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的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004]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。
[0005] 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米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】
[0006] 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。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] -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，
[0009] 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；
[0010] 其特殊之处在于：
[0011] 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，
[0012] 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，
[0013] 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，
[0014] 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。
[0015] 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，弓丨 出测量信号；
[0016] 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 2〇
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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，
[0023] 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，
[0024] 其特殊之处在于：
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 本发明与现有技术相比，优点是：
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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】：
[0033] 图1A为B-dot探头结构的俯视图。
[0034] 图1B为图1A的A-A视图。
[0035] 图1C为图1A的B-B视图。
[0036] 图2A为金属屏蔽盖结构图。
[0037] 图2B为图2A的A-A视图。
[0038] 图3A为PCB磁感应线圈一面布线示意图。
[0039] 图3B为PCB磁感应线圈另一面布线示意图。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 图6为两级感应腔串联IVA装置结构示意图。
[0043] 图7为探头安装位置横截面示意图。
[0044] 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；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】