专利名称：一种用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种光电探测系统，尤其是一种用于多间隙气体开关放电过程光学诊断的光纤探测器。
背景技术：
快前沿直线脉冲变压器驱动源(Fast Linear Transformer Driver，FLTD)是高功率Z箍缩驱动源的一个重要发展方向。基于FLTD技术的大型脉冲功率源往往要求数万只乃至数十万只放电开关同步工作，因此研制低抖动的放电开关，对于促进FLTD脉冲功率源的广泛应用具有重要意义。开关间隙击穿过程及等离子体的形成与发展过程对开关的性能影响很大，因此必须对开关的击穿过程进行诊断，了解其详细的击穿物理过程，为多间隙开关改进和脉冲功率装置性能提高提供重要参数。多间隙气体开关是FLTD的关键部件之一，要求其性能具有“三低两高”，即低抖动、低自放率、低电感、高可靠性和长寿命。现在的大型脉冲功率源需要几万甚至几十万只开关同步工作，对开关的低抖动性提出了更高的要求。为了进一步提高用于FLTD的多间隙气体开关的开考性，降低其触发抖动，需要对开关击穿的过程进行详细的研究。传统的研究方法通过监测开关放电过程的电流、电压、气压等参数推测影响放电过程的因素。但是这种方法不能直接反映多间隙气体开关工作时开关击穿的时序过程和紫外预电离光强对开关触发及开关抖动的影响。
发明内容
本发明在于克服现有技术的不足，提出了一种用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，该测量系统可以直接测量多间隙气体开关工作时开关击穿的时序过程和紫外预电离光强对开关触发及开关抖动的影响，为分析和评价多间隙气体开关的性能提供了参数。本发明的技术方案是一种用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特殊之处在于包括一个用于探测多间隙气体开关预电离针紫外光预电离强度的紫外光纤探测器、多只探测多间隙气体开关环形电极击穿时序的光纤束探测器；所述紫外光纤探测器包括紫外光纤和紫外光电倍增管；所述紫外光纤的探头穿过多间隙气体开关密封外壳上的光纤密封节探入多间隙气体开关内部，并设置在多间隙气体开关的预电离针上方；所述紫外光纤的输出端与紫外光电倍增管相连；所述光纤束探测器包括与气体开关间隙数量一致的光纤束和相应数量的光电倍增管；所述光纤束的探头穿过多间隙气体开关密封外壳上的光纤密封节探入多间隙气体开关内部，并设置在正对其所测量间隙的位置；所述光纤束的输出端与光电倍增管连接；所述紫外光电倍增管和光电倍增管与高压电源连接，所述紫外光电倍增管和光电倍增管输出端均接示波器。
上述光纤束为多根长度相等的光纤，所述每根光纤的探头布置在所测量间隙的一周，且在所述环形电极横截剖面方向，环形电极外沿的任意一处均至少位于一根光纤的数值孔径角所对应的区域内；在所述环形电极轴线剖面方向，每个间隙位于且只能位于测量该间隙光纤的数值孔径角所对应的区域内。上述光纤密封节包括带有环形凹槽的法兰和橡胶密封垫，所述橡胶密封垫设置在法兰的环形凹槽内；所述法兰的中心为通孔，所述光纤包层镀金后穿过法兰中心的通孔，并密封焊接在法兰上。上述紫外光纤的探头与预电离针的距离为30mm。上述的紫外光纤为芯径200 μ m的石英光纤，所述紫外光电倍增管为9425B型日盲光电倍增管；所述光纤束的光纤为芯径62. 5 μ m的石英光纤；上述光纤束包括5根光纤，均布在所测量间隙的一周。上述的法兰由可伐材料制成。本发明具有的有益效果有1、本发明利用设置在多间隙气体开关内部、预电离针上方的紫外光纤及探测器， 实现了紫外预电离光强的测量，进而得到预电离对开关抖动的影响；本发明利用设置在气体开关有机玻璃外壳处的多只光纤束及探测器，实现了多间隙气体开关击穿时序的直接测量；同时采用光纤束进行放电时序测量，利用光在光纤中延时与光纤长度相关，易于准确获取并标定等特点，确保了开关击穿时序测量的准确度。2、本发明将光纤束包含若干只相等长度的光纤并设置在所测量间隙的一周，且环形电极外沿在横截面方向的任意一处均至少位于一根光纤的数值孔径角所对应的区域内， 同时每个间隙在轴线方向位于且只能位于测量该间隙光纤的数值孔径角所对应的区域内， 确保了每个光纤束只能对应接收所测量间隙的信号，且能够接收该间隙全部区域的信号， 确保了每个气体间隙特性测量的准确度。3、本发明采用光纤密封节将紫外光纤探入气体开关的内部，并保持气体开关外壳整体密封特性，使得气体开关可处于正常的高压工作状态，确保了紫外预电离光强测量的准确性；本发明光纤密封节包括带有环形凹槽的法兰和橡胶密封垫，且光纤包层镀金后穿过并密封焊接在法兰中心的通孔，确保了气体开关的高压密封特性。4、本发明的紫外光纤采用芯径为200μπι的紫外波段高透过的紫外光纤，确保了预电离紫外光的远距离、低损耗传播，确保了测量光信号的强度；同时采用日盲型光电倍增管作为光信号探测器，提高了信号响应灵敏度，同时该光电倍增管只对紫外光波敏感，有效去除了放电过程中产生的可见光干扰，提高了测量准确度。
图1是本发明光纤探测系统原理示意图；图2是本发明沿环形电极横截剖面方向光纤束探头的一种布局示意图；图3是本发明沿环形电极横截剖面方向光纤束探头的一种优选布局示意图；图4是本发明沿环形电极轴线剖面方向光纤束探头的布局示意图；图5是本发明光纤密封节结构示意图；其中1-多间隙气体开关；2-环形电极；3-预电离针；4-电极间隙；5-光纤束；6-光纤束探头；7-紫外光纤；8-密封节；9-日盲型光电倍增管；10-高压电源；11-光电倍增管；12-接示波器；13-有机玻璃外壳；14-电极支撑翼；15-法兰；16-金属管；17-焊料； 18-镀金层；19-环形凹槽。
具体实施例方式如图1所示，多间隙气体开关1包括多只层叠设置的环形电极2和设置在多间隙气体开关1内部的预电离针3，相邻环形电极2之间设置有间隙4，整个开关密封在壳体中可进行高压试验，绕环形电极2 —周的外壳13采用有机玻璃材料密封；图中从上到下共有七个环形电极开关，工作时上下两个电极加有150kV高压，六个电极间隙4会按照一定的次序击穿，实现开关顺序工作。光纤探测系统包括一个用于探测紫外光预电离的紫外光纤探测器和多只探测多间隙气体开关击穿时序的光纤束探测器。其中紫外光纤探测器包括紫外光纤7和紫外光电倍增管9，紫外光纤7的探头做成探针形式通过一个光纤密封节8探入多间隙气体开关1内部，并设置在多间隙气体开关的预电离针3上方，保持探头与开关预电离针的距离恒定；光纤密封节8可保持整个壳体密封，工作在高压状态下。放电开关工作时，首先预电离针3加 50kV SOkV电压，产生紫外光，使预电离间隙中的气体电离。所产生的紫外光耦合进入紫外光纤7，经由光纤传输至日盲型光电倍增管9探测，光电倍增管输出端直接通过电缆接入示波器，输出信号幅度可以反应预电离产生的紫外光强度，通过多次测量，每次都记录紫外光的产生时刻、强度以及各间隙击穿时刻(由光纤阵列探测器测得)，进而可以分析紫外光预电离对开关抖动的影响。光纤束探测器包括六个光纤束5和六个光电倍增管11，光纤束5的探头6设置在多间隙气体开关1的有机玻璃外壳13正对所测量间隙4的位置，每个间隙4对应设置有一个光纤束探测器。开关工作时上下两个电极加有150kV高压，六个电极间隙会按照一定的次序击穿，击穿时放电发光进入光纤束探测器探头，经光纤传输进入光电倍增管11，最后信号输出至相应的示波器，光电倍增管11输出信号的起始时刻反应相应的电极间隙4被击穿的时刻。其中所有的光电倍增管都与高压电源10连接，提供高压驱动。为了确保光纤束探测器对放电电极间隙放电测量的准确性，每个光纤束5的多根光纤长度相等，光纤束的探头在放电开关周围的布局应遵循“不漏不重”的原则。如图2和图3所示，“不漏”是指环形金属电极的任意一处均位于至少一根光纤的数值孔径内，以保证电极的任意处放电发光均能够被探测到，也就是每根光纤的端头布置在所测量间隙的一周，且在环形电极横截剖面方向，环形电极外沿的任意一处均至少位于一根光纤的数值孔径角所对应的区域内。如图4所示，“不重”是指同一层光纤探头只能探测同一个电极间隙 4的放电发光，相邻电极间隙4的放电发光不能入射该层光纤探头；也就是说在环形电极轴线剖面方向，每个间隙位于且只能位于测量该间隙的光纤数值孔径角所对应的区域内。通常情况下，为了同时满足“不漏不重”的要求，首先需要根据光纤的数值孔径和相邻电极之间间隙4的宽度，确定光纤束5在有机玻璃外壳13上安装点与环形电极2轴线的距离，即确定轴线剖面方向的安装位置，满足“不重”的原则；其次，需要根据光纤数值孔径、安装点与环形电机轴线的距离来选择同一个光纤束5需要的光纤根数，并通过几何方法进行验证。图2中通过选择5根光纤束5合理的布局，可使其满足“不重”原则；作为一种特例，可选用图3所示的5根光纤均布在所测量间隙4的一周。光纤密封节8是本发明系统的一种重要器件，需要保证光纤能顺利探入气体开关 1内部，且保持高压下的密封特性。光纤密封节8包括带有环形凹槽19的法兰15和橡胶密封垫，橡胶密封垫设置在法兰15的环形凹槽19内，并与气体开关1的外壳固定在一起。法兰15由可伐材料制成，中心为通孔，所述光纤包层镀金后穿过法兰15中心的通孔，并密封焊接在法兰15上，如图5所示。下面给出具体实施例紫外光纤的芯径为200 μ m,紫外光电倍增管为9425B型日盲光电倍增管，紫外光纤确保了预电离紫外光的远距离、低损耗传播，日盲型光电倍增管作为光信号探测器，提高了信号响应灵敏度，同时该光电倍增管只对紫外光波敏感，有效去除了放电过程中产生的可见光干扰；紫外光纤的探头探入多间隙气体开关内部的长度为60mm，紫外光纤的探头与预电离针的距离为30mm;紫外光纤传输5m距离将信号输入日盲型光电倍增管，日盲型光电倍增管将紫外光信号转化为电信号输出，由示波器接收。光纤束由5根相同长度的芯径62. 5 μ m的普通光纤构成，理论计算结果表明同一光纤束中不同光纤传输时间差最大为 0. 3ns;光纤束输出端与9815型光电倍增管(PMT)连接，光纤束的探头通过FC接头固定在多间隙气体开关的聚乙烯外壳的合适位置上；所有的光电倍增管都通过PS350型高压电源供电，光电倍增管信号由泰克示波器接收。本发明已经成功应用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的诊断项目中。
权利要求
1.一种用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于包括一个用于探测多间隙气体开关预电离针紫外光预电离强度的紫外光纤探测器、多只探测多间隙气体开关环形电极击穿时序的光纤束探测器；所述紫外光纤探测器包括紫外光纤和紫外光电倍增管；所述紫外光纤的探头穿过多间隙气体开关密封外壳上的光纤密封节探入多间隙气体开关内部，并设置在多间隙气体开关的预电离针上方；所述紫外光纤的输出端与紫外光电倍增管相连；所述光纤束探测器包括与气体开关间隙数量一致的光纤束和相应数量的光电倍增管； 所述光纤束的探头穿过多间隙气体开关密封外壳上的光纤密封节探入多间隙气体开关内部，并设置在正对其所测量间隙的位置；所述光纤束的输出端与光电倍增管连接；所述紫外光电倍增管和光电倍增管与高压电源连接，所述紫外光电倍增管和光电倍增管输出端均接示波器。
2.根据权利要求1所述的用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于所述光纤束为多根长度相等的光纤，所述每根光纤的探头布置在所测量间隙的一周，且在所述环形电极横截剖面方向，环形电极外沿的任意一处均至少位于一根光纤的数值孔径角所对应的区域内；在所述环形电极轴线剖面方向，每个间隙位于且只能位于测量该间隙光纤的数值孔径角所对应的区域内。
3.根据权利要求1或2所述的用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于所述光纤密封节包括带有环形凹槽的法兰和橡胶密封垫，所述橡胶密封垫设置在法兰的环形凹槽内；所述法兰的中心为通孔，所述光纤包层镀金后穿过法兰中心的通孔，并密封焊接在法兰上。
4.根据权利要求3所述的用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于所述紫外光纤的探头与预电离针的距离为30mm。
5.根据权利要求4所述的用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于所述的紫外光纤为芯径200 μ m的石英光纤，所述紫外光电倍增管为9425B型日盲光电倍增管；所述光纤束的光纤为芯径62. 5 μ m的石英光纤；
6.根据权利要求5所述的用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于所述光纤束包括5根光纤，均布在所测量间隙的一周。
7.根据权利要求64所述的用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，其特征在于所述的法兰由可伐材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种用于多间隙气体开关参数诊断的光纤探测系统，包括用于探测紫外光预电离的紫外光纤探测器和多只探测多间隙气体开关击穿时序的光纤束探测器；紫外光纤探测器包括紫外光纤和光电倍增管，紫外光纤的探头通过设置在多间隙气体开关密封外壳上的光纤密封节探入多间隙气体开关内部，并设置在多间隙气体开关的预电离针上方；光纤束探测器包括光纤束和光电倍增管，光纤束的探头设置在多间隙气体开关的有机玻璃密封外壳正对所测量间隙的位置，光纤束的输出端与光电倍增管连接。本发明实现了紫外预电离光强的测量，可用于分析开关触发及开关抖动的影响，同时实现了多间隙气体开关击穿时序的直接测量。
文档编号G01R31/12GK102565641SQ20111045170
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者孙铁平, 岳志勤, 张美 , 彭博栋, 李阳, 王培伟, 盛亮, 袁媛, 赵吉祯, 魏福利 申请人:西北核技术研究所