阳加速器水传输线D—dot的设计、标定和实验

应用D-dot探测器测量了阳加速器水传输线电压。D-dot探测器利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号，通过RC积分取得电压信号。     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。     

纳秒电磁脉冲测量用D-dot探头设计及实验

为测量高空核爆炸电磁脉冲(HEMP)模拟器中脉冲电场波形(峰值电场大于50kV/m、上升时间小于2.3ns),设计了一种新型圆锥形D-dot探测器。介绍了D-dot探头的工作原理,分析了探头与传输电缆的阻抗匹配条件,确定了探头的结构、尺寸等参数。D-dot探头测量脉冲电场的一阶微分信号,通过积分器积分和数字积分两种积分方式获得脉冲电场信号。测量电磁脉冲实验结果表明,积分器积分和数字积分两种积分方式都能恢复脉冲电场波形,其中数字积分效果更好;与有源光纤电场测量系统实验测量结果相比,该Ddot探测器更适合测量纳秒级快前沿的电磁脉冲波形,满足测量快前沿HEMP信号的设计要求。     

微分吸收法测量二极管电压

给出了微分吸收法测量二极管电压的基本原理和实验结果。利用MCNP程序对轫致辐射-衰减-探测器系统建模,模拟得到了输出剂量与二极管工作电压关系拟合曲线。建立了微分吸收法测量二极管电压测量系统,通过在探测器前端放置不同厚度的吸收片,得到了衰减程度不同的波形。结合理论计算的拟合曲线和实验波形,利用迭代法计算得到了晨光号加速器二极管电压,电压峰值为0.58 MV。和传统方法所测得二极管工作电压进行了比较,结果较为一致。     

激光触发开关的电参数测量

 为进行PTS装置单路样机激光触发开关的调试,设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头测量结果,解释了开关出口D-dot电压探头波形畸变的原因,并运算得到了正确的波形。B-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实验结果表明： D-dot探头适合MV量级的高电压脉冲测量,但当该探头工作在开关区时,设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容,只有满足结构电容远大于与其它高压电极的电容时,才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用B-dot探头输出的电流微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间,测量误差小于0.7 ns。     

宽频带无源积分器的设计和实验

 为获得宽频带的无源积分器,建立了考虑杂散参数的等效电路并进行了电路仿真。结果表明无源积分器的频响上限由杂散参数决定。对于相同结构的积分器,增大RC积分常数,会使杂散参数的影响加剧,导致积分器的高频响应变差。使用同轴结构可以减小电容的杂散电感,提高积分器的带宽。对制作的RC常数为10 μs的同轴式积分器进行了频响实验。实验结果表明：在偏差小于5％的范围内,同轴式积分器带宽为50 kHz～80 MHz。在D-dot电压探头线下标定实验和初级试验平台(PTS)单路样机激光触发开关输出电压测量中,使用该同轴积分器获取的测量波形没有波形畸变和高频干扰。     

强流脉冲束流位置探测器标定装置物理设计

从强流脉冲电子直线感应加速器电子束流位置探测器测量原理出发,进行了标定装置物理设计,确定标定装置采用同轴结构,对束流探测器位置测量精度和测量范围、偏心同轴线对位置标定结果的影响进行了理论分析,并根据分析结果确定同轴结构内外导体相对位置调节范围、同轴线长度和特性阻抗。电路模拟和实验测量结果验证了在非匹配传输条件下可以得到满足位置标定要求的快脉冲信号波形。     

100 μm FEL受激辐射光学诊断

 给出了基于L波段射频直线加速器运行的100 μm FEL自发辐射与受激辐射实验的光学诊断结果，简要介绍了100 μm FEL的光腔准直系统。针对100 μm FEL实验研究的基本要求，对辐射信号的波长光谱、功率能量和脉冲结构等主要参数进行了测量诊断。利用远红外光栅谱仪和锗掺镓光电探测器组成的测量系统，对辐射光的宏脉冲信号进行分光，测量得到了辐射光信号的波长光谱和宏脉冲波形，测得受激辐射中心波长约为115 μm；利用标定过的锗掺镓探测器对辐射信号的功率能量进行了测量，测得单个宏脉冲的功率约为mW量级，能量为nJ量级。     

基于D-dot传感器的弓网离线放电瞬态电场时域测试方法

弓网离线放电电磁辐射具有瞬态、宽频带的特性,可使用D-dot传感器对其进行时域瞬态电场测量,但在对传感器所测微分信号积分还原时,存在信号恢复失真问题严重。搭建了包含脉冲电场发生装置和测量装置的瞬态电场时域波形还原系统,开展了基于D-dot传感器的去直流、数值积分、消除趋势项以及系统辨识低频补偿在内的瞬态电场时域波形测试方法的研究,利用该方法测试了不同电压下弓网离线放电电磁辐射的电场时域波形。理论与实验结果表明:本文所提出的方法能准确、稳定地还原弓网离线放电所辐射瞬态电场的原始时域波形,还原信号与实测微分信号的主要频率分量均在7.5 MHz,二者的相关系数达到93%以上。     

一体化D-dot探头在传输线电压测量中的设计和应用

设计一种一体化D-dot探头开展脉冲功率装置中传输线高电压测量工作。D-dot探头安装在传输线外筒上,主要由基座、密封电缆头、探头外壳、绝缘层、信号电极和连接杆构成。采用同轴螺纹连接及限位结构将探头各部件形成一个整体,实现结构的紧凑性和拆装过程的完整性。利用密封BNC探头和无氧铜密封圈实现良好的密封性能,同时减小探头的弹性余量保证测量的准确性。设计了较小的探头对地电容,从而获得良好的高频响应。采用OrCAD/Pspice开展电路模拟,结果显示设计的探头满足信噪比和前沿响应要求。采用CST开展静电场模拟,结果显示设计的D-dot探头可以满足1 MV传输线电压下的绝缘要求。标定和实验结果表明该探头可以响应前沿为几十ns的信号,能够满足测量需要。     

一种高功率三平板传输线电压测量探头的设计

 为测量高功率水介质三平板传输线的电压,设计、标定了一种D-dot探头,安装在三平板线的入口和出口处,探头感应脉冲电压的微分信号。探头与基座之间的绝缘层为浇注的环氧树脂,可以在满足密封去离子水的要求下,使探头对地电容较小,从而获得良好的高频响应。利用ANSYS对探头结构进行了优化设计,使三相点位置的电场强度得到有效降低。使用经线下标定过的电阻分压器进行标定。实验中采用电容器放电,用一段高压电缆作为脉冲形成线获得逐级上升的快前沿（约70 ns）电压脉冲,并将之作为标定信号源,标定得到三平板线入口、出口探头的灵敏度分别为386 kV/V和402 kV/V。探头测量结果与电路模拟结果一致。在三平板线耐压实验中,板线出口电压达到了3.1 MV,探头的绝缘结构设计能够满足要求。实验结果表明该探头适合高功率三平板传输线电压的测量。     

多层轴向绝缘堆的电压电流测量

为获取初级试验平台(PTS)装置分层真空轴向绝缘堆的电压电流,设计、标定了微分型电容分压器和微分环。探头的频响实验表明:绝缘堆电压、电流探头的频响上限分别为270MHz和100MHz。两种探头均采用在线标定方法来确定幅值灵敏度系数。电压探头在标定时应当保留绝缘堆外侧的水介质,以保证探头附近电场分布不发生改变。PTS装置的实验结果表明:当装置外围馈入电流基本均匀时,绝缘堆电压电流测量结果与相关测试结果自洽,与理论值基本符合;当馈入绝缘堆的电流分布不均匀时,不同角向探头测量结果的偏差导致总电流计算结果的误差较大。     

脉冲高电压幅值测量的不确定度分析

 在脉冲高电压幅值测量的不确定度评定中,从测量和标定溯源的角度出发将不确定度来源分为示波器测量不确定度和探头不确定度。以初级实验平台单路样机三板线入口电压的测量为例,按照探头不确定度的来源分别分析了三板线电压测量随机效应产生的不确定度,D-dot探头和电阻分压器标定时的系统效应和随机效应产生的不确定度,示波器和衰减器的校准不确定度,示波器的分辨力不确定度。同时进行了测试和标定系统的频率响应分析,以证明被测信号在测试系统的频率响应范围之内。以相关实验数据为基础计算了各个不确定度分量、合成标准不确定度以及扩展不确定度。按工程测量要求取包含因子为2,可得三板线入口电压测量值为1.89 MV,扩展不确定度为3.9％。     

中国散裂中子源直线输运线束流位置测量系统

介绍了针对中国散裂中子源(CSNS)的直线到环输运线(LRBT)所设计的条带式束流位置测量(BPM)系统,探头方案以条带式电极为基础进行物理设计及参数优化,并通过机械标定减少机械加工误差,电子学选用商用数据处理方案。此系统在加速器实际运行中有效提供位置信息,对在线测量数据采用奇异值分解(SVD)进行分析,根据分析结果,对束流轨道测量的精度达到预期设计目的,满足物理调束需求。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

测量强光一号负载电压的电容分压器

 以“强光一号”加速器为例,给出了一种可以对其阴阳极间负载电压进行直接测量的自积分式电容分压器。介绍了自积分式电容分压器的结构,并通过静电场模拟分析了该分压器结构并不会对阴阳极间隙电场造成明显影响,在此基础上利用方波电压源对其进行了响应实验从而获得其频率响应,并对电容分压器的分压比进行了在线标定,最终给出了利用该自积分式电容分压器测量短路状态时阴阳极间隙电压测量结果。