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。     

多脉冲强流电子束在线测试数据处理

在多脉冲强流直线感应加速器(LIA)的测控和诊断系统中,电子束的在线测试数据处理是重要的组成部分。多脉冲强流电子束在线测试数据处理系统是集测试仪器、计算机和工作站等组成的工业以太网,以及实现测试网络配置、测试仪器的通信及控制、数据采集、束流强度和束质心位置计算、显示以及存储等功能为一体的专用软件。多脉冲强流电子束采用基于电阻环束流位置检测器(BPM)的束流测试线路,根据束线上每个BPM测试得到的四个象限点的原始电压信号波形,以及测试线路的结构参数,计算束线上每个PBM位置的束流强度以及束质心位置随时间变化的波形,根据随时间变化的波形数据计算每个BPM位置多个脉冲束流的强度以及束质心位置的统计数据。数据的存储采用SQL和文件系统相结合的方式。这套多脉冲强流电子束在线数据处理系统在多脉冲强流LIA的调试实验中稳定可靠运行,为实验提供有效可靠的数据。     

强流束流偏角探测器模拟与测试

基于束流横向偏角与束流产生轴向磁场成正比的原理,设计了环状PCB结构的轴向B-dot探头,用于直接测量束流偏角。设计并搭建了标定平台对探头进行了测试,同时利用CST MWS程序对探头进行了建模计算。计算结果与实验结果一致,表明了轴向B-dot探头可直接应用于束流偏角测量。分析了影响探头频率适用范围的原因,并根据模拟计算结果给出了改进措施。该探测器在标定平台输入上升时间130ns,半高宽160ns的高压信号时,探头对偏角信号的响应灵敏度为314mV/(kA·mrad)。     

磁绝缘传输线电流测量差模式B-dot探头

研制了一种用于磁绝缘传输线（MITL）电流测量的差模式B-dot探头;利用PSpice商用软件和标定实验数据,建立了该探头等效电路模型,给出了探头系统传递函数,并分析了探头频率响应特性。计算结果表明,该探头对于被测信号大于2.5 MHz频率分量部分的相频响应基本保持不变,而幅频响应曲线呈较好的直线性。该探头已用于强光一号1.0 m长、2 cm阴阳极间隙的同轴型MITL电流传输特性研究实验,并获得了较好的测量波形。测量结果表明:短路负载条件下,传输线沿线不同位置B-dot 电流测量结果基本相同,峰值电流约1.0 MA、峰值时间约125 ns。即传输线沿线电流损失几乎可以忽略,该实验结果与短路负载MITL工作特性理论较好地吻合。     

LTD单路验证装置电流测量

为测量LTD单路验证装置的过渡段与出口电流,设计和标定了B-dot电流探头。采用径向传输线对电流探头进行了线下标定,并开展相应验证实验证实了标定的有效性。实验表明:探头安装深度和角度误差导致的探头灵敏度偏差约为1%; 当阴阳极间距大于探头孔直径时,B-dot标定结果基本不受阴阳极间距的影响;对于本装置涉及的直径较大的同轴线,用径向线模拟标定结果是有效的。从LTD单路验证装置的实验结果可知,4个过渡段至出口的阳极电流有轻微的损失,而阴极电流逐步减小。     

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。     

天鹅绒阴极产生的双脉冲强流相对论电子束特性实验研究

在时间分辨的模式下, 实验研究了天鹅绒阴极产生的双脉冲相对论强流电子束的束心运动、束包络和束的发射度. 在实验中, 电子束流强度和电子束心运动用电阻环进行测试, 而电子束和石英玻璃的相互作用产生的契仑科夫辐射用来给出电子束包络和发射度信息. 电子束和石英玻璃作用产生的契仑科夫辐射用1台8幅分幅相机记录. 实验结果表明, 天鹅绒阴极产生的相对论强流双脉冲电子束在束流大小、束心运动轨迹、束包络及束发射度等方面具有较好的一致性.     

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。     

空腔中B-dot的低频响应特性北大核心CSCD

针对空腔中B-dot的频响特性开展了分析。当频率低于一定值时,安装在空腔中的B-dot探头的输出信号存在低频分量增益,可以用一个"负时间常数的RC高通滤波器"描述其频响特性,其本质是低频段为增益的高通滤波器。采用不同等效频率的RLC回路连接安装B-dot的传输线,开展了B-dot探头低频响应的实验研究,结果表明,被测信号等效频率不同时,标定得到的磁通穿透特征时间常数以及互感系数有所不同。因此,为得到正确的修正系数,应当使标定波形的等效频率尽量接近实测波形。     

神龙一号电子束质心运动测量研究

 在强流直线感应加速器中,电子束质心位置的控制是一项重要技术,要达到较好的控制效果,前提是对电子束质心位置进行准确的测量和定位。针对具有时间分辨的电子束质心位置的测量和确定,介绍了测量实验系统的建立和数据处理两个方面的研究工作。该处理方法在实际应用时能够将电子束质心位置的误差控制在1～2个像素内。用高速分幅相机以10 ns的时间间隔、3 ns的曝光时间获得了神龙一号加速器在漂移段出口处的电子束质心运动情况。结果表明：束的质心主要在半径为0.5 mm的区域内运动,束斑直径dFWHM值分别为8.4,8.8,8.5,9.3和7.6 mm,测量结果可以为束的调控提供准确参数。     

强流脉冲电子束位置测量探头标定结果不确定度分析

根据探测器测量原理和标定方法、特点,分析其位置测量的不确定度主要来源于测量过程的A类不确定度、B类不确定度和最小二乘法引入的拟合不确定度,确定了各个不确定度的计算方法,得到了探测器的合成不确定度,对于应用于神龙二号直线感应加速器的电阻环和磁探测器,其合成不确定度约为0.1 mm。     

An electro-optic voltage sensor for electron beam position andcurrent monitoring

The current and position of high-energy electron beams are traditionally monitored using B-dot loops and resistive wall monitors. Such techniques are well demonstrated for relatively short pulses in the 100 ns time regime. The second axis of the dual axis radiographic hydro test (DARHT) facility currently under construction at Los Alamos National Laboratory requires a substantially longer pulse exceeding 2 μs in duration. This application poses various difficulties for conventional sensors and has driven the development of an electro-optic sensor for electron beam monitoring. Such sensors offer complete galvanic isolation and do not require time integration or droop correction. The design of a prototype electro-optic sensor is discussed and calibration data is presented along with preliminary beam line measurements     

束流模拟装置的阻抗对标定结果的影响

对偏心束流在束流管道中产生的电磁场和束流模拟装置的偏心同轴线中的电磁场进行了理论分析。分析表明,在束流模拟装置阻抗较小时,二者存在显著差异。该差异对束流流强探测器、束流位置探测器和束流偏角探测器的标定有一定的影响。如果采用阻抗为50Ω的束流模拟装置标定束流位置探测器,得到的等效管道半径将比真实值偏小19%。利用理论分析结果,合理地解释了一个B-dot束流位置探测器的标定结果。     

猝发强流多脉冲电子束源物理设计

给出一台脉冲间隔100～1 000 ns、脉冲数2~5个、二极管电压3 MV、引出束流强度2.5 kA的猝发多脉冲电子束源的物理设计及初步调试结果。在设计中,采用感应叠加和阻抗匹配方案获得二极管高电压脉冲;试验中分别采用天鹅绒和大发射面储备式热阴极获得猝发多脉冲电子束。调试结果表明:采用大发射面热阴极可避免阴极等离子体产生,确保二极管在猝发多脉冲状态下稳定运行。初步调试获得大于2.7 MV猝发三脉冲二极管高压,并获得1.6 kA的三脉冲电子束流。     

测量数MA脉冲电流的探头设计与标定

为获得聚龙一号装置负载区电流,设计了测量探头,通过频响测试得到探头的频率上限为51.7MHz;针对标定装置的逼真性进行了分析,实验结果表明,负载区电流探头的灵敏度在误差范围内不受柱孔盘旋面的影响。通过标定结果的外推分析可知:外推是否可靠是由探头能否满足相应测量的工作条件决定,而不是受外推的数量级限制。通过探头测量范围的分析及相应干扰实验,认为标定满足测试需求。实测结果表明负载区电流与磁绝缘传输线电流的测量结果自洽。     

Rogowski线圈信号电阻对纳秒级脉冲大电流的响应

 研制了一种自积分型Rogowski线圈,从电路理论和电路仿真角度分析了信号电阻的寄生电感和线圈对地电容对测量信号的影响。采用电阻并联的方法,制作了小电感信号电阻。在定标和大电流测量实验中,小电感信号电阻的使用,消除了测量信号的平顶振荡和波形畸变,验证了理论分析的正确性。经定标,采用小电感信号电阻的Rogowski线圈对方波脉冲前沿的响应为11 ns,灵敏度为4.25 mV·A-1。该线圈性能稳定,已用于测量长脉冲强流电子束加速器二极管的电流,测得的电流波型平顶较好,半高脉宽为180 ns,幅度约为15.36 kA。     

光学渡越辐射理论及其在直线感应加速器脉冲电子束诊断中的应用

匀速运动的带电粒子在穿过具有不同介电常数的两种媒质界面时要产生所谓光学渡越辐射。该辐射在粒子的入射平面上呈偏振行为;从辐射强度的角分布可以确定入射粒子的能量。在入射到双膜系统的情况下,由于干涉的发生,在第二膜前表面的强度角分布有振荡行为。利用这些现象,可对脉冲电子束包络半径、束电流密度的横向分布,束能量以及横向散角进行测量,依照这一原理在各LIA加速器上进行的脉冲电子束参数测量,获得的有效数据极大地提高了加速器的调试效率。