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(dòng)慣性約束聚變的過程中會(huì)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(hào)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(gè)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(shí)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(huì)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(cè)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(gè)輻射與震蕩過程的混合信號(hào),靶室內(nèi)外信號(hào)強(qiáng)度差異較大[11]。這些電磁脈沖信號(hào)對(duì)物理診斷和數(shù)據(jù)采集造成干擾,同時(shí)脈沖信號(hào)耦合進(jìn)傳輸線后會(huì)對(duì)其他線纜產(chǎn)生串?dāng)_影響。探究激光打靶過程中串?dāng)_信號(hào)造成的影響和如何進(jìn)行減小串?dāng)_信號(hào),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(hào)串?dāng)_現(xiàn)象普遍存在,如動(dòng)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(duì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生串?dāng)_[17-18]。在強(qiáng)激光物理實(shí)驗(yàn)中,準(zhǔn)確測(cè)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(hào)串?dāng)_。因此,對(duì)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(jí)靶場中一發(fā)實(shí)際測(cè)得的電磁脈沖信號(hào),研究了不同線纜間距、線纜長度對(duì)串?dāng)_信號(hào)幅值的影響,并探討了添加金屬屏蔽層后對(duì)串?dāng)_的衰減機(jī)制。
電信號(hào)在電纜中傳輸泄露電磁輻射,這個(gè)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(hào)耦合時(shí)會(huì)受到這些參數(shù)的影響,線纜的性質(zhì)也會(huì)對(duì)串?dāng)_信號(hào)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(hào)的線纜是信號(hào)源線纜,受串?dāng)_信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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。
在神光II 升級(jí)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(hào)。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(hào),并連接70 m 長的同軸線纜到示波器上,以此來評(píng)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(jí)靶場點(diǎn)位示意圖
在神光II 升級(jí)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(jí)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(hào),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(duì)示波器產(chǎn)生影響,靶場示意圖如圖3 所示。測(cè)得此點(diǎn)位時(shí)域電壓信號(hào),采集數(shù)據(jù)顯示電磁信號(hào)幅值為52.79 V,脈沖持續(xù)時(shí)間約400 ns,通過傅里葉變換得到其頻域信號(hào),可以看出電壓信號(hào)主頻率在3 GHz 內(nèi),峰值在1.5 GHz 左右。將該信號(hào)作為饋入信號(hào)源線纜端口的串?dāng)_源信號(hào)。激光入口點(diǎn)位時(shí)域、頻域電壓信號(hào)如圖4 所示。
圖3 神光Ⅱ升級(jí)靶場布置示意圖
圖4 B06 點(diǎn)位電磁輻射信號(hào)
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(hào)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(duì)信號(hào)源線纜端口饋入采集信號(hào)后進(jìn)行模擬,線纜輸出端口信號(hào)為串?dāng)_信號(hào)。
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(hào)
在實(shí)際打靶測(cè)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(huì)導(dǎo)致測(cè)試信號(hào)與實(shí)際信號(hào)不匹配。為了研究線纜長度對(duì)信號(hào)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(hào)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(duì)串?dāng)_信號(hào)的衰減能力。當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定頻率時(shí),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(duì)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(hào)通過線纜傳播時(shí),金屬芯線的介質(zhì)損耗會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)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(hào)受到的損耗越大,所以線纜長度會(huì)影響高頻信號(hào)的傳輸,線纜越長,介電損耗越嚴(yán)重,串?dāng)_系數(shù)越大,對(duì)高頻信號(hào)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(hào)源線纜2、5、10、15 cm 的線纜用0.1 mm 厚的銅箔包裹,對(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)比
圖10 為0.1 mm 厚銅箔屏蔽處理后線纜端口的串?dāng)_信號(hào),信號(hào)幅值在幾個(gè)μV 數(shù)量級(jí),而未經(jīng)過屏蔽處理的線纜受到的串?dāng)_信號(hào)在100 μV 左右,相同間距線纜在屏蔽前后所受串?dāng)_信號(hào)相差20~30 倍。銅作為金屬介質(zhì)對(duì)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(hào)的泄漏,同時(shí)也顯著增強(qiáng)了抗串?dāng)_干擾的能力。因此,對(duì)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(hào)
本文建立了線纜模型,饋入在神光II 升級(jí)裝置打靶過程中產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)進(jìn)行線纜串?dāng)_模擬,分別討論了線纜間距、長度對(duì)串?dāng)_信號(hào)在時(shí)域和頻域中的影響和屏蔽處理后對(duì)串?dāng)_的衰減,得出以下結(jié)論:1)串?dāng)_信號(hào)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(duì)串?dāng)_信號(hào)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??;使用0.1 mm 厚度的銅箔對(duì)線纜進(jìn)行屏蔽處理后,串?dāng)_信號(hào)幅值減小到幾個(gè)μV 數(shù)量級(jí),在強(qiáng)激光打靶實(shí)驗(yàn)中幾乎可以忽略串?dāng)_的影響。