脉冲功率的诊断

9.1电磁场传感器9.2分流器9.3利用法拉第效应测电流9.4利用电光效应测电场9.5磁场粒子能量分析器9.6真空电压探测器2023/2/312023/2/32诊断瞬态电磁场的测量，不仅在脉冲功率方面，而且在高压装置的测量方面也很重要电磁场的基本参数是E和B，从它们可以求出脉冲电流和电压传感器的结构和位置，必须不干扰电磁场的测量采用电容耦合和感应耦合能满足要求，类似的光电耦合也能满足要求传统的电阻分压器，由于高压绝缘上的缺陷，它的应用范围受到一定的限制2023/2/339.1电磁场传感器快速变化的电磁场会在传感器中产生电流和电压。本书假定传感器相对于电磁场变化空间足够小。如果电磁场上升时间为τr，传播速度为c，则d<<cτr，

d为电磁波传播方向上传感器的长度。2023/2/349.1电磁场传感器快速变化的电场产生一个位移电流，叠加传导电流上对于截面为A的理想传感器电容耦合的基本原理、不注意信号传输线的屏蔽，干扰的电容耦合也可能发生。2023/2/359.1电磁场传感器变化的磁场在导电线圈里产生电流。如果线圈面积为A，穿过线圈的磁感应强度为B，得线圈里产生的感应电压为如果磁场均匀分布，得到与磁场垂直、面积为A的线圈上产生的感应电压为传感器的几何形状直接影响信噪比的大小。2023/2/369.1电磁场传感器9.1.1电容耦合传感器如果场的时间变化足够慢，电容耦合传感器可以简化为包括电流源或电压源，以及负载阻抗的等效电路（如右图）这里

是一个修正项，在RC>>t时可以忽略。是脉冲过程中达到的最大电场强度。2023/2/379.1电磁场传感器如果要从局部电场强度得到脉冲电压，必须知道电场E(t)和电压U(t)的关系。例如，外径为ra，内径为ri的同轴传输线，当内部电磁场为纯粹的TEM00波时，有最终得到对于右图的传输线上的电容耦合传感器可以认为是电容分压器，结果一样：CE是传感器与接地极之间的电容，CH是传感器与高压电极间的电容，且这里假定CH<<CE2023/2/389.1电磁场传感器2023/2/399.1电磁场传感器9.1.2感应耦合根据法拉第电磁感应定律，闭合回路的感应电压为：为得到磁场B，需要采用积分电路。右图为一个带有简单RC积分器的等效电路。L是回路电感，R和C分别是积分电阻和电感。则感应电压为：9.1电磁场传感器当R>>Lω时（这里ω是脉冲信号傅里叶频谱中最重要的频率），可得：若将测量时间限制在t<<RC范围内，最终得到：2023/2/310与电场测量时相同，由磁场强度得到脉冲电流值，必须知道系统的形状，而且仅有TEM00波存在。这时有：N是线圈的匝数，在电流的空间分布和线圈所处磁场方向已知的情况下，可以较精确的计算出K。因此简单的电流测量用线圈必须在现场进行标定。2023/2/3119.1电磁场传感器2023/2/3129.1电磁场传感器如果电流密度分布不知道或者现场标定有困难，这时就要用Rogowski线圈代替简单的线圈式电流传感器。如右图，Rogowski线圈是一个环绕被测电流的螺旋形线圈。由Ampere定律得到Rogowski线圈电流与螺线管内的磁感应强度的关系为：其中si是线圈绕线间的平均距离，cos（ni，Bi）是第i圈绕线的法线与磁场间的夹角的余弦另一方面，忽略绕线面积Ai内的磁场的空间变化，可以得到Rogowski线圈的输出端的电压为：2023/2/3139.1电磁场传感器假定：（1）螺线管的截面积不变，即Ai=A。（2）螺线管上的绕线密度不变，即si=s。2023/2/3149.1电磁场传感器9.1电磁场传感器高频时很难满足Lω<<R。当r+R<<Lω时，且有R<<1/ωC得到：2023/2/3159.1电磁场传感器最低响应频率由r+R<<Lω决定，响应频率上限由Rogowski线圈的LC共振频率决定。对应与低端频率的波长由线圈的长度决定。如果在螺线管中使用磁性材料可以扩展低端频率，但同时也会影响高端频率特性。另外，尽管磁心可以改进低频特性，但必须注意它的饱和现象。2023/2/3162023/2/3179.1电磁场传感器在实际情况中，为了避免电容耦合带来的干扰，通常把Rogowski线圈放在带有狭缝的导体容器中。2023/2/3189.1电磁场传感器Rogowski线圈的另一个问题是螺线管大圆面积内的磁通量带来的影响。它可以用下图的方法进行补偿，或者将容纳Rogowski线圈的金属容器的大环入口短路，当然容器的内侧必须有狭缝容许磁场进入。在高功率短脉冲的情况下，瞬间的感应电场可能造成狭缝处或线圈表面的闪络击穿。9.1电磁场传感器当脉冲的上升时间小于线圈内的信号传输时间，Rogowski线圈的等效电路不能用集中参数来描述，而必须采用传输线模型。在这种情况下，线圈不同位置产生的感应电压于不同的时间到达输出端的电阻，因此造成信号的畸变。2023/2/3199.1电磁场传感器当Rogowski线圈的终端阻抗Z>>Z0时，可能出现阶跃脉冲的上升时间（Z0=（L/C）1/2是Rogowski线圈的阻抗）。但这时对于被测电流的时间宽度，不能有t<T(T是沿线圈传播的时间)。对于自积分线圈来说，更为严重的问题可能来自其绕线间感应的电压不均匀，造成输出信号的强烈震荡。所以，Rogowski线圈的响应与被测电流的分布无关不是完全正确的。2023/2/3202023/2/3219.2分流器分流器的原理就是测量已知电阻两端的电压，得到电流。分流器可以避免磁感应线圈在测量高功率短脉冲时出现的问题。一般，测量电路与被测电路的不仅有欧姆电阻的耦合还有磁感应耦合。这样输出电压与被测电流不成正比，因此分流器的设计应尽量避免磁场的影响。9.2分流器如图所示是一个同轴型分流器。分流器的频率响应受到材料中磁场渗透的限制。2023/2/322如果假定圆筒厚度d远小于圆筒半径ra，对于阶跃式上升电流I0的响应信号可以按下面公式近似：U（t）是分流器两端的电压，U*是最大输出电压，且其中是分流器电阻两端的距离，ρ是材料的电阻率，t*是扩散特性：t*和脉冲的10%~90%上升时间τ的关系是：τ=0.25t*2023/2/3239.2分流器2023/2/3249.2分流器右图所示的分流器结构可用来测量同轴型传输线的电流。尤其适用于真空传输线，带电粒子的产生和等离子体的形成基本结构：外导体内表面充满绝缘材料（环氧树脂）的凹槽和它上面覆盖的金属薄膜。两个测量线连接在金属薄膜的两端，以获取它的两端电压。2023/2/3259.2分流器右图所示分流器电阻Rf（薄膜）和一个电感Lg的并联，当测量时间小于τd=Lg/Rf大于τ=0.25t*时，输出信号才与电流成正比。

Τd很容易达到微秒量级。因为电阻10-3Ω，凹槽电感通常大于10-9H。接点的连线与薄膜电阻之间的空间里的磁通量变化可能带来误差，因此分流器必须注意减小这个空间。另一方面，焦耳热可能改变薄膜的电阻值，从而引入误差。2023/2/3269.3利用法拉第效应测电流Faraday效应：对于在介质内传播的光波，当存在平行于光波前进方向的磁场时，其偏振方向发生旋转。用磁场可以产生具有不同折射率的向右或向左的旋转偏振波。因此偏振面的旋转角度与光路上磁场H的线积分成正比，且与相对于光路的电流空间分布有关。类似于Rogowski线圈让光束环绕被测电流，使偏振旋转与电流分布无关。对于一个封闭的光路，可以得到9.3利用法拉第效应测电流Ampere定律，用I取代闭路积分，I是被光路环绕的总电流。V是费尔德常数的比例系数。对于任何材料，Verdet常数依赖于光线的波长和材料的温度。当材料为石英玻璃，波长为633nm时，V=4.1rad/MA，此时旋转角度可以表示为θ=VI2023/2/3272023/2/3289.3利用法拉第效应测电流简单方法采用一条光纤，要观察光的偏振。所以只能用单一的模式和能够使用偏振光的光纤。提高测量灵敏度，光纤可以环绕电流通道多次。最适合的光源自然是面偏振的激光束。误差：光纤内的双折射可能带来严重的测量障碍，特别是测量脉冲电流时。光纤弯曲产生线性双折射效应。它的影响与（r/R）2成正比。r为光纤半径，R是弯曲的曲率半径。采用扭转光纤的办法可以有效地降低线性双折射效应的影响。9.3利用法拉第效应测电流2023/2/3299.3利用法拉第效应测电流典型的Faraday旋转诊断系统示意图。采用12mW的830nm激光二极管作为光源。激光二极管的输出被耦合进一根支持单模偏振光的的光纤。光纤在Faraday旋转方向以40匝/m扭转。显著减小了有弯曲产生的线性双折射的影响。分析器由透镜、半波长片、无偏振分束器、玻璃偏光器和输出透镜构成。两个偏光器的方向相互垂直，因此从两个输出信号可以得到相差。光纤外有一个塑料容器，使其不受

挤压和冲击波的影响。2023/2/3309.3利用法拉第效应测电流根据最大电流时的θ是远大于π，还是远小于π，可以选取两种不同的信号处理方法。如果θmax很小，可利用两个输出信号的和与差或利用θ=VI得：这里k是比例常数。精确度取决于测量系统的信噪比和θmax2023/2/3319.3利用法拉第效应测电流当θmax比π大时，分析一个信号就足够了。如果分析器的方向与初始偏振方向垂直，则输出信号为为求得I(t)，这个信号必须进行数值逆变换。Faraday电流传感器的主要特点是它相对来说不受电磁场干扰的影响。2023/2/3322023/2/3339.4利用电光效应测电场利用电场产生的晶体水液体里的双折射效应，或利用晶体的折射指数的变化，可以达到测量电场强度的目的。一个电场探头里的正常光线与异常光线的相位差由下式给出：假定探头的长度内的电场分布是均匀的。这个相位差导致光波偏振的旋转，因此可以采用和9.3节同样的信号分析系统。Δn=n0-ne0与电场的关系：线性的，称为Pockels效应；二次型的，称为Kerr效应或二次光电效应。2023/2/3349.4利用光电效应测电场Pockels效应出现于缺乏对称中心的晶体中。经常使用的有ADP（磷酸二氢铵）和KD*P（磷酸二氘钾）。Pockels探头通常是一个单晶体，它的光轴与光束和电场的方向平行（如图）。一个偏振激光束穿过晶体进入分析器。分析器的允许偏振方向与零电场时的入射光偏振方向一致。半波电压Vλ/2=Eλ/2，对应的相位差是π，其中是晶体的长度。9.4利用光电效应测电场2023/2/335相位差可以写成当波长λ=546.1nm时，ADP的Vλ/2值为9.2kV，KD*P为3.4kV。晶体的响应时间非常短，因此这个测量的时间分辨率可以达到纳秒量级。Pockels效应仅次出现于固体中，而Kerr效应出现液体和固态晶体里。液体中的效应起因于电场作用下各向异性分子的局部排列。因此可以利用液体作为高压绝缘介质，从而避免因传感器造成的电场畸变。这对于以水作为绝缘介质的脉冲功率系统非常重要。9.4利用光电效应测电场Kerr效应的不利因素在于和电场的关系是二次的。相位差：K是Kerr常数，对于水介质和波长λ=589nm来说，他等于5.1×10-14m/V2。θ和E的二次关系有利于小信号的诊断。采用9.3节的方法得到的信号和E2成正比。