鄒 儉，曾乃工，王 川，張?zhí)炀?，姜興東

（中國(guó)原子能科學(xué)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(shí)驗(yàn)線路，在保留裝置原有泵浦激光能力的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(cè)到的電壓和電流波形真實(shí)準(zhǔn)確，因此對(duì)診斷設(shè)備的穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和靈敏度均有一定要求。對(duì)于電壓的測(cè)量，一般采用電阻分壓器或電容分壓器，對(duì)于電流的測(cè)量，一般采用羅柯夫斯線圈或回流器［1－4］。本工作擬對(duì)天光Ⅱ－B裝置的電流電壓診斷設(shè)備和方法進(jìn)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(tái)，單臺(tái)電容器工作充電電壓75kV，正負(fù)充電）將形成線充電到1.5MV，主開關(guān)擊穿，由傳輸線到達(dá)負(fù)載，所以測(cè)量探頭必須安裝在負(fù)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(cè)量高壓脈沖時(shí)，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(shí)的波形，分壓器的分壓比必須準(zhǔn)確標(biāo)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(jiǎn)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(chǎng)擾動(dòng)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)度（0.01m）傳輸線對(duì)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(dǎo)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(dǎo)體桿的半徑，l＝0.045m為電容分壓器導(dǎo)體桿的長(zhǎng)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(cè)量負(fù)載電壓時(shí)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(biāo)定。

2.2 電流探頭

對(duì)負(fù)載前電流值的測(cè)量，采用回流在小電阻上的電壓值來計(jì)算電流值，為避免并聯(lián)小電阻在強(qiáng)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(fù)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(jì)算，必須進(jìn)行在線標(biāo)定。

采用平均厚度δ＝17μm的不銹鋼薄膜，圓周長(zhǎng)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(dǎo)率μ＝4π×10－9H／cm，ω＝2πf，脈沖頻率f＝0.4／t0，脈沖波形上升時(shí)間t0＝1.8×10－8s，可得δ0＝103μm，δ0?δ，因此趨膚效應(yīng)可忽略不計(jì)。

由于該傳輸線的特性阻抗為1.25Ω，因此標(biāo)定信號(hào)在通過電纜進(jìn)入傳輸線前，為了避免50Ω電纜與1.25Ω?jìng)鬏斁€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(duì)信號(hào)有約40倍的衰減，具體的衰減倍數(shù)也需標(biāo)定。

3 方法

標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生器、衰減器、雙屏蔽電纜、示波器等組成，連接被測(cè)系統(tǒng)后的整個(gè)標(biāo)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(tái)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(hào)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(hào)，一路作為監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過約626倍的分壓比直接進(jìn)入示波器用于幅值監(jiān)測(cè)及波形觸發(fā)；一路作為輸入信號(hào)進(jìn)入被測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)定時(shí)為了保證輸入信號(hào)不發(fā)生畸變，系統(tǒng)各部分必須阻抗匹配，信號(hào)源輸出阻抗50Ω，傳輸線特性阻抗1.25Ω，所以在信號(hào)源與傳輸線之間引入阻抗變換器使其阻抗匹配，同時(shí)以電容分壓器與金屬膜回流器分別引出信號(hào)進(jìn)入示波器進(jìn)行測(cè)量。

圖5為Ansoft公司的Simplore6.0電路模擬軟件建立的標(biāo)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(fù)載。

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

4 測(cè)試

在正式測(cè)量前，需對(duì)測(cè)量所用的阻抗變換器進(jìn)行標(biāo)定。

4.1 阻抗變換器標(biāo)定

為了保證標(biāo)定的準(zhǔn)確性，要求整個(gè)系統(tǒng)阻抗匹配，信號(hào)不發(fā)生畸變。標(biāo)定系統(tǒng)用傳輸線的獨(dú)立末端標(biāo)定，在末端前加一錐形等阻抗過渡段，信號(hào)由此進(jìn)入，筒內(nèi)充入去離子水，特性阻抗為1.25Ω。標(biāo)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(shí)，信號(hào)從Z1傳輸或Z2傳輸，阻抗均是匹配的，不會(huì)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(cè)量

實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)量信號(hào)很小，被高頻信號(hào)聲掩蓋，幾乎無法辨讀，在示波器上雖降噪測(cè)量（帶寬20MHz）可得到清晰波形，但幅值與上升時(shí)間明顯失真，只可作為參考，因此采用不降噪測(cè)量（帶寬200MHz）。為此，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了改善，采用雙屏蔽線電纜傳輸信號(hào)，以減少噪聲，測(cè)得的電流電壓輸出信號(hào)波形如圖7所示，電容分壓器響應(yīng)時(shí)間小于5ns。根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)與電壓信號(hào)，可計(jì)算出分壓比及膜電阻靈敏度，測(cè)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(biāo)Table 1 Output voltage and current guide line for bandwidth of 200MHz

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)間段測(cè)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(duì)其測(cè)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(shí)驗(yàn)中可根據(jù)圖8選定準(zhǔn)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(duì)脈沖功率負(fù)載電壓電流測(cè)量中，測(cè)量系統(tǒng)的帶寬選擇對(duì)結(jié)果有一定的決定作用。以往均采用降噪測(cè)量獲取波形，降噪處理波形清晰，但輸出幅值及上升時(shí)間失真。不降噪測(cè)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(duì)真實(shí)的波形數(shù)據(jù)。本研究結(jié)果說明，在示波器帶寬為200MHz測(cè)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(shí)該電容分壓器和膜回流器性能穩(wěn)定、響應(yīng)快，是測(cè)量負(fù)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(cè)試探頭的標(biāo)定［C］∥第五屆高電壓新技術(shù)交流會(huì)論文集.廈門：中國(guó)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(hào)強(qiáng)流脈沖電子加速器［C］∥第五屆全國(guó)高功率會(huì)議論文集.合肥：高電壓新技術(shù)分委會(huì)，1993：207－211.

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

［4］劉錫三.強(qiáng)流粒子束及其應(yīng)用［M］.北京：國(guó)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(xué)技術(shù)出版社，2003：147－180.