本發(fā)明屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于真空二極管電壓測量的D-dot探頭。
背景技術(shù)：
脈沖功率技術(shù)研究中，真空二極管是一種重要的負(fù)載形式，對其電壓電流的準(zhǔn)確測量是反映裝置運行狀態(tài)的重要手段。以往的工作中常用傳輸線電壓電流參數(shù)來近似表示脈沖功率裝置的電壓電流參數(shù)（如“高電壓技術(shù)2003年29卷第1期”刊登的《一種同軸高壓電容分壓器的設(shè)計》中提到“測量位置位于傳輸線靠近二極管端”），但這樣的近似由于忽略了二極管的傳輸效率問題，得到的二極管電壓電流參數(shù)并不準(zhǔn)確。為了提高測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)將測量點設(shè)置在二極管的真空傳輸段上。這時存在技術(shù)難點主要有：一是保證測量探頭的真空密封，二是避免二極管區(qū)域等離子體引起的測量探頭絕緣擊穿，三是降低拆卸安裝過程造成的測量誤差。本方案主要關(guān)注對二極管電壓的測量。電容分壓器是脈沖功率系統(tǒng)中常用的測量脈沖高電壓信號的裝置。電容分壓器分為自積分式電容分壓器（其輸出信號與被測電壓成正比）和外積分式電容分壓器，其中外積分式電容分壓器主要由微分探頭D-dot（或稱V-dot）及積分器組成。D-dot探頭時間常數(shù)遠(yuǎn)小于待測電壓信號前沿，其輸出信號與被測電壓的微分信號成正比。發(fā)明專利《一種用于輻射二極管參數(shù)測量的電容分壓器及安裝方法》（CN 102128964 B，2013.03.20）中公開了一種測量輻射二極管參數(shù)的電容分壓器。該技術(shù)方案中將測量電極繞真空傳輸線內(nèi)筒一周，緊貼傳輸線外筒內(nèi)壁，低壓臂電容為測量電極和接地外殼的耦合電容，中間介質(zhì)為聚乙烯薄膜，薄膜寬度略大于電極寬度。該方案解決了電磁干擾問題，但其測量電極尺寸大，固定方式僅采用尼龍連接桿通過測量電極和聚乙烯薄膜的孔旋緊至內(nèi)電極的螺孔上，在實踐過程中當(dāng)二極管尺寸較大時容易出現(xiàn)分壓器結(jié)構(gòu)松動，從而影響測量準(zhǔn)確性。 “高電壓技術(shù)2007年33卷12期”刊登的《脈沖功率裝置中電容分壓器的設(shè)計和應(yīng)用》中公開了一種在水傳輸線中使用的V-dot探頭的具體結(jié)構(gòu),其特點是存在多個密封圈，實踐中存在真空密封困難，且結(jié)構(gòu)較為松散每次拆裝后密封圈的彈性余量變化容易引起探測器靈敏度改變，從而影響測量準(zhǔn)確性。“強激光與粒子束2012年24卷第6期”刊登的《亞納秒脈沖高電壓測量探頭》中公開了一種采用環(huán)氧樹脂澆注的D-dot探測器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，容易實現(xiàn)密封。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)空氣中澆注時環(huán)氧樹脂內(nèi)部容易出現(xiàn)氣泡，影響測量結(jié)構(gòu)的均勻性進(jìn)而影響測量準(zhǔn)確性。由于大量氣泡的存在也增加了絕緣擊穿的風(fēng)險。要減少環(huán)氧樹脂中的氣泡就必須在真空環(huán)境中進(jìn)行澆注，需要較為復(fù)雜的配套設(shè)備。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了準(zhǔn)確測量真空二極管的電壓參數(shù)，同時解決真空密封問題、等離子體屏蔽問題、對快前沿信號的響應(yīng)問題，并且保證結(jié)構(gòu)緊湊、易于實現(xiàn)，提供了一種用于真空二極管電壓測量的D-dot探頭。
要實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種用于真空二極管電壓測量的D-dot探頭，包括電纜座、探頭外殼、絕緣套筒、接地外殼、測量電極、連接桿、真空電纜連接器，所述測量電極的軸心上設(shè)置有與測量電極通過螺紋連接的連接桿，所述測量電極通過外螺紋與絕緣套筒連接為一體，所述絕緣套筒通過外螺紋與探頭外殼連接為一體，所述探頭外殼通過外螺紋與電纜座連接為一體；
所述連接桿插入所述真空電纜連接器的一端，所述真空電纜連接器固定在電纜座的中心通孔內(nèi)，所述電纜座通過螺栓與接地外殼固定連接為一體；
電纜座、真空電纜連接器、絕緣套筒、測量電極、連接桿、探頭外殼、接地外殼均為同軸心結(jié)構(gòu)；
所述電纜座與接地外殼之間設(shè)置有金屬密封圈。
在上述技術(shù)方案中，所述接地外殼和所述電纜座上下端面相對的位置處分別設(shè)置有密封槽，所述金屬密封圈設(shè)置在密封槽內(nèi)。
在上述技術(shù)方案中，所述金屬密封圈為軟質(zhì)金屬材料，或為無氧銅，或為紫銅。
在上述技術(shù)方案中，所述探頭外殼內(nèi)表面設(shè)置有臺階，與絕緣套筒外表面上的臺階相互契合，起到限位的作用。
在上述技術(shù)方案中，所述絕緣套筒內(nèi)表面設(shè)置有臺階，用于對測量電極限位。
在上述技術(shù)方案中，所述測量電極的外端面上設(shè)置有絕緣薄片，所述絕緣薄片通過螺釘與測量電極連接。
在上述技術(shù)方案中，所述絕緣薄片直徑不小于測量電極的直徑。
在上述技術(shù)方案中，所述真空電纜連接器為穿墻式結(jié)構(gòu)，穿過所述電纜座的中心通孔。
在上述技術(shù)方案中，所述真空電纜連接器穿過電纜座的部分與電纜座之間設(shè)置有O型密封圈。
綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
（1）本發(fā)明中，在測量電極外采用絕緣薄片阻擋電子束及等離子體的轟擊，使等離子體及電子難以形成短路通道，從而避免了短路現(xiàn)象的出現(xiàn)；
（2）本發(fā)明中，電容分壓器的探頭部分（包含電纜座、真空密封電纜連接器、探頭外殼、絕緣套筒、測量電極、連接桿、絕緣薄片）安裝完成后成為一個探頭整體，具有使用和拆卸方便等優(yōu)點；
（3）本發(fā)明中，采用真空密封電纜連接器，僅采用一個O型密封圈及一個金屬密封圈既可實現(xiàn)較高真空密封，結(jié)構(gòu)簡單。采用金屬密封圈可以大大降低電容分壓器中的彈性余量，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；
（4）本發(fā)明中，所有結(jié)構(gòu)均采用標(biāo)準(zhǔn)件或者機械加工件，裝配過程簡便，不需要開展后續(xù)的澆注等加工，易于實現(xiàn)；
（5）本發(fā)明中，探頭結(jié)構(gòu)緊湊，測量電極與探頭外殼間形成的耦合電容典型值為pF量級，可以很好地滿足探頭時間常數(shù)遠(yuǎn)小于待測電壓信號前沿的要求，對ns前沿的電壓信號能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測量；
本發(fā)明設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，使用方便且制作和維護費用較低，具有突出的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，在真空二極管電壓測量領(lǐng)域適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。
附圖說明
本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖視圖；
其中：1是電纜座，2是螺栓，3是探頭外殼，4是真空密封電纜連接器，5是O型密封圈，6是絕緣套筒，7是金屬密封圈，8是接地外殼，9是測量電極，10是連接桿，11是螺釘，12是絕緣薄片。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本發(fā)明所述的一種用于真空二極管電壓測量的D-dot探頭，包括電纜座，探頭外殼， O型密封圈，絕緣套筒，接地外殼，測量電極，連接桿，還包括真空密封電纜連接器、金屬密封圈和絕緣薄片，所述電纜座、真空密封電纜連接器、O型密封圈、探頭外殼、絕緣套筒、連接桿、測量電極、絕緣薄片之間均為同軸心結(jié)構(gòu)，安裝連接形成探頭整體。為了保證探頭各部分的同軸度，所述電纜座、探頭外殼、絕緣套筒、連接桿、測量電極間的連接方式為螺紋連接。
所述測量電極與所述探頭外殼間的耦合電容作為電容分壓器的低壓臂電容，與二極管真空傳輸段內(nèi)筒間形成電容分壓器的高壓臂電容。
進(jìn)一步地，為了保證安裝的準(zhǔn)確性，上述探頭外殼、絕緣套筒上還分別有限位設(shè)計。所述真空密封電纜連接器具有穿墻式結(jié)構(gòu)，穿過所述電纜座的中心孔安裝在所述電纜座上，將探頭信號引出至示波器顯示。所述真空密封電纜連接器內(nèi)部采用陶瓷燒結(jié)等能夠有效密封真空的結(jié)構(gòu)，外部與所述電纜座之間采用O型密封圈密封真空。
所述接地外殼和所述電纜座上下端面相對的位置處分別設(shè)置有密封槽，密封槽上均具有刀口結(jié)構(gòu)。安裝時在上述密封槽中放置所述金屬密封圈，將所述接地外殼和所述電纜座采用螺栓連接，起到固定D-dot探頭及密封真空的作用。所述絕緣薄片采用螺釘安裝在測量電極外側(cè)，起到阻擋等離子體的作用。
上述金屬密封圈為無氧銅、紫銅等軟質(zhì)金屬材料；上述電纜座、接地外殼為不銹鋼等硬質(zhì)金屬材料；上述探頭外殼、測量電極、連接桿為金屬材料；上述絕緣套筒為尼龍或聚四氟乙烯等絕緣介質(zhì)材料；上述絕緣薄片為耐高溫耐燒蝕的聚酰亞胺或聚四氟乙烯等高分子材料。
按上述發(fā)明方案設(shè)計了一款測量用于真空二極管電壓測量的D-dot探頭，能夠?qū)崿F(xiàn)對前沿5ns、脈寬150ns的脈沖電壓信號的準(zhǔn)確測量，主要部件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中電纜座為不銹鋼材料，外直徑Φ70mm，厚度11mm,電纜座上沿Φ58.7mm圓周均布6個Φ7的通孔，電纜座中心為Φ14通孔，電纜座下部具有M40x1深5.5的內(nèi)螺紋，以及外直徑Φ48.3具有刀口結(jié)構(gòu)的密封槽。螺栓為不銹鋼材料的六角頭全螺紋螺栓,螺紋長度約18mm。探頭外殼為不銹鋼材料外直徑Φ40總長30mm的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，上端部具有M40x1深5.5的外螺紋及M33x1深9的內(nèi)螺紋，距離上端面9mm處設(shè)置有Φ36的臺階狀限位結(jié)構(gòu)，下端面內(nèi)外倒R0.5圓角以降低表面電場強度。真空密封電纜連接器型號為BNC（M）-50KKY，是一種兩端為BNC孔型的穿墻式螺紋緊固型真空密封電纜連接器，內(nèi)芯采用陶瓷燒結(jié)工藝保證密封性能。O型密封圈是氟橡膠材料的標(biāo)準(zhǔn)件，用于真空密封電纜連接器與電纜座之間真空密封。絕緣套筒由聚四氟乙烯材料制成，總長30mm，上部為內(nèi)直徑Φ24、外螺紋M33x1深9的空心結(jié)構(gòu)，下部為外直徑Φ36內(nèi)直徑Φ28的空心結(jié)構(gòu)，下端面具有M28x1深5的內(nèi)螺紋，距離下端面18mm處設(shè)置有臺階狀限位結(jié)構(gòu)。金屬密封圈為CF-35標(biāo)準(zhǔn)無氧銅密封圈。接地外殼為不銹鋼材料，內(nèi)直徑Φ40，總長24mm，上部為外直徑Φ70mm，厚度6mm的法蘭盤,法蘭盤上沿Φ58.7mm圓周均布6個M6的螺紋孔，下部外直徑Φ48,下部焊接到二極管外筒上開的孔上。測量電極為不銹鋼材料，外直徑Φ28，總長18mm,下端面具有M28x1深5螺紋，上部中心開Φ20深10mm槽，槽底中心開M6深5螺紋孔，底部沿Φ11.6圓周上均布2個M2.5螺紋孔用于測量電極的輔助安裝及螺釘?shù)陌惭b。連接桿為黃銅材料，上端針狀結(jié)構(gòu)與BNC連接器孔狀連接端相匹配，下端M6深4螺紋與測量電極9槽底螺孔相匹配。螺釘11為金屬材料，用于絕緣薄片12和測量電極9的連接。絕緣薄片12為聚四氟乙烯材料，外直徑Φ36，厚度2mm，上下邊緣倒圓角，沿Φ11.6圓周上均布2個Φ3通孔。
安裝過程如下：依次將O型密封圈和真空密封電纜連接器安裝固定在電纜座的中心孔上，探頭外殼外螺紋連接在電纜座下部內(nèi)螺紋上，絕緣套筒上部外螺紋連接在探頭外殼內(nèi)螺紋上，連接桿下部螺紋連接在測量電極槽底螺孔上，利用測量電極底部M2.5螺孔輔助將測量電極下部外螺紋與絕緣套筒下部內(nèi)螺紋連接（此過程中連接桿上部針狀結(jié)構(gòu)與BNC連接器孔狀連接端相連接），利用螺釘將絕緣薄片與測量電極連接，以上安裝過程將形成一個測量探頭整體。使用時將金屬密封圈放置在接地外殼上的密封槽內(nèi)，將測量探頭整體放入接地外殼內(nèi)孔，使用螺栓將電纜座和接地外殼連接、壓緊。
本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。