CN105486908A - 阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot探头及电流空间分布测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot探头及电流空间分布测量系统，其中的B-dot探头包括磁感应线圈、电缆连接器及支撑固定装置，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；支撑固定装置包括金属卡环及金属支撑环，金属卡环的顶部正对PCB式磁感应线圈的顶部处还开设有台阶孔，高分子材料绝缘薄片设置于台阶孔处，且与金属卡环固定连接，当B-dot探头受到磁绝缘传输线鞘层电子的轰击时，电子被绝缘薄片阻挡，电子能量沉积在绝缘薄片中。

Description

阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot探头及电流空间分布测量系统

技术领域

本发明提出一种B-dot探头及电流空间分布测量系统，在超高功率脉冲传输、真空磁绝缘传输线、Z箍缩负载区电流测量等方面具有重要应用。

背景技术

超高功率脉冲传输是大型脉冲功率系统研制的核心问题。真空磁绝缘传输线(Magneticallyinsulatedtransmissionline,MITL)是实现高电场强度下(超)高功率脉冲传输及汇聚的核心部件。MITL阴/阳极电流测量是评估磁绝缘状态和物理特性的重要方法，是MITL实验研究主要的诊断途径。B-dot电流探头在MITL电流测量中广泛应用。对于磁绝缘传输线，无论是磁绝缘形成过程还是达到磁绝缘稳态，均会有部分磁绝缘鞘层电子轰击并消失在MITL阴、阳电极上。高能电子轰击将会对MITL阴、阳极上的B-dot测量探头造成严重干扰，特别是MITL内筒上的B-dot更容易受鞘层电子的轰击，MITL内筒电流测量一直是该领域的技术难点。

为了抑制MITL鞘层电子轰击对B-dot电流探头的影响，美国Sandia国家实验室ZR装置外层磁绝缘线使用的B-dot，在一个探头腔内安装正、反两个磁感应线圈，来抑制共模干扰，同时探头腔体内浇注环氧树脂，环氧树脂表层镀5μm厚的镍络铁合金箔膜。中物院输出电流达8～10MA的“聚龙一号”，在测量外层磁绝缘电流时，同样在B-dot探头表面镀5μm厚的镍络铁合金膜，来减小磁绝缘鞘层电子流的干扰。上述B-dot结构复杂，探头性能受表面镀膜工艺影响很大，不便于批量生产制作，所镀5μm合金膜也容易受高能电子轰击而损坏。美国新墨西哥大学在进行圆盘状磁绝缘线实验时，在B-dot探头安装完毕后，在安装孔表面黏贴聚酰胺薄带，以阻挡磁绝缘鞘层电子进入探头腔体内。但上述B-dot探头和绝缘薄带是分离的，在抽真空过程中所黏贴的绝缘薄带极易脱落，使用十分不便。

此外，当多个B-dot探头组成阵列用于测量脉冲电流空间分布时，要求各探头灵敏度和频响特性尽可能一致，探头自身的灵敏度差异应远低于被测电流角向分布的差异。但目前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，无法满足这种特殊的需求。

发明内容

为了解决现有B-dot电流探头或结构复杂或使用不便的技术问题，本发明提供一种结构简单、使用方便且能够阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，同时，本发明还提供了一种基于该B-dot电流探头的电流空间分布测量系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，包括磁感应线圈、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，所述电缆连接器用于测量信号的引出，所述支撑固定装置用于B-dot电流探头各部件的支撑固定；

其特殊之处在于：

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1，PCB式磁感应线圈1一端设置有磁感应线圈接地区11，定义设置磁感线线圈接地区11的一端为接地端1A，与接地端相对的另一端定义为顶端1B，

所述支撑固定装置包括金属卡环2及金属支撑环3，所述金属支撑环的一侧开设有与接地端1A相匹配的定位卡槽6，接地端1A插在定位卡槽6内；所述金属卡环2从顶部1B放入且与金属支撑环3相扣合，所述金属卡环2与金属支撑环3通过同一紧固螺钉7紧固，

所述金属卡环2的顶部正对PCB式磁感应线圈的顶部1B处还开设有台阶孔8，所述台阶孔8的小端与PCB式磁感应线圈的顶部1B相接触，对PCB式磁感应线圈1具有限位作用；

所述B-dot电流探头还包括高分子材料绝缘薄片5，所述高分子材料绝缘薄片5设置于台阶孔8处，且与金属卡环2固定连接，当B-dot探头受到磁绝缘传输线鞘层电子的轰击时，电子被绝缘薄片阻挡，电子能量沉积在绝缘薄片5中；

所述金属支撑环3沿轴向还开设有电缆连接器安装孔，所述电缆连接器4通过电缆连接器安装孔与金属支撑环3连接。

上述PCB式磁感应线圈接地端1A设置有凹口，所述凹口包括第一凹口13和第二凹口14，所述第一凹口13从印制电路板外侧向内开设，形状呈矩形，所述第二凹口14从第一凹口13的底部中心向印制电路板中心开设，所述第二凹口14的底部位于印制板中心，所述电缆连接器4的芯线在第二凹口14处与磁感应线圈的始端接触，引出测量信号。

上述PCB式磁感应线圈1为双层板，所述磁感应线圈在印制电路板的顶层、底层分别布线，两层线圈之间通过金属过渡孔12导通。

上述PCB式磁感应线圈1上的线圈顶层布线10始于印制板正面的中心，由印制板顶层的中心顺时针方向由外而内布线，顶层布线结束后，顶层布线的终点通过金属过渡孔12在底层按照顺时针方向布线，线圈下层布线10终止于印制板反面的接地区11。

上述高分子材料绝缘薄片5的形状及大小与台阶孔8相匹配，小端与PCB式磁感应线圈的顶部1B接触；

上述高分子材料绝缘薄片5为耐高温、耐烧蚀的聚酰亚胺或聚四氟乙烯。

基于B-dot探头组成的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17、接地端外筒18及各级兆伏级感应腔19，在各级兆伏级感应腔19的出口处均设置有过渡段外筒20，所述接地端外筒18、各级兆伏级感应腔19及各级兆伏级感应腔所对应的过渡段外筒20均设置在中心内筒17的外侧，且沿中心内筒17的始端至末端依次串接，

所述感应电压叠加器次级电流测量系统包括多个B-dot电流探头阵列21，所述多个B-dot电流探头阵列位于感应叠加器多个不同的轴向位置。

其特殊之处在于：

多个B-dot电流探头阵列21中的B-dot探头结构如权利1-7之任一权利要求所述。

上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电流探头阵列21均分为两个小组分别设置于过渡段外筒20和对应的中心内筒17上，且过渡段外筒20与中心内筒17的B-dot电流探头角向安装位置一一相对。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明的B-dot电流探头的磁感应线圈采用印制电路板设计，线圈一致性好，多只B-dot输出差异小，在采用多只B-dot探头组成阵列进行脉冲电流空间分布均匀性测量等特殊场合具有显著优势。

2、本发明的B-dot探头采用聚四氟乙烯、聚酰亚胺等绝缘薄片覆盖在B-dot探头表面，能够有效阻挡磁绝缘鞘层电子进入探头腔体内，减弱鞘层电子轰击对磁感应线圈的干扰。覆盖的绝缘薄片与B-dot探头一体化设计，避免了使用过程中绝缘薄片脱落的风险。与目前国内外文献中报道的B-dot相比，本发明的覆膜B-dot结构省去了环氧浇注等工艺流程，结构更为简单，便于批量生产。

3、本发明的B-dot结构简单、装配可靠，抗振动性能强。本发明的金属卡环既对PCB式磁感应线圈起限位作用，同时对绝缘薄片具有固定支撑作用，实现了绝缘薄片与PCB式磁感应线圈的一体化设计。本发明的金属卡环与金属支撑环通过同一套螺纹紧固件将印制板从上、下两侧压紧，TNC输出连接器直接卡入PCB磁感应线圈的凹口内，实现良好电气连接，无需焊接，简化了装配工艺流程，避免了额外引线的电感。

4、本发明磁感应线圈采用双层布线PCB，提高了PCB磁感应线圈磁通量，同等PCB线圈面积时，双层布线可增多线圈匝数，输出信号幅值增大，提高了B-dot探头信噪比；相同输出信号幅值下，双层布线需要的PCB线圈面积减小，有利于探头的小型化。

5、本发明的PCB式B-dot探头组成测量阵列，用于感应电压叠加器次级电流空间分布测量等特殊场合时具有测量准确性高的优点。

附图说明：

图1A为覆盖绝缘薄片的B-dot电流探头结构图。

图1B为图1A的A-A视图。

图1C为图1A的B-B视图。

图2A为PCB式磁感应线圈一面的布线示意图。

图2B为PCB式磁感应线圈另一面的布线示意图。

图3A为1m长磁绝缘线内、外筒安装两套B-dot探头y-z截面示意图。

图3B为图3A中A区域的局部放大图，A区域的探头为常规B-dot。

图3C为图3A中B区域的局部放大图；B区域的探头为本发明中覆盖3mm厚聚酰亚胺薄片的B-dot探头。

图3D为1m长磁绝缘线内、外筒安装B-dot探头的x-y截面示意图。

图4为磁绝缘线始端施加的脉冲电压波形图。

图5为脉冲电压注入t＝74.5ns时刻，x-y平面(z＝500mm)的磁绝缘鞘层电子分布图。

图6a-e为脉冲注入不同时刻，x-y平面(z＝500mm)的磁绝缘鞘层电子分布。

图7为两级感应腔串联IVA装置结构示意图。

图8为探头安装位置横截面示意图。

其中附图标记为：1－PCB式磁感应线圈；1A-接地端；1B-顶端；2－金属卡环；3－金属支撑环；4-电缆连接器；5–绝缘薄片；6-定位卡槽；7-紧固螺钉；8-台阶孔；9-线圈顶层布线；10-线圈下层布线；11-接地区；12-金属过渡孔；13-第一凹口；14-第二凹口；17-中心内筒；18-接地端外筒；19-兆伏级感应腔；20-过渡段外筒。

具体实施方式

本发明提出一种覆盖绝缘薄片的B-dot电流探头，其核心思想：B-dot探头采用印制电路板(printedcircuitboard,PCB)型的磁感应线圈。在B-dot探头腔体入口，覆盖厚度为数毫米(一般为1～5mm)的绝缘薄片(聚四氟乙烯或聚酰亚胺等)。覆盖的绝缘薄片能够透过磁场，并不影响磁感应线圈的正常工作。当磁绝缘鞘层电子轰击绝缘薄片，电子能量会沉积在绝缘薄片中，从而将鞘层电子阻挡在B-dot腔体之外。覆盖绝缘薄片的厚度与磁绝缘鞘层电子能量相关，鞘层电子能量越大，绝缘薄片越厚。

以下结合附图对发明进行详细说明。

本发明的B-dot电流探头包括磁感应线圈、金属卡环2、金属支撑环3、TNC型同轴连接器及绝缘薄片5，其中，磁感应线圈在印制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1，PCB式磁感应线圈1一端设置有磁感应线圈接地区11，定义设置磁感线线圈接地区的一端为接地端1A，与接地端相对的另一端定义为顶端1B；支撑固定装置包括金属卡环2及金属支撑环3，金属支撑环3的一侧开设有与接地区相匹配的定位卡槽6，PCB式磁感应线圈的接地端1A插在定位卡槽6内；金属卡环2从PCB式磁感应线圈的顶部1B放入且与金属支撑环2相扣合，并通过由金属卡环侧旋入的紧固螺钉7紧固；金属卡环3的顶部正对PCB式磁感应线圈的顶部处还开设有台阶孔8，台阶孔8的小端与PCB式磁感应线圈的顶部1B相接触，对PCB式磁感应线圈1具有限位作用；高分子材料绝缘薄片设置于台阶孔8处，且与金属卡环2固定连接，当B-dot探头受到磁绝缘传输线鞘层电子的轰击时，鞘层电子能量沉积在绝缘薄片中；金属支撑环3沿轴向还开设有电缆连接器安装孔，电缆连接器通过电缆连接器安装孔与磁感应线圈接触，引出测量信号。

以下结合附图3～附图6对本发明的阻挡效果进行详细说明。

将本发明的B-dot电流探头安装在长度为1m的磁绝缘线内、外筒的中间位置(z＝500mm)，如图3中区域B所示，探头表面覆盖厚度为3mm的聚酰亚胺薄片。为了比较本发明中覆膜B-dot探头阻挡鞘层电子的效果，在与上述探头角向间隔180°处安装了两个常规B-dot探头(未覆盖绝缘薄膜)，如图3中A区域所示。探头安装位置的x-y截面(z＝500mm)如图3d所示。

磁绝缘线内筒直径Ф_i＝330mm，外筒直径Ф_o＝400mm。在磁绝缘线始端，施加如图4所示的脉冲电压，电压峰值1MV，脉冲持续时间80ns，上升时间20ns，脉冲平顶40ns，下降时间20ns，脉冲电压源特征阻抗为1Ω。磁绝缘线末端为短路负载。由Creedon磁绝缘理论，在图4的脉冲电压驱动下，该段传输线满足最小磁绝缘条件，为负载限制型磁绝缘。

对图2所示的真空磁绝缘线进行三维全尺寸粒子模拟(particle-in-cell,PIC)，以观测本发明的B-dot探头阻挡磁绝缘鞘层电子的效果。图5为脉冲电压注入t＝74.5ns时刻，x-y平面(z＝500mm)的磁绝缘鞘层电子分布，可以看到，大量鞘层电子进入安装在内筒上的常规B-dot腔体内(图5中A区域)，而本发明的B-dot探头利用覆盖的绝缘薄片将鞘层电子阻挡在探头腔体之外(图5中B区域)。

图6为脉冲注入不同时刻，x-y平面(z＝500mm)的磁绝缘鞘层电子分布。可以看到，在整个磁绝缘形成及发展过程中，本发明的覆膜B-dot探头均能够有效阻挡了鞘层电子进入探头腔体内部。

本发明的B-dot电流探头在采用多只B-dot探头组成阵列进行脉冲电流空间分布均匀性的测量时具有显著优势，图7为两级感应腔串联IVA装置结构示意图，图8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对应的轴向位置，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。

Claims (8)

1.一种阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，包括磁感应线圈、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，所述电缆连接器用于测量信号的引出，所述支撑固定装置用于B-dot电流探头各部件的支撑固定；

其特征在于：

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(1)，PCB式磁感应线圈(1)一端设置有磁感应线圈接地区(11)，定义设置磁感线线圈接地区(11)的一端为接地端(1A)，与接地端相对的另一端定义为顶端(1B)，

所述支撑固定装置包括金属卡环(2)及金属支撑环(3)，所述金属支撑环的一侧开设有与接地端(1A)相匹配的定位卡槽(6)，接地端(1A)插在定位卡槽(6)内；所述金属卡环(2)从顶部(1B)放入且与金属支撑环(3)相扣合，所述金属卡环(2)与金属支撑环(3)通过同一紧固螺钉(7)紧固，

所述金属卡环(2)的顶部正对PCB式磁感应线圈的顶部(1B)处还开设有台阶孔(8)，所述台阶孔(8)的小端与PCB式磁感应线圈的顶部(1B)相接触，对PCB式磁感应线圈(1)具有限位作用；

所述B-dot电流探头还包括高分子材料绝缘薄片(5)，所述高分子材料绝缘薄片(5)设置于台阶孔(8)处，且与金属卡环(2)固定连接，当B-dot探头受到磁绝缘传输线鞘层电子的轰击时，电子被绝缘薄片阻挡，电子能量沉积在绝缘薄片(5)中；

所述金属支撑环(3)沿轴向还开设有电缆连接器安装孔，所述电缆连接器(4)通过电缆连接器安装孔与金属支撑环(3)连接。

2.根据权利要求1所述的阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，其特征在于：

所述PCB式磁感应线圈接地端(1A)设置有凹口，所述凹口包括第一凹口(13)和第二凹口(14)，所述第一凹口(13)从印制电路板外侧向内开设，形状呈矩形，所述第二凹口(14)从第一凹口(13)的底部中心向印制电路板中心开设，所述第二凹口(14)的底部位于印制板中心，所述电缆连接器(4)的芯线在第二凹口(14)处与磁感应线圈的始端接触，引出测量信号。

3.根据权利要求1至2之任一权利要求所述的阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，其特征在于：

所述PCB式磁感应线圈(1)为双层板，所述磁感应线圈在印制电路板的顶层、底层分别布线，两层线圈之间通过金属过渡孔(12)导通。

4.根据权利要求3所述的阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，其特征在于：

所述PCB式磁感应线圈(1)上的线圈顶层布线(10)始于印制板正面的中心，由印制板顶层的中心顺时针方向由外而内布线，顶层布线结束后，顶层布线的终点通过金属过渡孔(12)在底层按照顺时针方向布线，线圈下层布线(10)终止于印制板反面的接地区(11)。

5.根据权利要求4所述的阻挡磁绝缘鞘层电子的B-dot电流探头，其特征在于：

所述高分子材料绝缘薄片(5)的形状及大小与台阶孔(8)相匹配，小端与PCB式磁感应线圈的顶部(1B)接触。

6.根据权利要求1所述的阻挡磁绝缘传输线鞘层电子的B-dot电流探头，其特征在于：

所述高分子材料绝缘薄片(5)为耐高温、耐烧蚀的聚酰亚胺或聚四氟乙烯。

7.基于B-dot探头组成的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(17)、接地端外筒(18)及各级兆伏级感应腔(19)，在各级兆伏级感应腔(19)的出口处均设置有过渡段外筒(20)，所述接地端外筒(18、各级兆伏级感应腔(19)及各级兆伏级感应腔所对应的过渡段外筒(20)均设置在中心内筒(17)的外侧，且沿中心内筒(17)的始端至末端依次串接，

所述感应电压叠加器次级电流测量系统包括多个B-dot电流探头阵列(21)，所述多个B-dot电流探头阵列位于感应叠加器多个不同的轴向位置，

其特征在于：

多个B-dot电流探头阵列(21)中的B-dot探头结构如权利1-7之任一权利要求所述。

8.根据权利要求7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电流探头阵列(21)均分为两个小组分别设置于过渡段外筒(20)和对应的中心内筒(17)上，且过渡段外筒(20)与中心内筒(17)的B-dot电流探头角向安装位置一一相对。