并联使用。

上述PCB式磁感应线圈31为双层板，磁感应线圈在印制板上采用顶层、底层双层布线，两层线圈之间通过金属过渡孔35导通。

上述PCB式磁感应线圈31上的线圈顶层布线32始于印制板正面的中心，由印制板顶层的中心向顶端方向顺时针由外而内布线，顶层布线结束后，顶层布线的终点通过金属过渡孔35在下层按照顺时针方向布线，线圈下层布线33终止于印制板反面的接地区34。

上述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统的标定装置，其特殊之处在于：

在感应电压叠加器的结构上，移除各级兆伏级感应腔1，在各级兆伏级感应腔1对应的位置设置标定外筒6，标定外筒6与过渡段外筒5连接，标定外筒6直径与过渡段外筒5直径相同，标定外筒6与过渡段外筒5共同组成标定装置外筒。

所述标定装置还包括标定脉冲电流源8、电流源外筒81及接地端盖82，所述电流源外筒81与标定装置外筒的末端连接，所述接地端盖82设置在电流源外筒81的端部，

所述标定脉冲电流源8设置在电流外筒81内，且一端与中心内筒4的末端连接用于向中心内筒4均匀注入标定脉冲电流，另一端与接地端盖82连接；

所述标定装置还包括接地圆环7，所述接地圆环7设置在第一级标定外筒6与中心内筒4之间，将标定装置外筒的始端与中心内筒4电气连接，

所述中心内筒4、接地圆环7、标定装置外筒、电流源外筒81、接地端盖82及标定脉冲电流源8构成了标定电流回路，

所述标定装置还包括电流测量线圈9，所述电流测量线圈9设置在标定电流回路中。

上述标定脉冲电流源8包括第一同轴型双端出线电容器、第二同轴型双端出线电容器及串联在两只电容器之间的气体火花开关11，其中第一同轴型双端出线电容器与中心内筒4的末端连接，第二同轴型双端出线电容器与接地端盖82连接。

利用上述的标定装置进行次级电流空间分布测量系统的标定方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)、在中心内筒4的末端轴心均匀注入标定脉冲电流；

2)、监测相同轴心位置标定外筒6和中心内筒4处的B-dot探头输出信号；

3)、监测电流测量线圈9的输出信号；

4)、将电流测量线圈9的输出信号与B-dot探头输出信号进行比较分析。本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明感应电压叠加器次级电流测量系统中B-dot阵列在IVA次级过渡段(连接相邻感应腔)内、外筒径向均匀安装，可监测每级感应腔出口处次级阴、阳极电流角向分布，分析IVA次级功率传输特性。

2、本发明的B-dot采用印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)作为磁感应线圈，可保证线圈尺寸、形状等的一致性，提高B-dot响应的一致性，同时便于批量生产，适用于多个B-dot组成探头阵列。

3、本发明B-dot探头标定中，充分利用IVA已有部件，增加标定外筒来构成标定电流回路，B-dot阵列在标定和装置实际过程中使用环境一致。

4、本发明采用同轴型电流注入源从次级末端注入快脉冲标定电流，确保了标定过程中电流角向均匀分布。

5、本发明B-dot探头中多个PCB式磁感应线圈同向串联使用可提高输出信号信噪比。两个反向并联使用，各自输出信号经差分处理后可去除共模干扰。

附图说明

图1测量感应电压叠加器次级电流角向分布的B-dot探头阵列。

图2A为IVA次级横截面(垂直于功率传输方向)示意图。

图2B为图2A中C区域的局部放大视图。

图3A为PCB磁感应线圈一面的布线示意图。

图3B为PCB磁感应线圈另一面的布线示意图。

图4为IVA次级B-dot阵列标定结构示意图。

图5为标定脉冲电流源示意图。

图6为标定回路电气原理图。

图7为电路模拟得到的标定电流波形。

其中附图标记为：

1-兆伏级感应腔，2-接地端外筒，3-B-dot探头阵列，31-PCB式磁感应线圈，32--线圈顶层布线，33-线圈下层布线，34-PCB侧面覆锡区，35-金属过渡孔，4-中心内筒，5-IVA两级感应腔之间的过渡段外筒，6-标定外筒，5和6共同组成了标定时的标定装置外筒，7-接地圆环，8-标定脉冲电流源，81-电流源外筒，82-接地端盖，9为电流测量线圈，10－同轴型双端出线电容器；11－气体火花开关。

具体实施方式

本发明提出一种感应电压叠加器次级电流测量系统及其标定装置与方法，核心思想是：在IVA次级感应腔之间过渡段的内、外筒上分别角向均布6个B-dot阵列，以测量IVA次级每级感应腔出口处的次级电流(磁绝缘阴极电流和阳极电流)角向分布。B-dot探头的磁感应线圈采用印制电路板制作，提高探头响应一致性，且便于批量生产。

由于感应腔特殊的电气结构，馈入感应腔的脉冲电流在感应腔出口通常呈现角向非均匀分布。在B-dot探头阵列标定中，在原来感应腔的位置增加同轴型标定外圆筒代替感应腔，从而使流经B-dot阵列的电流角向均匀，标定外筒和过渡连接段共同组成电流闭合回路。在次级末端采用同轴型快脉冲电流源提供均匀的注入电流，利用套在接地端的电流测量线圈监测脉冲源电流参数，对次级内、外筒B-dot阵列进行标定。

下面结合图1-4，描述本发明的实施方案。

图1为两级感应腔串联IVA装置结构示意图，图2为探头安装位置横截面示意图。在每级感应腔出口均有一段同轴过渡段，用于与下游感应腔或传输线连接，在该同轴过渡段的外筒上均匀布置6个B-dot阵列(如图2所示)，用于监测次级外筒电流(即磁绝缘线阳极电流)角向分布。与外筒B-dot正对的轴向位置，IVA次级内筒也均匀安装了6个B-dot，用于测量次级内筒电流(磁绝缘线阴极电流)角向分布。

B-dot探头标定如图4所示。与图1中IVA结构示意图相比，标定中移除了兆伏级感应腔1，在相应的位置增加了同轴结构的标定外筒6，以构成回路。虽然流经外筒的电流，在标定时与IVA次级有所不同，但对于感应腔过渡段上的B-dot探头，标定电流和IVA次级实际电流基本一致。在图1的IVA中用于支撑内筒的调节环，在标定过程中作为短路接地圆环(图4中7)，将内筒和外筒电气连接。

标定脉冲电流源采用两只电容器和气体开关串联组成。为了能够给内筒提供均匀的标定电流，电容器选用双端出线的同轴型薄膜电容器。两只薄膜电容器和气体开关串联构成同轴结构，一端与次级内筒连接，另一端与接地盖板连接，可降低标定回路电感，获得短脉冲电流。假定电容器容量为12nF，两个电容器分别充电至±20kV，气体开关自放电击穿闭合，标定回路电气原理图如图6所示，图中虚线框中为图5中所示标定脉冲电流源的电路参数。电路模拟得到标定电流波形如图7所示，标定电流峰值约7kA，约为IVA次级电流(～150kA)的1/20，标定电流脉宽约108ns，接近IVA次级电流脉宽(80～100ns)。因此，标定所获得的B-dot阵列灵敏度可以外推至IVA次级电流测量的实际使用情况，B-dot阵列标定结果合理、有效。

Claims (8)

1.一种感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统，所述感应电压叠加器包括中心内筒(4)、接地端外筒(2)及各级兆伏级感应腔(1)，在各级兆伏级感应腔(1)的出口处设置有过渡段外筒(5)，所述接地端外筒(2)、各级兆伏级感应腔(1)及各级兆伏级感应腔所对应的过渡段外筒(5)均设置在中心内筒(4)的外侧，且沿中心内筒的始端至末端依次串接，

所述感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统包括多个B-dot电流探头阵列，

其特征在于：

每个B-dot电流探头阵列(3)均分为两个小组分别设置于过渡段外筒(5)和对应的中心内筒(4)上，且过渡段外筒(5)与中心内筒(4)的B-dot电流探头安装位置一一对应。

2.根据权利要求1所述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统，其特征在于：

每个B-dot电流探头包括至少一个磁感应线圈、电缆连接器及支撑固定装置，所述磁感应线圈用于探测磁通密度的变化，所述磁感应线圈在电路板上沿同一方向顺时针或逆时针布线，形成PCB式磁感应线圈(31)；所述电缆连接器用于测量信号的引出；所述支撑固定装置用于PCB式磁感应线圈和/或电缆连接器的支撑固定。

3.根据权利要求2所述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统，其特征在于：

所述PCB式磁感应线圈(31)的数量为多个，多个磁感应线圈同向串联使用；

或所述PCB式磁感应线圈(31)的数量为两个，两个磁感应线圈反向并联使用。

4.根据权利要求3所述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统，其特征在于：

所述PCB式磁感应线圈(31)为双层板，磁感应线圈在印制板上采用顶层、底层双层布线，两层线圈之间通过金属过渡孔(35)导通。

5.根据权利要求4所述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统，其特征在于：

所述PCB式磁感应线圈(31)上的线圈顶层布线(32)始于印制板正面的中心，由印制板顶层的中心向顶端方向顺时针由外而内布线，顶层布线结束后，顶层布线的终点通过金属过渡孔(35)在下层按照顺时针方向布线，线圈下层布线(33)终止于印制板反面的接地区(34)。

6.权利要求1至5之任一权利要求所述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统的标定装置，其特征在于：

在感应电压叠加器的结构上，移除各级兆伏级感应腔(1)，在各级兆伏级感应腔(1)对应的位置设置标定外筒(6)，标定外筒(6)与过渡段外筒(5)连接，标定外筒(6)直径与过渡段外筒(5)直径相同，标定外筒(6)与过渡段外筒(5)共同组成标定装置外筒；

所述标定装置还包括标定脉冲电流源(8)、电流源外筒(81)及接地端盖(82)，所述电流源外筒(81)与标定装置外筒的末端连接，所述接地端盖(82)设置在电流源外筒(81)的端部，

所述标定脉冲电流源(8)设置在电流外筒(81)内，且一端与中心内筒(4)的末端连接用于向中心内筒(4)均匀注入标定脉冲电流，另一端与接地端盖(82)连接；

所述标定装置还包括接地圆环(7)，所述接地圆环(7)设置在第一级标定外筒(6)与中心内筒(4)之间，将标定装置外筒的始端与中心内筒(4)电气连接，

所述中心内筒(4)、接地圆环(7)、标定装置外筒、电流源外筒(81)、接地端盖(82)及标定脉冲电流源(8)构成了标定电流回路，

所述标定装置还包括电流测量线圈(9)，所述电流测量线圈(9)设置在标定电流回路中。

7.根据权利要求6所述的感应电压叠加器次级电流空间分布测量系统的标定装置，其特征在于：

所述标定脉冲电流源(8)包括第一同轴型双端出线电容器、第二同轴型双端出线电容器及串联在两只电容器之间的气体火花开关(11)，其中第一同轴型双端出线电容器与中心内筒(4)的末端连接，第二同轴型双端出线电容器与接地端盖(82)连接。

8.利用权利要求6-7所述的标定装置进行次级电流空间分布测量系统的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、在中心内筒(4)的末端轴心均匀注入标定脉冲电流；

2)、监测相同轴心位置标定外筒(6)和中心内筒(4)处的B-dot探头输出信号；

3)、监测电流测量线圈(9)的输出信号；

4)、将电流测量线圈(9)的输出信号与B-dot探头输出信号进行比较分析。