基于PCB式磁感应线圈的B-dot探头及电流空间分布测量系统

摘要

本发明提供一种基于PCB式磁感应线圈的B-dot探头及电流空间分布测量系统，其中B-dot探头的磁感应线圈在电路板上沿同一方向顺时针或逆时针布线，形成PCB式磁感应线圈，在采用多只B-dot探头组成阵列进行电流空间分布均匀性的测量时具有显著优势。金属屏蔽盖设置在顶端且与金属支撑环相扣合并通过紧固螺钉紧固，金属屏蔽盖上还开设有狭缝，狭缝的长边方向垂直于磁感应线圈平面，金属屏蔽盖在抑制强电磁和强辐射干扰的同时，通过狭缝让磁场引入磁感应线圈。

说明书

技术领域

本发明提出一种B-dot电流探头及电流测量系统，在超高功率脉冲传输、 真空磁绝缘传输线、感应电压叠加器和Z箍缩实验等快脉冲电流测量中具有 重要应用。

背景技术

超高功率脉冲技术能够在实验室获得极端高温、高压、高能密度和强辐 射等极端物理实验条件，在Z箍缩惯性约束聚变、辐射效应和天体物理等前 沿科学研究中具有重要的应用。束流传输测量是大型脉冲功率装置运行监控、 参数测量和开展物理实验不可缺少的环节。

超高功率脉冲装置中的脉冲电流(束流)测量具有以下特点：(1)被测 脉冲电流前沿快，上升时间通常为10～100纳秒；(2)脉冲电流幅值高，电 流峰值在千安甚至兆安量级；(3)环境复杂，环境等离子体或高能电子、强 辐射等均可能使电流探测器失效；(4)电流探测器需求数量多，要求一致性 好。

B-dot电流探头由于响应快、灵敏度高、抗干透能力强、对被测对象的影 响小等优点在等离子体参数诊断、真空磁绝缘传输线和直线感应加速器等方 面广泛应用。美国Sandia国家实验室ZR装置(脉冲电流26MA，上升时间 100ns，电功率55TW)采用24个B-dot来监测外层磁绝缘电流，为装置功 率分析和物理实验提供了重要数据。国内中国工程物理研究院“神龙一号”直线 感应加速器采用B-dot阵列来监测脉冲电子束的束流强度和束心位置。

当多个B-dot探头组成阵列用于测量脉冲电流空间分布均匀性时，要求各 探头灵敏度和频响特性一致，探头之间灵敏度差异应远低于被测电流角向分 布不均匀系数。但目前的B-dot探头的磁感应线圈通常采用漆包线或钢芯电缆 缠绕成小圆环，多个B-dot磁感应线圈的一致性难以保证，致使B-dot灵敏度 差异较大，给数据分析特别是束流动力学研究带来了极大不便。

发明内容

为了提高超高功率脉冲装置中的脉冲电流(束流)测量的准确性，本发 明提供一种基于印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)式磁感应线圈的B-dot 电流探头，同时，本发明还提供了一种基于该B-dot电流探头的电流测量系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于PCB式磁感应线圈的B-dot电流探头，包括磁感应线圈、电缆 连接器及支撑固定装置，

所述磁感应线圈用于探测磁通密度的变化，所述电缆连接器用于测量信 号的引出，所述支撑固定装置用于电磁感应线圈和/或电缆连接器的支撑固定；

其特殊之处在于：

所述磁感应线圈在电路板上沿同一方向顺时针或逆时针布线，形成PCB 式磁感应线圈，

PCB式磁感应线圈1一端设置有磁感应线圈接地区11，定义设置磁感应 线圈接地区的一端为PCB式磁感应线圈的接地端1A，与接地端相对的另一端 定义为PCB式磁感应线圈的顶端1B，

所述支撑固定装置包括金属支撑环3及金属屏蔽盖2，所述金属支撑环3 的一侧开设有与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内；所述金属屏蔽盖2设置在顶端1B且与金属支撑环3相扣合并通 过紧固螺钉6紧固，

所述金属屏蔽盖2上还开设有狭缝7，所述狭缝7的长边方向垂直于磁感 应线圈平面，所述金属屏蔽盖3在抑制强电磁和强辐射干扰的同时，通过狭 缝7让磁场引入磁感应线圈。

上述支撑固定装置还包括连接器安装法兰4，所述电缆连接器安装法兰4 设置在金属支撑环3的外侧，所述电缆连接器安装法兰4上设置有第一电缆 连接器安装孔，所述金属支撑环3与电缆连接器安装孔的相对处设置有第二 电缆连接器安装孔，所述电缆连接器4通过第一电缆连接器安装孔及第二电 缆连接器安装孔与PCB式磁感应线圈1电气连接，引出测量信号；

所述金属屏蔽盖2、金属支撑环3及电缆连接器安装法兰4之间通过同一 紧固螺钉6连接；所述紧固螺钉6从连接器安装法兰4处旋入，依次紧固金 属支撑环3与金属屏蔽盖2。

上述金属屏蔽盖2上设置有与PCB式磁感应线圈的顶端1B相匹配的第 二定位卡槽8，当金属屏蔽盖2与金属支撑环3相扣和时，PCB式磁感应线圈 的顶端1B插入第二定位卡槽8内。

上述PCB式磁感应线圈接地端1A设置有凹口，所述凹口包括第一凹口 13和第二凹口14，所述第一凹口13从印制板外侧向内开设，形状呈矩形， 所述第二凹口14从第一凹口13的底部中心向印制板中心开设，所述第二凹 口14的底部位于印制板中心，所述电缆连接器5的接触件位于第二凹口处14 与磁感应线圈的始端接触，引出测量信号。

上述PCB式磁感应线圈1为双层板，所述磁感应线圈在印制板上采用顶 层、底层双层布线，两层线圈之间通过金属过渡孔12导通。

上述PCB式磁感应线圈1上的线圈顶层布线9始于印制板正面的中心， 由印制板顶层的中心向顶端方向顺时针由外而内布线，顶层布线结束后，顶 层布线的终点通过金属过渡孔12在下层按照顺时针方向布线，线圈下层布线 10终止于印制板反面的接地区11。

上述狭缝7的形状为长方形，所述狭缝7的长边方向垂直于磁感应线圈 平面。

本发明所提供的感应电压叠加器次级电流测量系统，所述感应电压叠加 器包括中心内筒17、接地端外筒18及各级兆伏级感应腔19，在各级兆伏级 感应腔19的出口处均设置有过渡段外筒20，所述接地端外筒18、各级兆伏 级感应腔19及各级兆伏级感应腔所对应的过渡段外筒20均设置在中心内筒 17的外侧，且沿中心内筒17的始端至末端依次串接，

所述感应电压叠加器次级电流测量系统包括多个B-dot电流探头阵列21， 所述多个B-dot电流探头阵列21位于感应叠加器多个不同的轴向位置，每一 轴向位置设置一个B-dot电流探头阵列21，

其特殊之处在于：

多个B-do电流探头阵列21中的B-dot电流探头的结构如上述。

上述每个B-dot电流探头阵列21均分为两个小组分别设置于过渡段外筒 20和对应的中心内筒17上，且过渡段外筒20与中心内筒17的B-dot电流探 头安装位置一一相对。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明的B-dot电流探头采用印制电路板设计B-dot探头的磁感应线 圈，线圈一致性好，多只B-dot输出差异小，在采用多只B-dot探头组成阵列 进行电流空间分布均匀性的测量时具有显著优势。

2、本发明的B-dot探头采用狭长孔缝的金属屏蔽盖，可有效地抑制使用 环境中强电磁和高能电子干扰，同时使磁场进入PCB线圈。

3、本发明的结构设计简单、巧妙且可靠，通过将金属屏蔽盖与支撑固定 装置的一体化设计、金属屏蔽盖在起到屏蔽作用的同时具有支撑固定的作用， TNC输出连接器直接卡入PCB线圈的凹口内，通过同一紧固螺钉将金属支撑 环和金属屏蔽盖从印制板上、下两侧压紧，实现良好电气连接，无需焊接， 简化了装配工艺，避免额外引入电感。

4、本发明磁感应线圈采用双层布线PCB，提高了PCB磁感应线圈磁通 量，同等PCB线圈面积时，双层布线可增多线圈匝数，输出信号幅值增大， 提高了B-dot探头信噪比；相同输出信号幅值下，双层布线需要的PCB线圈 面积减小，有利于探头的小型化。

5、本发明的PCB式B-dot探头组成阵列，作为感应电压叠加器装置次级 电流空间分布测量时具有测量准确性高的优点。

附图说明：

图1A为B-dot探头结构的俯视图。

图1B为图1A的A-A视图。

图1C为图1A的B-B视图。

图2A为金属屏蔽盖结构图。

图2B为图2A的A-A视图。

图3A为PCB磁感应线圈一面布线示意图。

图3B为PCB磁感应线圈另一面布线示意图。

图4三只PCB式B-dot探头输出信号与Pearson电流线圈(一种商业用、 标准电流测量线圈)测量结果的比较。

图5为PCB式B-dot输出的数值积分与Pearson电流线圈测量结果的比较。

图6为两级感应腔串联IVA装置结构示意图。

图7为探头安装位置横截面示意图。

其中附图标记为：1－PCB式磁感应线圈；1A-接地端；1B-顶端；2－金 属屏蔽盖；3－金属支撑环；31-第一定位卡槽；4-连接器安装法兰；5-TNC 型电缆连接器；6-紧固螺钉；7-狭缝；8-第二定位卡槽；9-线圈顶层布线；10- 线圈下层布线；11-接地区；12-金属过渡孔；13-第一凹口；14-第二凹口；17- 中心内筒；18-接地端外筒；19-兆伏级感应腔；20-过渡段外筒。

具体实施方式

本发明提出一种采用小尺寸印制电路板(PCB)作为磁感应线圈的B-dot 电流探头，其核心思想：B-dot探头的磁感应线圈采用双层PCB，上、下两层 布线，侧面镀锡。线圈顶层布线始于PCB顶层中心，在线圈底层布线终止于 PCB板面的镀锡区。凸型TNC连接器卡入PCB线圈的凹口内，引出测量信 号。刻有矩形槽的金属支撑环3和金属屏蔽盖2从上、下两侧压紧PCB式磁 感应线圈1，确保良好电气接触。金属屏蔽盖2顶部开狭缝7，狭缝方向与PCB 线圈法线方向重合，让磁场进入PCB线圈。连接器安装法兰4、金属支撑环3 和金属屏蔽盖2三者通过螺钉紧固连接。下面结合图1、图2和图3，描述PCB 型B-dot电流探头的实施技术方案。

B-dot电流探头放置在被测电流i(t)附近，探头顶部狭缝方向与电流方 向垂直，使穿过感应线圈的磁通尽可能大。被测电流i(t)产生的磁感应强度 B(t)，通过狭缝7引入探头内的PCB式磁感应线圈1。随时间变化的电流i (t)在PCB线圈内产生时变的磁通Ф_m(t)。由法拉第电磁感应定律，随时 间变化的磁通Ф_m(t)在感应线圈两端产生感应电压u(t)

$u\left(i\right)=-\frac{{\mathrm{d\Phi }}_m}{dt}---\left(1\right)$

Φ_m(t)＝B(t)·S₁+B(t)·S₂+B(t)·S₃≈3B(t)·S(2)

B(t)＝k·i(t)(3)

$k\propto \frac{\mu }{d}---\left(4\right)$

其中，S₁、S₂和S₃分别为PCB感应线圈顶层两匝和底层一匝线圈的面积，S₁、 S₂和S₃相差不大。磁感应强度B(t)正比于被测电流i(t)，比例系数k与探 头结构、介质导磁率、探头安装位置与被测电流的距离d等密切相关。

PCB线圈感应的电压u(t)通过TNC型电缆连接器与测量电缆(阻抗一 般为50Ω)连接，直接传输至示波器等数据采集系统。测量电缆波阻抗作为 感应线圈的采样电阻，无需增加额外的采样电阻。

由上述公式(1)～(4)，可以得到u(t)

$u\left(t\right)=-3·k·S·\frac{di\left(t\right)}{dt}---\left(5\right)$

公式(5)表明，B-dot输出信号u(t)反映了被测电流i(t)的微分， 采用数值积分或硬件积分方式，可由u(t)获得真实的被测电流i(t)。

图4为采用本发明的三只B-dot电流探头测量脉冲电流(脉宽约100ns、 峰值约9kA)的实验波形，图中同时给出了采用Pearson标准电流线圈(型号 P4997，灵敏度0.01V/A)的实测结果。可以看出，B-dot探头输出信号与实际 电流信号存在90°相位差，B-dot探头测量结果为实测电流的微分；三只PCB 式B-dot输出一致性好，分散性较小。

图5为本发明的B-dot探头输出信号经数值积分后，与Pearson线圈测量 实际电流的比较，两者吻合较好，说明B-dot测量结果准确，本发明的B-dot 探头有效。

采用多只本发明的B-dot电流探头成阵列，测量脉冲电流空间分布均匀性 时具有显著优势。图6为两级感应腔串联IVA装置结构示意图，图7为探头 安装位置横截面示意图。在每级感应腔出口均有一段同轴过渡段，用于与下 游感应腔或传输线连接，在该同轴过渡段的外筒上均匀布置6个B-dot阵列(如 图2所示)，用于监测次级外筒电流(即磁绝缘线阳极电流)角向分布。与外 筒B-dot正对的轴向位置，IVA次级内筒也均匀安装了6个B-dot，用于测量 次级内筒电流(磁绝缘线阴极电流)角向分布。