(整理)脉冲功率作业

关于脉冲功率技术的调查1 脉冲功率发展史1.1国际发展情况近几年由于在离子加速器、核聚变、微波装置、激光（特别是大功率放电激光）、电磁脉冲、闪光辐射照相、瞬时辐射效应等行业的广泛应用，脉冲功率技术得到广泛应用，从而迅速发展成为一门新兴技术。

然而人们对脉冲放电特性的研究却有着几十年的历史，最初开始于天然雷电特性研究, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。

当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。

20世纪40-50年代, 阿尔芬等人提出了强流相对性电子束的概念。

但是, 一方面由于当时客观要求并不迫切；另一方面, 这样快的脉冲放电, 无论在产生技术上, 或者在测量技术上都存在着一定的困难。

因此, 其后十多年,这种技术发展并不迅速。

直到六十年代初期,英国原子能武器研究中心的J.C. 马丁所领导的闪光X射线机研究小组，应用脉冲功率技术获得强流相对性电子束产生高强度的X射线。

他们成功的将二战期间雷达上所采用的布鲁姆莱茵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极大的提高，从而开拓了称之为脉冲功率加速器的研究领域, 使毫微秒级脉冲功率技术往前推进了一步。

70年代后期，由于粒子束约束聚变方案的提出，高功率粒子束向更高功率水平发展。

例如1980年建成的PBFA-I（功率30TW）。

80年代中期。

因传输线型脉冲功率装置中高压受到绝缘能力的限制，基于多间隙加速原理的感应直线电子束加速器得到发展。

1986年建成的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，它是世界上第一个功率闯过100TW 大关的脉冲功率装置。

1983年新球大战计划兴起，由于他的推动，礼佛摩尔实验室建造的ETA和ATA两台直线感应电子加速器很快被改装成激光研究装置。

1995年以后，美国圣地亚实验室的Z-箍缩研究取得了历史性的重大突破，从等离子体辐射源产生的软X射线前景喜人，又一次给脉冲功率技术的发展注入新的活力。

进入新世纪后，脉冲功率技术正朝着100TW的超高功率水平前进。

1.2国内发展情况我国的高功率脉冲技术研究从20 世纪60年代开始。

现已建成各种大型脉冲功率装置，并形成了一支强大的脉冲功率科学队伍，还设立了脉冲功率技术学科。

2 脉冲功率研究内容及特点脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量, 并将大能量和大功率有效地传输到负载上。

由初始储能技术（电容器储能、电感器储能、超导储能、机械储能、化学储能、核能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒到微秒量级），然后再利用脉冲成形和开关技术，在在时间尺度上通过对能量的脉冲进行压缩、整形，实现输出脉冲峰值功率的放大，并输出到负载，为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。

脉冲功率的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内（20-100ns）的高峰值功率输出。

不断提高的能量、功率上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求, 给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题, 诸如：能量的储存, 能量和功率的传输, 脉冲的形成和压缩, 开关技术, 绝缘特性, 磁绝缘传输线, 二极管和有关诊断技术等。

由于军事、科学实验和工业上的需要, 脉冲功率技术已经发展到相当高的水平。

脉冲功率技术主要由脉冲系统的储能及脉冲发生技术，脉冲压缩及成形技术统，开关技术，脉冲功率的负载，脉冲功率的应用技术，脉冲功率测量技术，脉冲高电压，大电流的测量技术等。

脉冲的产生要经历初始能源，中间能源，脉冲压缩等过程，具体能流如下图：脉冲功率系统的运行有如下特点：(1) 脉冲压缩是一个瞬态快速过程，而不是稳态过程。

脉冲功率电路大都可归结为集中参数或分布参数电路过程来分析。

(2) 产生高电压和大电流，装置的设计和布局、绝缘与开关特性，都特殊考虑和设计。

(3) 极高的瞬时峰值功率。

例如Aurora装置，脉冲功率为当时世界发电总量的10倍，但其总的能量不过相当于几个手榴弹。

3 关于超导储能的脉冲放电系统介绍脉冲功率技术的核心问题是研究高储能密度和高功率密度的脉冲功率储能系统,而且要求脉冲放电波形可控性好，脉冲重复性好,同时要求系统结构简单。

因此提高储能密度和重复频率,使装置轻量化、小型化和实用化是其未来发展的方向。

电容储能通过闭合开关把能量送到负载上,而电感储能是通过断路开关把能量送到负载上。

电容储能充放电时间短,但其储能密度低,有漏电,不适合长期储能。

相对电容储能而言,电感储能有储能密度高、传输功率大、体积小成本低的优点。

电感储能是用线圈储存能量的,用普通导体绕制的线圈,由于有电阻损耗,电流会迅速衰减,储存的能量很快就会耗尽。

相对而言，超导储能系统具有更大储能密度,而且由于超导电阻为零,可大大降低输入级的输入功率,功率密度大;更重要的是,超导储能容易控制,可对脉冲放电波形进行控制。

由于超导线材的通电密度远大于铜等常用导体,利用超导线材制成的储能装置的体积和重量将远小于常规的储能装置,从而可以实现电源的轻量化和小型化。

超导储能脉冲放电系统主要由超导储能系统，脉冲成形回路和脉冲大电流测量系统三部分组成：3.1超导储能系统超导储能(SMES)是超导磁场能量储存(Superconductor Magnetics Energy Storage)的简称,SMES系统具有储能效率高、储能密度大、释放能量快速、持续性能强、无噪音、易于控制的优点,是一种前景十分诱人的储能装置。

超导储能系统主要由超导线圈、失超保护、冷却系统等组成。

3.2脉冲成形回路研究脉冲功率首先使初级能源具有足够的能量,初始能源可以是化学能、电能或其它形式的能源。

能量存储单元在一定时间内存能量,然后,很快将能量释放到脉冲成形网络,脉宽一般在微秒量级。

脉冲成形网络将脉冲整形,并使其达到一定幅值后,输送给负载。

对于脉冲成形回路来说,主要是要产生纳秒级的上升沿和维持毫秒级脉宽的脉冲冲击波,实现向负载输出比输入电流大很多的强电流,其过程有充电磁压缩、高密度储能、开关整形,可知脉冲成形网络的设计是整个系统的重要组成部分。

而开关是脉冲成形回路的关键元件,开关性能的好坏,最直接影响输出脉冲的技术参数,尤其是输出脉冲的上升时间。

3.3脉冲大电流测量技术研究脉冲信号的测量作为脉冲功率技术中的一个重要组成部分,通过分析试验结果并与理论进行印证可以较深入地了解脉冲功率装置。

要确保系统高效和稳定运行,就需要准确且可靠地测量放电电流,为其提供实测数据。

此外,对电流信号波形进行分析,从而推知有关的物理过程,是脉冲功率技术的重要研究方法,因此,脉冲电流测量是脉冲功率技术中不可分割的重要部分。

高电压大电流测量的特点有三:第一个特点就是被测脉冲前沿快；第二个特点是被测脉冲幅值高；第三个特点就是快脉冲情况下的电磁干扰。

常用的脉冲电流测量方法有分流器法、法拉第效应法、霍尔效应法、罗柯夫斯基线圈(Rogowskicoil)法。

4 脉冲功率的前景展望脉冲功率技术之所以近些年取得迅速发展主要归功于其如下技术优势：（1）非线性即开关的非线性、负载的非线性、利用非线性效应应用于脉冲功率技术（2）时间隔离短即脉冲作用时间小于物体固有的时间常数（冷处理、快电场作用、快电磁效应）（3）高效性即开关具有负电阻特性，功率越高，损耗越小（4）绝热性即同样峰值功率输出，脉冲功率体积小（绝缘耐压高、热效应小）脉冲功率技术已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业、民用领域延伸。

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)提高储能技术，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) 改进开关技术，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,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，有着非常广泛的发展前景。