（核技术及应用专业论文）宽带束流流强检测器的研制.pdf

a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，h i g h f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so f a c t i v e p a s s i v e c u r r e n t t r a n s f o r m e ra r em e a s u r e d ，a n dw ep r o p o s et h a tt h e 抒e q u e n c yr o s p o n s eo ft h e m a g n e t i er i n g i sa ni l n p o r t a n t 羲糙t o ri n a f f e e n gi t s 量1 i g h e q u e n c yr e s p o n s e n 娃f 建e r i e a ls i ! n u l a t i o ni si 致l i 魏ew i h 饿ef 鼓e a s u 羚m e 珏r e s u l s +t h i sc o 芏l e l u s i o 拄 p r o v i d e s ab a s i sf o rf u n h e re n h a n c e dt h e h 追hf r e q u e n c yc h a r a c t 耐s t i c s o f a c t i v e p a s s i v ec u r r e n tt r a n s f b r i n e r k c yw o r d ： w i d eb a n db e a mc u r f e n tm o 前t o r ，a c t i v e p a s s i v ee l l 聃髓tt r a 娃s f i o 蹦e 毛f r 。罐u e 戤y r e p o n s e ，t 丑n ec o n s a n t ，d r o o p ，i n f l a n g e i v 绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 带电粒子束流( 如电子，质子，中子) 一般是由加速器产生，用作高能物 理的研究工具，也可以广泛用于其他科学、医学及工业上。而对于束流流强的 测量是一种普遍需要。 需要被监控的束流的范围很广泛。束流电流可以从毫微安到几十安培，可 以是具有毫微秒，微秒或者毫秒宽度的脉冲形式，或没有周期性的时间结构( 周 期为天或者周) ，如质子储存环中的缓慢衰减的束流。针对这样复杂的测量范围， 入们设计并采用了很多不同类型的设备测试。 束流流强是加速器的重要参数之一，所以束流流强检测器是加速器中非常 重要的束流诊断手段。束流流强检测器分为拦截式和非拦截式束流流强检测器。 拦截式束流流强检测器：要有法拉第筒( f a r 硪a yc u p ) 斟胆i 。在环形加速器中， 不允许检测束流漉强的：备在束流轨道上产生任何物理障碍。只有非拦截式束 流流强检测器满足这个z 件。所以，我们仅对非拦截式检测器进行讨论。非拦 截式束流流强检测器有束流变压器雕1 5 j 祭 、壁流检测器弼、快速束流变压器和容 性感应式耀位探针e 理想的束流检测器必须要有高分辨率，并能提供一个正比 于束流电流的输出，它能覆盖由束流时间结构决定的整个频率范围，箍且测量 必须完全独立于束流位嚣和其他环境条件。束流变压器是最好的选择，但是有 一些基本的确定必须克服，例如，有限的运行频率范围，缺少敏感性。用菜流 变压器精确的测量柬流流强和其他相关参数，用来计算束流的寿命和从一台加 速器到另外一台加速器的传输效率，对加速器系统具有非常熏要的作用。 根据测量频率的不同，柬流流强检测器又分为a c 流强检测器和d c 流强检测 器。a c 流强检测器主要用于电子盔线加速器进行束流脉冲流强的测量；d c 流强 检测器主要周于电子储存环进行平均募流流强的测量【5 j 。a c 流强检测器主要有 束流变压器和壁流检测器，前者主要用于长脉冲束流( “s 脉宽) 的测量，后者用于 短脉冲束流( n s 脉宽) 的测量。最近，随豢电子技术的发展，能够同时测量长短脉 冲柬流的快速束流变压器得以实现。 绪论 合肥光源10 m e v10 k w l i n a c 辐照装置中要求测量10 “s 脉冲流强：直线加速 器和光阴极微波电子枪需要测量n s 脉冲流强，这就要求进行宽带束流流强检测器 的研制。本论文将研制宽带束流流强检测器，提出一种改进束流变压器的低频 响应的方法和实现，从而使它能同时进行1 0 “s 级和n s 级脉宽的束流流强的监测。 本文侧重点在于实现对长脉冲的测量，同时也对短脉冲测量进行分析。 1 2 常用束流流强检测器 1 ) 无源束流变压器( c t ) 这是一种基本的束流变压器，有一个高磁导率带绕圈磁环，束流作为单圈 初级线圈，磁环上绕n 圈线圈取出束流信号。变压器的设计因为上升时间常数 和顶降相矛盾的要求，变得困难起来。 2 ) 快速束流变压器( f c t ) 一个无源束流变压器能使高频段的响应最优化，却导致长脉冲有相当大的 顶降。法国的b e r g o z 公司采用一种新型的非结晶钴合金磁芯材料，经过特殊的 退火处理，在2 g h z 频率得到非常高的起始导磁率和非常低的损失，由此制成了 快速束流变压器，它能达到n s 以下的上升时间常数和o 1 “s 的顶降。 3 ) 磁反馈( h e r e w a r d ) 这种方法用变压器有源反馈来补偿顶降，通过感应磁芯磁区域的变化，用 附加的线圈进行修复。这种技术理论上还好，但是要牺牲灵敏度换取低频段的 响应的改善。 4 ) 有源一无源束流变压器 这是一种有效的方法，用一个放大器来补偿低频段的顶降，却不会影响基 本变压器的高频段响应，不需要附加的线圈。然而当放大器离变压器有一段距 离时，反馈回路中因为反馈信号的相位偏移引起稳定性的问题。b e 唱o z 公司基 于这种方法生产了a c c t ，设定带宽是6 h z 3 0 0 k h z 能使用好几百米长的电缆。 5 ) 积分电流变压器( i c t ) 因为磁损耗和频率有关，电流变压器不能轻易检测到非常短( n s 以下 s u b n a n o s e c o n d ) 的电流脉冲。i c t 通过在内部电容上的预先积分再传送到磁芯避 免了这种情况，现在仅需要1 0 2 0 n s 的上升时间常数。b e r g o z 公司生产了i c t ， 能提供基线恢复和与电荷成比例的模拟输出。 2 绪论 6 ) 壁流检测器( w c m ) 当束流i b ( t ) 通过真空室时，其交流分量将在真空室内壁上产生一个方句相反 的壁电流i w ( t ) ( 即镜像电流) 。在理想情况下，i b ( t ) = i w ( t ) 。壁电流的引出方式有 两种，一种是通过直接测量跨接在被绝缘的两段真空室管道之间的电阻上的电 压信号，就可以测得束流脉冲的流强信号，如图1 1 ( a ) 所示；另一种是通过一个 真空的f e e d t h r o u 曲和电缆跨过陶瓷狭缝引接电阻器，如图1 1 ( b ) 所示。 iw 善l l 囫隔 a ) 谢b ) _ 。肄 图1 1w c m 的原理电路 1 3 国内外研究现状 1 3 1c e i 州c t f 3 的宽带壁流检测器 c e r nc t f 3 ( t h ec o m p a c tl i n e a rc 0 1 1 i d e rt e s tf a c i l i t y3 ) 为了测量具有 f w h m 约为1 5 p s 短脉冲和1 5 p s 的长脉冲的束流，设计了一种宽带壁流检测器 【1 1 1 2 】f 2 2 】【2 5 - 2 7 】【2 9 】。该宽带壁流检测器具有两个输出：一个是带宽为2 5 0 k h z 1 0 g h z 的输出，主要用于测量1 5 p s 的短脉冲，另一个是利用有源积分器补偿顶降，得 到1 0 k h z 3 0 0 m h z 带宽的输出，主要用于测量1 5 u s 的长脉冲。图1 2 和1 3 分 别给出了c t f 3 的w c m 总体布置图和剖面图。w c m 的8 个输出利用半刚性的 电缆和组合器两两组合，小心调整后输出一个独立于w c m 束流位置的和信号， 并且具有最小的时间分散。第二路通过一个有源积分器补偿顶降来实现 1 0 k h z 3 0 0 m h z 带宽输出。 3 绪论 图1 2c t f 3 的w c m 总体布置图 燃 a 皇p 氕c o n n e c t o r 缓 形钐杉彭 钐形 图 l 醛忒、匿& 黑；：! ! 要，霪麴囫 雾雾糜霪圈霸 荔缓殇貔 l 藤瓣霆翰蘸骺袋过历艇心嬲& 弼 2m m ： g h g 导 奇 缓缓筋缀： 一、* 一、一、一 窜心p 一砰黻黼。哗劢警鳓翻豳湖翻鑫 粼 闷寺j 圈一弼躞 髟影钐纺鞴焱沁 2 5 6 6 m m 图1 3c t f 3 的w c m 剖面图 图1 4 给出了c t f 3 的w c m 的高频脉冲响应。上面的曲线是输入的测试脉冲 ( f w h m = 2 5 p s ) ，下面的曲线是壁流检测器的响应，是经过l m 长的电缆后在2 0 g h z 范墨测量的。其中f w 差m = 5 5 p s ，因此壁流检测器的等效高频段的截止频率是 7 7 g h z 。 4 绪论 i 一 ! v lj i 一 ! ： 、 一一。? ”一0 “ “f 剐 短一j 瞬“一。：嘻荟耶 图1 4c t f 3 的w c m 的高频脉冲响应 图1 5 给出了c t f 3 的w c m 的低频脉冲响应。上面的曲线是3 3 “s 的输入脉冲， 下面的曲线是壁流检测器经过积分器后的响应。其中r = 1 9 7 “s ，因此低频段的截 止频率是8 k h z 。 r i j i j r l e f 舳一硼、。1 7 二 口一+ f f 一j - l 一- ，+ 卜l ，一- 一tt _ 。“i 。l o 二。二一 i ，一一一_ _ 一_ ，i t _ 。一 一。，一一 j t i m e ：5 i i s 埘i v i m a r k e r ： d c j l at 二二= 1 9 6 7 i s 2 2 八p r2 0 0 2 5 l 图1 5c t f 3 的w c m 的低频脉冲响应 5 绪论 1 4 合肥光源束流测量系统中的束流流强检测器 合肥同步辐射加速器是一台专用同步辐射光源，它由一台能量为8 0 0 m e v 的电子储存环和一台能量为2 0 0 m e v 的直线加速器注入器组成。为了满足加速 器的调试和运行需要，必须对束流的各种参数( 如束流流强、束流位置、束流 能量和能谱、束流截面尺寸以及束团长度等) 进行诊断和测量。为此，我们设 计和制作了进行这些束流参数测量的束流测量系统【6 | 。该测量系统在加速器的调 试和运行中提供了非常重要的诊断手段。图1 7 标示出了2 0 0 m e v 直线加速器输 运线现有束流诊断元件分布图。 图1 72 0 0 m e v 直线加速器及输运线现有束流诊断元件分布图 束流流强检测器用来测量直线和输运线的束流强度。它的探头为无阻挡式 脉冲变压器感应探头，用以测量微秒级的束流。我们选择铁氧体磁环起始导磁 率朋为2 0 0 0 的铁氧体磁环r 2 k ，磁环外经、内经和厚度分别为1 3 5 7 3 2 0 ，线圈 匝数为3 0 。在每个束流流强检测器处的真空室均有一个陶瓷狭缝。图1 8 给出 了束流变压器( t o r o i d ) 的实物图。 束流变压器的信号首先送至前置放大器以便减小噪声。放大后的信号送至 直线控制室和中央控制室，用示波器观察束流波形和测量束流强度。束流流强 检测器现共有1 2 个，其中8 个束流流强检测器( l t o r l 一l t o r 8 ) 的信号送到直线控 制室，供直线控制室调机使用，而另外4 个束流流强检测器( t t o r l t t 0 r 4 ) 的信号 送到中央控制室，供中央控制室注入调机使用。 7 绪论 图1 8 束流变压器( t o r o i d ) 的实物图 对于直线加速器的脉冲束流，流强约为1 0 0 2 0 0 m a ，脉宽约为1 “s ，所以 前置放大器选用一片美国a d 公司生产的放大器芯片a d 8 4 3 构成，a d 8 4 3 的单 增益带宽为3 5 m h z 。而输运线的脉冲束流，流强约为5 0 l o o m a ，脉宽约为 0 3 l “s ，所以前置放大器选用一片美国a d 公司生产的放大器芯片a d 8 4 3 和一 片美国国家半导体公司生产的l m 3 1 8 构成，l m 3 1 8 的单增益带宽为1 5 m h z 。 在合肥光源，直线加速器的调机运行中，往往希望在直线控制室能够同时 观察送到中央控制室的t t o 订t t o r 4 信号。我们采用网络通信的办法。首先在中 央控制室将数字采样示波器上的束流流强信号通过g p i b 卡采集到计算机中，再 通过网络，将数据包传递给直线控制室的计算机。直线控制室的计算机接受到 数据后，对数据进行必要的处理，将示波器的波形在计算机屏幕上再现出来。 柬流流强在线显示系统软件采用l a b v i e w 可视化软件编写，图1 9 给出了束流 流强在线显系统软件界面。 在合肥光源，方志高等还研制了壁流检测器【lj 。图1 1 0 给出了用1 0 只r 1 0 k 铁氧体磁环构成的壁流检测器在合肥2 0 0 m e v 直线加速器测量1 肛s 束流信号的 实测波形。由此可见，信号的顶降约为4 5 ，这是相当大的。所以，很有必要 进行宽带束流流强检测器的研究。 绪论 ：i 露x f 图1 9 束流流强在线显示系统软件界面 图1 1 0 合肥2 0 0 m e v 直线加速器用壁流检测器测量1u s 束流号的实洲波形 1 5 本文工作与创新点 本论文分五章内容进行讨论。 第一章对束流流强检测器的发展历史及发展趋势做了概述。介绍了现有的 9 绪论 各种束流流强检测器，国内外宽带束流流强检测器发展的现状和合肥光源束流 测量系统中的束流流强检测器。 第二章对束流流强检测器进行分析。介绍了束流变压器、壁流检测器和快 速束流变压器这三种检测器的基本原理和性能。 第三章分析了有源无源束流变压器设计的一系列的问题： 1 ) 结构设计，根据b e r g o z 的i n f l a n g ec t 技术制成的带法兰束流变压器结 构，它将陶瓷段真空室、磁环、屏蔽和法兰组合在一起。束流变压器的输出采 用差分电缆转换器，差分输出可以有效地改善信噪比。带法兰的束流变压器与 传统的束流变压器相比，具有结构紧凑简单、更好的屏蔽和好的机械性能等优 点。 2 ) 磁芯材料的选择，通过对三种磁芯性能的分析和比较，选出了性能最好 的纳米晶磁芯。另外在第四章中对三种磁芯的测试结果也显示纳米晶磁坏具有 最好的性能，这和理论分析结果是一致的。 3 ) 束流变压器的电路设计，分析有源无源束流变压器电路的频率响应，并 且选择了两种放大器的参数对检测器的低频响应进行了模拟计算。可以看到通 过选取合适的放大器参数，有源无源束流变压器的低频段的截止频率大大变小 了。低频段的频率响应得到了改善，并且不影响高频段的频率响应，这样就可 以同时进行长短脉冲的测量。 第四章通过模拟实验装置，对有源无源束流变压器进行了测量。长脉冲和 n s 级脉冲测试结果表明有源无源束流变压器相对于束流变压器极大地改善了低 频段的频率响应，即极，欠地改善了测量长脉冲的性能，但是又不会影响高频段 的频率响应。在获得相同的下降时间常数的情况下，有源无源束流变压器较束 流变压器可以选取较少的线圈匝数，使检测器的上升时间要小，能够测量n s 级束 流。对有源无源束流变压器的高频特性进行了测量，提出了磁环的频率特性是 影响其高频响应的重要因素。并对其进行了模拟计算，计算结果与测量结果相 吻合。另外还特意对1 0 “s 模拟束流进行了平均标定。对测试的输出电压值和输入 模拟束流流强数据进行拟合可知它们是成线性关系的，并且在相同情况下，有 源一无源束流变压器输出信号的幅度几乎是普通束流变压器的2 倍。 第五章对本论文的内容做了总结且对接下来的工作进行了展望。 本文的创新如下： 1 0 绪论 1 提髓并研制了具有有源一无源的宽带束流流强检测器，分析了检测器的 频率响应并在实验室测试了检溺器的特性和性能。检测器昀下降时间常数最大 能达到3 8 m s ，用来测试l o 些s 的信号基本上没有顶降。 2 根据b e r g o z 的i n _ n a n g ec t 技术制成了带法兰束流变压器结构，它将陶 瓷段真空室、磁环、屏蔽和法兰组合在一起。束流变压器的输出采用差分电缆 转换器，差分输出可以有效地改善信噪比。这种封装磁环的真空室设计在圆蠹 是首次使用。 束流流强检测器的分析 2 1 束流变压器 第2 章束流流强检测器的分析 一般来说变换毫能，并把它从一个电流传输至l 另一个电路豹静止电磁元件 称为变压器。变压器的主要结构零件是磁芯和线圈。束流变压器，又简称为 迥。在该束流流强检测器处的真空室均有一个陶瓷狭缝，在真空室外套一个 高磁导率磁环，磁环上饶n 圈线圈取出束流信号，它实际上是无阻挡式脉冲变 压器感应探头。束流变压器的信号曾先送至前置放大器以便减小噪声，放大后 的信号送至直线控制室和中央控制室，用示波器观察束流波形和测量束流强度。 图2 。l 是最简单的束流变压器结构图。粒子束通过环型高磁导率物质的中心圆 孔，可以看作是这个环型变压器的革绕组的初级线圈，磁芯上绕着次级线圈( 分 布于圆周) ；外接一个低噪声信号放大器来放大感应信号。 束流电流产生酶磁场，经过环型磁芯藕合，在次级线罄感应毫信号。束流 是一个真正的电流源。影响束流变压器感应信号强度的主要因素是磁芯损耗， 它是频率厂和磁化电流的非线性丞数。主要有正比于产的涡流电流引起的，涡流 电流是决定电流变压器上限频率的主要因素。 图2 1 最简单的柬流流强变压器结构圈 图2 2 显示了一个束流变压器的物理模型，它解释了信号的产生。束流变压 器的原理圈如图2 。3 新示。 1 3 束流流强捡测器的分析 图2 2 柬流变压器的物理模受 束流作为单圈初级线圈。这样在具有n 圈和电感l 的次级线圈上产生感应 电流。该电流可以通过电阻r 上的电压测量。 n l b n 秉流 图2 3 束流变压器的原理图图2 4 束流变压器的等效电路 在低频情况下，束流变压器的等效电路如图2 4 所示。 变压器在本质上是一个将初级线圈电流转换为电压信号的变换器。它的灵 敏度被表示为： p s = 号 彳) ( 2 1 ) ￥ 由灵敏度的表达式可知，绕组匝数n 越小。束流变压器的灵敏度越高。 低频段3 d b 截止频率被表示为： 1 4 束流流强检测器的分析 根据表2 1 ，我们选用线圈匝数为2 0 的f c t 进行合肥2 0 0 m e v 直线加速器 的长短束流脉冲的测量，其上升时间常数为2 0 0 p s ，顶降小于6 仙s ，灵敏度为 1 2 5 v a 。 1 9 宽带束流流强检测器的设计 第3 章宽带束流流强检测器的设计 3 1 束流流强系统结构 合肥光源2 0 0 m e v 直线加速器作为8 0 0 m e v 电子储存环的预注入器，其中 运行的电子束流流强是及其运行状况的直观反应，束流质量直接影响储存环的 注入效率。在直线加速器调机过程须对束流流强信号进行实时检测，并依此调 节响应部件，以求改善直线加速器的运行参数。采用本论文研制的宽带束流流 强检测器的束流流强测量系统结构框图如图3 1 所示，虚线框中的部分是有源 无源电路，能够改善低频段的频率响应。新的有源无源束流变压器由一个带法 兰的束流变压器和一个有源无源电路组成。束流经过有源无源束流变压器改善 顶降后，流经前置放大器后得到增益后的束流流强。 臣珂正匦匠匠亟互亟圃 巫画亘田 图3 1 束流流强系统测量方框图 由第二章讨论的束流变压器的相关特性参数可知，要同时获得较小的上升 时间和下降时间常数来测量长短脉冲是矛盾的。幸运的是束流变压器的发展是 随着现代电子线路的发展而发展的。其中迈出的重要一步就是把束流变压器放 在运放的反馈回路中用以扩展低频范围。这样选择较小的线圈匝数，使磁芯电 感和高频等效电流中的漏电感较小，就能获得较小的上升时削常数和较高的灵 敏度；而加入的运放反馈回路又能补偿低频响应，使上升时间常数大幅度增大， 这样就能在兼具壁流检测器测量n s 级束流脉冲和补偿低频段的响应后能测量几 十甚至几百微妙的束流脉冲的功能，进而实现了宽带束流流强检测器的设计。 2 1 宽带束流流强检测器的设计 下面将讨论宽带束流流强检测器设计的一系列的问题： 1 结构设计 2 磁芯材料的选择 3 有源无源电路的设计 4 有源无源电路的性能分析 3 2 束流变压器结构设计 束流变压器采用带法兰的束流变压器结构，它是根据b e r g o z 的i n n a n g ec t 技术制成的【3 3 1 ，它将陶瓷段真空室、磁环、屏蔽和法兰组合在一起。它的厚度 为4 0 m m ，形状及规格见图3 2 所示的机械设计图，实物图如图3 3 所示。磁芯 是初始磁导率达到2 0 0 0 0 的纳米晶材料制成，选择线圈匝数为1 0 圈。该束流变 压器的输出采用差分电缆转接器，差分输出可以有效地改善信噪比【引，图3 4 为 差分电缆转接器的实物图。 图3 2 带法兰的束流变压器的机械设计图 传统的束流变压器考虑到安装需要，一般采用双半环结构，实际电感比理 论计算值小3 4 倍，根据顶降的计算公式，会增加顶降；一般需要波纹管，从而 增加真空室长度；一般需要外加屏蔽，增加复杂性。带法兰的束流变压器与传 2 2 宽带束流流强检测器的设计 统的束流变压器相比，具有结构紧凑简单、更好的屏蔽和好的机械性能等优点。 带法兰的束流变压器可以用于1 0 m e v ，l o k w l 烈a c 辐照装置的实际测试中， 在国内这种封装磁环的真空室是首次使用，从而实现其国产化。 图3 3 带法兰的束流变压器的完成实物图 3 3 磁芯的选择 图3 4 差分电缆转接器的实物图 磁芯是变压器的重要组成部分，变压器的体积、质量等主要指标都是由磁 芯来决定的。在磁芯中发生的电磁过程都遵循如下的规律： 2 3 宽带束流流强检测器的设计 出发，利用新型材料所具有的高性能特点，来减少器件的体积和质量，如发展 高饱和磁感应强度、高磁导率和低高频损耗的综合性能软磁材料。软磁材料从 f e s i 合金、铁氧体发展到非晶材料以及近年发展起来的纳米晶软磁材料，其综 合性能的大幅度的提高。 从目前常规软磁材料的性能特征来看，工业纯铁、f e s i 合金、f e c o 合金 和f e 基非晶合金具有较高的饱和磁感应强度，但磁导率较低，损耗高。不宜在 高频下应用；f e n i 合金和c o 基非晶合金具有高磁导率，c o 基非晶合金还具有 低损耗特性，可在高频下使用，但饱和磁感应强度较低，且价格昂贵；软磁铁 氧体具有低损耗特性，但磁导率和饱和磁感应强度b 。均较低。可见，目前常规 软磁材料往往仅仅具有某些较高的软磁强度、还不具备搞综合软磁性能，即兼 有高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗等性能。图3 6 【2 】为1 k h z 下的纳米晶软 磁材料和传统的软磁材料的饱和磁感应强度b 。和有效磁导率“。的关系。 吕 薯 、： o 葛 图3 61 k h z ，0 4 a m 下软磁性材料的饱和磁感应强度b 。和有效磁导率的关系 2 0 世纪8 0 年代末问世的f e 基纳米晶软磁材料，在性能上兼有与f e 基非晶 材料相近的高饱和磁感应强度，与c o 基非晶材料相当的高磁导率和低损耗，在 软磁材料发展史上首次实现了集常规软磁材料和性能优势于一体，综合软磁性 能十分优异。鉴于非晶纳米晶软磁材料的优异特性， x 宽带染流流强检测器的设计 铁氧体做变匿器磁芯，由于制造工艺的限制，大功率变压器所需要的磁芯很难 解决，不得不使用几个磁芯。纳米晶软磁材料具备的优异性能，为高频变压器 的小型化、轻量化提供了理想材料。用纳米晶软磁材料制造的变压器具有以下 优点： 1 功率大：当1 0 2 0 l ( w 时，功率密度可达到1 5 2 0 l ( w 缎g ； 2 。漏感小：一般小于5 娜； 3 效率高：可达到9 0 以上； 4 体积小、质量轻：1 5 k w 变压器的质量仅为3 妇左右，体积比铁氧体降 低5 0 ； 5 。温升小：由于纳米晶软磁材料的低耗损，可大幅度降低发热，从而提高 变压器的使用可靠性。 表3 1 三种磁环的电感测量和计算德 尺寸 起始导磁率 电感( m h ) 衰减时间 磁环类型f m m m m 鬻数( 泌) m n n j 计算值测量值 趣微 非晶7 5 5 0 2 0 o 1 87 2 晶体 纳米品7 5 5 0 2 0 2 0 0 0 3 。2 4l 。66 4 铁氧体磁环 9 0 6 0 2 05 0 0 00 8 10 5 42 1 6 表3 1 是在第四章的拉丝实验中使用的铁氧体、非晶和纳米晶三种软磁材料 的电感测量值和计算值。对测量长脉冲的实验结果进行分析和计算可以得到三 种软磁材料对应的下降时间常数，进丽分别得到这三种磁环电感的测量值。丽 纳米晶和铁氧体磁环电感可以根据公式( 2 9 ) ，带入实验用磁环参数分别计算得 到理论值。在相同的尺寸下，纳米晶磁环的电感测量值大于非晶。选择了更大 尺寸的铁氧体磁环内外径，但是其不管计算值和测量值铁氧体仍都小于纳米晶 磁环。可看出高起始导磁率的软磁材料的运耀，可以傻变压器的尺寸更小。 根据第二章介绍的束流变压器的下降时间常数的表达式t = l 瓜可推如，在负 载电阻一定的情况下，磁环的电感值越大下降时间常数越大，能够用于有效测 量的脉冲的宽度就越大。所以在宽带束流检测器研制的理论模拟计算和l o m e v 2 6 宽带束流流强检测器的设计 1 0 k w l i n a c 辐照装置的实际测试中，我们都选用纳米晶磁环来构成检测器。 3 4 有源。无源束流变透器 在束流变压器的基础上，采用圈3 7 所示有源无源电路改善束流变压器低 频段的频率响应。我 | 、l 称之为有源一无源束流变压器。 i b 柏。 矗c 图3 7 改善束流变鹾器低频段频率响应的有源无源电路 下面从频域对其进行分析。 对于图3 。7 ，其运算放大器的传输豳数为： a 。= a | 毽七s | s 其中，a 是运算放大器的放大倍数，约为l 妒。 用拉氏变换分析图3 7 ，则： 1 ( s ) = 冗，( s ) 三= 如( s ) 一屯 1 ( 8 ) = 4 三s 乇( s ) 一4 f ( s ) 一( s ) 】 则感应电压v r ( t ) 的拉氏变换为： 啦) 一半 s 十一 ( 1 + 4 ) 己 ：型 1 3 十志 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) e 、 o a 仃 皇 o ： a 3 o n d u ib e a mc u r r e n t ，m 、 图4 1 31 0 “s 信号在无补偿的情况下平均标定曲线 有源- 无源束流变魇器的测试缔果及分析 2)10s信号在有补偿的情况下平均标定曲线如图414所示，采用直线拟合得到v 一5 。4 7 6 + 2 3 4 4 l 。e、oo穗篡o 3 矗3o 圈4薹霹l o 玲信号在有李 偿的情况下平均禄定逮线 在相同条件下，有源一无源束流变压器输出信号的幅度几乎是普通柬流变压 器的2 倍。经检测器得到的束流流强增大，对于束流流强的鉴测是很有用的。 4 3 高频频率响应的测量 把图4 。l 测试方框图中的信号源换成a g i l e n te 4 4 0 0 b ( 2 5 0 k 1 + 0 g h z ) ，来测 试高频段不同的输入频率下，输出的波形和幅度。采用l f 3 5 1 运算放大器和纳 米晶磁环进行测试；渊羚搿匣釜正羹弼而蓁前篓萎囊美鲤i ，售幽薹! 蹩篇辫迨薹璧 菊鐾镁壤醺萋藕；彩藕萋纳米羹奏骓洌萄戤豁剿赢并鹜霾鬓霎雾藕些冀砭蓁薹霎析 。 由式( 2 7 ) 知，在考虑磁环对高频频率响应的影响时，束 率响应的影响时，束流变压器高频段频率响应为： ho)2万高丽净1)43 有源无源束流变压器的测试结粟及分析 由式( 3 6 ) 知，在考虑磁环对高频频率响应的影响时，有源无源束流变压器 高频段频率响应为： 日0 ) =万一 ( 4 - 2 ) 对丌丽 在式( 4 1 ) 和( 4 2 ) 中，电感l ( s ) 的频率响应可按磁环值的频率响应和式( 2 。9 ) 进行计算。 图4 + 1 8 给出了在考虑磁环对高频频率响应的影响时，有源无源柬流变压器 的高频频率响应模拟计算曲线，如图中实线。由模拟计算知，有无补偿情况下 的高频频率响应完全一样，这也验证了有源无源电路对高频频率响应不产生影 响。在图4 。1 8 中，还与有无补偿情况下的高频频率响应测量结果进行了比较。 由图可知，模拟计算与测量结果是基本一致的。 图4 1 8 在有无补偿情况下的高频频率响应测量结果与模拟计算的比较 另外，为了验证上述方法的有效性，我们还利用上述方法对k e kb 的壁流 检测器【3 0 】进行了模拟计算，并与其测量数据进行比较。图4 1 9 为k e k 磁环雌值 的频率响应。图4 2 0 为k e k 壁流检测器高频频率响应测量结果与模拟计算的比 较。嵩此可知，模拟计算与测量结果是基本一致的。 比较图4 。1 8 和图4 2 0 可知，k e kb 的壁流检测器具鸯更好的高频响应，其 有源无源束流变乐器的测试结果及分析 主要原因是k e kb 采用的磁环具有更好的高频响应。这为我们将来设计更好的 高频响应的束流变压器或壁流检测器提供了依据，即磁环不仅需要高的磁导率， 而且需要高的截止频率，尤其是对于高频响应，高的截止频率更重要。这样， 对于壁流检测器可以采用双环结构，一个磁环为高的磁导率磁环以满足低频响 应要求，另一个为高频磁环以满足高频响应要求。 刁 、 n j d 3 兰 q e 图4 1 9k e k 磁环“值的频率响应 图4 2 0k e k 壁流检测器高频频率响应测量结果与模拟计算的比较 4 5 有源无源柬流变压器的测试结栗及分析 4 5 实验结果分析 4 。5 1 长脉冲测试结果分析 对长脉冲( 邮和m s 级) 的模拟束流信号进行了测试实验。实验发现： 1 ) 无补偿时的输出信号有很严重的顶降，如图4 。2 、4 5 和4 。8 所示。此时非 晶、纳米晶和铁氧体磁环的下降时间常数分别为7 2 s 、6 4 p s 和2 1 6 s 。 2 ) 采用运算放大器a d 8 4 7 的有源一无源束流变压器的输出信号的顶降有很 嗳显补偿，如图4 。3 、4 。6 和4 。9 所示。此时非晶、纳米晶和铁氧体磁环的下降时间 常数为2 7 m s 、2 8 m s 和7 。4 m s 。 3 ) 采用运算放大器l f 3 5 1 的有源一无源束流变压器的输出信号的顶降比 a d 8 4 7 补偿的更多，如图4 4 、4 7 和4 1 0 所示。此时非晶、纳米晶和铁氧体磁环 的下降时闯常数为4 m s 、3 8 凝s 和1 0 戳s 。 由式( 2 2 ) 可以计算得到纳米晶磁环无补偿，选用a d 8 4 7 补偿，选用l f 3 5 l 补 偿的低频截止频率分别是：2 4 9 x 1 0 3 h z ，5 6 8 h z ，4 1 9 h z 。与第三章对检测器低 频响应的模拟数值运算的结果比较，可以发现无补偿时候的截止频率与理论计 算的一样，但是有补偿的截止频率比理论计算的大了很多，且采用运算放大器 l f 3 5 1 的优势没有理论上分析的明显。应该是理论分析对于运算放大器的等效简 化导致的误差。 由以上的下降时间常数可知，在选用纳米晶磁环和运算放大器l f 3 5 l 的时候 能够最大限度的对输瞧信号进行补偿。两此时的下降时间常数嘉达铲3 8 m s ，l o p s 相对于3 8 m s 来说很短，因此检测器输出束流几乎没有顶降( 测试波形图见附录) ， 这极大的改善了对长脉冲的测量性能。当模拟束流脉宽为5 0 m s ，可以看到输出 波形顶降约为8 0 ( 测试波形图见附录) ，根据式( 2 8 ) 带入时间常数计算，褥至 顶降率约为o 2 6 m s 。实验装置的标准负载是5 0 q ，加上并联的变压器模拟束流 信号源的内部阻抗，r 是2 5 q 。根据式( 2 1 ) 得，检测器的灵敏度是2 5 v a 。 以下两点使得有源一无源束流变压器能够得到很大的下降时问常数。 1 ) 纳米晶软磁材料极高的起始磁导率，这使得磁芯的电感在较小的线圈 匝数的情况仍具备足够大的电感值。 2 ) 有源一无源电路通过运算放大器对低频段频率响应进行补偿。通过第三 章中对有源一无源束流变压器低频段频率响应的数值分析曲线可知，低频段的截 有源无源柬流变压器的测试缩果及分析 止频率大大减小，改善了低频段的频率响应。 另外在实验中，特意对1 0 秘s 模拟束流进辱亍了平均标定。对测试的输毫电压值 和输入模拟束流流强数据进行拟合可知它们是成线性关系魄，并且在相| 司条件 下，有源一无源束流变压器输出信号的幅度几乎是普通束流变压器的2 倍。经检 测器厥输出的柬流流强增大，对于束流流强的监测是很有用的。 4 5 2 高频频率响应测试结果分析 对n s 级信号的测试发现，加与不加有源一无源电路进行补偿，输出波形没有 明显变化，但是相对于输入波形有明显的展宽，说明高频响应并不太好。图4 1 5 显示的有源无源束流变压器在有、无补偿的情况下的高频频率响应蓝线几乎是 重合的，也就是说有源一无源电路不会影响检测器高频段的频率嘴应。匿4 1 8 是 仅考虑磁环对高频频率响应的影响时，高频频率响应模拟计算曲线，它与高频 响应的测量数据是基本一致的。这也说明了我们采用的磁环“值的频率响应是影 响高频截丘频率的主要因素。从圈上可知，高频截丘频率是2 2 m h z 。 综合对长脉冲和n s 级脉冲的测试结果，不难发现有源一无源束流变压器相对 于束流变压器极大地改善了低频段的频率响应，即极大地改善了测量长脉冲的 性能，但是又不会影稚高频段的频率响应。在获得括糯的下降时闻常数的情况 下，有源一无源束流变压器较束流变压器可以选取较少的线圈匝数，这样检测器 的上升时间变小，输出信号的幅度变大，能够测量n s 级束流，在测量n s 缴束流方 面向壁流检测器接近了。高频响应的测量结果和磁环对高频响应影响的模拟计 算都显示有源一无源寒流变压器的高频截止频率是2 2 m 董z ，两k e kb 的壁流检测 器的高频截止频率可达到8 4 m h z ，具有更好的高频响应。我们分析主要原因是 k e kb 采用的磁环具有更好的高频响应。这为进一步改善有源一无源束流变压器 提供了一个好的方向。 4 7 参考文越 掌、矍霉街霆霎黍上 ；4 豸雾! 莓n 萎| 罚确耋i 罨i 墼d 喜霎i l ! 妻塞x 艴蔓冀；囊一ld 1 刮i ；i 薹一l i 荔= ii 蟊l 羹名鏊孬拖 军出裂i 廷荔茭鞘i ￥蠢曼冀ij 参蓁藿! 耋羹墓筝i | | 量委蓦望蠢薹! 女塞薹囊曩毒萎誉蓍纂；差彗i 羹i 蠹p i 凄萋i 蠢邑薹善i 喜! 錾i ! 喜气 堇鬟譬踅i 垒爹鸯塞l i i 妻誊藿餮彝笺逑l 引i r i c 童i j 雩垒囊羹季5 篓! ；鬟耋鬟毒竖萎萋i 喜薹| 墓薹交霉童i 潆薹= 戮潭薹羹薹芒i 譬j 芝：买芰亏i i i 叁i 囊耋k | 爿i 秆妻妻萋= id 耄萎j 塞l 窖萋幕制 娶；蠹霎霉霎攀垒r 篓f ! l l 萋妻曼j i ；| i 土l 霎t i ；毒| | 雾塞f 妻芟l ；k i i i l 一： t 羹) l l 塾篓姜鬟芍氕u 蠹i 蓦篓笋蔓f ! ，霉篓j 曼篓曩 矍j 弱i j 专薹引i i 簧要委l 圳裂；上；曩霎蓦 摹l 弓；l 季焉萝、尝再i 耄孽i i ! 萎l 鐾璺；，! 稍药彗菱，鬟引差曩= 霸霉霉| 鑫k i 兰i 鞠差；一篓i 塞墓忑主墓羹喜焦i 硅f 蒌睦嗣! i 霎! | l | 霎# 暮毒 萎妻；耋专_ x 附录 附录 一、铁氧体磁环的有源一无源束流变压器的低频段频率响应模拟计算 束流变压器由起始导磁率雎为2 0 0 0 的铁氧体磁环i 也k ( 磁环外经、内经和厚度 分别为1 3 5 7 3 2 0 ) 及线圈匝数为1 0 构成。 附图1 是采用a d 8 4 7 补偿前后的