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脉冲功率技术


华 中 科 技 大 学 研究生课程考试答题本

考生姓名 考生学号

李 猛 虎 M201371361

系、年级 高电压与绝缘技术 2013 级 类 别 硕 士

考试科目 考试日期

脉冲功率技术 2013 年 12 月 15 日

脉冲功率技术是指把较小

功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中, 然后 通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上, 以 得到极高的功率, 实质上是输出功率对输入功率的放大。 脉冲功率系统中能量的储存方式有 许多种,如电容储能,电感储能,脉冲电机储能以及电池储能等。脉冲功率技术研究的技术 指标为:电压 1kV~10MV,电子能量 0.3~15MeV(电子伏) ,述流大小 1kA~10MA,脉冲宽 度 0.1~100ns,束流功率 0.1~100TW,总能量:1kJ~15MJ。脉冲功率技术的特征是:高脉冲 功率,短脉冲持续时间,高电压,大电流。 脉冲功率技术, 是以电气科学技术为基础, 把电工新技术和高电压-大电流技术融为一 体的新型学科。脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已 经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛 的发展和应用前景。

脉冲功率的发展历程
脉冲放电现象存在于大自然。 人们最早是在 20 世纪 30 年代开始研究脉冲功率现象。 1938 年,美国人 Kingdon 和 Tanis 第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光 X 射 线;1939 年,苏联人制成真空脉冲 X 射线管,并把闪光 X 射线照相技术用于弹道学和爆轰 物理学实验。采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。第二次世 界大战期间, 企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起, 也促进了脉冲 功率科学技术的形成和发展。1947 年,英国人 A.D.Blumlien 以专利的形式,把传输线波的 折反射原理用于脉冲形成线,在纳秒脉冲放电方面取得了突破。1962 年,英国原子能研究 中心的 J.C.Martin 领导的研究小组,将 Marx 发生器与 Blumlien 的专利结合起来,建造了世 界上第一台强流相对论电子束加速器 SOMG (3MV, 50kA, 30ns) , 脉冲功率达 TW (1012W) 量级,开创了高功率脉冲技术的新纪元。1986 年建成 PBFA-II 装置,其峰值电压为 12MV、 电流 8.4MA、脉宽 40ns,其二极管束能为 4.3MJ,脉冲功率 1014W,是世界上第一台功率 闯过 100TW 大关的脉冲功率装置。 美国和俄罗斯目前在脉冲功率技术上处于领先地位。 美国从事脉冲功率技术研究的机构 有 Sandia 国家实验室、Lawrence Livermore 国家实验室、Maxwell 实验室、Los Alamos 科学 实验室、海军武器研究中心、Texas 技术大学等。1967 年在 Sandia 实验室建成的 Hermes2I 为当时最大的脉冲功率装置;1972 年美国陆军的 Hary Diamond 实验室建成了 Aurora 装置, 这个设备由 4 台 Marx 发生器组成,是脉冲功率史上的一个里程碑;1986 年 Sandia 实验室 又建成了 FBFA2II,是世界上第 1 个闯过 100TW 大关的装置。俄罗斯从事脉冲功率技术 研究的机构有库尔恰托夫研究所、新西伯利亚核物理所、托姆斯科大电流电子学研究所、电 物理装备所、列别捷夫所等 , 建造了许多大型的 Marx 成形线型联合装置 ,1985 年建成的 AHrapa25 就是其中之一。日本的脉冲功率技术主要应用于强流粒子束加速器,特别重视轻 离子的惯性约束聚变。从事脉冲功率技术研究的机构有东京大学、熊本大学、大阪大学 、 长岗技术大学等 , 较著名的装 置有大阪大学的 Raiden2IV 和 1986 年长岗技术大学建成 ETIGO 2II。

我国脉冲功率技术及其应用的研究是从 20 世纪 70 年代末开始的。 中科院等离子体物理 研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究所、华中科技大学、清华大学等单位 的研究水平居于国内领先地位。 国内已有 20 多台的 Marx 装置在运行,居首者是 1979 年西南工程物理研究院建成的“闪光 I 号”装置 ; 20 世纪 90 年代以后,国内相继又建成 的装置有西北核技术研究所的 “ 闪光 II 号 ” ,中国工程物理研究院和上海光机所“神光 II 号 ” ,华中科技大学等联合研制的“神光 III” 。

脉冲功率的主要技术
高脉冲功率装置一般由初级能源、中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统、测量系统 和负载组成。 简单说脉冲功率产生的过程, 首先, 初始能源产生宽度在 ms 级, 能量在 0.1MW 级的脉冲,然后经过中间储能装置产生脉冲宽度在宽度在 us 级,能量在 10MW 级的脉冲, 再次通过脉冲压缩和变换装置产生宽度在 ns 级,能量在 1TW 级的脉冲,施加到负载上。

1.

储能技术
脉冲功率技术中储能装置的储能方式一般由电能、磁能、机械能、化学能、核能等。其

中电能、磁能以及机械能应用最为广泛。 以电能形式储能的电容器多采用陶瓷介质电容。 电容储能技术发展最为成熟, 但其储能 密度低、体积和重量大,价格高,实现高重复脉冲难,对开关要求也很高的特点使其在新领 域的应用中遇到瓶颈。电容储能密度为:E ? ?E 以典型的参数 Eop
2

/ 2 ,电容器采用高能量密度的塑料薄膜,
3

? 400V / m, ? r ? 10 计算,则可得电容储能密度为 8MJ/m 。显然这种储

能方式受介质的电场强度所限制,而且介质承受电压的时间越长越容易击穿。 以磁能形式储能的电感产生高压脉冲的方法有四种。 单级电感储能转换放电; 多级电感 储能脉冲发生器;用电流过零方法产生连续脉冲;用铁磁元件变换脉冲。电感储能形式在与 电容储能同样电流下,其储能密度为电容储能密度的 25 倍。但目前该技术不够成熟,核心 是开断开关的研究不成熟,一般应用于毫秒级强流脉冲放电装置中。电感储能密度为:

E ? B2 /(2?r ?0 ) ,电感器采用高能空芯电感,以典型的参数 ?r ? 1, B ? 40T 计算,则
可得电感储能密度为 640MJ/m 。显然这种储能方式仅与磁感应强度有关,且最高电场仅出 现在负载转换的最后一段时间,比电容储能情况短的多,因此电场强度对储能的限制不大, 其储能密度几乎只受磁压力限制。 以机械能形式储能的惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法。 常用惯性储能有换向 直流脉冲发电机、单极脉冲发电机,同步发电机和补偿脉冲发电机。储存在旋转机械和飞轮 中的动能是旋转机械能,不仅储能密度噶,而且提取方便。一般使用较小功率的拖动机构, 以相对长的时间把一定质量的转子或飞轮慢慢地加速使其转动起来, 储存足够的动能, 然后 利用转动惯性脉冲地驱动合适的发电设备, 把机械能转变成电磁能。 这种储能方式的优点在 于储能密度高,结构紧凑,体积小,成本低,可移动。惯性储能密度为: E ? I M ? 2 / 2 , 以典型的参数 ?
3

? 1500kg / m3 , v ? 600m / s 计算,则可得电感储能密度为 135MJ/m 。惯
3

性储能的应用极为广泛,比如托卡马克聚变装置,大型风洞装置,脉冲金属成型等。

2.

开关技术
在高功率脉冲发生器中, 开关是最重要的器件之一, 它起着连接储能器件与负载的作用。

关元件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响,因此开关元件 在脉冲功率系统中占有非常重要的地位。 脉冲功率系统中开关的主要作用有能量的转换, 通 过开关的动作(断开或闭合)来实现能量的转移。开关具有主要特性有电导率的变化范围应 尽可能大,即要在完全绝缘体至导体之间变化;电导率的变化速度尽可能快。脉冲功率系统 开关的工作主要特点有高电压,大电流,快速(开通时间微妙至纳米级) 。脉冲功率开关技 术所面对的难点为工作的可靠性,即该动作时必须动作,不该动作是绝不动作;精确的可控 性,要求分散性要很小。 脉冲功率开关的的种类有很多, 但是没有统一的分类标准, 一般以开关的某一主要特征 来进行分类。其中,以开关的触发机理特征,可分为引燃管、三电极开关、 激光触发开关等; 以开关主电极的特征来分,可分为场畸变开关、空心阴极开关、热阴极开关、表面放电开关 等。 以开关的动作意图来分, 可分为闭合开关盒断路开关。 这些开关的分类方式不是绝对的, 其实所有的开关都有一些共性。 综上所述, 开关主要分为以下几种: 闸流管、 火花气体开关、 激光触发开关、真空开关、爆炸断路开关、等离子体压缩断路开关、熔丝、金属箔熔片、低 压反射开关、利用栅极控制等离子体的大功率断路开关、等离子体融蚀开关、反箍缩等离子 体开关、磁开关、光导半导体开关、表面放电开关等。下面简单介绍一些常见开关。 气体火花开关,这是一种间隙气压在 100kPa 或以上的开关,即在常压下或超过常压工 作的开关。 气体火花开关有两电极开关盒三电极开关。 气体火花开关的导通过程实际上就是 气体基础的发展过程,即有非自持放电转入自持放电的过程。其导通需要一定的时间,它是 放电间隙上作用一个迅速上升的电压脉冲后, 使之形成自持电流所需要的时间。 气体火花开 关由于结构简洁,易于加工,适用范围广,在国内外脉冲功率技术领域应用最广。火花开关 具有工作电压高、通流能力强、传递电荷量大的优点,但是工作重复频率较低。 伪火花隙开关具有氢气闸流管和高气压充气间隙的双重优点, 其最大导通电流可达数百 千安以上电流上升陡度达 10 A/s,寿命达数百库仑是高气压充气间隙的 5~10 倍,特别是在 峰值电流达几十千安时仍能以几千赫兹的频率重复工作且可以通过 100%的反向电流同时将 阳极放电电流时延抖动限制在几个纳秒范围在许多领域它正在代替现有的氢气闸流管汞蒸 气引燃管和高气压火花间隙。 就工作特性而言, 伪火花放电工作范围界于真空放电与低气压 辉光放电之间。 由于伪火花放电的超大电流密度和快速的电流上升陡度, 使其在脉冲功率技 术中得到广泛应用, 成为继氢激光触发多通道开关气闸流管和高气压放电间隙之后又一重要 的脉冲功率闭合开关。在作为开关使用时,其阴极通常接地,开关的工作电压为 5~ 35 kV。 半导体开关它通过在发射结平面形成的均匀电子-空穴等离子体层代替门极来解决晶 闸管的触发问题。 半导体器件的开关特性, 主要受以正常温度下电荷载流子的迁移率和密度 的限制。传导较强的电流需要较大的导电区域,由于受载流子漂移距离的限制,不能像气体 开关那样调整电极间距,所以提高开关功率只能增加载流通道的面积。
12

脉冲功率技术应用及发展前景
脉冲功率技术在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。 在工业生产领域内可应用于核聚变电站、强流脉冲离子束辐照——涡轮叶片表面的清洗加 工、钛合金表面改性的机理研究、高温金属材料表面再制造技术原理与应用。脉冲电晕放电 减排硫化物和氮化物、 脉冲或者静电除尘、 有机物处理、 金属加工成型、 水中放电排肾结石、 食品消毒灭菌、材料加工处理等;在军事、国防中可应用于产生高功率激光、高功率微波、 高功率激光武器、高功率光束、轨道枪、线圈枪、电热化学枪等;在科学研究中主要应用于 强磁场、惯性束聚变、同步加速器辐射、高速度发射和碰撞等。 脉冲功率技术作为当代高新技术领域的重要组成部分,它的发展和应 用与其他学科的 发展有着密切的关系。分析当前脉冲功率技术的发展趋势,可以概括为以下几个方面: (1)由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。过去脉冲功率技术主要为国防科研服务, 并且大多是单次运行,而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率,必须重复频率工 作。 (2)储能技术——研制高储能密度的电源。在很多应用场合下,脉冲功率系统的体积和 重量的大小是决定性因素,如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等,都要求产生很大的脉 冲功率,而且系统又不能过于庞大和笨重。因此,高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当 前主要的研究课题之一。 (3)开关技术——探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。开关元件的参数直接影 响整个脉冲功率系统的性能, 是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。 美国空军武器科学家 认为,目前大功率开关技术包括以下几个方面:短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、 长寿命技术,而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。因此,具有耐高电压强 电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作 的各种类型开关元件的研制, 是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。 (4) 积极开辟新的应用领域。如前所述,脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、电磁 发射等领域已得到日益广泛的应用。近年来,脉冲功率技术在半导体集成电路、化工、环境 工程、医疗等领域的应用研究,已引起各界的广泛重视,而且在某些应用研究中,已取得了 可喜的进展。凭借成功应用的经验,脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面,民用是一 个巨大的市场,而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。 作为当代高新技术研究的重要技术基础之一, 脉冲功率技术的发展和应用与其他学科的 发展有着密切的联系。随着研究的不断深入,储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量 技术方面必将取得更大的发展, 而且这些研究成果将越来越多地转化到生产应用领域。 总之, 脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。 脉冲功率技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术,它是高新技术研究的重要技术基础之 一,有着非常广泛的发展和应用前景。


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