申请/专利权人：中国工程物理研究院应用电子学研究所

申请日：2017-01-23

公开（公告）日：2023-04-21

公开（公告）号：CN107037254B

主分类号：G01R19/00

分类号：G01R19/00;G01R1/067

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.04.21#授权;2017.09.05#实质审查的生效;2017.08.11#公开

摘要：本发明公开了一种用于真空二极管电压测量的D‑dot探头，属于脉冲功率技术中真空二极管电压测量领域，包括电缆座、探头外壳、O型密封圈、绝缘套筒、接地外壳、测量电极、连接杆、真空密封电缆连接器、金属密封圈和绝缘薄片，所述电缆座、所述真空密封电缆连接器、所述O型密封圈、所述探头外壳、所述绝缘套筒、所述连接杆、所述测量电极和绝缘薄片之间均为同轴心结构，安装连接形成探头整体；本发明在测量电极上安装由耐高温耐烧蚀高分子材料制成的绝缘薄片阻挡等离子体，避免绝缘击穿；采用真空密封电缆连接器及金属密封圈保证真空密封性能；将分压器的主体部分采用螺纹连接方式形成一个整体，使得拆卸过程造成的测量误差最小化。

主权项：1.一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，包括电缆座、探头外壳、绝缘套筒、接地外壳、测量电极、连接杆、真空电缆连接器、绝缘薄片，其特征在于所述测量电极的轴心上设置有与测量电极通过螺纹连接的连接杆，所述测量电极通过外螺纹与绝缘套筒连接为一体，所述绝缘套筒通过外螺纹与探头外壳连接为一体,所述探头外壳通过外螺纹与电缆座连接为一体；所述连接杆插入所述真空电缆连接器的一端，所述真空电缆连接器固定在电缆座的中心通孔内，所述电缆座通过螺栓与接地外壳固定连接为一体；电缆座、真空电缆连接器、绝缘套筒、测量电极、连接杆、探头外壳、接地外壳均为同轴心结构；所述电缆座与接地外壳之间设置有金属密封圈；所述绝缘薄片位于测量电极的外端面上，所述绝缘薄片通过螺钉与测量电极连接。

全文数据：_种用于真空二极管电压测量的D-dot探头技术领域[0001]本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头。背景技术[0002]脉冲功率技术研宄中，真空二极管是一种重要的负载形式，对其电压电流的准确测量是反映装置运行状态的重要手段。以往的工作中常用传输线电压电流参数来近似表示脉冲功率装置的电压电流参数如“高电压技术2〇〇3年29卷第i期”刊登的《一种同轴高压电容分压器的设计》中提到“测量位置位于传输线靠近二极管端”），但这样的近似由于忽略了二极管的传输效率问题，得到的二极管电压电流参数并不准确。为了提高测量的准确性，应当将测量点设置在二极管的真空传输段上。这时存在技术难点主要有:一是保证测量探头的真空密封，二是避免二极管区域等离子体引起的测量探头绝缘击穿，三是降低拆卸安装过程造成的测量误差。本方案主要关注对二极管电压的测量。电容分压器是脉冲功率系统中常用的测量脉冲高电压信号的装置。电容分压器分为自积分式电容分压器其输出信号与被测电压成正比）和外积分式电容分压器，其中外积分式电容分压器主要由微分探头D-dot或称V-dot及积分器组成。D-dot探头时间常数远小于待测电压信号前沿，其输出信号与被测电压的微分信号成正比。发明专利《一种用于辐射二极管参数测量的电容分压器及安装方法》CN102128964B，2013.03.20中公开了一种测量辐射二极管参数的电容分压器。该技术方案中将测量电极绕真空传输线内筒一周，紧贴传输线外筒内壁，低压臂电容为测量电极和接地外壳的耦合电容，中间介质为聚乙烯薄膜，薄膜宽度略大于电极宽度。该方案解决了电磁干扰问题，但其测量电极尺寸大，固定方式仅采用尼龙连接杆通过测量电极和聚乙烯薄膜的孔旋紧至内电极的螺孔上，在实践过程中当二极管尺寸较大时容易出现分压器结构松动，从而影响测量准确性。“高电压技术2007年33卷12期”刊登的《脉冲功率装置中电容分压器的设计和应用》中公开了一种在水传输线中使用的V-dot探头的具体结构，其特点是存在多个密封圈，实践中存在真空密封困难，且结构较为松散每次拆装后密封圈的弹性余量变化容易引起探测器灵敏度改变，从而影响测量准确性。“强激光与粒子束2012年24卷第6期”刊登的《亚纳秒脉冲高电压测量探头》中公开了一种采用环氧树脂浇注的D-dot探测器结构，其结构更为紧凑，容易实现密封。在实践过程中发现空气中浇注时环氧树脂内部容易出现气泡，影响测量结构的均匀性进而影响测量准确性。由于大量气泡的存在也增加了绝缘击穿的风险。要减少环氧树脂中的气泡就必须在真空环境中进行浇注，需要较为复杂的配套设备。发明内容[0003]本发明的目的是为了准确测量真空二极管的电压参数，同时解决真空密封问题、等离子体屏蔽问题、对快前沿信号的响应问题，并且保证结构紧凑、易于实现，提供了一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头。[0004]要实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，包括电缆座、探头外壳、绝缘套筒、接地外壳、测量电极、连接杆、真空电缆连接器，所述测量电极的轴心上设置有与测量电极通过螺纹连接的连接杆，所述测量电极通过外螺纹与绝缘套筒连接为一体，所述绝缘套筒通过外螺纹与探头外壳连接为一体，所述探头外壳通过外螺纹与电缆座连接为一体；所述连接杆插入所述真空电缆连接器的一端，所述真空电缆连接器固定在电缆座的中心通孔内，所述电缆座通过螺栓与接地外壳固定连接为一体；电缆座、真空电缆连接器、绝缘套筒、测量电极、连接杆、探头外壳、接地外壳均为同轴心结构；所述电缆座与接地外壳之间设置有金属密封圈。[0005]在上述技术方案中，所述接地外壳和所述电缆座上下端面相对的位置处分别设置有密封槽，所述金属密封圈设置在密封槽内。[0006]在上述技术方案中，所述金属密封圈为软质金属材料，或为无氧铜，或为紫铜。[0007]在上述技术方案中，所述探头外壳内表面设置有台阶，与绝缘套筒外表面上的台阶相互契合，起到限位的作用。[0008]在上述技术方案中，所述绝缘套筒内表面设置有台阶，用于对测量电极限位。[0009]在上述技术方案中，所述测量电极的外端面上设置有绝缘薄片，所述绝缘薄片通过螺钉与测量电极连接。[0010]在上述技术方案中，所述绝缘薄片直径不小于测量电极的直径。[0011]在上述技术方案中，所述真空电缆连接器为穿墙式结构，穿过所述电缆座的中心通孔。[0012]在上述技术方案中，所述真空电缆连接器穿过电缆座的部分与电缆座之间设置有0型密封圈。[0013]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1本发明中，在测量电极外采用绝缘薄片阻挡电子束及等离子体的轰击，使等离子体及电子难以形成短路通道，从而避免了短路现象的出现；2本发明中，电容分压器的探头部分包含电缆座、真空密封电缆连接器、探头外壳、绝缘套筒、测量电极、连接杆、绝缘薄片安装完成后成为一个探头整体，具有使用和拆卸方便等优点；3本发明中，采用真空密封电缆连接器，仅采用一个〇型密封圈及一个金属密封圈既可实现较高真空密封，结构简单。采用金属密封圈可以大大降低电容分压器中的弹性余量，保证测量结果的准确性；4本发明中，所有结构均采用标准件或者机械加工件，装配过程简便，不需要开展后续的浇注等加工，易于实现；5本发明中，探头结构紧凑，测量电极与探头外壳间形成的親合电容典型值为PF量级，可以很好地满足探头时间常数远小于待测电压信号前沿的要求，对ns前沿的电压信号能够进行准确测量；本发明设计巧妙，结构简单易于实现，使用方便且制作和维护费用较低，具有突出的实质性特点和显著进步，在真空二极管电压测量领域适合大规模推广应用。附图说明[0014]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本发明结构的剖视图；其中：1是电缆座，2是螺栓，3是探头外壳，4是真空密封电缆连接器，5是0型密封圈，6是绝缘套筒，7是金属密封圈，8是接地外壳，9是测量电极，10是连接杆，11是螺钉，12是绝缘薄片。具体实施方式[0015]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和或步骤以外，均可以以任何方式组合。[0016]本发明所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，包括电缆座，探头外壳，0型密封圈，绝缘套筒，接地外壳，测量电极，连接杆，还包括真空密封电缆连接器、金属密封圈和绝缘薄片，所述电缆座、真空密封电缆连接器、0型密封圈、探头外壳、绝缘套筒、连接杆、测量电极、绝缘薄片之间均为同轴心结构，安装连接形成探头整体。为了保证探头各部分的同轴度，所述电缆座、探头外壳、绝缘套筒、连接杆、测量电极间的连接方式为螺纹连接。[0017]所述测量电极与所述探头外壳间的耦合电容作为电容分压器的低压臂电容，与二极管真空传输段内筒间形成电容分压器的高压臂电容。[0018]进一步地，为了保证安装的准确性，上述探头外壳、绝缘套筒上还分别有限位设计。所述真空密封电缆连接器具有穿墙式结构，穿过所述电缆座的中心孔安装在所述电缆座上，将探头信号引出至示波器显示。所述真空密封电缆连接器内部采用陶瓷烧结等能够有效密封真空的结构，外部与所述电缆座之间采用0型密封圈密封真空。[0019]所述接地外壳和所述电缆座上下端面相对的位置处分别设置有密封槽，密封槽上均具有刀口结构。安装时在上述密封槽中放置所述金属密封圈，将所述接地外壳和所述电缆座采用螺栓连接，起到固定D-dot探头及密封真空的作用。所述绝缘薄片采用螺钉安装在测量电极外侧，起到阻挡等离子体的作用。[0020]上述金属密封圈为无氧铜、紫铜等软质金属材料;上述电缆座、接地外壳为不锈钢等硬质金属材料;上述探头外壳、测量电极、连接杆为金属材料;上述绝缘套筒为尼龙或聚四氟乙烯等绝缘介质材料;上述绝缘薄片为耐高温耐烧蚀的聚酰亚胺或聚四氟乙烯等高分子材料。[0021]按上述发明方案设计了一款测量用于真空二极管电压测量的D-dot探头，能够实现对前沿5ns、脉宽150ns的脉冲电压信号的准确测量，主要部件的结构如图1所示。其中电缆座为不诱钢材料，外直径①70mm，厚度11mm，电缆座上沿®58•7mm圆周均布6个①7的通孔，电缆座中心为①14通孔，电缆座下部具有M40xl深5.5的内螺纹，以及外直径〇48.3具有刀口结构的密封槽。螺栓为不锈钢材料的六角头全螺纹螺栓，螺纹长度约18mm。探头外壳为不锈钢材料外直径①40总长30mm的空心圆柱体结构，上端部具有M40xl深5.5的外螺纹及M：33xl深9的内螺纹，距离上端面9mm处设置有①36的台阶状限位结构，下端面内外倒R0•5圆角以降低表面电场强度。真空密封电缆连接器型号为BNCM-50KKY，是一种两端为BNC孔型的穿墙式螺纹紧固型真空密封电缆连接器，内芯采用陶瓷烧结工艺保证密封性能。0型密封_是氟橡胶材料的标准件，用于真空密封电缆连接器与电缆座之间真空密封。绝缘套筒由聚四氟乙烯材料制成，总长30mm，上部为内直径024、外螺纹M33xl深9的空心结构，下部为外直径¢36内直径〇28的空心结构，下端面具有M28xl深5的内螺纹，距离下端面18mm处设置有台阶状限位结构。金属密封圈为CF-35标准无氧铜密封圈。接地外壳为不锈钢材料，内直径①40，总长24麵，上部为外直径O70mm，厚度6mm的法兰盘，法兰盘上沿®58•7mm圆周均布6个M6的螺纹孔，下部外直径¢48,下部焊接到二极管外筒上开的孔上。测量电极为不锈钢材料，外直径®28，总长18mm，下端面具有M28xl深5螺纹，上部中心开①20深10mm槽，槽底中心开M6深5螺纹孔，底部沿¢11.6圆周上均布2个M2.5螺纹孔用于测量电极的辅助安装及螺钉的安装。连接杆为黄铜材料，上端针状结构与BNC连接器孔状连接端相匹配，下端M6深4螺纹与测量电极9槽底螺孔相匹配。螺钉11为金属材料，用于绝缘薄片12和测量电极9的连接。绝缘薄片12为聚四氟乙烯材料，外直径O36，厚度2mm，上下边缘倒圆角，沿O11.6圆周上均布2个03通孔。[°022]安装过程如下：依次将0型密封圈和真空密封电缆连接器安装固定在电缆座的中心孔上，探头外壳外螺纹连接在电缆座下部内螺纹上，绝缘套筒上部外螺纹连接在探头外壳内螺纹上，连接杆下部螺纹连接在测量电极槽底螺孔上，利用测量电极底部M2.5螺孔辅助将测量电极下部外螺纹与绝缘套筒下部内螺纹连接此过程中连接杆上部针状结构与BNC连接器孔状连接端相连接），利用螺钉将绝缘薄片与测量电极连接，以上安装过程将形成一个测量探头整体。使用时将金属密封圈放置在接地外壳上的密封槽内，将测量探头整体放入接地外壳内孔，使用螺栓将电缆座和接地外壳连接、压紧。[0023]本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

权利要求：1.一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，包括电缆座、抹头外冗、绝缘套筒、接地外壳、测量电极、连接杆、真空电缆连接器、绝缘薄片，其特征在于所述测量电极的轴心上设置有与测量电极通过螺纹连接的连接杆，所述测量电极通过外螺纹与绝缘套筒连接为一体，所述绝缘套筒通过外螺纹与探头外壳连接为一体，所述探头外壳通过外螺纹与电缆座连接为一体；所述连接杆插入所述真空电缆连接器的一端，所述真空电缆连接器固定在电缆座的中心通孔内，所述电缆座通过螺栓与接地外壳固定连接为一体；电缆座、真空电缆连接器、绝缘套筒、测量电极、连接杆、探头外壳、接地外壳均为同轴心结构；所述电缆座与接地外壳之间设置有金属密封圈；所述绝缘薄片位于测量电极的外端面上，所述绝缘薄片通过螺钉与测量电极连接。2.根据权利要求1所述的一种用于真空二极管电压测量的D-d〇t探头，其特征在于所述接地外壳和所述电缆座上下端面相对的位置处分别设置有密封槽，所述金属密封圈设置在密封槽内。3.根据权利要求2所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，其特征在于所述金属密封圈为软质金属材料，或为无氧铜，或为紫铜。4.根据权利要求1所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，其特征在于所述探头外壳内表面设置有台阶，与绝缘套筒外表面上的台阶相互契合，起到限位的作用。5.根据权利要求4所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，其特征在于所述绝缘套筒内表面设置有台阶，用于对测量电极限位。6.根据权利要求1所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，其特征在于所述绝缘薄片直径不小于测量电极的直径。7.根据权利要求1所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，其特征在于所述真空电缆连接器为穿墙式结构，穿过所述电缆座的中心通孔。8.根据权利要求7所述的一种用于真空二极管电压测量的D-dot探头，其特征在于所述真空电缆连接器穿过电缆座的部分与电缆座之间设置有〇型密封圈。

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