CN106556725A - 用于x箍缩负载电流测量的同轴式分流器 - Google Patents

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王亮平
张金海
李沫
张信军
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Abstract

本发明涉及一种用于X箍缩负载电流的同轴式分流器，包括金属屏蔽壳体、镍电阻及电缆接头，镍电阻位于金属屏蔽壳体内，并与金属屏蔽壳体同轴设置；镍电阻包括镍膜、圆柱形绝缘骨架、电极一及电极二，镍膜包覆在圆柱形绝缘骨架的外表面，电极一与电极二位于圆柱形绝缘骨架的两端并与镍膜电连接，金属屏蔽壳体与电极二连接，电缆接头的芯线与电极二连接，电缆接头的接地端与屏蔽壳体电连接；同轴式分流器位于阳极板的上方，电极一与X箍缩负载的电极连接，X箍缩负载的电极与阳极板之间通过绝缘体绝缘，金属屏蔽壳体与阳极板电连接。本发明避免了利用Rogowski线圈测量电流时遇到的系数标定等相关问题，且具有制作成本低、结构紧凑、重复利用效率高的优点。

Description

用于X箍缩负载电流测量的同轴式分流器
技术领域
本发明涉及一种高功率X箍缩负载电流测量方法，特别是涉及利用分流器测量X箍缩负载电流的方法。
背景技术
高功X箍缩是由相交于一点成“X”形的两根或多根金属细丝组成，在脉冲大电流的作用下，交叉点区域可产生一个或多个高亮度的脉冲X射线辐射，辐射源尺寸为微米量级、脉冲宽度为亚纳秒、辐射能谱为1-10keV。X箍缩主要用于X射线点投影照相，被拍摄物体放置于X箍缩负载与记录胶片之间，点源辐射将被拍摄物体投影至胶片上。X箍缩非常适合用于记录高密度物体快速演化的物理过程，具有微米级的空间分辨和亚纳秒的时间分辨。由于X箍缩的上述优点，基于回流柱结构的X箍缩经常用来诊断金属丝阵负载Z箍缩的放电融蚀过程。
直至目前为止，X箍缩本身仍然有诸多基本物理问题尚未能完全阐述清楚，在这其中，对其放电至最终箍缩辐射整个过程的电参数测量尤为重要。负载电参数主要包括负载电压和电流，而对于X箍缩负载来说，电流幅值及上升沿直接决定了最终箍缩及X射线辐射能谱及产额。根据国内外多个实验室如美国Sandia实验室、Connell大学、国内清华大学相关实验室的发表文献可知，通常对于X箍缩电流测量采用传统的微分或积分式Rogowski线圈。
Rogowski线圈作为脉冲功率技术中的常规测量手段，其优点在于结构简单，使用方便；缺点在于线圈系数的标定，一般来说由于经过X箍缩负载电流在100kA甚至更大，而对于线圈系数的标定通常在低等级电流如1kA的水平下进行标定，而且标定线圈系数时电流上升前沿时间往往与真实实验中电流波形的上升前沿时间不吻合，这些线圈系数标定过程中的不确定性成为影响线圈真实系数的潜在不利因素。
综上所述，尽管目前的相关文献中都是利用Rogowski微积分线圈进行X箍缩电流测量，但Rogowski线圈本身存在的系数标定不确定性对真实X箍缩电流波形测量存在潜在影响；在X箍缩电流测量手段及方法方面仍然有必要进行其它有益的尝试和展开相关研究。
发明内容
针对现有X箍缩负载电流测量技术中存在的问题，本发明的目的是采取一种与传统Rogowski线圈技术路线截然不同的X箍缩负载电流测量手段，最终有效获得合理的X箍缩负载电流。
具体方案如下：
本发明用于X箍缩负载电流测量的同轴式分流器，其特征在于：包括
金属屏蔽壳体、镍电阻及电缆接头，
所述镍电阻位于金属屏蔽壳体内，并与金属屏蔽壳体同轴设置；
所述镍电阻包括镍膜、圆柱形绝缘骨架、电极一及电极二，所述镍膜包覆在圆柱形绝缘骨架的外表面，所述电极一与电极二位于圆柱形绝缘骨架的两端并与镍膜电连接，
所述金属屏蔽壳体与电极二连接，
所述电缆接头的芯线与电极二连接，接地端与屏蔽壳体电连接；
所述同轴式分流器位于阳极板的上方，所述电极一与X箍缩电极连接，所述X箍缩电极与阳极板之间通过绝缘体绝缘，所述金属屏蔽壳体与阳极板电连接。
上述金属屏蔽壳体与阳极板电连接的一端由金属屏蔽壳体外壁向外延伸形成圆环，圆环的下底面与阳极板接触。
利用同轴式分流器进行X箍缩电流测量的有益效果在于：
1.本发明避免了利用Rogowski线圈测量电流时遇到的系数标定等相关问题。
2.本发明同轴式分流器制作成本低、结构紧凑、重复利用效率高。
3.本发明分流器本身参数只需要标定电阻值，操作使用简单。
附图说明
图1一般X箍缩负载及丝阵负载安装结构示意图；
图2是图1中整体结构的等效电路图；
图3同轴式分流器具体结构示意图；
图4(a)为“强光一号”装置上分流器薄膜电阻标定电路图；
图4(b)为“强光一号”装置上分流器薄膜电阻标定结果；
图5是利用分流器获得X箍缩负载电流波形。
其中附图标记为：1-同轴式分流器、2-阳极板、3-X箍缩负载的电极、4-金属丝阵、5-回流柱、6-金属电极、7-阴极、8-绝缘体、9-胶片、11-电极一、12-电极二、13-镍膜、14-金属屏蔽壳体、15-回流壁、16-电缆接头。
具体实施方式
与Rogowski线圈不同，本发明用同轴式分流器对X箍缩负载电流进行测量。
图1为本发明的同轴式分流器1与X箍缩负载结构的安装示意图。其中，中心的金属丝阵4负载安装于黄铜阴极7与阳极板之间，而X箍缩负载安装于阳极板2与金属电极6之间，并与1～3根回流柱5相互并联，X箍缩负载的电极3与阳极板2间没有直接电接触，而是连接于同轴式分流器电极一11上，X箍缩负载包括两端的X箍缩电极3与中间的X丝，与丝阵结构类似，这里X箍缩电极3与与阳极板2间通过绝缘体8进行相互绝缘，保证电流将由同轴式分流器1流过X箍缩负载。
当中心丝阵电极有强电流(MA量级)流过时，电流通过阳极板2并经过回流柱5分流后部分电流流经X箍缩负载，形成点状X射线源，并对中心丝阵的早期融蚀放电过程进行点投影成像，成像结果记录于负载外围胶片9上。
中心丝阵、X箍缩负载、以及同轴式分流器等形成的等效电路如图2所示。如前文所述，强脉冲电流流经中心丝阵负载后，由回流柱进行分流，分流后的电流依次流过X箍缩负载和同轴式分流器，同轴式分流器的电极一与X箍缩负载的电极相连接，二者与阳极板之间通过绝缘体进行隔离，以防止分流器被短路，部分强电流脉冲从金属电极出发流经X箍缩负载再通过同轴式分流器，而后经阳极板通过中心负载回到阴极，形成回路。分流器输出电信号至示波器进行记录。
同轴式分流器的具体结构参看图3，为了便于说明，图3中对外围金属屏蔽壳体14及同轴式回流壁15进行了部分剖面处理。分流器的关键部分为薄膜电阻，本案中采用10μm厚的金属镍膜13，将其压制于电极一11与电极二12之间以形成良好的电接触，电极一11用于连接X箍缩负载电极3，电极二12则直接连接于金属屏蔽壳体14上。当电流流过镍膜13时，通过测量镍膜13两端的电压，则可利用该电压与镍薄膜的电阻获得X箍缩负载电流。然而，镍薄膜除了本身具有电阻外，还与同轴的外回流壁15间存在电感，由于电感的分压影响，因此为了测量的准确性，必须保证电感足够小，一般来说金属薄膜的电阻在mΩ量级，而电流上升的特征时间为10-7s，因此，电感的取值应小于10-10H。例如本案中用于强光一号的同轴式分流器的电感值为0.08nH。
该分流器已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”装置上使用，在该装置上开展的X箍缩用于诊断丝阵早期熔蚀过程实验中，成功获得了X箍缩的电流波形，取得了良好的实用效果。
在“强光一号”装置上使用该方法的具体实施方式为：
根据“强光一号”驱动电流及回流柱结构设计分流器具体几何尺寸，并预测所测电电流幅值。具体选取分流器薄膜电阻值为1.7mΩ，电感0.08nH。
1.对分流器的电阻值进行实验标定，标定实验的结构与图1所示结构的唯一不同点在于，利用铜棒(便于重复使用，阻抗记为Z0)代替中心丝阵负载，具体标定电路如图4(a)所示。利用脉冲电压源对阴极板馈入电压(0～2kV)方波，用标准Pearson线圈获得通过分流器电流，分流器电压通过示波器监测获得，则利用电流及电压波形即可计算获得分流器电阻，对于“强光一号”使用的同轴式分流器其电阻为3.2mΩ。
2.进行金属丝阵(平面型铝丝阵)X箍缩点投影成像实验，利用分流器获得X箍缩负载电流波形，如附图5所示。

Claims (2)

1.用于X箍缩负载电流测量的同轴式分流器，其特征在于：包括金属屏蔽壳体(14)、镍电阻及电缆接头(16)，
所述镍电阻位于金属屏蔽壳体内，并与金属屏蔽壳体同轴设置；
所述镍电阻包括镍膜(13)、圆柱形绝缘骨架、电极一(11)及电极二(12)，所述镍膜包覆在圆柱形绝缘骨架的外表面，所述电极一(11)与电极二(12)位于圆柱形绝缘骨架的两端并与镍膜(13)电连接，
所述金属屏蔽壳体(14)与电极二(12)连接，
所述电缆接头(16)的芯线与电极二(12)连接，电缆接头(16)的接地端与屏蔽壳体(14)电连接；
所述同轴式分流器(1)位于阳极板(2)的上方，所述电极一(11)与X箍缩负载的电极(3)连接，所述X箍缩负载的电极(3)与阳极板(2)之间通过绝缘体(8)绝缘，所述金属屏蔽壳体(14)与阳极板(2)电连接。
2.根据权利要求1所述的用于X箍缩负载电流测量的同轴式分流器，其特征在于：
所述金属屏蔽壳体(14)与阳极板(2)电连接的一端由金属屏蔽壳体外壁向外延伸形成圆环形回流壁(15)，圆环形回流壁(15)的下底面与阳极板(2)接触。
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