天光Ⅱ－B装置的诊断刻度

邹 俭，曾乃工，王 川，张天爵，姜兴东

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

天光Ⅱ－B脉冲功率装置是在天光Ⅱ－A的基础上建立而成的，利用天光Ⅱ－A的Marx发生器，在Marx油箱侧面建立一条新的实验线路，在保留装置原有泵浦激光能力的基础上，可进行其他相关实验研究。

电压和电流是脉冲功率技术中十分重要的电气参数，要求测到的电压和电流波形真实准确，因此对诊断设备的稳定性、响应时间和灵敏度均有一定要求。对于电压的测量，一般采用电阻分压器或电容分压器，对于电流的测量，一般采用罗柯夫斯线圈或回流器［1－4］。本工作拟对天光Ⅱ－B装置的电流电压诊断设备和方法进行研究。

1 系统

天光Ⅱ－B脉冲功率装置原理如图1所示，由 Marx发生器（0.1μF／100kV 的电容器20台，单台电容器工作充电电压75kV，正负充电）将形成线充电到1.5MV，主开关击穿，由传输线到达负载，所以测量探头必须安装在负载前、传输线末端的位置［5－6］。

图1 天光Ⅱ－B脉冲功率装置原理框图Fig.1 Block diagram of LightⅡ－B pulsed power device

2 探头

2.1 电压探头

用示波器测量高压脉冲时，通常需用到分压器，把脉冲的幅度降低，以满足示波器量程。为了得到真实的波形，分压器的分压比必须准确标定，在高压纳秒技术中，一般采用电容分压器，因其结构简单，频率响应可做到很宽，不直接接触高压电极，可忽略电场扰动影响。因此，选用水介质电容分压器（图2）。

图2 电容分压器原理图Fig.2 Principle diagram of capacitive voltage divider

电容分压器的高压臂电容CHV为电容分压器内导体杆与传输线内筒之间的电容，其大小由下式估算：CHV＝C0×＝1.167pF，式中，ri＝0.005m、di＝0.01m 分别为电容分压器内导体杆的半径与直径，Ro＝0.179 5m为传输线的外筒内径，C0＝240pF为单位长度（0.01m）传输线对应的电容。

电容分压器的低压臂电容CLV为电容分压器内导体杆与电容分压器外筒之间的电容，C＝2πεl／ln＝1 106pF，式中，r＝0.006mLVo为电容分压器外导体杆的半径，l＝0.045m为电容分压器导体杆的长度，ε为水的介电常数。故估算的电容分压比kc＝＝663。

小装置的脉冲宽度为60ns，为了能在测量负载电压时得到平顶波，在电容分压器输出接阻容耦合电路，输出的总分压比需在线标定。

2.2 电流探头

对负载前电流值的测量，采用回流在小电阻上的电压值来计算电流值，为避免并联小电阻在强流下烧毁，以及趋肤效应的影响所造成的偏差，采用不锈钢金属膜替代并联小电阻，在传输线末端与负载绝缘环的外径处，将不锈钢金属膜绕其1周构成回路。由于金属膜电阻值难以计算，必须进行在线标定。

采用平均厚度δ＝17μm的不锈钢薄膜，圆周长度L＝118cm，薄膜宽度Δw＝2.6cm，不锈钢的电阻率ρ＝90×10－6Ω·cm（环境温度20℃），则金属膜电阻环的阻值Rfilm＝＝1.16Ω·cm，薄膜的趋肤效应深度可由下式［8］估算：δ＝，其中，磁导率μ＝4π×10－9H／cm，ω＝2πf，脉冲频率f＝0.4／t0，脉冲波形上升时间t0＝1.8×10－8s，可得δ0＝103μm，δ0≫δ，因此趋肤效应可忽略不计。

由于该传输线的特性阻抗为1.25Ω，因此标定信号在通过电缆进入传输线前，为了避免50Ω电缆与1.25Ω传输线间由于阻抗不匹配发生反射，需加一50Ω至1.25Ω阻抗转换器，这一转换器对信号有约40倍的衰减，具体的衰减倍数也需标定。

3 方法

标定系统由标准方波发生器、衰减器、双屏蔽电缆、示波器等组成，连接被测系统后的整个标定系统如图3所示。

为保证数据的稳定性，方波发生器采用1台上升前沿约1ns、脉宽100ns、输出阻抗50Ω、稳定工作的幅值10kV连续可调的信号源，图4为该方波发生器经300倍阻抗变换器衰减后的输出波形。方波发生器输出两路信号，一路作为监测信号经过约626倍的分压比直接进入示波器用于幅值监测及波形触发；一路作为输入信号进入被测系统，标定时为了保证输入信号不发生畸变，系统各部分必须阻抗匹配，信号源输出阻抗50Ω，传输线特性阻抗1.25Ω，所以在信号源与传输线之间引入阻抗变换器使其阻抗匹配，同时以电容分压器与金属膜回流器分别引出信号进入示波器进行测量。

图5为Ansoft公司的Simplore6.0电路模拟软件建立的标定系统电路图，图中E1为脉冲源，C1、C2、R1、R2分别为高低压电容和电阻，R4、C3为阻容耦合电路，可改善输出波形，LTRA1为电缆线，R5为示波器输入阻抗，R3为负载。

R1、R2的阻值与水电阻率有关，为了验证电容分压器内水质的变化是否会影响输出波形，先后用1MΩ·cm、5kΩ·cm、2.5kΩ·cm等3组电阻率对输出电路进行模拟测试，发现输出波形无任何改变，从而证实了电容分压器稳定、可靠。

4 测试

在正式测量前，需对测量所用的阻抗变换器进行标定。

4.1 阻抗变换器标定

为了保证标定的准确性，要求整个系统阻抗匹配，信号不发生畸变。标定系统用传输线的独立末端标定，在末端前加一锥形等阻抗过渡段，信号由此进入，筒内充入去离子水，特性阻抗为1.25Ω。标定电缆阻抗50Ω，为了与特性阻抗相匹配，需在两者之间加一电阻网络，图6为该阻抗变换器等效电路图，满足：

此时，信号从Z1传输或Z2传输，阻抗均是匹配的，不会发生反射。如果Z1＞Z2，即Z1看作50Ω，Z2看作1.25Ω，根据方程可解出R1与R3的值。

图6 阻抗变换器电路图Fig.6 Circuit of impedance convertor

4.2 测量

实际测量中，由于测量信号很小，被高频信号声掩盖，几乎无法辨读，在示波器上虽降噪测量（带宽20MHz）可得到清晰波形，但幅值与上升时间明显失真，只可作为参考，因此采用不降噪测量（带宽200MHz）。为此，对测量系统进行了改善，采用双屏蔽线电缆传输信号，以减少噪声，测得的电流电压输出信号波形如图7所示，电容分压器响应时间小于5ns。根据监测信号与电压信号，可计算出分压比及膜电阻灵敏度，测量值列于表1。

图7 带宽200MHz输出电压电流波形Fig.7 Output voltage and current waveforms for bandwidth of 200MHz

表1 带宽200MHz电流电压诊断刻度性能指标Table 1 Output voltage and current guide line for bandwidth of 200MHz

实验中发现，不同时间段测量到的膜电阻是变化的，由于该膜电阻为不锈钢薄膜材料，其电阻率随温度的变化而变化，在不同的温度下对其测量，得到的曲线如图8所示。由图8可见，该不锈钢膜电阻随温度的升高而升高，在误差系数0.5%情况下，具有一定的线性度，在以后的实验中可根据图8选定准确的电阻值。

图8 膜电阻随温度的变化曲线Fig.8 Curve of film resistance changing with temperature

5 结论

在对脉冲功率负载电压电流测量中，测量系统的带宽选择对结果有一定的决定作用。以往均采用降噪测量获取波形，降噪处理波形清晰，但输出幅值及上升时间失真。不降噪测量信噪比小，不易读取波形，可通过本研究的方法得以改善，得出相对真实的波形数据。本研究结果说明，在示波器带宽为200MHz测量下，电容分压器总的分压比为9 100，膜电阻为0.76mΩ，膜回流器灵敏度为1.316kA／V。同时该电容分压器和膜回流器性能稳定、响应快，是测量负载前电压与电流的理想工具。

［1］姜兴东，曾乃工.高功率脉冲测试探头的标定［C］∥第五届高电压新技术交流会论文集.厦门：中国工程物理研究院，2000：169－175.

［2］曾乃工，杨大为，姜兴东，等.天光Ⅱ号强流脉冲电子加速器［C］∥第五届全国高功率会议论文集.合肥：高电压新技术分委会，1993：207－211.

［3］刘锡三.高功率脉冲功率技术［M］.北京：国防工业出版社，2005：154－174.

［4］刘锡三.强流粒子束及其应用［M］.北京：国防工业出版社，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.脉冲功率技术引论［M］.西安：陕西科学技术出版社，2003：147－180.