脈沖功率的診斷

9.1電磁場傳感器9.2分流器9.3利用法拉第效應測電流9.4利用電光效應測電場9.5磁場粒子能量分析器9.6真空電壓探測器2023/2/312023/2/32診斷瞬態(tài)電磁場的測量，不僅在脈沖功率方面，而且在高壓裝置的測量方面也很重要電磁場的基本參數(shù)是E和B，從它們可以求出脈沖電流和電壓傳感器的結(jié)構(gòu)和位置，必須不干擾電磁場的測量采用電容耦合和感應耦合能滿足要求，類似的光電耦合也能滿足要求傳統(tǒng)的電阻分壓器，由于高壓絕緣上的缺陷，它的應用范圍受到一定的限制2023/2/339.1電磁場傳感器快速變化的電磁場會在傳感器中產(chǎn)生電流和電壓。本書假定傳感器相對于電磁場變化空間足夠小。如果電磁場上升時間為τr，傳播速度為c，則d<<cτr，

d為電磁波傳播方向上傳感器的長度。2023/2/349.1電磁場傳感器快速變化的電場產(chǎn)生一個位移電流，疊加傳導電流上對于截面為A的理想傳感器電容耦合的基本原理、不注意信號傳輸線的屏蔽，干擾的電容耦合也可能發(fā)生。2023/2/359.1電磁場傳感器變化的磁場在導電線圈里產(chǎn)生電流。如果線圈面積為A，穿過線圈的磁感應強度為B，得線圈里產(chǎn)生的感應電壓為如果磁場均勻分布，得到與磁場垂直、面積為A的線圈上產(chǎn)生的感應電壓為傳感器的幾何形狀直接影響信噪比的大小。2023/2/369.1電磁場傳感器9.1.1電容耦合傳感器如果場的時間變化足夠慢，電容耦合傳感器可以簡化為包括電流源或電壓源，以及負載阻抗的等效電路（如右圖）這里

是一個修正項，在RC>>t時可以忽略。是脈沖過程中達到的最大電場強度。2023/2/379.1電磁場傳感器如果要從局部電場強度得到脈沖電壓，必須知道電場E(t)和電壓U(t)的關系。例如，外徑為ra，內(nèi)徑為ri的同軸傳輸線，當內(nèi)部電磁場為純粹的TEM00波時，有最終得到對于右圖的傳輸線上的電容耦合傳感器可以認為是電容分壓器，結(jié)果一樣：CE是傳感器與接地極之間的電容，CH是傳感器與高壓電極間的電容，且這里假定CH<<CE2023/2/389.1電磁場傳感器2023/2/399.1電磁場傳感器9.1.2感應耦合根據(jù)法拉第電磁感應定律，閉合回路的感應電壓為：為得到磁場B，需要采用積分電路。右圖為一個帶有簡單RC積分器的等效電路。L是回路電感，R和C分別是積分電阻和電感。則感應電壓為：9.1電磁場傳感器當R>>Lω時（這里ω是脈沖信號傅里葉頻譜中最重要的頻率），可得：若將測量時間限制在t<<RC范圍內(nèi)，最終得到：2023/2/310與電場測量時相同，由磁場強度得到脈沖電流值，必須知道系統(tǒng)的形狀，而且僅有TEM00波存在。這時有：N是線圈的匝數(shù)，在電流的空間分布和線圈所處磁場方向已知的情況下，可以較精確的計算出K。因此簡單的電流測量用線圈必須在現(xiàn)場進行標定。2023/2/3119.1電磁場傳感器2023/2/3129.1電磁場傳感器如果電流密度分布不知道或者現(xiàn)場標定有困難，這時就要用Rogowski線圈代替簡單的線圈式電流傳感器。如右圖，Rogowski線圈是一個環(huán)繞被測電流的螺旋形線圈。由Ampere定律得到Rogowski線圈電流與螺線管內(nèi)的磁感應強度的關系為：其中si是線圈繞線間的平均距離，cos（ni，Bi）是第i圈繞線的法線與磁場間的夾角的余弦另一方面，忽略繞線面積Ai內(nèi)的磁場的空間變化，可以得到Rogowski線圈的輸出端的電壓為：2023/2/3139.1電磁場傳感器假定：（1）螺線管的截面積不變，即Ai=A。（2）螺線管上的繞線密度不變，即si=s。2023/2/3149.1電磁場傳感器9.1電磁場傳感器高頻時很難滿足Lω<<R。當r+R<<Lω時，且有R<<1/ωC得到：2023/2/3159.1電磁場傳感器最低響應頻率由r+R<<Lω決定，響應頻率上限由Rogowski線圈的LC共振頻率決定。對應與低端頻率的波長由線圈的長度決定。如果在螺線管中使用磁性材料可以擴展低端頻率，但同時也會影響高端頻率特性。另外，盡管磁心可以改進低頻特性，但必須注意它的飽和現(xiàn)象。2023/2/3162023/2/3179.1電磁場傳感器在實際情況中，為了避免電容耦合帶來的干擾，通常把Rogowski線圈放在帶有狹縫的導體容器中。2023/2/3189.1電磁場傳感器Rogowski線圈的另一個問題是螺線管大圓面積內(nèi)的磁通量帶來的影響。它可以用下圖的方法進行補償，或者將容納Rogowski線圈的金屬容器的大環(huán)入口短路，當然容器的內(nèi)側(cè)必須有狹縫容許磁場進入。在高功率短脈沖的情況下，瞬間的感應電場可能造成狹縫處或線圈表面的閃絡擊穿。9.1電磁場傳感器當脈沖的上升時間小于線圈內(nèi)的信號傳輸時間，Rogowski線圈的等效電路不能用集中參數(shù)來描述，而必須采用傳輸線模型。在這種情況下，線圈不同位置產(chǎn)生的感應電壓于不同的時間到達輸出端的電阻，因此造成信號的畸變。2023/2/3199.1電磁場傳感器當Rogowski線圈的終端阻抗Z>>Z0時，可能出現(xiàn)階躍脈沖的上升時間（Z0=（L/C）1/2是Rogowski線圈的阻抗）。但這時對于被測電流的時間寬度，不能有t<T(T是沿線圈傳播的時間)。對于自積分線圈來說，更為嚴重的問題可能來自其繞線間感應的電壓不均勻，造成輸出信號的強烈震蕩。所以，Rogowski線圈的響應與被測電流的分布無關不是完全正確的。2023/2/3202023/2/3219.2分流器分流器的原理就是測量已知電阻兩端的電壓，得到電流。分流器可以避免磁感應線圈在測量高功率短脈沖時出現(xiàn)的問題。一般，測量電路與被測電路的不僅有歐姆電阻的耦合還有磁感應耦合。這樣輸出電壓與被測電流不成正比，因此分流器的設計應盡量避免磁場的影響。9.2分流器如圖所示是一個同軸型分流器。分流器的頻率響應受到材料中磁場滲透的限制。2023/2/322如果假定圓筒厚度d遠小于圓筒半徑ra，對于階躍式上升電流I0的響應信號可以按下面公式近似：U（t）是分流器兩端的電壓，U*是最大輸出電壓，且其中是分流器電阻兩端的距離，ρ是材料的電阻率，t*是擴散特性：t*和脈沖的10%~90%上升時間τ的關系是：τ=0.25t*2023/2/3239.2分流器2023/2/3249.2分流器右圖所示的分流器結(jié)構(gòu)可用來測量同軸型傳輸線的電流。尤其適用于真空傳輸線，帶電粒子的產(chǎn)生和等離子體的形成基本結(jié)構(gòu)：外導體內(nèi)表面充滿絕緣材料（環(huán)氧樹脂）的凹槽和它上面覆蓋的金屬薄膜。兩個測量線連接在金屬薄膜的兩端，以獲取它的兩端電壓。2023/2/3259.2分流器右圖所示分流器電阻Rf（薄膜）和一個電感Lg的并聯(lián)，當測量時間小于τd=Lg/Rf大于τ=0.25t*時，輸出信號才與電流成正比。

Τd很容易達到微秒量級。因為電阻10-3Ω，凹槽電感通常大于10-9H。接點的連線與薄膜電阻之間的空間里的磁通量變化可能帶來誤差，因此分流器必須注意減小這個空間。另一方面，焦耳熱可能改變薄膜的電阻值，從而引入誤差。2023/2/3269.3利用法拉第效應測電流Faraday效應：對于在介質(zhì)內(nèi)傳播的光波，當存在平行于光波前進方向的磁場時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。用磁場可以產(chǎn)生具有不同折射率的向右或向左的旋轉(zhuǎn)偏振波。因此偏振面的旋轉(zhuǎn)角度與光路上磁場H的線積分成正比，且與相對于光路的電流空間分布有關。類似于Rogowski線圈讓光束環(huán)繞被測電流，使偏振旋轉(zhuǎn)與電流分布無關。對于一個封閉的光路，可以得到9.3利用法拉第效應測電流Ampere定律，用I取代閉路積分，I是被光路環(huán)繞的總電流。V是費爾德常數(shù)的比例系數(shù)。對于任何材料，Verdet常數(shù)依賴于光線的波長和材料的溫度。當材料為石英玻璃，波長為633nm時，V=4.1rad/MA，此時旋轉(zhuǎn)角度可以表示為θ=VI2023/2/3272023/2/3289.3利用法拉第效應測電流簡單方法采用一條光纖，要觀察光的偏振。所以只能用單一的模式和能夠使用偏振光的光纖。提高測量靈敏度，光纖可以環(huán)繞電流通道多次。最適合的光源自然是面偏振的激光束。誤差：光纖內(nèi)的雙折射可能帶來嚴重的測量障礙，特別是測量脈沖電流時。光纖彎曲產(chǎn)生線性雙折射效應。它的影響與（r/R）2成正比。r為光纖半徑，R是彎曲的曲率半徑。采用扭轉(zhuǎn)光纖的辦法可以有效地降低線性雙折射效應的影響。9.3利用法拉第效應測電流2023/2/3299.3利用法拉第效應測電流典型的Faraday旋轉(zhuǎn)診斷系統(tǒng)示意圖。采用12mW的830nm激光二極管作為光源。激光二極管的輸出被耦合進一根支持單模偏振光的的光纖。光纖在Faraday旋轉(zhuǎn)方向以40匝/m扭轉(zhuǎn)。顯著減小了有彎曲產(chǎn)生的線性雙折射的影響。分析器由透鏡、半波長片、無偏振分束器、玻璃偏光器和輸出透鏡構(gòu)成。兩個偏光器的方向相互垂直，因此從兩個輸出信號可以得到相差。光纖外有一個塑料容器，使其不受

擠壓和沖擊波的影響。2023/2/3309.3利用法拉第效應測電流根據(jù)最大電流時的θ是遠大于π，還是遠小于π，可以選取兩種不同的信號處理方法。如果θmax很小，可利用兩個輸出信號的和與差或利用θ=VI得：這里k是比例常數(shù)。精確度取決于測量系統(tǒng)的信噪比和θmax2023/2/3319.3利用法拉第效應測電流當θmax比π大時，分析一個信號就足夠了。如果分析器的方向與初始偏振方向垂直，則輸出信號為為求得I(t)，這個信號必須進行數(shù)值逆變換。Faraday電流傳感器的主要特點是它相對來說不受電磁場干擾的影響。2023/2/3322023/2/3339.4利用電光效應測電場利用電場產(chǎn)生的晶體水液體里的雙折射效應，或利用晶體的折射指數(shù)的變化，可以達到測量電場強度的目的。一個電場探頭里的正常光線與異常光線的相位差由下式給出：假定探頭的長度內(nèi)的電場分布是均勻的。這個相位差導致光波偏振的旋轉(zhuǎn)，因此可以采用和9.3節(jié)同樣的信號分析系統(tǒng)。Δn=n0-ne0與電場的關系：線性的，稱為Pockels效應；二次型的，稱為Kerr效應或二次光電效應。2023/2/3349.4利用光電效應測電場Pockels效應出現(xiàn)于缺乏對稱中心的晶體中。經(jīng)常使用的有ADP（磷酸二氫銨）和KD*P（磷酸二氘鉀）。Pockels探頭通常是一個單晶體，它的光軸與光束和電場的方向平行（如圖）。一個偏振激光束穿過晶體進入分析器。分析器的允許偏振方向與零電場時的入射光偏振方向一致。半波電壓Vλ/2=Eλ/2，對應的相位差是π，其中是晶體的長度。9.4利用光電效應測電場2023/2/335相位差可以寫成當波長λ=546.1nm時，ADP的Vλ/2值為9.2kV，KD*P為3.4kV。晶體的響應時間非常短，因此這個測量的時間分辨率可以達到納秒量級。Pockels效應僅次出現(xiàn)于固體中，而Kerr效應出現(xiàn)液體和固態(tài)晶體里。液體中的效應起因于電場作用下各向異性分子的局部排列。因此可以利用液體作為高壓絕緣介質(zhì)，從而避免因傳感器造成的電場畸變。這對于以水作為絕緣介質(zhì)的脈沖功率系統(tǒng)非常重要。9.4利用光電效應測電場Kerr效應的不利因素在于和電場的關系是二次的。相位差：K是Kerr常數(shù)，對于水介質(zhì)和波長λ=589nm來說，他等于5.1×10-14m/V2。θ和E的二次關系有利于小信號的診斷。采用9.3節(jié)的方法得到的信號和E2成正比。