技术领域
本发明属于涉及一种用于射频磁场测量的共振型射频磁探针。
背景技术：
磁探针信号由探测线圈获取，根据法拉第电磁感应定律，当探测线圈处的磁场发生变化时，线圈两端产生的磁感应电动势ε
其中，Seff＝NS为线圈的有效面积，N为线圈匝数，S为线圈横截面积。
采用强度已知的交变磁场将磁探针标定后，由测量得到的感应电动势可以计算出待测磁场的磁感应强度。在基础研究及技术应用领域中，磁探针测量得到了重要应用，如低温射频感性耦合等离子体源磁场测量[V.A.GodyakandR.B.Piejak，J.Phys.IV8，241(1998)]，高温受控核聚变装置磁场测量[N.Bretz，Rev.Sci.Instrum.68，2927(1997)，T.Edlington，R.Martin，andT.Pinfold，Rev.Sci.Instrum.72，421(2001)，M.Takechi，KToi，andCHSgroups，Rev.Sci.Instrum.70，442(1999)]，等离子体射流发生器磁场测量[R.W.BoswellandF.F.Chen，IEEETrans.PlasmaSci.25，1229(1997)，F.F.ChenandR.W.Boswell，IEEETrans.PlasmaSci.25，1245(1997)]等。
一个高性能磁探针需满足如下条件：
(a)信噪比高，即输出的磁感应信号大，远超过附加的电噪声；
(b)频率响应快，使探针的输出信号能真实地反映磁场的快速变化、涨落；
(c)空间分辨率高，即探针线圈尺寸小；
(d)用于测量等离子体内部磁场变化时，要求对等离子体扰动小。
其中提高信噪比是一个重要且技术难度高的问题。在磁探针测量中，通常主要的电噪声来源于磁探针线圈的容性耦合，产生附加在差模感应电动势上的共模信号。在射频波段，容性耦合干扰尤为严重。另外，由于要求磁探针测量具有高空间分辨率，磁探针线圈的尺寸较小，线圈的有效面积受到限制，磁感应信号偏低，这进一步降低了磁探针测量的信噪比。提高磁探针信噪比的途径有两种：一种是抑制容性耦合信号，另一种是提高磁感应信号。
抑制容性耦合信号的常用方法主要有以下几种：
(1)同轴线差分输出法[M.LightandF.F.Chen，Phys.Plasmas2，1084(1995)]。但这种方法往往因为同轴线的尺寸过大而受到限制。
(2)通过加入另外一个旋转180°的磁线圈抵消两线圈的电容性耦合信号，再通过一个混成连接器(hybridcombiner)得到两倍的磁感应信号[G.G.BorgandR.C.Cross，PlasmaPhys.Controlled.Fusion29，681(1987)]。另一种实现方法是存储两个线圈的信号，在计算机上完成后续处理[G.G.BorgandT.Jahreis，Rev.Sci.Instrum.65，449(1994)]。
(3)中心抽头的变压器。变压器原线圈的中心抽头接地，并采用两个探测线圈。两探测线圈的容性耦合共模信号在变压器原线圈的两个支路中产生大小近似相等的电流，但对应的磁通量相互抵消，通过磁耦合传输的共模信号被有效地抑制。但是，共模信号仍然能通过杂散电容以静电耦合(容性耦合)的方式传输到副线圈[P.K.Loewenhardt，B.D.Blackwell，andBeichaoZhang，Rev.Sci.Instrum.64，3334(1993)，MaxLight，IsaacD.Sudit，FrancisF.Chen，andDonaldArnush，Phys.Plasmas2，4094(1995)]。在使用磁芯变压器时，由于结构的限制难以有效地阻断共模信号的静电耦合。另外，在使用磁芯变压器时，射频段的高磁芯损耗也降低了测量信噪比。
提高磁感应输出信号的方法与频率有关。在低频波段，采用升压变压器的方法可以有效地提高感应输出信号[D.C.BlackandR.M.Mayo，Rev.Sci.Instrum.67，(1508)1996]。在射频波段，过去通常的方法是采用放大器放大磁感应输出信号[ChristianM.Franck，OlafGrulkeandThomasKlinger，Rev.Sci.Instrum.73，3768(2002)，R.Piejak，V.Godyak，andB.Alexandrovich，Rev.Sci.Instrum.72，4002(2001)]。存在的问题为：(1)采用高频放大器增加了磁探针系统的成本；(2)即使采用了高频放大器，仍然需要提高放大器输入端的磁感应信号。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种用于测量磁场的共振型射频磁探针，采用共振型变压器提高磁感应输出信号，同时采用平面分立式法拉第屏蔽抑制变压器原、副线圈间寄生的容性耦合，提高射频磁探针的信噪比。
本发明解决技术问题的技术方案如下：
共振型射频磁探针由探针线圈、平面分立式法拉第屏蔽的共振型变压器组成。变压器原、副线圈为平面空心线圈，变压器原线圈两边并联可变电容C1，副线圈端串联可变电容C2。平面法拉第屏蔽置于共振变压器的原、副线圈之间，采用两片分立式结构。
本发明提出的共振型射频磁探针能同时增大磁感应差模输出信号、抑制容性耦合共模信号，探针具有结构简单、成本低以及信噪比高的优点。
本发明的效果和益处是该共振型射频磁探针能同时增大磁感应差模输出信号、抑制容性耦合共模信号，探针具有结构简单、成本低以及信噪比高的优点。
附图说明
图1是射频磁探针整体示意图。
图2a是磁探针线圈侧视图。
图2b是磁探针线圈顶视图。
图3是双同轴线示意图。
图4是平面分立式法拉第屏蔽示意图。
图5a是无法拉第屏蔽时射频磁探针输出电压波形。
图5b有无法拉第屏蔽时射频磁探针输出电压波形。
图6a是射频磁探针输出电压峰值V0随可变电容C1的变化波形。
图6b是射频磁探针输出电压峰值V0随可变电容C2的变化波形。
图7a是大M时Vomax随可变电容C2的变化波形。
图7b是小M时Vomax随可变电容C2的变化波形。
图8Vomax随双同轴线长度的变化波形。
图中：1磁探针线圈；2双同轴线；3高频接头；4金属屏蔽盒；5并联可变电容C1；6变压器原线圈L1；7平面分立式法拉第屏蔽；8变压器副线圈L1；9串联可变电容C2；10高频接头；11单同轴线；12变压器原线圈的接地中心抽头。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
射频磁探针整体结构如图1所示。圆形磁探针线圈1由金属丝制作(图2a、b)，在室温测量环境下金属丝取用铜丝；在等离子体放电高温、真空环境下探针线圈采用钨丝，并用石英管密封引线及双同轴线。磁探针线圈1引线所在平面与线圈平面垂直，以提高定标精度和空间测量分辨率。磁探针线圈引线与双同轴线2相连，双同轴线2由两根特征阻抗为50Ω的单同轴线制作(图3)：取两根长度相同的单同轴线，剥去绝缘外护套，用细铜丝密绕捆扎。
双同轴线2由高频接头3接入铜屏蔽盒4，再与盒内的旋片式可变电容5(C1)、变压器原线圈6(L1)相连接。变压器原线圈6和副线圈8(L2)均为空心平面线圈，由直径为0.8mm的铜丝绕制。原线圈6的中心抽头12的位置由零共模信号确定：将圆形探针线圈1在关于引线对称的中心处剪开，构成仅能接收容性耦合的对称天线；将探针线圈放入射频(f＝13.56MHz)辐射场内，在变压器原线圈6上调节中心抽头位置改变射频输出电压大小；当输出电压趋近零时，源于探针线圈的共模信号在线圈L1中近似相互抵消，标记并固定中心抽头12。
分立式法拉第屏蔽7由两片厚度为0.5mm的薄铜板制作(图4)，置于变压器原线圈6和副线圈8之间，以阻断共模信号的容性偶合。法拉第屏蔽的直狭缝13与金属部分14的宽度均为1mm，采用线切割工艺加工。两片屏蔽金属板分别固定在接地的金属盒上，且在两板中间留有宽度为0.5mm的细缝以断开大环涡流通道。
在变压器副线圈8一侧，串入旋片式可变电容9(C2)为。变压器副电压信号经单同轴线11传输到显示、存储仪器。
将磁探针线圈1置入射频(f＝13.56MHz)磁场中，断开变压器原线圈6，此时副线圈6仅能输出由两线圈容性耦合产生的射频电压。在原、副线圈之间有、无法拉第屏蔽的不同条件下，测量得到的射频输出电压如图5a、b所示。在有法拉第屏蔽时的输出电压峰峰值(图5b)小于无法拉第屏蔽时的输出电压峰峰值(图5a)，平面分立式法拉第屏蔽可以有效地抑制共模信号在原、副线圈之间的容性耦合。在同时采用具有中心抽头12的原线圈8和分立式法拉第屏蔽7后，共模信号的磁、电耦合均被抑制，射频探针具有低共模干扰的优点。
取用长度为1m的双同轴线2，原线圈6为2匝(L1＝0.798μH)，副线圈8为5匝(L2＝3.282μH)，两线圈处于强耦合状态(即线圈互感M大)，可变电容C2调至52.9pF并保持不变。将探针线圈放入射频磁场中，保持磁感应强度和针针线圈的空间位置不变，调节变压器原边的并联电容C1，射频输出电压峰峰值随电容C1的变化如图6a所示。当C1为C1r(390.5pF)时，输出电压取得最大值Vomax，即变压器输出呈现共振特性。将C1固定在C1r(390.5pF)值下，输出电压Vo随串联电容C2的变化如图6b所示，此时变压器输出也呈现共振特性。将C2固定在不同值下，调节C1均可得到如图6a所示的共振特性。在图6b中，共振现象的出现与C1有关，只有当C1接近C1r时，共振现象才存在。在共振状态下，变压器输出电压远高于无并联电容C1、串联电容C2时(C1＝0pF、C2＝0pF)的值，即共振射频变压器可以有效地提高探针输出电压。
在图6a中，Vomax的大小与C2有关，两者之见的关系如图7a所示。在低、高C2值下Vomax取得大值，在中等C2值下Vomax取得最小值。通过增大原、副线圈之间的距离降低互感M后，Vomax随C2的变化规律如图7b所示。在小M下，Vomax随C2的变化特性与图7a中的结果相反，即在中等C2区Vomax取得最大值。
当磁探针工作于射频段时，双同轴线长度可以影响电路参数。改变输入端双同轴线长度，在每一长度下调节C1得到Vomax，Vomax随长度l的变化如图8所示。在中等长度下，Vomax取得最小值。在测量条件允许的条件下，应采用短输入同轴线，以提高射频输出电压值。当使用输入阻抗为50Ω的数值示波器显示、存储射频探针输出电压时，单同轴线长度的改变对电路参数没有影响，也不能改变输出电压的峰峰值，仅影响输出电压的相位。