強(qiáng)激光打靶輻射電磁脈沖誘導(dǎo)線纜串?dāng)_模擬

李廷帥，李子豪，易 濤，王傳珂，何強(qiáng)友，楊 雨，王 峰*

(1. 電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院 成都 611731；2. 中國工程物理研究院激光聚變研究中心 四川 綿陽 621900)

激光打靶驅(qū)動慣性約束聚變的過程中會產(chǎn)生大量的帶電粒子，如高能電子[1]、X 射線[2]、帶電離子[3]，進(jìn)而產(chǎn)生大量的強(qiáng)電磁脈沖[4]。脈沖信號的瞬態(tài)強(qiáng)度高達(dá)幾百M(fèi)V/m，頻域分布在幾百M(fèi)Hz到幾個GHz[5-7]。電磁輻射特性與靶材和靶型有關(guān)，摻雜不同含量Ti 的靶產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)度不同[8]，激光與不同靶型包括真空球腔靶、真空柱腔靶、平面靶、金球靶、網(wǎng)格靶、半黑腔靶、充氣球腔靶、桶腔靶等作用產(chǎn)生的電磁波形也有很大差異，波形時間演變規(guī)律與激光能量有關(guān)[9]。文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果表明黑腔靶的開口尺寸會影響電磁輻射的強(qiáng)度。距離靶室中心不同距離處的電磁輻射測量結(jié)果表明，靶室內(nèi)的電磁波形極為復(fù)雜，應(yīng)該是多個輻射與震蕩過程的混合信號，靶室內(nèi)外信號強(qiáng)度差異較大[11]。這些電磁脈沖信號對物理診斷和數(shù)據(jù)采集造成干擾，同時脈沖信號耦合進(jìn)傳輸線后會對其他線纜產(chǎn)生串?dāng)_影響。探究激光打靶過程中串?dāng)_信號造成的影響和如何進(jìn)行減小串?dāng)_信號，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

電磁輻射環(huán)境下的線纜信號串?dāng)_現(xiàn)象普遍存在，如動車和地鐵里的傳感器連接的線纜放置在金屬溝槽當(dāng)中，溝槽的金屬結(jié)構(gòu)對線纜的分布參數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響線纜的串?dāng)_情況[12-14]；飛行器里的電子設(shè)備使用不同種類的線纜，會存在串?dāng)_[15-16]；在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，不同放置方式下不同種類線纜會產(chǎn)生串?dāng)_[17-18]。在強(qiáng)激光物理實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確測量電磁輻射的分布有助于深刻理解激光與靶耦合的物理過程，但圍繞靶室周圍的各種診斷設(shè)備線纜必然受到強(qiáng)電磁脈沖的影響，造成信號串?dāng)_。因此，對強(qiáng)激光打靶過程中產(chǎn)生的電磁脈沖耦合線纜造成串?dāng)_的規(guī)律進(jìn)行深入系統(tǒng)的探討，揭示關(guān)鍵影響因素，設(shè)計(jì)合理的屏蔽，具有重要的理論與工程價(jià)值。本文通過傳輸線理論[19-20]建立串?dāng)_等效模型，并使用CST 2019 電纜工作室建立平行線纜模型[21]，饋入神光II 升級靶場中一發(fā)實(shí)際測得的電磁脈沖信號，研究了不同線纜間距、線纜長度對串?dāng)_信號幅值的影響，并探討了添加金屬屏蔽層后對串?dāng)_的衰減機(jī)制。

1 串?dāng)_原理

電信號在電纜中傳輸泄露電磁輻射，這個現(xiàn)象可以通過傳輸線原理來研究。由于同軸線纜芯線與屏蔽層之間有分布式電感、電容和電阻，每條電纜之間也有互電感和互電容，因此線纜信號耦合時會受到這些參數(shù)的影響，線纜的性質(zhì)也會對串?dāng)_信號產(chǎn)生很大的影響。圖1 為兩根平行線纜串?dāng)_的傳輸線模型，饋入信號的線纜是信號源線纜，受串?dāng)_信號影響的是接收線纜，其中L1、L2、C1、C2、R1、R2分別是單位長度信號源線纜和接收線纜的自電感、自電容和內(nèi)阻，LM、CM是單位長度線纜之間的互電感和互電容。

圖1 線纜串?dāng)_等效模型

L、C、R分別是由線纜的分布式電感、電容、電阻確定的矩陣，表示為：

如果已知信號源線纜和接收線纜的分布式參數(shù)，那么可以通過傳輸線方程來計(jì)算串?dāng)_信號的大小。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)軟件CST 電纜工作室是通過計(jì)算電纜之間的各種電參數(shù)，并基于傳輸線理論來進(jìn)行建模仿真。

2 電磁脈沖實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

在神光II 升級靶場內(nèi)進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)，激光與靶相互作用的過程中，以靶為中心輻射出電磁脈沖信號。在靶場不同位置放置脈沖診斷裝置采集靶場的電磁脈沖信號，并連接70 m 長的同軸線纜到示波器上，以此來評估靶場受電磁脈沖干擾的程度，靶場示意圖如圖2 所示。

圖2 神光Ⅱ升級靶場點(diǎn)位示意圖

在神光II 升級裝置中進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)，用九路皮秒激光(319.19 J)入射銅平面靶，在升級靶場靶球外的激光入口處放置垂直安裝的微帶天線，通過線纜連接示波器收集電壓信號，示波器放置在法拉第籠中，防止打靶產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖直接對示波器產(chǎn)生影響，靶場示意圖如圖3 所示。測得此點(diǎn)位時域電壓信號，采集數(shù)據(jù)顯示電磁信號幅值為52.79 V，脈沖持續(xù)時間約400 ns，通過傅里葉變換得到其頻域信號，可以看出電壓信號主頻率在3 GHz 內(nèi)，峰值在1.5 GHz 左右。將該信號作為饋入信號源線纜端口的串?dāng)_源信號。激光入口點(diǎn)位時域、頻域電壓信號如圖4 所示。

圖3 神光Ⅱ升級靶場布置示意圖

圖4 B06 點(diǎn)位電磁輻射信號

3 模擬仿真

在CST 電纜工作室中建立模型，靶室內(nèi)部環(huán)境中，線纜放置距離往往很近，將4 根長度為2 m的RG58 同軸線纜與信號源線纜分別間隔2、5、10、15 cm 平行放置，離地高度均為5 cm，同軸線纜外屏蔽層接地，屏蔽層與內(nèi)芯之間做內(nèi)阻為50 Ω的匹配，線纜連接如圖5 所示。對信號源線纜端口饋入采集信號后進(jìn)行模擬，線纜輸出端口信號為串?dāng)_信號。

圖5 線纜模型連接示意圖

圖6 不同間距線纜受到的串?dāng)_信號

在實(shí)際打靶測試實(shí)驗(yàn)中，鋪設(shè)線纜的長度通常為20 和70 m，線纜衰減會導(dǎo)致測試信號與實(shí)際信號不匹配。為了研究線纜長度對信號串?dāng)_的影響，將兩根線纜間隔5 cm 平行放置，長度分別設(shè)置為2、20、70 m 進(jìn)行電磁脈沖信號的饋入模擬。圖7和圖8 分別給出不同長度線纜的串?dāng)_系數(shù)和電壓譜密度，2 m 長線纜串?dāng)_系數(shù)為?131 dB，20 m 長線纜串?dāng)_系數(shù)為?111 dB，70 m 長線纜串?dāng)_系數(shù)為?102 dB。由此可見，增長線纜長度可以減弱對串?dāng)_信號的衰減能力。當(dāng)信號達(dá)到一定頻率時，線纜的頻率與串?dāng)_系數(shù)不再完全呈正比或反比關(guān)系，線纜對其屏蔽效果不能用數(shù)字表達(dá)，即達(dá)到了線纜的諧振頻率。長度為2 m 的線纜的諧振頻率在100 MHz左右，長度為70 m 的線纜的諧振頻率已經(jīng)下降到幾MHz，可以看出線纜長度越長，諧振頻率越小，諧振頻域越寬。信號通過線纜傳播時，金屬芯線的介質(zhì)損耗會導(dǎo)致輸出信號幅值的減小，且芯線的介電常數(shù)和頻率有關(guān)，越高頻信號受到的損耗越大，所以線纜長度會影響高頻信號的傳輸，線纜越長，介電損耗越嚴(yán)重，串?dāng)_系數(shù)越大，對高頻信號的衰減越大。

圖7 不同長度線纜串?dāng)_系數(shù)

圖8 不同長度線纜頻譜電壓譜密度

為了消除電磁脈沖耦合進(jìn)線纜造成的串?dāng)_，將距離信號源線纜2、5、10、15 cm 的線纜用0.1 mm 厚的銅箔包裹，對屏蔽處理過后的線纜進(jìn)行S參數(shù)模擬，進(jìn)一步計(jì)算獲得串?dāng)_信號的大小。不同端口之間的S參數(shù)即為線纜串?dāng)_系數(shù)，圖9 對比了不同間距線纜在屏蔽前后的串?dāng)_系數(shù)。串?dāng)_系數(shù)越小，線纜之間的串?dāng)_信號越弱，可以看出屏蔽處理后線纜的串?dāng)_系數(shù)顯著小于未屏蔽的線纜；線纜間距相同的情況下，線纜屏蔽前后串?dāng)_系數(shù)相差約30 dB，且與信號源的間距越大，串?dāng)_系數(shù)減小的程度越小，間距2 和5 cm 線纜串?dāng)_系數(shù)相差約為15 dB，間距5 和10 cm 線纜串?dāng)_系數(shù)相差約為9 dB。

圖9 不同間距線纜屏蔽前后的串?dāng)_系數(shù)對比

圖10 為0.1 mm 厚銅箔屏蔽處理后線纜端口的串?dāng)_信號，信號幅值在幾個μV 數(shù)量級，而未經(jīng)過屏蔽處理的線纜受到的串?dāng)_信號在100 μV 左右，相同間距線纜在屏蔽前后所受串?dāng)_信號相差20～30 倍。銅作為金屬介質(zhì)對電磁波的影響作用明顯，通過反射、吸收和趨膚效應(yīng)原理阻礙電磁波的傳播，線纜經(jīng)過銅箔屏蔽處理后，可以防止線纜傳輸信號的泄漏，同時也顯著增強(qiáng)了抗串?dāng)_干擾的能力。因此，對線纜進(jìn)行屏蔽處理能夠有效減弱串?dāng)_作用。

圖10 0.1 mm 銅箔屏蔽處理后不同間距線纜受到的串?dāng)_信號

4 結(jié) 束 語

本文建立了線纜模型，饋入在神光II 升級裝置打靶過程中產(chǎn)生的電磁脈沖信號進(jìn)行線纜串?dāng)_模擬，分別討論了線纜間距、長度對串?dāng)_信號在時域和頻域中的影響和屏蔽處理后對串?dāng)_的衰減，得出以下結(jié)論：1)串?dāng)_信號的幅值隨距離的增大而衰減，衰減的程度隨線纜間距增大而變小；2)線纜對串?dāng)_信號的衰減能力隨長度的增大而減弱，諧振頻率隨長度的增大而減小，線纜所受串?dāng)_的頻率隨長度的增加而減小；使用0.1 mm 厚度的銅箔對線纜進(jìn)行屏蔽處理后，串?dāng)_信號幅值減小到幾個μV 數(shù)量級，在強(qiáng)激光打靶實(shí)驗(yàn)中幾乎可以忽略串?dāng)_的影響。