自制束流变压器的使用经历

CT（current transformer束流变压器）是测量脉冲束流电流的基础探测器，它装在束流管道上，当束流通过时，使得磁环磁通的变化，在绕磁环的线圈上产生感生电动势，把信号引出，就可以间接测得穿过的束流电流。

毕业刚到加速器时，束流变压器还是一期工程时老前辈们自己设计制作的，即使在二期工程建设时也还一直用着，直到后来的重大维修改造，大约2012年吧，直线和环全部重建才拆下来。前几天专门跑过去拍了几张照：

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前面的图就是束流变压器，那个棕灰色外壳里面有个铁氧体磁环，分成两半，上面绕着线圈，之后两个半截磁环对在一起，磁环包裹的那一截真空管用陶瓷环分开并两端焊接，以使磁环能“看到”管道里面的束流。由于束流信号比较弱，信号引出后还要接个前置放大器，之后通过电缆传输到控制室接示波器。后面的图就是那时候用的放大器，电路板在壳子里，都是老前辈们自研的。

现在看这两张图，看起来虽然技术很原始，而且两个半环对接会漏场，信号也不好，但是在当时，这些CT对束流的调试和机器的运行起到了非常大的作用。

维修改造后的光源使用的是法国bergoz的FCT和ICT。类似这个样子：

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我们也参照法国的设计，自作了这样的CT：

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下面说说和bergoz相比的优势和差距。

先说优势吧，bergoz的FCT是专门看短脉冲束流信号的，对脉宽1us左右即更短的束流信号能很好的转变为电压信号反应其波形，对长脉宽，比如10us以上，其顶降会非常的严重没法用。

我们自制的CT在长脉宽，比如15us，顶降能控制的非常好，随便拿一份以前标定的结果：

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车间束流变压器定标

2018.2.25

10个束流变压器，编号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9

10个束流变压器结果一致：

模拟束流200mA，脉宽15us

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信号前沿464.4mV，后沿454.24mV，顶降为(464.4-454.24)/464.4 = 2.19%，灵敏度：464.4mV/200mA=2.32V/A

第三幅图是模拟束流为20mA时的输出，可看出变压器呈线性。

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灵敏度在2.3V/A左右时，15us顶降能控制在3%以内；如果少绕几匝线圈，灵敏度会提高，但顶降会变大，灵敏度4.4V/A时，15us顶降会在5%左右。

这些单位加工厂自制的CT在各辐照加速器都已很好的使用。从以前每年拿过来让我标定的量来看，应该至少几十个吧。

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自制CT在宽脉冲有优势外，在窄脉冲同样可以看，下图为红外FEL上bergoz的FCT和自制CT的波形图对比：

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红外FEL的束流是有微脉冲结构的宏脉冲，黄色的为bergoz的FCT的波形，绿色的为自制CT，下图为展宽的细节：

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读者从这里估计看到问题所在：bergoz的完美匹配，自制CT对短脉冲能看，但匹配的不好。

 

但是匹配的问题，我觉得有两个方式改进：

1、做一个小电路接到CT上再引出信号，参照史密斯图（这个东东还是永良师弟告诉我的）的方法调整匹配阻抗。可以一试，不过自我感觉不是最终的解决办法；

2、线圈磁环和陶瓷环结构建模，电磁场计算什么样的陶瓷环和真空法兰内腔配合的结构能很好的匹配，之后再按设计加工实验。

 

改进后的实验现在加速器院里就可以做，大光源需要稳定供光，不能在上面折腾，但是院里又有了红外fel以及高品质电子源两套装置。加速器末端薄膜窗外，可以把需实验的CT固定在上面，不需要破真空安装，可以非常的方便看改进后的CT束流波形。同样对于ICT,正好基于高品质电子源10ps脉宽，也可以这样做实验。

国内同行如果看到了，就实践起来吧，对于自制的CT，兼顾宽脉冲并完美改进窄脉冲的匹配后，完全能够替代进口货。

这个东西实际上并没有技术难度，现在随便市面上的变压器磁环绕绕线圈都可以，有实验条件的单位一定要去行动起来。