天光Ⅱ－B裝置的診斷刻度

鄒 儉，曾乃工，王 川，張?zhí)炀?，姜興東

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

天光Ⅱ－B脈沖功率裝置是在天光Ⅱ－A的基礎(chǔ)上建立而成的，利用天光Ⅱ－A的Marx發(fā)生器，在Marx油箱側(cè)面建立一條新的實驗線路，在保留裝置原有泵浦激光能力的基礎(chǔ)上，可進行其他相關(guān)實驗研究。

電壓和電流是脈沖功率技術(shù)中十分重要的電氣參數(shù)，要求測到的電壓和電流波形真實準確，因此對診斷設(shè)備的穩(wěn)定性、響應(yīng)時間和靈敏度均有一定要求。對于電壓的測量，一般采用電阻分壓器或電容分壓器，對于電流的測量，一般采用羅柯夫斯線圈或回流器［1－4］。本工作擬對天光Ⅱ－B裝置的電流電壓診斷設(shè)備和方法進行研究。

1 系統(tǒng)

天光Ⅱ－B脈沖功率裝置原理如圖1所示，由 Marx發(fā)生器（0.1μF／100kV 的電容器20臺，單臺電容器工作充電電壓75kV，正負充電）將形成線充電到1.5MV，主開關(guān)擊穿，由傳輸線到達負載，所以測量探頭必須安裝在負載前、傳輸線末端的位置［5－6］。

圖1 天光Ⅱ－B脈沖功率裝置原理框圖Fig.1 Block diagram of LightⅡ－B pulsed power device

2 探頭

2.1 電壓探頭

用示波器測量高壓脈沖時，通常需用到分壓器，把脈沖的幅度降低，以滿足示波器量程。為了得到真實的波形，分壓器的分壓比必須準確標定，在高壓納秒技術(shù)中，一般采用電容分壓器，因其結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)可做到很寬，不直接接觸高壓電極，可忽略電場擾動影響。因此，選用水介質(zhì)電容分壓器（圖2）。

圖2 電容分壓器原理圖Fig.2 Principle diagram of capacitive voltage divider

電容分壓器的高壓臂電容CHV為電容分壓器內(nèi)導體桿與傳輸線內(nèi)筒之間的電容，其大小由下式估算：CHV＝C0×＝1.167pF，式中，ri＝0.005m、di＝0.01m 分別為電容分壓器內(nèi)導體桿的半徑與直徑，Ro＝0.179 5m為傳輸線的外筒內(nèi)徑，C0＝240pF為單位長度（0.01m）傳輸線對應(yīng)的電容。

電容分壓器的低壓臂電容CLV為電容分壓器內(nèi)導體桿與電容分壓器外筒之間的電容，C＝2πεl／ln＝1 106pF，式中，r＝0.006mLVo為電容分壓器外導體桿的半徑，l＝0.045m為電容分壓器導體桿的長度，ε為水的介電常數(shù)。故估算的電容分壓比kc＝＝663。

小裝置的脈沖寬度為60ns，為了能在測量負載電壓時得到平頂波，在電容分壓器輸出接阻容耦合電路，輸出的總分壓比需在線標定。

2.2 電流探頭

對負載前電流值的測量，采用回流在小電阻上的電壓值來計算電流值，為避免并聯(lián)小電阻在強流下燒毀，以及趨膚效應(yīng)的影響所造成的偏差，采用不銹鋼金屬膜替代并聯(lián)小電阻，在傳輸線末端與負載絕緣環(huán)的外徑處，將不銹鋼金屬膜繞其1周構(gòu)成回路。由于金屬膜電阻值難以計算，必須進行在線標定。

采用平均厚度δ＝17μm的不銹鋼薄膜，圓周長度L＝118cm，薄膜寬度Δw＝2.6cm，不銹鋼的電阻率ρ＝90×10－6Ω·cm（環(huán)境溫度20℃），則金屬膜電阻環(huán)的阻值Rfilm＝＝1.16Ω·cm，薄膜的趨膚效應(yīng)深度可由下式［8］估算：δ＝，其中，磁導率μ＝4π×10－9H／cm，ω＝2πf，脈沖頻率f＝0.4／t0，脈沖波形上升時間t0＝1.8×10－8s，可得δ0＝103μm，δ0?δ，因此趨膚效應(yīng)可忽略不計。

由于該傳輸線的特性阻抗為1.25Ω，因此標定信號在通過電纜進入傳輸線前，為了避免50Ω電纜與1.25Ω傳輸線間由于阻抗不匹配發(fā)生反射，需加一50Ω至1.25Ω阻抗轉(zhuǎn)換器，這一轉(zhuǎn)換器對信號有約40倍的衰減，具體的衰減倍數(shù)也需標定。

3 方法

標定系統(tǒng)由標準方波發(fā)生器、衰減器、雙屏蔽電纜、示波器等組成，連接被測系統(tǒng)后的整個標定系統(tǒng)如圖3所示。

為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，方波發(fā)生器采用1臺上升前沿約1ns、脈寬100ns、輸出阻抗50Ω、穩(wěn)定工作的幅值10kV連續(xù)可調(diào)的信號源，圖4為該方波發(fā)生器經(jīng)300倍阻抗變換器衰減后的輸出波形。方波發(fā)生器輸出兩路信號，一路作為監(jiān)測信號經(jīng)過約626倍的分壓比直接進入示波器用于幅值監(jiān)測及波形觸發(fā)；一路作為輸入信號進入被測系統(tǒng)，標定時為了保證輸入信號不發(fā)生畸變，系統(tǒng)各部分必須阻抗匹配，信號源輸出阻抗50Ω，傳輸線特性阻抗1.25Ω，所以在信號源與傳輸線之間引入阻抗變換器使其阻抗匹配，同時以電容分壓器與金屬膜回流器分別引出信號進入示波器進行測量。

圖5為Ansoft公司的Simplore6.0電路模擬軟件建立的標定系統(tǒng)電路圖，圖中E1為脈沖源，C1、C2、R1、R2分別為高低壓電容和電阻，R4、C3為阻容耦合電路，可改善輸出波形，LTRA1為電纜線，R5為示波器輸入阻抗，R3為負載。

R1、R2的阻值與水電阻率有關(guān)，為了驗證電容分壓器內(nèi)水質(zhì)的變化是否會影響輸出波形，先后用1MΩ·cm、5kΩ·cm、2.5kΩ·cm等3組電阻率對輸出電路進行模擬測試，發(fā)現(xiàn)輸出波形無任何改變，從而證實了電容分壓器穩(wěn)定、可靠。

4 測試

在正式測量前，需對測量所用的阻抗變換器進行標定。

4.1 阻抗變換器標定

為了保證標定的準確性，要求整個系統(tǒng)阻抗匹配，信號不發(fā)生畸變。標定系統(tǒng)用傳輸線的獨立末端標定，在末端前加一錐形等阻抗過渡段，信號由此進入，筒內(nèi)充入去離子水，特性阻抗為1.25Ω。標定電纜阻抗50Ω，為了與特性阻抗相匹配，需在兩者之間加一電阻網(wǎng)絡(luò)，圖6為該阻抗變換器等效電路圖，滿足：

此時，信號從Z1傳輸或Z2傳輸，阻抗均是匹配的，不會發(fā)生反射。如果Z1＞Z2，即Z1看作50Ω，Z2看作1.25Ω，根據(jù)方程可解出R1與R3的值。

圖6 阻抗變換器電路圖Fig.6 Circuit of impedance convertor

4.2 測量

實際測量中，由于測量信號很小，被高頻信號聲掩蓋，幾乎無法辨讀，在示波器上雖降噪測量（帶寬20MHz）可得到清晰波形，但幅值與上升時間明顯失真，只可作為參考，因此采用不降噪測量（帶寬200MHz）。為此，對測量系統(tǒng)進行了改善，采用雙屏蔽線電纜傳輸信號，以減少噪聲，測得的電流電壓輸出信號波形如圖7所示，電容分壓器響應(yīng)時間小于5ns。根據(jù)監(jiān)測信號與電壓信號，可計算出分壓比及膜電阻靈敏度，測量值列于表1。

圖7 帶寬200MHz輸出電壓電流波形Fig.7 Output voltage and current waveforms for bandwidth of 200MHz

表1 帶寬200MHz電流電壓診斷刻度性能指標Table 1 Output voltage and current guide line for bandwidth of 200MHz

實驗中發(fā)現(xiàn)，不同時間段測量到的膜電阻是變化的，由于該膜電阻為不銹鋼薄膜材料，其電阻率隨溫度的變化而變化，在不同的溫度下對其測量，得到的曲線如圖8所示。由圖8可見，該不銹鋼膜電阻隨溫度的升高而升高，在誤差系數(shù)0.5%情況下，具有一定的線性度，在以后的實驗中可根據(jù)圖8選定準確的電阻值。

圖8 膜電阻隨溫度的變化曲線Fig.8 Curve of film resistance changing with temperature

5 結(jié)論

在對脈沖功率負載電壓電流測量中，測量系統(tǒng)的帶寬選擇對結(jié)果有一定的決定作用。以往均采用降噪測量獲取波形，降噪處理波形清晰，但輸出幅值及上升時間失真。不降噪測量信噪比小，不易讀取波形，可通過本研究的方法得以改善，得出相對真實的波形數(shù)據(jù)。本研究結(jié)果說明，在示波器帶寬為200MHz測量下，電容分壓器總的分壓比為9 100，膜電阻為0.76mΩ，膜回流器靈敏度為1.316kA／V。同時該電容分壓器和膜回流器性能穩(wěn)定、響應(yīng)快，是測量負載前電壓與電流的理想工具。

［1］姜興東，曾乃工.高功率脈沖測試探頭的標定［C］∥第五屆高電壓新技術(shù)交流會論文集.廈門：中國工程物理研究院，2000：169－175.

［2］曾乃工，楊大為，姜興東，等.天光Ⅱ號強流脈沖電子加速器［C］∥第五屆全國高功率會議論文集.合肥：高電壓新技術(shù)分委會，1993：207－211.

［3］劉錫三.高功率脈沖功率技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005：154－174.

［4］劉錫三.強流粒子束及其應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007：283－315.

［5］FOY R，LABEYRIE A.Feasibility of adaptive telescope with laser probe［J］.Astron Astrophys，1985，152（1）：129－130.

［6］曾正中.脈沖功率技術(shù)引論［M］.西安：陜西科學技術(shù)出版社，2003：147－180.