加速器中的脉冲功率技术课程ppt(第2章)
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加速器原理 配套课件
一、什么是加速器？
● 加速器全名为“荷电粒子加速器”，是使带电粒子在真空中受磁场力控制、 电场力加速而达到高能量的一种装置。
如图所示，电视机及计算机 显示器就是一小型的加速器。
●加速器应称为“粒子加能器” 但“加速器”的名称早已为人们 普遍接受，故一直被沿用。
● 加速器技术是核技术的 一个重要分支。
3）回旋加速器 ● 1958年—1959年，清华大学2.5MeV电子回旋加速器出束。 ● 1958年：原子能研究所自苏联引进了磁极直径1.2m回旋加速器。60年代
初，先后由北京重型电机厂、上海先锋厂仿制了1.2m、1.5m回旋加速器。 ● 20世纪70年代末至80年代初，由一机部自动化所（即现北京机械工业自
动化研究所）与清华大学、国家计量局合作研制了25MeV电子回旋加速器
§1.1 加速器及其发展历史
三、加速器发展历史
4、加速器技术在中国的发展
4）电子直线加速器 ● 1964年，科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。 ● 1974年—1975年初，北京（北京医疗器械研究所、清华大学）、上海
（上海医疗器械厂、高能所）各自研制的10MeV医用电子行波直线加速器 相继成功出束。1977年，上述加速器通过鉴定后，北京医疗器械研究所、 上海医疗器械厂、南京电子管厂、四川东风电机厂、四机部十二所开始小 批量生产或研制医用和工业用电子行波直线加速器
加速器原理 配套课件
目录
第一章 绪 论 第二章 粒子源与束流品质 第三章 倍压加速器 第四章 高压静电加速器 第五章 回旋加速器 第六章 电子感应加速器 第七章 自动稳相准共振加速器基础 第八章 回旋型准共振加速器 第九章 环型准共振加速器
加速器原 理
第一章：绪 论
§1.1 加速器及其发展历史
● 加速器全名为“荷电粒子加速器”，是使带电粒子在真空中受磁场力控制、 电场力加速而达到高能量的一种装置。
如图所示，电视机及计算机 显示器就是一小型的加速器。
●加速器应称为“粒子加能器” 但“加速器”的名称早已为人们 普遍接受，故一直被沿用。
● 加速器技术是核技术的 一个重要分支。
3）回旋加速器 ● 1958年—1959年，清华大学2.5MeV电子回旋加速器出束。 ● 1958年：原子能研究所自苏联引进了磁极直径1.2m回旋加速器。60年代
初，先后由北京重型电机厂、上海先锋厂仿制了1.2m、1.5m回旋加速器。 ● 20世纪70年代末至80年代初，由一机部自动化所（即现北京机械工业自
动化研究所）与清华大学、国家计量局合作研制了25MeV电子回旋加速器
§1.1 加速器及其发展历史
三、加速器发展历史
4、加速器技术在中国的发展
4）电子直线加速器 ● 1964年，科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。 ● 1974年—1975年初，北京（北京医疗器械研究所、清华大学）、上海
（上海医疗器械厂、高能所）各自研制的10MeV医用电子行波直线加速器 相继成功出束。1977年，上述加速器通过鉴定后，北京医疗器械研究所、 上海医疗器械厂、南京电子管厂、四川东风电机厂、四机部十二所开始小 批量生产或研制医用和工业用电子行波直线加速器
加速器原理 配套课件
目录
第一章 绪 论 第二章 粒子源与束流品质 第三章 倍压加速器 第四章 高压静电加速器 第五章 回旋加速器 第六章 电子感应加速器 第七章 自动稳相准共振加速器基础 第八章 回旋型准共振加速器 第九章 环型准共振加速器
加速器原 理
第一章：绪 论
§1.1 加速器及其发展历史
加速器中的脉冲功率技术课程ppt(第2章)_传输线理论
（3）
该式成立 条件：
Rs Z0
12
Accelerator Lab of Tsinghua University 传输线特性阻抗 无穷长线、或匹配负载的传输线上任何一点在建立电流 I 时，必然同 时建立电压 U，并且所建立电压与电流之比等于传输线的波阻抗（又称特 性阻抗，用 Z0 表示）。 传输线与负载的匹配 电压波和电流波沿线传输到终端，若在终端接负载 ZL，传输线的特 性阻抗 Z0 与负载 ZL 匹配情况将决定传输线上波的传播形式。 1） Z0 = ZL 行波状态 2） Z0 ≠ ZL 驻波状态
电压反射系数 ρ
在驻波状态时，传输线上除入射波外还有反射波，反射波电压和入射 波电压之比称为电压反射系数ρ ，即
Z L Z0 Vr Z L Z 0 Vf
13
Accelerator Lab of Tsinghua University 例子
传输线终端开路（ Zl
），始端加一电压信号 Vs，则 0 , k j RG
e e
GR ( x 2 l )
VB f tAB 0
2）信号频 率为108Hz:
VB f tAB tBC 0.951
1
VC f tAB tBC 2.755 10
12
0.5 VA ( f t) VB ( f t) VC ( f t) 0
A、B之间、 B、C之间均 应作为传输 线分析。
2.4 传输线（Transmission Line）理论
2.4.1 概述 2.4.2 传输线的物理模型 —— 等效电路 2.4.3 几种传输线的特性 2.4.4 单脉冲形成线 2.4.5 集总参数的传输线 —— 脉冲形成网络（PFN） 2.4.6 达林顿电路（Darlington circuits）
加速器原理 第二章 粒子源与束流品质
复合过程是指离子捕获电子形成中性
原子或分子的过程。 离解、电离及复合是一动态过程，当
电离过程与复合过程达到动态平衡，放电 就达到了平衡，稳定的等离子体就形成
了。
3）等离子体的密度 等离子体的密度是离子源的重要参 数。 等离子体的密度越高， 引出的离 子束流就越强。提高等离子体密度的 办法，一般是在放电室加一轴向磁 场，其主要作用为： a ）使电子作螺旋运动，提高电子
# 由于经过两次压缩，可形成密度高达
1014离子对 / cm3 的密度等离子体，因此， 双等离子体离子源能过引出很强的束 流（~1000mA）。
双等离子体离子源结构示意图
1.进气口； 2. 阴极； 3. 磁场线圈； 4. 中间电极；5. 扩张杯；6. 阳极板； 7. 绝缘垫圈；8. 引出电极；9. 引出电源 (20-50keV)；10. 放电电源（70500V）
高频离子源结构示意图
1．阳极；2. 放电管；3. 磁力线；4. 磁场线圈；5. 电子回旋轨迹；6. 吸 极；7. 进气口；8. 振荡器；9. 振荡线 圈；10. 离子束
兰州大学研制的高 频离子源
3
2
§2.2 离子源
2、几种典型的正离子源
1）高频离子源
# 引出孔道要大小合适（一般尺寸为：孔径2-3mm，长：20mm）； # 引出束流的大小一般可用下式进行估算：
§2.2 离子源
I 欧洲核子中心的双等离子体离子源 (Douplasmatron source)
§2.2 离子源
II 兰州大学的双等离子源
§2.2 离子源
2、几种典型的正离子源
总结
以上讨论的几种离子源，其性能各有特点。下表列出了它门的一些 典型的性能参数：
§2.2 离子源
《加速器》(课件)
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 3.对于同一回旋加速 器，其粒子回旋的最大半 径是相同的，所以最大速 度必须满足
qBR vm m
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 4.因为狭缝极小，故 电场运动时间可以忽略.
t总 t 磁
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 4.因为狭缝极小，故 电场运动时间可以忽略.
t总 t 磁
1 mv 2 m m 2 t磁 n qB qU qB 1 m (qBR) m 2 m qU qB
◆原理：带电粒子经两D型盒之间的电场加速后，垂直 磁场方向进入某一D型盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆 周运动。 1.带电粒子每经电场加 速一次，回旋半径就增大一 次，每次增加的动能为 Ek=qu， 粒子每经过一个周 期，被电场加速两次。 2.交变电场周期等于粒 子在磁场中的运动时间，即 2m T电 = T磁 qB
2.(多选)回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度 为B的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时 间可忽略，它们接在电压为U、频率为的交流电源上，若A处粒 子源产生的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是( ) A.若只增大交流电压U，则质子获得的 最大动能增大 B.若只增大交流电压U，则质子在回旋 加速器中运行时间会变短 C.若磁感应强度B增大，交流电频率必 须适当增大才能正常工作 D.不改变磁感应强度B和交流电频率， 该回旋加速器也能用于加速粒子
2.(多选)回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度 为B的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时 间可忽略，它们接在电压为U、频率为的交流电源上，若A处粒 子源产生的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是( BC ) A.若只增大交流电压U，则质子获得的 最大动能增大 B.若只增大交流电压U，则质子在回旋 加速器中运行时间会变短 C.若磁感应强度B增大，交流电频率必 须适当增大才能正常工作 D.不改变磁感应强度B和交流电频率， 该回旋加速器也能用于加速粒子
电子直线加速器的工作原理幻灯片PPT
Z
0
T
g
（2-6）
式中，T为行波电场完成一次震荡所需的时间，常
称为周期（ 2）/T。取波的零点移动速度来计
算波速。设t=0时，z=0为计算原点。则这时式
（电场2-经6）时中间电场t相后位，场值零点2T 移t 动2了zg 0
z
，若这个行波 距离，则这
时相应电场相位仍应为零（ 0 ）。即：
2t
T
2 z g
被称为相运动。
将相运动控制在允许的范围内，使电子在这相位范围内往返地滑动，
并在这往返滑动过程中，基本上处于某一个加速相位（平衡相位 s）附 近，而受到 ，而不至于单方向滑动，滑入减速相位而丢失。我们把能够
实现这种相运动状态称为“存在相运动稳定性”。相运动稳定性问题实质
上就是电子纵向运动的稳定性，只有相运动是稳定的，才能对电子进行有
电子在行波电场作用下，速度不断增加，要求 行波电场的传播速度也同步增加，以对电子施 加有效的作用。显然，若同步条件遭到破坏， 电场就不能对电子施加有效的加速，如果电子 落入减速相位，电子还会受到减速。
根据狭义相对论，电子速度V和动能满足下列
关系
v c
1(
m0c2
2
)
Wm0c2
（2-4）。
式中 m0c2为电子静止能量0.511MeV，W为电子动
由图2-3，在轴线附近，能提供一个沿Z 轴直线加速电子的电场，假设性波加速 电场的的强度为 EZ,电子一直处于电场 的波峰上，则经过长度为L的加速管之 后，电子所获得的能量W为 WeEZL
人们把这种加速原理叫做“行波加速原 理”。
二、驻波加速方式
如图2-4，时变电场按直线连续加速电子的模型： 一系列双圆筒电极之间，分别接上频率相同的电源， 如果该频率和双圆筒电极缝隙之间的距离式（2-2） 的关系，则电子可以得以持续加速。
加速器ppt
第一批粒子加速器的运行显示了人工方法产生快速粒子束 的巨大优越性：不仅其强度远高于放射性元素、宇宙射线等 天然快速粒子源，而且粒子的品种、能量以及粒子束的方向 等都可任意选择、精确调节。但这些加速器的粒子能量低, 回旋加速器是唯一能将氘和α粒子加速到20—50MeV的加速 器.
1940年美国科学家科斯特研制出世界上第一个电子感应加速 器。极限约为100MeV。
第四节 加速器的应用
加速器作为粒子源有一系列的优点，所产生的粒 子种类繁多，粒子束能量精确可调，因此加速器在 科技，生产和国防建设领域中的应用极为广泛：
一、在探索和变革原子核和基本粒子方面的应用
几十年来，人们利用加速器合成了绝大部分超铀 元素和上千种人工放射性核素，并系统地研究了原 子核的性质、内部结构以及原子核之间的相互作用 过程。
北京大学建成4.5MV质子单级静电加速器。
八十年代末 北京2.2/2.8GeV正负电子对撞机 （BEPC）。兰州直经7.2米的分离扇型重离子加速 器(HIRFL)。合肥800MeV同步辐射光源(HESYRL)
九十年代后期，中科院兰州近代物理研究所正在建造 重离子冷却储存环加速装置。
2004年北京正负电子对撞机重大改造工程 (BEPCⅡ)第一阶段设备安装和调试工作取得重大进
二战期间，出射能量更高的直线加速器快速发展。
1945年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各 自独立发现了自动稳相原理。自动稳相原理的发现是加速器 发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器 能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器。
现在，对撞机已成为获得粒子之间最高有效作用能的主要手 段。由于这一系列的发展和成就，。
产 物
基本要求和功能 1 提高带电粒子的能量 2 增加带电粒子束的强度
加速器中的脉冲功率技术课程ppt(第3章)_Marx发生器_层叠线
26
Accelerator Lab of Tsinghua University 解决上述问题的办法：
使用高压同轴电缆来建造 PFN Marx 发生器： 建造简单，结构紧凑，运行成本低，可靠性高。 ➢ 适用于产生低、中能的脉冲，如 10～100J; ➢ 重复频率工作：～ 200 Hz，受开关恢复时间及电源重复充电能力的限制。
3.2 Marx 发生器
3.2.1 概述
Marx发生器脉冲充电装置示意图
➢ 工作原理：电容器并联充电，串联放电 ➢ 多个电容器：Marx 发生器的级数 ➢ 开关放电同步的好坏，直接决定了发生器同步性能的好坏 ➢ 脉冲能量范围：几 Joules ～ 几十 kJ ➢ 多个 Marx 发生器可进行级联，为加速粒子提供高压脉冲
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Accelerator Lab of Tsinghua University
Erection time (ns)
Erection time (ns)
90
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5
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15
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35
40
Voltage (kV)
Cable PFN Marx generator 输出脉冲建立时间与充电电压的关系曲线
10KV 5KV
0V 0s V(C2:2)
20us
40us
Time
60us
80us
100us
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Accelerator Lab of Tsinghua University 3.2.2 级联 Marx 发生器
➢ 由火花间隙开关实现并联充电转变为串联放电
Accelerator Lab of Tsinghua University 解决上述问题的办法：
使用高压同轴电缆来建造 PFN Marx 发生器： 建造简单，结构紧凑，运行成本低，可靠性高。 ➢ 适用于产生低、中能的脉冲，如 10～100J; ➢ 重复频率工作：～ 200 Hz，受开关恢复时间及电源重复充电能力的限制。
3.2 Marx 发生器
3.2.1 概述
Marx发生器脉冲充电装置示意图
➢ 工作原理：电容器并联充电，串联放电 ➢ 多个电容器：Marx 发生器的级数 ➢ 开关放电同步的好坏，直接决定了发生器同步性能的好坏 ➢ 脉冲能量范围：几 Joules ～ 几十 kJ ➢ 多个 Marx 发生器可进行级联，为加速粒子提供高压脉冲
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Cable PFN Marx generator 输出脉冲建立时间与充电电压的关系曲线
10KV 5KV
0V 0s V(C2:2)
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Accelerator Lab of Tsinghua University 3.2.2 级联 Marx 发生器
➢ 由火花间隙开关实现并联充电转变为串联放电
加速器原理介绍 ppt课件
五、微波传输系统
加速器原理介绍
微波传输系统由真空窗（陶瓷窗）、吸收负载、定向耦合器、微波传输元 件等组成。
要求：各部件能承受额定功率和驻波比。 参数：1）频率：2856.25MHZ
2）平均功率：8Kw 3）驻波比：＜1.05 4）测损耗：主要是真空窗的损耗 5）耦合度 6）系统通带 注意事项： （1）平均功率 （2）充气：低于额定值，则会出现打火现象 （3）连接安装时要拧紧，否则会出现漏气 （4）开机时注意微波渗漏
加速器原理介绍
——原理及各系统介绍
2014年1月
一、基本概念
加速器原理介绍
电子加速器是一种使用人工方法使电子在真空中受磁场力控制、电
场力加速而达到高能量的电磁装置。 电子加速器是一种复杂的技术装备，综合了电子加速器原理、电磁场理
论、高电压、微波、磁铁、电源、电气电子、自动控制、传热学、机械设计 和加工、真空、束流诊断与测量、剂量测量、辐射防护等多个领域的综合科 学技术。
加速器原理介绍
八、充气系统
充气系统使用的是六氟化硫气体，其作用：1）提高微波绝缘强度，防 止打火；2）利于速调管输出陶瓷窗散热。
充气操作系统结构图如下：
1—气瓶 2—减压阀 3—过滤干燥器 4—充气阀 5—放气阀 6—气体分流器（五通） 7—大气压表 8—隔离阀 9—小气压表(大小气压表均有上、下限保护触点信号输出)
一、电子枪
加速器原理介绍
电子枪是加速器的电子源，它产生一定能量 、流强和形状要求的电子束，并进入加速管进行 加速。
电子枪为二极型的皮尔斯电子枪，由阴极（ 阴极热子组件）、聚焦极和阳极组成。阴极发射 的电子，经聚焦极聚焦，通过阳极孔进入加速管 ，电子枪的导流系数为0.068微朴。根据加速器 的设计要求，电子枪的工作电压为55-65KV ，发 射束流连续可调，最大束流为1A 。
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直流分析 交流分析 参数分析 瞬态分析
参考：OrCADPSpiceAD9_21简明教程
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Accelerator Lab of Tsinghua University
2.1 概述
第二章 脉冲功功率，积累起来得到一定的能量，然后将其以高得多的 功率释放到负载上。
3~4学时
3
Accelerator Lab of Tsinghua University
参考书目
Peter D. Pearce: Application of pulsed power technology in accelerators and industry, not published, 2006 S T Pai, Qi Zhang: Introduction to high power pulse technology, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1995 曾正中：《实用脉冲功率技术引论》，陕西科学技术出版社，2003 刘锡三：《高功率脉冲技术》，2005 韩旻：《脉冲功率技术基础》，清华大学电气工程与应用电子技术系，2002
tr I max
— 上升时间 — 峰值电流
现代大型脉冲功率装置的 K pr 已达到1018~1020 W/s ！
世界最大的发电站：
K pr Pmax tr Pmax T /4 4 f Pmax 4 50(Hz) 10 (W) 2 10
10 12
W/s
远低于脉冲功率装置所能达到的功率增长率。 TW级的束流功率并不能够使用传统的加速器得到 ！
Accelerator Lab of Tsinghua University
加速器中的脉冲功率技术
邢庆子 清华大学工物系加速器实验室 Tel: 62788047 – 8 (o) E-mail: xqz@
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Accelerator Lab of Tsinghua University
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Accelerator Lab of Tsinghua University
我国的脉冲功率技术 主要与我国可控核聚变研究、电子束与粒子束加速器、新兴强激光 等重大科学技术项目和国防的需要紧密结合而发展起来的。 “闪光一号” 6MeV高阻抗强流相对论电子束加速器、10MeV感应直 线加速器：中国工程物理研究院 “闪光二号” 0.9MV、0.9MA低阻抗相对论加速器：西北核技术研究 所 “神光二号” 用于激光核聚变：中物院和上海光机所合建 超导Tokmak磁约束聚变研究装置：中科院合肥等离子体所 DPF-250等离子体焦点装置：清华大学电机系 ……
李正瀛：《脉冲功率技术》，水利电力出版社，1992
会议文集：IEEE Pulsed Power Conf., IEEE Trans. on Plasma Science, ……
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Accelerator Lab of Tsinghua University
/ppps2007/
储能 （J）
脉冲功率
功率(W) U(V) I(A) 脉宽(s)
2.5×107 1010~1014 106~107 107~108 10-1~10-8 108~1010 108~1014 109~1011 4.2×107 109~1012 1011 109~1010 1010 1012 105 3×105 107 105 1~10-3 10-2~10-3 10-3~1 10-2~10 10-4~10-6
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Accelerator Lab of Tsinghua University 四种常用储能方式的比较：
储能 方式
电容 电感 机械 化学
储能密度 （比能）
J/g
0.1 2~5 36~50 1.5~10 3~15 5000
储能器
J/cm3
0.1~0.5 0.5~5 40~100 100
脉冲电容器 电感器 超导电感器 脉冲发电机组 脉冲单极发电机 高级炸药
1）储能密度高。
电容和电 感储能密度 的比较：
脉冲电容器
电容 C=2.8 μF 电压 U=50 kV
电感线圈
电感 L=80 mH 电流 I=5 kA
储能 W=3.5 kJ
体积 V=6.3×104 cm3 储能密度 W’=5.5×10-2 J/cm3
储能 W=1 MJ
体积 V=74×104 cm3 储能密度 W’=1.35 J/cm3
14
Accelerator Lab of Tsinghua University
2.2 电容储能
基本定义：
以电荷的形式储存电能： 电容大小： C r 0 相对介电常数：
A d
绝缘材料 真空 1个大气压的空气 聚苯乙烯 1 1.00059 2.5
Q C (Coulombs) V
黄文会
黄文会 程诚
2
16
07/06/20(周三) 考试
Accelerator Lab of Tsinghua University
内
电容储能 电感储能 传输线理论
容
3~4学时
第二章 脉冲功率技术基础
PSpice软件使用介绍
1学时
第三章 高压脉冲形成系统
Marx发生器 脉冲形成线理论 Blumlein形成线
(Farads)
储存的能量： E C 2 (Joules) V
2
相对介电常数 r
1
聚丙烯
聚碳酸酯 聚乙烯 绝缘浸渍纸
2.5
2.8 3.0 2~6
云母
Al2O3 玻璃 Ta2O3 陶瓷
6.5 ~ 8.7
7 4 ~ 9.5 10 ~ 25 20 ~ 12000 15
Accelerator Lab of Tsinghua University 尽管实际电路中不存在纯粹的分立元件，但合理的等效电路模型仍 然可以给出足够好的近似，并且物理意义明显。
脉冲宽度
（10-10~10-5） Sec
7
Accelerator Lab of Tsinghua University
Kwangwoon University 同轴 Vircator 实验装置示意图 ( IEEE Trans. Plasma Sci. 2005, 33:1353–1357)
实验结果：电压 245 kV、电流 36 kA条件下，获得了峰值功率约 244 MW 的微波脉冲。
2）以“水”代“油”：发展了低阻抗强流电子束加速器；
3）激光开关的应用：实现了多台装置并联运行； 4）感应加速腔技术：克服了高压绝缘的限制；
5）目前正处在第五次突破口：发展重复频率脉冲功率技术。
11
Accelerator Lab of Tsinghua University 低功率 储存能量 高功率 输出
10
Accelerator Lab of Tsinghua University 脉冲功率技术的发展： 20世纪60年代初，英国原子武器研究中心的马丁首先建议运用脉冲 功率技术，获得强流相对论性电子束，来产生高强度的X射线。他们成 功地将“二战”期间雷达上所采用的布鲁姆莱因（Blumlein）传输线技 术应用于闪光X射线照相研究，使得闪光X射线机的能量和强度都有了 极大的提高，从而开创了高功率脉冲技术研究的新纪元。 五个里程碑： 1）Blumlein传输线的应用：开创了脉冲功率技术的新纪元；
实际 电路
对电容某些参 数提出要求
选择合适的绝 缘材料
特点
电容误差大，温度系数和电压系数高； 介质损耗低，耐高温，适用于RF电路。 温度容量大，但介质损耗与频率相关； 适用于DC电路。
聚丙烯
云母
温度容量小，损耗因数小且与频率无关； 适用于AC电路。
稳定性高，耐高温，在很大频率范围内具有非常 小的损耗因数；但储能密度小，价格昂贵。
教学日历
周次 日期(星期) 授课内容 主讲人
1
2 3 4 5 6 7 8
07/03/07(周三) 粒子加速器中的脉冲功率系统
07/03/14(周三) 电容储能、电感储能、传输线等 07/03/21(周三) 电容储能、电感储能、传输线等 Pspice介绍
黄文会
邢庆子 邢庆子 倪建平
07/03/28(周三) Marx发生器、脉冲形成线、Blumlein形成线 邢庆子 07/04/04(周三) Marx发生器、脉冲形成线、Blumlein形成线 邢庆子 07/04/11(周三) 高压绝缘与击穿 07/04/18(周三) 高压绝缘与击穿 07/04/25(周三) 高压、大功率开关 郑曙盺 郑曙盺 程诚
C Ls Rs
E SR
Rs ：等效串联电阻 Ls ：等效串联电感
R p ：绝缘电阻，通常大于104 MΩ，
E SL
Rp
可以忽略
Z Rs
Rp 1 C Rp
2 2 2
j
Ls CR p C R p Ls
2 3 2 2
1 C Rp
2 2
2
谐振频率： f r
1 2 Ls C
脉冲功率技术包含的两个方面：
1）低功率脉冲技术 2）高功率脉冲技术（High Power Pulse Technology，简称 HPPT） HTTP典型参数： 能量 功率 （101~107） Joules （106~1014） Watt
电压
电流 电流密度
（103~107） Volt
（103~107） Amp （106~1011） Amp/m2
初级 能源
储存 能量
脉冲 形成
负载
直流充电 储能方式： 电容储能 电感储能 机械储能 传输线储能 化学能储能 ……
μs
脉冲放电
参考：OrCADPSpiceAD9_21简明教程
6
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2.1 概述
第二章 脉冲功功率，积累起来得到一定的能量，然后将其以高得多的 功率释放到负载上。
3~4学时
3
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参考书目
Peter D. Pearce: Application of pulsed power technology in accelerators and industry, not published, 2006 S T Pai, Qi Zhang: Introduction to high power pulse technology, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1995 曾正中：《实用脉冲功率技术引论》，陕西科学技术出版社，2003 刘锡三：《高功率脉冲技术》，2005 韩旻：《脉冲功率技术基础》，清华大学电气工程与应用电子技术系，2002
tr I max
— 上升时间 — 峰值电流
现代大型脉冲功率装置的 K pr 已达到1018~1020 W/s ！
世界最大的发电站：
K pr Pmax tr Pmax T /4 4 f Pmax 4 50(Hz) 10 (W) 2 10
10 12
W/s
远低于脉冲功率装置所能达到的功率增长率。 TW级的束流功率并不能够使用传统的加速器得到 ！
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加速器中的脉冲功率技术
邢庆子 清华大学工物系加速器实验室 Tel: 62788047 – 8 (o) E-mail: xqz@
1
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9
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我国的脉冲功率技术 主要与我国可控核聚变研究、电子束与粒子束加速器、新兴强激光 等重大科学技术项目和国防的需要紧密结合而发展起来的。 “闪光一号” 6MeV高阻抗强流相对论电子束加速器、10MeV感应直 线加速器：中国工程物理研究院 “闪光二号” 0.9MV、0.9MA低阻抗相对论加速器：西北核技术研究 所 “神光二号” 用于激光核聚变：中物院和上海光机所合建 超导Tokmak磁约束聚变研究装置：中科院合肥等离子体所 DPF-250等离子体焦点装置：清华大学电机系 ……
李正瀛：《脉冲功率技术》，水利电力出版社，1992
会议文集：IEEE Pulsed Power Conf., IEEE Trans. on Plasma Science, ……
4
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/ppps2007/
储能 （J）
脉冲功率
功率(W) U(V) I(A) 脉宽(s)
2.5×107 1010~1014 106~107 107~108 10-1~10-8 108~1010 108~1014 109~1011 4.2×107 109~1012 1011 109~1010 1010 1012 105 3×105 107 105 1~10-3 10-2~10-3 10-3~1 10-2~10 10-4~10-6
12
Accelerator Lab of Tsinghua University 四种常用储能方式的比较：
储能 方式
电容 电感 机械 化学
储能密度 （比能）
J/g
0.1 2~5 36~50 1.5~10 3~15 5000
储能器
J/cm3
0.1~0.5 0.5~5 40~100 100
脉冲电容器 电感器 超导电感器 脉冲发电机组 脉冲单极发电机 高级炸药
1）储能密度高。
电容和电 感储能密度 的比较：
脉冲电容器
电容 C=2.8 μF 电压 U=50 kV
电感线圈
电感 L=80 mH 电流 I=5 kA
储能 W=3.5 kJ
体积 V=6.3×104 cm3 储能密度 W’=5.5×10-2 J/cm3
储能 W=1 MJ
体积 V=74×104 cm3 储能密度 W’=1.35 J/cm3
14
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2.2 电容储能
基本定义：
以电荷的形式储存电能： 电容大小： C r 0 相对介电常数：
A d
绝缘材料 真空 1个大气压的空气 聚苯乙烯 1 1.00059 2.5
Q C (Coulombs) V
黄文会
黄文会 程诚
2
16
07/06/20(周三) 考试
Accelerator Lab of Tsinghua University
内
电容储能 电感储能 传输线理论
容
3~4学时
第二章 脉冲功率技术基础
PSpice软件使用介绍
1学时
第三章 高压脉冲形成系统
Marx发生器 脉冲形成线理论 Blumlein形成线
(Farads)
储存的能量： E C 2 (Joules) V
2
相对介电常数 r
1
聚丙烯
聚碳酸酯 聚乙烯 绝缘浸渍纸
2.5
2.8 3.0 2~6
云母
Al2O3 玻璃 Ta2O3 陶瓷
6.5 ~ 8.7
7 4 ~ 9.5 10 ~ 25 20 ~ 12000 15
Accelerator Lab of Tsinghua University 尽管实际电路中不存在纯粹的分立元件，但合理的等效电路模型仍 然可以给出足够好的近似，并且物理意义明显。
脉冲宽度
（10-10~10-5） Sec
7
Accelerator Lab of Tsinghua University
Kwangwoon University 同轴 Vircator 实验装置示意图 ( IEEE Trans. Plasma Sci. 2005, 33:1353–1357)
实验结果：电压 245 kV、电流 36 kA条件下，获得了峰值功率约 244 MW 的微波脉冲。
2）以“水”代“油”：发展了低阻抗强流电子束加速器；
3）激光开关的应用：实现了多台装置并联运行； 4）感应加速腔技术：克服了高压绝缘的限制；
5）目前正处在第五次突破口：发展重复频率脉冲功率技术。
11
Accelerator Lab of Tsinghua University 低功率 储存能量 高功率 输出
10
Accelerator Lab of Tsinghua University 脉冲功率技术的发展： 20世纪60年代初，英国原子武器研究中心的马丁首先建议运用脉冲 功率技术，获得强流相对论性电子束，来产生高强度的X射线。他们成 功地将“二战”期间雷达上所采用的布鲁姆莱因（Blumlein）传输线技 术应用于闪光X射线照相研究，使得闪光X射线机的能量和强度都有了 极大的提高，从而开创了高功率脉冲技术研究的新纪元。 五个里程碑： 1）Blumlein传输线的应用：开创了脉冲功率技术的新纪元；
实际 电路
对电容某些参 数提出要求
选择合适的绝 缘材料
特点
电容误差大，温度系数和电压系数高； 介质损耗低，耐高温，适用于RF电路。 温度容量大，但介质损耗与频率相关； 适用于DC电路。
聚丙烯
云母
温度容量小，损耗因数小且与频率无关； 适用于AC电路。
稳定性高，耐高温，在很大频率范围内具有非常 小的损耗因数；但储能密度小，价格昂贵。
教学日历
周次 日期(星期) 授课内容 主讲人
1
2 3 4 5 6 7 8
07/03/07(周三) 粒子加速器中的脉冲功率系统
07/03/14(周三) 电容储能、电感储能、传输线等 07/03/21(周三) 电容储能、电感储能、传输线等 Pspice介绍
黄文会
邢庆子 邢庆子 倪建平
07/03/28(周三) Marx发生器、脉冲形成线、Blumlein形成线 邢庆子 07/04/04(周三) Marx发生器、脉冲形成线、Blumlein形成线 邢庆子 07/04/11(周三) 高压绝缘与击穿 07/04/18(周三) 高压绝缘与击穿 07/04/25(周三) 高压、大功率开关 郑曙盺 郑曙盺 程诚
C Ls Rs
E SR
Rs ：等效串联电阻 Ls ：等效串联电感
R p ：绝缘电阻，通常大于104 MΩ，
E SL
Rp
可以忽略
Z Rs
Rp 1 C Rp
2 2 2
j
Ls CR p C R p Ls
2 3 2 2
1 C Rp
2 2
2
谐振频率： f r
1 2 Ls C
脉冲功率技术包含的两个方面：
1）低功率脉冲技术 2）高功率脉冲技术（High Power Pulse Technology，简称 HPPT） HTTP典型参数： 能量 功率 （101~107） Joules （106~1014） Watt
电压
电流 电流密度
（103~107） Volt
（103~107） Amp （106~1011） Amp/m2
初级 能源
储存 能量
脉冲 形成
负载
直流充电 储能方式： 电容储能 电感储能 机械储能 传输线储能 化学能储能 ……
μs
脉冲放电