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。     

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。

     

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50 kV/m、上升时间小于2.3 ns）,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D-dot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。     

一种脉冲高电压测量探头的地电位隔离方法

为了消除脉冲功率装置放电时地电位抬升对测试系统造成的影响,在测量探头和测量设备之间使用了共模电感。对等效电路进行了仿真分析,结果表明：对于探头输出的信号,该共模电感等效为传输线;对于共模信号等效为一个较大的电感,可以实现探头地电位隔离。共模电感使用绕制在磁芯上的同轴电缆制作,并进行了快脉冲信号传输和地电位隔离效果实验。实验结果与理论分析一致。该共模电感的响应时间为5.4 ns,隔离了约10 kV的脉冲高压,确保了示波器的安全运行。     

一种脉冲高电压测量探头的地电位隔离方法

 为了消除脉冲功率装置放电时地电位抬升对测试系统造成的影响,在测量探头和测量设备之间使用了共模电感。对等效电路进行了仿真分析,结果表明：对于探头输出的信号,该共模电感等效为传输线;对于共模信号等效为一个较大的电感,可以实现探头地电位隔离。共模电感使用绕制在磁芯上的同轴电缆制作,并进行了快脉冲信号传输和地电位隔离效果实验。实验结果与理论分析一致。该共模电感的响应时间为5.4 ns,隔离了约10 kV的脉冲高压,确保了示波器的安全运行。     

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。     

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51.7 MHz;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。     

阳加速器水传输线D-dot的设计、标定和实验

 应用D-dot探测器进行了阳加速器水传输线电压测量,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。利用Pspice软件的瞬态分析功能模拟结合实验结果估算了探测器的杂散参数,进行了幅频响应特性分析;运用频响分析解释了测试结果。在加速器低电压短路实验状态下,用电阻分压器对其进行了在线标定。测量结果表明D-dot探测器获取了正确的电压波形,且工作稳定可靠。     

4 MV感应电压叠加器的电压测量

为测量4 MV感应电压叠加器的电压,设计和标定了多个D-dot电压探头。频响测试结果表明探头频率上限大于270 MHz,满足待测电压信号频率响应需求。标定中,由于分压器与探头的安装位置不同,为了避免传输线阻抗失配导致快前沿电压信号在不同测量点的电压波形差异,采用前沿数百纳秒的脉冲信号开展标定。由于探头的低频特性同时满足标定与实测的需求,因而标定的准确性得以保证。考虑装配结构及精度对探头灵敏度的直接影响,次级电压探头采取了在感应腔逐级安装过程中的在线标定方法。由于靠近二极管的电压探头受到电子等影响导致波形畸变,因此直接测量负载电压存在困难。4 MV装置的多发实验结果表明,输出端传输线上电压波形与其下游位置电压波形之差,与用两者之间电感计算的电压波形相吻合,说明采用二极管上游电压探头的测量结果来计算二极管电压是行之有效的。     

高功率低阻抗三平板传输线的设计

设计了Z箍缩实验装置中单路模块样机的低阻抗水介质三平板结构的传输线。根据三平板传输线的结构参数及相关计算公式,得到所设计的三平板传输线实际阻抗为4.08Ω(设计阻抗为4.00Ω)。在考虑传输线内板边缘与水箱耦合电容影响的条件下,采用有限元方法精确计算得到三平板传输线阻抗为3.77Ω。根据实验得到的传输线入口、出口电压电流测量结果,计算得到三平板传输线的实际运行阻抗为3.83Ω,与计算结果基本一致。另外,还对三平板传输线进行了静电场计算和分析,耐压实验表明,当三平板传输线出口电压达到3.1 MV时,未出现绝缘闪络,绝缘设计满足指标要求。     

高功率低阻抗三平板传输线的设计

设计了Z箍缩实验装置中单路模块样机的低阻抗水介质三平板结构的传输线。根据三平板传输线的结构参数及相关计算公式,得到所设计的三平板传输线实际阻抗为4.08 Ω（设计阻抗为4.00 Ω）。在考虑传输线内板边缘与水箱耦合电容影响的条件下,采用有限元方法精确计算得到三平板传输线阻抗为3.77 Ω。根据实验得到的传输线入口、出口电压电流测量结果,计算得到三平板传输线的实际运行阻抗为3.83 Ω,与计算结果基本一致。另外,还对三平板传输线进行了静电场计算和分析,耐压实验表明,当三平板传输线出口电压达到3.1 MV时,未出现绝缘闪络,绝缘设计满足指标要求。     

基于多导体传输线理论的脉冲变压器锥形绕组电压分布数值分析

 为了研究脉冲变压器锥形绕组在脉冲电压作用下的电压分布特性,采用多导体传输线方法,根据实际脉冲变压器锥形绕组的结构,建立了电气参数有限元简化计算模型及等效多导体传输线分析数学模型,以此模型计算了锥形绕组在脉冲电压激励下匝间的电压分布。计算结果表明,此模型可对脉冲变压器锥形绕组的电压分布进行有效计算,对绕组匝间绝缘设计有一定的参考意义。     

4层圆盘锥形磁绝缘传输线的电流测量

为获取PTS装置磁绝缘传输线的电流,设计、标定了微分环。探头使用镍铬合金膜屏蔽空间电子,采用在线标定。设计相应的馈入结构从负载区分别对不同层磁绝缘传输线馈入信号,在每个三平板传输线出口的板堆过渡区位置安装短路杆,能够在磁绝缘传输线上得到基本均匀的电流,实现电流探头的逐层标定。频响分析表明金属膜屏蔽效应导致探头的高频特性变差。实验表明,贴膜的探头频响上限为50.3MHz,满足被测信号的要求。实测PTS装置磁绝缘传输线电流与负载区电流的测量结果自洽,且各层电流与总电流等结果符合理论预计。     

亚纳秒脉冲传输线损耗分析

 脉冲传输线的介质材料选择和参数设计对传输线的损耗具有至关重要的影响,根据分布参数理论和电磁场微波理论,给出环氧玻璃纤维FR-4和聚四氟乙烯F₄B两种材料的损耗计算公式,在微带特性阻抗为50Ω,工作频率为10GHz时,FR-4和F₄B的介质衰减系数分别为0.095 dB/cm和0.0023dB/cm;当微带厚度为18μm,介质材料厚度为0.25mm时,FR-4和F₄B的导体衰减系数分别为0.0499dB/cm和0.0357dB/cm。数值计算和仿真结果表明,F₄B材料传输线的介质损耗和导体损耗相对较低,是一种较好的介质材料,选择合适的介质材料厚度可保证损耗较低且电路体积不至于过大。     

磁绝缘传输线的有损线模型

开发了一种磁绝缘传输线(MITL)的电路模拟方法。以传输线模拟方法TLCOD为基础,将MITL分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成。根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况并计算相关参量,推导丝阵负载条件下MITL末端界面电压的表达式,阐述模型的求解方法及步骤;用有损线模型计算阳加速器MITL得到的结果与实验结果基本吻合,表明模型正确有效。     

磁绝缘传输线电压测量用自积分式电容分压器研制

研制了一种用于磁绝缘传输线（MITL）电压测量的自积分式电容分压器;利用PSpice软件和标定实验数据,建立了该分压器等效电路模型,给出了分压器系统传递函数,并分析了分压器频率响应特性。计算结果表明:该分压器对于被测信号大于5 MHz频率分量部分的相频和幅频响应无明显畸变。基于强光一号长1.0 m、阴阳极间隙2 cm的同轴型MITL实验平台对该分压器实际工作性能进行了考核。实验结果表明,在相对少量场致发射电子抵达阳极表面的条件下,该分压器能够有效测量MITL沿线电压波形（2.07 负载条件下,电压峰值约600 kV、峰值时间约80 ns）。     

ps脉冲传输线的多容性负载阻抗匹配模型和计算

 指出提高微带横截面取样速率的关键问题是传输线多容性负载阻抗匹配，根据分布参数理论和微波传输线理论，提出局部匹配模型，推导出阻抗匹配计算公式。数值模拟和电路仿真结果表明，局部补偿匹配法对不同工作频率下的多负载电容ps脉冲传输线均可进行较好的补偿，传输线上的各点取样波形失真度很小，补偿效果明显，可以提高微带横截面取样速率。