4 MV感应电压叠加器的电压测量.pdf
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1、脉冲功率技术4 MV 感应电压叠加器的电压测量*卫兵,郭帆,康军军,耿力东,李勇,夏明鹤(中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621999)摘 要:为测量 4MV 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 270MHz,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
2、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。4MV 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。关 键 词:感应电压叠加器;脉冲电压;D-dot 探头;频率响应;标定 中图分类号:TM835.4文献标志码:Adoi:10.11884/HPLPB202335.230168Voltage measurement for 4 MV induction voltage adderWe
3、iBing,GuoFan,KangJunjun,GengLidong,LiYong,XiaMinghe(Key Laboratory of Pulsed Power,Institute of Fluid Physics,CAEP,Mianyang 621999,China)Abstract:MultipleD-dotvoltageprobesweredesignedandcalibratedtomeasurethevoltageofa4MVinductionvoltageadder.Thefrequencyresponsetestresultsindicatethattheupperlimit
4、oftheprobefrequencyisgreater than 270 MHz,which meets the frequency response requirements of the voltage signal to be tested.Incalibration,duetothedifferentinstallationpositionsofthevoltagedividerandprobe,inordertoavoidthemismatchoftransmissionlineimpedancecausingvoltagewaveformdifferencesinthefastr
5、isingvoltagesignalatdifferentmeasurementpoints,apulsesignalwithafrontedgeofabouthundredsofnanosecondsisusedforcalibration.Duetothelow-frequencycharacteristicsoftheprobemeetingbothcalibrationandactualmeasurementrequirements,theaccuracyofcalibrationcanbeguaranteed.Consideringthedirectimpactofassemblys
6、tructureandaccuracyonthesensitivityoftheprobe,theoutputtransmissionlineprobeadoptsanonlinecalibrationmethodduringthestep-by-stepinstallationprocessoftheinductioncavity.Duetotheinfluenceofelectronsandotherfactorsonthevoltageprobenearthediode,waveformdistortionoccurs,makingitdifficulttodirectlymeasure
7、theloadvoltage.Theresultsofmultipleexperimentsona4MVdeviceindicatethatthedifferencebetweenthevoltagewaveformontheoutputtransmissionlineanditsdownstreampositionisconsistentwiththevoltagewaveformcalculatedusingtheinductancebetweenthetwoposition,indicatingthatusingthemeasurementresultsoftheupstreamvolt
8、ageprobeofthediodetocalculatethediodevoltageiseffective.Key words:inductionvoltageadder,voltagepulse,D-dotsensor,frequencyresponse,calibration感应电压叠加器(IVA)是采用电磁感应原理将多路脉冲功率驱动源产生的电脉冲串联叠加获得数 MV 级电压输出的脉冲功率驱动器1-5。为测量输出电压达到 4MV 的大型 IVA 驱动器1-3的电压,设计了相应的微分型电容分压器(D-dot)。电容分压器或微分型电容分压器(D-dot)利用探头与高压电极间的形成的结构电容
9、,获得脉冲电压的测量信号,是脉冲功率装置高电压测量的常用方法6-11。由于 D-dot 的灵敏度取决于探头与高压电极间的结构*收稿日期:2023-06-04;修订日期:2023-07-25基金项目:国家自然科学基金项目(51907181)联系方式:卫兵,。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35,No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2023095002-1电容,因此需要在线标定。对于一般的传输线和形成线,使用经线下标定的电阻分压器(或标准高压探头)获取标定 D-dot 的电压灵敏度7-11,但是对于本文所涉及的 IVA 驱动器,角向传输线
10、电压与次级输出电压探头的安装位置难以安装标定的比对分压器,因此需要设计适当的比对分压器安装位置。此外,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,直接测量负载电压也存在一定困难。本文针对 4MV 装置,研制了角向传输线电压探头与输出电压探头,根据探头的响应能力设计了相应的标定方法,并采用上游探头测量电压减去传输线电感电压的方法计算得到负载电压,获取了合理的测量结果。1 探头设计图 1 为 IVA 驱动器的横截面结构示意图。图中,V1V6分别为每个 IVA 角向传输线探头沿轴向的示意位置。由于需要获取不同角度位置的电压,图示 V1V6的每个位置均沿圆周方向布置了 2 个电压探头。定义馈入
11、点为 0,2 个角向传输线电压探头分别安装在 90与 180位置(图 1 中只能看到位于馈入点对面的 180探头位置)。此外,在每个 IVA 馈入位置也安装了电压探头,由于感应腔的同轴馈入段长度仅为 26cm,位于同轴馈入段中间位置的 D-dot 探头距离角向传输线 0位置很近,该位置电压波形也可以被认为是角向传输线 0位置的馈入电压波形。图 1 中 AF 表示 IVA 输出电压探头的位置,H 为临近杆箍缩二极管(RPD)的探头位置,距离二极管约 45cm,距离 F 位置约 66cm。对于 IVA 输出电压探头,虽然 IVA 次级设计为真空传输线,但也可能存在极少的空间电子,为了尽量减小可能的
12、影响,将输出电压探头布置在阳极。IVA 1#IVA 2#IVA 3#IVA 4#IVA 5#IVA 6#azimuthaltransmission lineinsulationstackfeed portmagneticcorecathodeplateABCDEFHV1V2V3V4V5V6innerstalkFig.1Schematiccross-sectionviewofthevoltageaddersystem图1IVA 驱动器的横截面结构与探头位置示意图D-dot 探头结构参见图 2。(a)是入口电压探头以及安装在 IVA 外筒上的角向传输线探头,(b)是安装在 IVA 内筒上的输出电压
13、探头。角向传输线探头安装在 IVA 外筒上,设计探头的直径为 24mm,估算 D-dot 与角向传输线阴极之间的电容 C 约为 0.15pF,探头输出电压 Vout约 500V,当使用积分常数 i=4s 的积分器时,计算探头灵敏度为 520kV/V,输入到示波器的测量值约 2V。估算该探头对地电容 Cg6pF,核算 cg0.3ns,响应时间约为 1ns,满足测量要求。输出电压探头安装在 IVA 内筒上,设计探头的直径为 22mm,估算 C 为 0.030.02pF,图 1 中AF 位置的被测电压为 14MV,核算探头输出电压 Vout在 100200V 之间,当使用积分常数 i=2s 的积分器
14、时,计算探头灵敏度为 11.5MV/V,输入到示波器的测量值为 13V。估算 Cg小于 5pF,核算 cg0.25ns,响应时间约为 1ns,满足测量要求。probeprobebasebaseN connectorSMA connectorouter conductor of IVAanode of IVA(a)D-dot of azimuthal TL(b)D-dot of IVA outputFig.2StructuraldiagramofD-dot图2D-dot 结构图强激光与粒子束095002-2测试回路由探头与积分器构成,因此测试回路的频率特性需要综合这两方面分析。探头的高频特性主要
15、受探头的杂散参数影响,其中最重要的参数是对地等效电容。将 D-dot 安装在标定室上,使用矢量网络分析仪可以对 D-dot 探头开展频响测试12-13。实验中,将矢量网络分析仪的端口 1 作为输入连接在标定室的一端;将矢量网络分析仪配备的标准 50 作为负载连接在标定室的另一端;将 D-dot 输出连接矢量网络分析仪的端口 2;测量 S21参数得到探头的频响特性曲线。D-dot 探头的 S21参数测量结果参见图 3(即横轴为频率 f,纵轴为左侧的 20lg(Vout/Vin),Vout即为探头输出信号,Vin为标定室的输入信号)。将幅频特性的纵轴转变为 20lg(Vout/CZVin),能够定
16、量确定探头的频率上限(C为 D-dot 探头与被测电极之间的等效电容,Z 为信号电缆的波阻抗,为信号角频率)12。实测角向传输线探头的频率上限约为 500MHz,输出电压探头频率上限约为 270MHz,均能够满足前沿为 30ns 信号的测试需求(实测频率上限低于理论分析,主要原因是理论分析忽略了部分结构分布参数)。IVA 驱动器的初级绝缘介质为变压器油,次级为真空。变压器油的电阻率大于 1015cm,因此,探头与高压电极之间的绝缘介质泄漏电阻 R 较大(计算该电阻与高压臂电容 C1的时间常数 R大于秒量级),所以探头自身的低频响应通常可以忽略14,当 D-dot 输出连接积分器获得信号时,测试
17、回路的低频特性由积分器的低频特性决定。本文采用积分常数为 4s 的积分器,可以计算该积分器的低频约为 40kHz。积分器的频率上限由杂散参数决定,本测试项目使用的积分器采用优化设计的结构和器件,频率上限约为 800MHz15。因此对于本测试系统,输出电压探头工作频率范围为 40kHz270MHz。2 标定根据感应腔的等效电路模型,理论分析以及仿真计算均表明,感应腔的同轴馈入段电压与角向传输线的波形有差异,且电压幅值也存在偏差2。因此,如果标定时馈入与感应腔实际信号时间特征基本相同的信号(前沿约30ns),将标准分压器(或标准电压探头)放置在感应腔的入口,角向传输线电压探头处的波形与分压器信号不
18、一致,从而影响标定的准确性。如果将馈入信号的前沿减慢至数百纳秒,则感应腔的传输线可以视为集总参数。此时入口电压波形与角向线电压波形以及幅值均相同。在该条件下,标准分压器的测试波形与 D-dot 测量波形可以进行比对。但是标定是否准确,还取决于 D-dot 探头的频响特性是否能够覆盖标定的慢信号以及实测的快信号11。根据频响分析可知探头的低频特性能够响应 s 甚至更慢的脉冲信号,但是积分常数为 4s 的积分器不能满足测量 s 量级低频信号的需求。因此,标定时使用 D-dot 输出的 dV/dt 信号数值积分获取电压,使标定不受积分器频率特性的限制。D-dot 的频率上限超过 270MHz,满足前
19、沿为 30ns 的实测信号要求,更能满足数百纳秒的标定信号的需求。所以,确定IVA 驱动器的角向传输线电压探头的标定方法为:采用电容器放电得到前沿数百纳秒的脉冲信号,从 IVA 的输入端馈入,标准分压器(高压探头)安装在 IVA 的输入端。对于 IVA 次级电压探头的标定,需要用标准探头测量次级阴阳极之间电压作为比对电压。对于 F 和 H 位置的探头,可以在 IVA 完成装配后,在 IVA 出口布置高压探头测量阴阳极之间的电压作为比对标准,参见图 4。但是对于其他位置,IVA 完成装配后就无法从 IVA 的外侧引入比对分压器。而且,由于次级外筒的内表面做了阳极化绝缘处理,因此即使从内筒引入标准
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