脈沖功率技術(shù)

1、華中科技大學(xué)研究生課程考試答題本考生姓名 李猛虎考生學(xué)號(hào)M201371361系、年級(jí)高電壓與絕緣技術(shù)2013級(jí)類 別考試科目脈沖功率技術(shù)考試日期2013年12月15日脈沖功率技術(shù)是指把較小功率的能量以較長(zhǎng)時(shí)間慢慢輸入到能儲(chǔ)存能量的設(shè)備中，然后 通過(guò)動(dòng)作時(shí)間在毫微秒左右的快速開關(guān)將此能量在毫微秒至微秒時(shí)間內(nèi)釋放到負(fù)載上，以 得到極高的功率，實(shí)質(zhì)上是輸出功率對(duì)輸入功率的放大。脈沖功率系統(tǒng)中能量的儲(chǔ)存方式有 許多種，如電容儲(chǔ)能，電感儲(chǔ)能，脈沖電機(jī)儲(chǔ)能以及電池儲(chǔ)能等。脈沖功率技術(shù)研究的技術(shù) 指標(biāo)為：電壓1kV10MV，電子能量0.315MeV（電子伏），述流大小1kA10MA，脈沖寬 度0.1100n

2、s，束流功率0.1100TW，總能量：1kJ15MJ。脈沖功率技術(shù)的特征是：高脈沖 功率，短脈沖持續(xù)時(shí)間，高電壓，大電流。脈沖功率技術(shù)，是以電氣科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，把電工新技術(shù)和高電壓一大電流技術(shù)融為一 體的新型學(xué)科。脈沖功率技術(shù)在國(guó)防科研和高新技術(shù)領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用，而且現(xiàn)在已 經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)和民用部門，它是高新技術(shù)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，有著極其廣泛 的發(fā)展和應(yīng)用前景。脈沖功率的發(fā)展歷程脈沖放電現(xiàn)象存在于大自然。人們最早是在20世紀(jì)30年代開始研究脈沖功率現(xiàn)象01938 年，美國(guó)人Kingdon和Tanis第一次提出用高壓脈沖電源放電產(chǎn)生微秒級(jí)脈寬的閃光X射 線；1939年，蘇聯(lián)人

3、制成真空脈沖X射線管，并把閃光X射線照相技術(shù)用于彈道學(xué)和爆轟 物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。采用高壓脈沖電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電方式來(lái)獲得較高電壓脈沖。第二次世 界大戰(zhàn)期間，企圖將脈沖功率技術(shù)應(yīng)用于軍事的電磁炮和其他研究再度興起，也促進(jìn)了脈沖 功率科學(xué)技術(shù)的形成和發(fā)展。1947年，英國(guó)人A.D.Blumlien以專利的形式，把傳輸線波的 折反射原理用于脈沖形成線，在納秒脈沖放電方面取得了突破。1962年，英國(guó)原子能研究 中心的J.C.Martin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將Marx發(fā)生器與Blumlien的專利結(jié)合起來(lái)，建造了世 界上第一臺(tái)強(qiáng)流相對(duì)論電子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脈沖功率達(dá)TW（10

4、12W） 量級(jí)，開創(chuàng)了高功率脈沖技術(shù)的新紀(jì)元。1986年建成PBFA-II裝置，其峰值電壓為12MV、 電流8.4MA、脈寬40ns，其二極管束能為4.3MJ，脈沖功率1014W，是世界上第一臺(tái)功率 闖過(guò)100TW大關(guān)的脈沖功率裝置。美國(guó)和俄羅斯目前在脈沖功率技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。美國(guó)從事脈沖功率技術(shù)研究的機(jī)構(gòu) 有Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Maxwell實(shí)驗(yàn)室、Los Alamos科學(xué) 實(shí)驗(yàn)室、海軍武器研究中心、Texas技術(shù)大學(xué)等。1967年在Sandia實(shí)驗(yàn)室建成的Hermes2I 為當(dāng)時(shí)最大的脈沖功率裝置；1972年美國(guó)陸軍的Hary Diam

5、ond實(shí)驗(yàn)室建成了 Aurora裝置， 這個(gè)設(shè)備由4臺(tái)Marx發(fā)生器組成，是脈沖功率史上的一個(gè)里程碑；1986年Sandia實(shí)驗(yàn)室 又建成了 FBFA2II，是世界上第1個(gè)闖過(guò)100TW大關(guān)的裝置。俄羅斯從事脈沖功率技術(shù) 研究的機(jī)構(gòu)有庫(kù)爾恰托夫研究所、新西伯利亞核物理所、托姆斯科大電流電子學(xué)研究所、電 物理裝備所、列別捷夫所等，建造了許多大型的Marx成形線型聯(lián)合裝置,1985年建成的 AHrapa25就是其中之一。日本的脈沖功率技術(shù)主要應(yīng)用于強(qiáng)流粒子束加速器，特別重視輕 離子的慣性約束聚變。從事脈沖功率技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)有東京大學(xué)、熊本大學(xué)、大阪大學(xué)、 長(zhǎng)崗技術(shù)大學(xué)等，較著名的裝 置有大阪大學(xué)的

6、Raiden2IV和1986年長(zhǎng)崗技術(shù)大學(xué)建成 ETIGO 2II。我國(guó)脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用的研究是從20世紀(jì)70年代末開始的。中科院等離子體物理 研究所、中科院高能物理研究所、中科院電工技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位 的研究水平居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)已有20多臺(tái)的Marx裝置在運(yùn)行，居首者是1979 年西南工程物理研究院建成的“閃光I號(hào)”裝置；20世紀(jì)90年代以后，國(guó)內(nèi)相繼又建成 的裝置有西北核技術(shù)研究所的“閃光II號(hào)”，中國(guó)工程物理研究院和上海光機(jī)所“神光 II號(hào)”，華中科技大學(xué)等聯(lián)合研制的“神光III”。脈沖功率的主要技術(shù)高脈沖功率裝置一般由初級(jí)能源、中間儲(chǔ)能和脈沖形成系統(tǒng)、開

7、關(guān)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng) 和負(fù)載組成。簡(jiǎn)單說(shuō)脈沖功率產(chǎn)生的過(guò)程，首先，初始能源產(chǎn)生寬度在ms級(jí)，能量在0.1MW 級(jí)的脈沖，然后經(jīng)過(guò)中間儲(chǔ)能裝置產(chǎn)生脈沖寬度在寬度在us級(jí)，能量在10MW級(jí)的脈沖， 再次通過(guò)脈沖壓縮和變換裝置產(chǎn)生寬度在ns級(jí)，能量在1TW級(jí)的脈沖，施加到負(fù)載上。1.儲(chǔ)能技術(shù)脈沖功率技術(shù)中儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方式一般由電能、磁能、機(jī)械能、化學(xué)能、核能等。其 中電能、磁能以及機(jī)械能應(yīng)用最為廣泛。以電能形式儲(chǔ)能的電容器多采用陶瓷介質(zhì)電容。電容儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展最為成熟，但其儲(chǔ)能 密度低、體積和重量大，價(jià)格高，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)脈沖難，對(duì)開關(guān)要求也很高的特點(diǎn)使其在新領(lǐng) 域的應(yīng)用中遇到瓶頸。電容儲(chǔ)能密度為：E

8、= 3E2/2，電容器采用高能量密度的塑料薄膜， 以典型的參數(shù)E = 400V/m，3 = 10計(jì)算，則可得電容儲(chǔ)能密度為8MJ/m3。顯然這種儲(chǔ) 能方式受介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度所限制，而且介質(zhì)承受電壓的時(shí)間越長(zhǎng)越容易擊穿。以磁能形式儲(chǔ)能的電感產(chǎn)生高壓脈沖的方法有四種。單級(jí)電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換放電；多級(jí)電感 儲(chǔ)能脈沖發(fā)生器；用電流過(guò)零方法產(chǎn)生連續(xù)脈沖；用鐵磁元件變換脈沖。電感儲(chǔ)能形式在與 電容儲(chǔ)能同樣電流下，其儲(chǔ)能密度為電容儲(chǔ)能密度的25倍。但目前該技術(shù)不夠成熟，核心 是開斷開關(guān)的研究不成熟，一般應(yīng)用于毫秒級(jí)強(qiáng)流脈沖放電裝置中。電感儲(chǔ)能密度為： E = B2/(2 )，電感器采用高能空芯電感，以典型的參數(shù)r

9、=1, B = 40T計(jì)算，則 可得電感儲(chǔ)能密度為640MJ/m3。顯然這種儲(chǔ)能方式僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，且最高電場(chǎng)僅出 現(xiàn)在負(fù)載轉(zhuǎn)換的最后一段時(shí)間，比電容儲(chǔ)能情況短的多，因此電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)能的限制不大， 其儲(chǔ)能密度幾乎只受磁壓力限制。以機(jī)械能形式儲(chǔ)能的慣性儲(chǔ)能是依靠物體運(yùn)動(dòng)來(lái)儲(chǔ)存能量的方法。常用慣性儲(chǔ)能有換向 直流脈沖發(fā)電機(jī)、單極脈沖發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)。儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)機(jī)械和飛輪 中的動(dòng)能是旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，不僅儲(chǔ)能密度噶，而且提取方便。一般使用較小功率的拖動(dòng)機(jī)構(gòu)， 以相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間把一定質(zhì)量的轉(zhuǎn)子或飛輪慢慢地加速使其轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，儲(chǔ)存足夠的動(dòng)能，然后 利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣性脈沖地驅(qū)動(dòng)合適的發(fā)電設(shè)備，把機(jī)械

10、能轉(zhuǎn)變成電磁能。這種儲(chǔ)能方式的優(yōu)點(diǎn)在 于儲(chǔ)能密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，可移動(dòng)。慣性儲(chǔ)能密度為：E = I o 2/2 , 以典型的參數(shù)p = 1500kg/m3, V = 600m/s計(jì)算，則可得電感儲(chǔ)能密度為135MJ/m3。，慣 性儲(chǔ)能的應(yīng)用極為廣泛，比如托卡馬克聚變裝置，大型風(fēng)洞裝置，脈沖金屬成型等。2.開關(guān)技術(shù)在高功率脈沖發(fā)生器中，開關(guān)是最重要的器件之一，它起著連接儲(chǔ)能器件與負(fù)載的作用。 關(guān)元件的參數(shù)和特性對(duì)脈沖的上升時(shí)間、幅值等產(chǎn)生最直接、最敏感的影響，因此開關(guān)元件 在脈沖功率系統(tǒng)中占有非常重要的地位。脈沖功率系統(tǒng)中開關(guān)的主要作用有能量的轉(zhuǎn)換，通 過(guò)開關(guān)的動(dòng)作（斷開或閉合）來(lái)

11、實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。開關(guān)具有主要特性有電導(dǎo)率的變化范圍應(yīng) 盡可能大，即要在完全絕緣體至導(dǎo)體之間變化；電導(dǎo)率的變化速度盡可能快。脈沖功率系統(tǒng) 開關(guān)的工作主要特點(diǎn)有高電壓，大電流，快速（開通時(shí)間微妙至納米級(jí)）。脈沖功率開關(guān)技 術(shù)所面對(duì)的難點(diǎn)為工作的可靠性，即該動(dòng)作時(shí)必須動(dòng)作，不該動(dòng)作是絕不動(dòng)作；精確的可控 性，要求分散性要很小。脈沖功率開關(guān)的的種類有很多，但是沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，一般以開關(guān)的某一主要特征 來(lái)進(jìn)行分類。其中，以開關(guān)的觸發(fā)機(jī)理特征，可分為引燃管、三電極開關(guān)、激光觸發(fā)開關(guān)等； 以開關(guān)主電極的特征來(lái)分，可分為場(chǎng)畸變開關(guān)、空心陰極開關(guān)、熱陰極開關(guān)、表面放電開關(guān) 等。以開關(guān)的動(dòng)作意圖來(lái)分，可分為閉

12、合開關(guān)盒斷路開關(guān)。這些開關(guān)的分類方式不是絕對(duì)的， 其實(shí)所有的開關(guān)都有一些共性。綜上所述，開關(guān)主要分為以下幾種：閘流管、火花氣體開關(guān)、 激光觸發(fā)開關(guān)、真空開關(guān)、爆炸斷路開關(guān)、等離子體壓縮斷路開關(guān)、熔絲、金屬箔熔片、低 壓反射開關(guān)、利用柵極控制等離子體的大功率斷路開關(guān)、等離子體融蝕開關(guān)、反箍縮等離子 體開關(guān)、磁開關(guān)、光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)、表面放電開關(guān)等。下面簡(jiǎn)單介紹一些常見開關(guān)。氣體火花開關(guān)，這是一種間隙氣壓在100kPa或以上的開關(guān)，即在常壓下或超過(guò)常壓工 作的開關(guān)。氣體火花開關(guān)有兩電極開關(guān)盒三電極開關(guān)。氣體火花開關(guān)的導(dǎo)通過(guò)程實(shí)際上就是 氣體基礎(chǔ)的發(fā)展過(guò)程，即有非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的過(guò)程。其導(dǎo)通需要

13、一定的時(shí)間，它是 放電間隙上作用一個(gè)迅速上升的電壓脈沖后，使之形成自持電流所需要的時(shí)間。氣體火花開 關(guān)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于加工，適用范圍廣，在國(guó)內(nèi)外脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣。火花開關(guān) 具有工作電壓高、通流能力強(qiáng)、傳遞電荷量大的優(yōu)點(diǎn)，但是工作重復(fù)頻率較低。偽火花隙開關(guān)具有氫氣閘流管和高氣壓充氣間隙的雙重優(yōu)點(diǎn)，其最大導(dǎo)通電流可達(dá)數(shù)百 千安以上電流上升陡度達(dá)101A/s，壽命達(dá)數(shù)百庫(kù)侖是高氣壓充氣間隙的510倍，特別是在 峰值電流達(dá)幾十千安時(shí)仍能以幾千赫茲的頻率重復(fù)工作且可以通過(guò)100%的反向電流同時(shí)將 陽(yáng)極放電電流時(shí)延抖動(dòng)限制在幾個(gè)納秒范圍在許多領(lǐng)域它正在代替現(xiàn)有的氫氣閘流管汞蒸 氣引燃管和高氣壓火

14、花間隙。就工作特性而言，偽火花放電工作范圍界于真空放電與低氣壓 輝光放電之間。由于偽火花放電的超大電流密度和快速的電流上升陡度，使其在脈沖功率技 術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，成為繼氫激光觸發(fā)多通道開關(guān)氣閘流管和高氣壓放電間隙之后又一重要 的脈沖功率閉合開關(guān)。在作為開關(guān)使用時(shí)，其陰極通常接地，開關(guān)的工作電壓為535 kV。半導(dǎo)體開關(guān)它通過(guò)在發(fā)射結(jié)平面形成的均勻電子一空穴等離子體層代替門極來(lái)解決晶 閘管的觸發(fā)問(wèn)題。半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，主要受以正常溫度下電荷載流子的遷移率和密度 的限制。傳導(dǎo)較強(qiáng)的電流需要較大的導(dǎo)電區(qū)域，由于受載流子漂移距離的限制，不能像氣體 開關(guān)那樣調(diào)整電極間距，所以提高開關(guān)功率只能增加載

15、流通道的面積。脈沖功率技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展前景脈沖功率技術(shù)在科學(xué)研究、國(guó)防工業(yè)以及工業(yè)、民用等眾多領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用。 在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用于核聚變電站、強(qiáng)流脈沖離子束輻照一一渦輪葉片表面的清洗加 工、鈦合金表面改性的機(jī)理研究、高溫金屬材料表面再制造技術(shù)原理與應(yīng)用。脈沖電暈放電 減排硫化物和氮化物、脈沖或者靜電除塵、有機(jī)物處理、金屬加工成型、水中放電排腎結(jié)石、 食品消毒滅菌、材料加工處理等；在軍事、國(guó)防中可應(yīng)用于產(chǎn)生高功率激光、高功率微波、 高功率激光武器、高功率光束、軌道槍、線圈槍、電熱化學(xué)槍等；在科學(xué)研究中主要應(yīng)用于 強(qiáng)磁場(chǎng)、慣性束聚變、同步加速器輻射、高速度發(fā)射和碰撞等。脈沖功率技術(shù)作為

16、當(dāng)代高新技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，它的發(fā)展和應(yīng)用與其他學(xué)科的 發(fā)展有著密切的關(guān)系。分析當(dāng)前脈沖功率技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以概括為以下幾個(gè)方面：由單次脈沖向重復(fù)的高平均功率脈沖發(fā)展。過(guò)去脈沖功率技術(shù)主要為國(guó)防科研服務(wù)， 并且大多是單次運(yùn)行，而工業(yè)、民用的脈沖功率技術(shù)要求一定的平均功率，必須重復(fù)頻率工 作。儲(chǔ)能技術(shù)研制高儲(chǔ)能密度的電源。在很多應(yīng)用場(chǎng)合下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和 重量的大小是決定性因素，如飛機(jī)探測(cè)水下物體技術(shù)、艦載電磁炮等，都要求產(chǎn)生很大的脈 沖功率，而且系統(tǒng)又不能過(guò)于龐大和笨重。因此，高儲(chǔ)能密度的脈沖功率發(fā)生器的研制是當(dāng) 前主要的研究課題之一。開關(guān)技術(shù)探討新的大功率開關(guān)和研制高重復(fù)頻率開關(guān)

17、。開關(guān)元件的參數(shù)直接影 響整個(gè)脈沖功率系統(tǒng)的性能，是脈沖功率技術(shù)中一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)空軍武器科學(xué)家 認(rèn)為，目前大功率開關(guān)技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：短脈沖技術(shù)、同步技術(shù)、高重復(fù)頻率技術(shù)、 長(zhǎng)壽命技術(shù)，而難點(diǎn)在于大功率、長(zhǎng)壽命和高重復(fù)頻率的開關(guān)技術(shù)。因此，具有耐高電壓強(qiáng) 電流、擊穿時(shí)延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復(fù)的脈沖下穩(wěn)定工作 的各種類型開關(guān)元件的研制，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外脈沖功率技術(shù)中又一個(gè)十分受重視的研究課題。積極開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。如前所述，脈沖功率技術(shù)在核物理、加速器、激光、電磁 發(fā)射等領(lǐng)域已得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，脈沖功率技術(shù)在半導(dǎo)體集成電路、化工、環(huán)境 工程、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些應(yīng)用研究中，已取得了 可喜的進(jìn)展。憑借成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，脈沖功率技術(shù)將