基于PCB式磁感應(yīng)線圈的B-dot探頭及電流空間分布測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出一種B-dot電流探頭及電流測量系統(tǒng)，在超高功率脈沖傳輸、真空磁 絕緣傳輸線、感應(yīng)電壓疊加器和Z箍縮實(shí)驗(yàn)等快脈沖電流測量中具有重要應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 超高功率脈沖技術(shù)能夠在實(shí)驗(yàn)室獲得極端高溫、高壓、高能密度和強(qiáng)輻射等極端 物理實(shí)驗(yàn)條件，在Z箍縮慣性約束聚變、輻射效應(yīng)和天體物理等前沿科學(xué)研究中具有重要 的應(yīng)用。束流傳輸測量是大型脈沖功率裝置運(yùn)行監(jiān)控、參數(shù)測量和開展物理實(shí)驗(yàn)不可缺少 的環(huán)節(jié)。
[0003] 超高功率脈沖裝置中的脈沖電流（束流）測量具有以下特點(diǎn)：（1)被測脈沖電流 前沿快，上升時(shí)間通常為10~100納秒；（2)脈沖電流幅值高，電流峰值在千安甚至兆安量 級；（3)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境等離子體或高能電子、強(qiáng)輻射等均可能使電流探測器失效；(4)電流 探測器需求數(shù)量多，要求一致性好。
[0004]B-dot電流探頭由于響應(yīng)快、靈敏度高、抗干透能力強(qiáng)、對被測對象的影響小等 優(yōu)點(diǎn)在等離子體參數(shù)診斷、真空磁絕緣傳輸線和直線感應(yīng)加速器等方面廣泛應(yīng)用。美國 Sandia國家實(shí)驗(yàn)室ZR裝置（脈沖電流26MA，上升時(shí)間100ns，電功率55TW)采用24個(gè)B-dot 來監(jiān)測外層磁絕緣電流，為裝置功率分析和物理實(shí)驗(yàn)提供了重要數(shù)據(jù)。國內(nèi)中國工程物理 研究院"神龍一號"直線感應(yīng)加速器采用B-dot陣列來監(jiān)測脈沖電子束的束流強(qiáng)度和束心 位置。
[0005] 當(dāng)多個(gè)B-dot探頭組成陣列用于測量脈沖電流空間分布均勻性時(shí)，要求各探頭靈 敏度和頻響特性一致，探頭之間靈敏度差異應(yīng)遠(yuǎn)低于被測電流角向分布不均勻系數(shù)。但目 前的B_dot探頭的磁感應(yīng)線圈通常米用漆包線或鋼芯電纜纏繞成小圓環(huán)，多個(gè)B_dot磁感 應(yīng)線圈的一致性難以保證，致使B-dot靈敏度差異較大，給數(shù)據(jù)分析特別是束流動力學(xué)研 究帶來了極大不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了提高超高功率脈沖裝置中的脈沖電流（束流）測量的準(zhǔn)確性，本發(fā)明提供一 種基于印制電路板（PrintedCircuitBoard,PCB)式磁感應(yīng)線圈的B-dot電流探頭，同時(shí)， 本發(fā)明還提供了一種基于該B-dot電流探頭的電流測量系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0008] -種基于PCB式磁感應(yīng)線圈的B-dot電流探頭，包括磁感應(yīng)線圈、電纜連接器及支 撐固定裝置，
[0009] 所述磁感應(yīng)線圈用于探測磁通密度的變化，所述電纜連接器用于測量信號的引 出，所述支撐固定裝置用于電磁感應(yīng)線圈和/或電纜連接器的支撐固定；
[0010] 其特殊之處在于：
[0011] 所述磁感應(yīng)線圈在電路板上沿同一方向順時(shí)針或逆時(shí)針布線，形成PCB式磁感應(yīng) 線圈，
[0012] PCB式磁感應(yīng)線圈1 一端設(shè)置有磁感應(yīng)線圈接地區(qū)11，定義設(shè)置磁感應(yīng)線圈接地 區(qū)的一端為PCB式磁感應(yīng)線圈的接地端1A，與接地端相對的另一端定義為PCB式磁感應(yīng)線 圈的頂端1B，
[0013] 所述支撐固定裝置包括金屬支撐環(huán)3及金屬屏蔽蓋2，所述金屬支撐環(huán)3的一側(cè)開 設(shè)有與接地端相匹配的第一定位卡槽31，接地端1A插在第一定位卡槽31內(nèi)；所述金屬屏 蔽蓋2設(shè)置在頂端1B且與金屬支撐環(huán)3相扣合并通過緊固螺釘6緊固，
[0014] 所述金屬屏蔽蓋2上還開設(shè)有狹縫7,所述狹縫7的長邊方向垂直于磁感應(yīng)線圈平 面，所述金屬屏蔽蓋3在抑制強(qiáng)電磁和強(qiáng)輻射干擾的同時(shí)，通過狹縫7讓磁場引入磁感應(yīng)線 圈。
[0015] 上述支撐固定裝置還包括連接器安裝法蘭4,所述電纜連接器安裝法蘭4設(shè)置在 金屬支撐環(huán)3的外側(cè)，所述電纜連接器安裝法蘭4上設(shè)置有第一電纜連接器安裝孔，所述金 屬支撐環(huán)3與電纜連接器安裝孔的相對處設(shè)置有第二電纜連接器安裝孔，所述電纜連接器 4通過第一電纜連接器安裝孔及第二電纜連接器安裝孔與PCB式磁感應(yīng)線圈1電氣連接，弓丨 出測量信號；
[0016] 所述金屬屏蔽蓋2、金屬支撐環(huán)3及電纜連接器安裝法蘭4之間通過同一緊固螺釘 6連接；所述緊固螺釘6從連接器安裝法蘭4處旋入，依次緊固金屬支撐環(huán)3與金屬屏蔽蓋 2〇
[0017] 上述金屬屏蔽蓋2上設(shè)置有與PCB式磁感應(yīng)線圈的頂端1B相匹配的第二定位卡 槽8,當(dāng)金屬屏蔽蓋2與金屬支撐環(huán)3相扣和時(shí)，PCB式磁感應(yīng)線圈的頂端1B插入第二定位 卡槽8內(nèi)。
[0018] 上述PCB式磁感應(yīng)線圈接地端1A設(shè)置有凹口，所述凹口包括第一凹口 13和第二 凹口 14,所述第一凹口 13從印制板外側(cè)向內(nèi)開設(shè)，形狀呈矩形，所述第二凹口 14從第一凹 口 13的底部中心向印制板中心開設(shè)，所述第二凹口 14的底部位于印制板中心，所述電纜連 接器5的接觸件位于第二凹口處14與磁感應(yīng)線圈的始端接觸，引出測量信號。
[0019] 上述PCB式磁感應(yīng)線圈1為雙層板，所述磁感應(yīng)線圈在印制板上采用頂層、底層雙 層布線，兩層線圈之間通過金屬過渡孔12導(dǎo)通。
[0020] 上述PCB式磁感應(yīng)線圈1上的線圈頂層布線9始于印制板正面的中心，由印制板 頂層的中心向頂端方向順時(shí)針由外而內(nèi)布線，頂層布線結(jié)束后，頂層布線的終點(diǎn)通過金屬 過渡孔12在下層按照順時(shí)針方向布線，線圈下層布線10終止于印制板反面的接地區(qū)11。
[0021] 上述狹縫7的形狀為長方形，所述狹縫7的長邊方向垂直于磁感應(yīng)線圈平面。
[0022] 本發(fā)明所提供的感應(yīng)電壓疊加器次級電流測量系統(tǒng)，所述感應(yīng)電壓疊加器包括中 心內(nèi)筒17、接地端外筒18及各級兆伏級感應(yīng)腔19,在各級兆伏級感應(yīng)腔19的出口處均設(shè) 置有過渡段外筒20,所述接地端外筒18、各級兆伏級感應(yīng)腔19及各級兆伏級感應(yīng)腔所對應(yīng) 的過渡段外筒20均設(shè)置在中心內(nèi)筒17的外側(cè)，且沿中心內(nèi)筒17的始端至末端依次串接，
[0023] 所述感應(yīng)電壓疊加器次級電流測量系統(tǒng)包括多個(gè)B-dot電流探頭陣列21，所述多 個(gè)B-dot電流探頭陣列21位于感應(yīng)疊加器多個(gè)不同的軸向位置，每一軸向位置設(shè)置一個(gè) B-dot電流探頭陣列21，
[0024] 其特殊之處在于：
[0025] 多個(gè)B-do電流探頭陣列21中的B-dot電流探頭的結(jié)構(gòu)如上述。
[0026] 上述每個(gè)B-dot電流探頭陣列21均分為兩個(gè)小組分別設(shè)置于過渡段外筒20和對 應(yīng)的中心內(nèi)筒17上，且過渡段外筒20與中心內(nèi)筒17的B-dot電流探頭安裝位置一一相對。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是：
[0028] 1、本發(fā)明的B-dot電流探頭采用印制電路板設(shè)計(jì)B-dot探頭的磁感應(yīng)線圈，線圈 一致性好，多只B-dot輸出差異小，在采用多只B-dot探頭組成陣列進(jìn)行電流空間分布均勻 性的測量時(shí)具有顯著優(yōu)勢。
[0029] 2、本發(fā)明的B-dot探頭采用狹長孔縫的金屬屏蔽蓋，可有效地抑制使用環(huán)境中強(qiáng) 電磁和高能電子干擾，同時(shí)使磁場進(jìn)入PCB線圈。
[0030] 3、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、巧妙且可靠，通過將金屬屏蔽蓋與支撐固定裝置的一 體化設(shè)計(jì)、金屬屏蔽蓋在起到屏蔽作用的同時(shí)具有支撐固定的作用，TNC輸出連接器直接卡 入PCB線圈的凹口內(nèi)，通過同一緊固螺釘將金屬支撐環(huán)和金屬屏蔽蓋從印制板上、下兩側(cè) 壓緊，實(shí)現(xiàn)良好電氣連接，無需焊接，簡化了裝配工藝，避免額外引入電感。
[0031] 4、本發(fā)明磁感應(yīng)線圈采用雙層布線PCB，提高了PCB磁感應(yīng)線圈磁通量，同等PCB 線圈面積時(shí)，雙層布線可增多線圈匝數(shù)，輸出信號幅值增大，提高了B-dot探頭信噪比；相 同輸出信號幅值下，雙層布線需要的PCB線圈面積減小，有利于探頭的小型化。
[0032] 5、本發(fā)明的PCB式B-dot探頭組成陣列，作為感應(yīng)電壓疊加器裝置次級電流空間 分布測量時(shí)具有測量準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】：
[0033] 圖1A為B-dot探頭結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0034] 圖1B為圖1A的A-A視圖。
[0035] 圖1C為圖1A的B-B視圖。
[0036] 圖2A為金屬屏蔽蓋結(jié)構(gòu)圖。
[0037] 圖2B為圖2A的A-A視圖。
[0038] 圖3A為PCB磁感應(yīng)線圈一面布線示意圖。
[0039] 圖3B為PCB磁感應(yīng)線圈另一面布線示意圖。
[0040] 圖4三只PCB式B-dot探頭輸出信號與Pearson電流線圈（一種商業(yè)用、標(biāo)準(zhǔn)電 流測量線圈）測量結(jié)果的比較。
[0041] 圖5為PCB式B-dot輸出的數(shù)值積分與Pearson電流線圈測量結(jié)果的比較。
[0042] 圖6為兩級感應(yīng)腔串聯(lián)IVA裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖7為探頭安裝位置橫截面示意圖。
[0044] 其中附圖標(biāo)記為：1 -PCB式磁感應(yīng)線圈；1A-接地端；1B-頂端；2 -金屬屏蔽蓋； 3 -金屬支撐環(huán)；31-第一定位卡槽；4-連接器安裝法蘭；5-TNC型電纜連接器；6-緊固螺 釘；狹縫；8-第二定位卡槽；9-線圈頂層布線；10-線圈下層布線；11-接地區(qū)；12-金屬 過渡孔；13-第一凹口；14-第二凹口；17-中心內(nèi)筒；18-接地端外筒；19-兆伏級感應(yīng)腔； 20-過渡段外筒。
【具體實(shí)施方式】