熊兰的讲座脉冲功率技术

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1、脉冲功率技术,熊 兰 电气工程学院 2013.5,概 念,目 录,1,发 展,2,技 术,3,应 用,4,其 他,5,2018/9/19,3,什么是脉冲功率？,将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上。 技术指标：,1 概 念,电 压： 103-107V 电子能量：0.3-15M eV（电子伏） 束流大小：103-107A 脉冲宽度：0.1-100ns 束流功率：0.1-100TW 总能量： 1kJ-15MJ,2018/9/19,4,常见波形,1 概 念,上升时间：电压峰值从10%上升到90%所需要的时间。下降时间：同理。上升时间和下降时间主要依赖于负载阻抗。脉冲宽度

2、：定义不明确，有的定义为半高宽-脉冲最大值的50%处的时间宽度，也有定义为底宽-在幅值的90%处的时间宽度。,电子伏特(electron volt)，简称为电子伏，缩写为 eV ，是能量的单位。,代表一个电子（所带电量为-1.610(-19)库仑）经过1伏特的电场加速后所获得的动能。电子伏与SI制的能量单位焦耳（J）的换算关系：,1eV=1.610(-19)J,例如，一个电子及一个正子（电子的反粒子），都具有质量大小为 511 keV ，能对撞毁灭以产生 1.022 M eV 的能量。质子，一个标准的重子具有质量 0.938 G eV 。,核爆中带电粒子的能量范围约在 0.3 至 3 M eV

3、，而大气中分子的能量约为 0.03 eV,将粒子的能量从电子伏特转换到开氏温度时，要乘以 11,605。,1 概 念,什么是脉冲功率技术？,1 概 念,研究产生各种强电（纳秒级高压）脉冲功率输出的发生器系统及其相关技术。,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。,教材及参考书,选用教材李正赢，脉冲功率技术，水利电力出版社，1992 主要参考书1）王莹，高功率

4、脉冲电源，原子能出版社，19912） Pai S.T., Qi Zhang， Introduction to high power pulse technology， Singapore : World Scientific, 19953）刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，20054）H.Bluhm著，江伟华、张弛译，脉冲功率系统的原理与应用，清华大学出版社，20085）韩旻，邹晓兵，张贵新，脉冲功率技术基础，清华大学出版社，2010,1938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

5、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。,2 发 展,2018/9/19,9,2 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（1012

6、W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。,之后，大型脉冲功率装置雨后春笋般地在世界各国建立：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。,2 发 展,脉冲功率发展里程碑,1962年， 英国AWRC, J.C. Martin， 发展了 Marx+Blumlein， ns量级 1967年， USA, Sandia， 高功率粒子束，10MV,100KA,80ns 1972年，USA, Hary Diamond 实验室，AURORA,14MV, 1.6MA,1

7、20ns 1978 年，USA, Sandia， PBFA-I , Fusion, 30TV, 1MJ 1986年, USA, PBFA-II, 12MV, 8.4MA, 40ns, 1014 W 1985年，俄罗斯， Kalchatov，Fusion，2MV,40MA,90ns中国， 1979, 西南工程物理研究院，6MV,100KA,80ns， 闪光 I 号 1995，合肥，30GW,500KA, FUSION 1980，中国工程物理研究院，星光1，星光2，神光3 西北核技术所，闪光2，1MA, 1MV, 相对论电子束加速器 华中科技大学, 哈尔滨工程大学等联合“神光III”,美国和俄罗斯

8、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,这个闻名遐迩的设备由 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。,2 发 展,俄罗斯从事

9、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。,2 发 展,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

10、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”。,2 发 展,各国典型脉冲功率装置的性能比较,2 发 展,几次重大突破,首先是Blumlien传输线的应用，建成脉冲功率达到TW量级的强流相对论电子束加速器。 第二阶段是以“水”代替“油”，发展了低阻抗强流电子束加速器，脉冲功率达到了数十TW

11、量级。 第三阶段是激光开关的应用，实现了多台加速器并联运行，脉冲功率达到100TW。,2018/9/19,16,2 发 展,第四次突破-感应加速腔（脉冲功率技术结合直线加速器）， 第五次突破口-发展重复频率脉冲技术。 现在世界上脉冲功率正向着更高功率（5001000TW）、更高电压（107V）、更大电流（107A）和高重复频率方向发展。,2018/9/19,17,几次重大突破,2 发 展,高功率脉冲发生器的基本结构,3 设 备,电能（电容器，电感，超导） 机械能 （电动机，惯性储能） 化学能 （火药，蓄电池） 传输线 核能,3.1 储 能,3 设 备,火药：220 kJ/g 核能：104 MJ

12、/g,3.1 储 能,3 设 备,3.1 储 能,储能密度,2018/9/19,22,3.1储能-电容储能（多为陶瓷介质电容）,3 设 备,电压形式,在同样的电流下，电感储能密度是电容储能密度的25倍。但目前技术不够成熟。,单级冲击电压发生器,3.1储能-电容储能(多台电容器并联；Marx发生器),3 设 备,2018/9/19,24,3.1储能-电感储能,3 设 备,电流形式,用电感储能产生高压脉冲的方法有 4 种： 单级电感储能转换放电（包括电阻性转换和电容性转换）； 多级电感储能脉冲发生器（分组时序并联、多级 MEATGRINDER 和逐级压缩的电感储能）； 用电流过零方法产生连续脉冲（

13、电桥抵消脉冲、反向抵消脉冲和串联抵消脉冲）； 用铁磁元件变换脉冲（铁氧体传输线和非线性电感磁压缩）等。,3.2 脉冲发生装置,图（a）装置,图（b）等效电路,武汉大学研制的中国首台400kV 电感储能型闪光X 射线机,惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法。储存在旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能，不仅储能密度高，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-法拉第电磁感应定律。,3.1储能-惯性储能,3 设 备,优势：储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可

14、移动。 应用：近代同步加速器，托卡马克聚变装置，等离子体箍缩，大型风洞装置，大截面金属对头焊接，加热钢坯，泵浦大功率激光，作重复发射的粒子束武器的电源和电磁发射器的电源，烧结金属粉末，电磁喷涂，模拟地震脉冲，脉冲金属成型等。,3.1储能-惯性储能,3 设 备,常用惯性储能,直流换向直流脉冲发电机单极脉冲发电机 交流同步发电机补偿脉冲发电机,3.1储能-惯性储能,惯性储能机械的典型分类和性能,3.1储能-惯性储能,作为初级高压脉冲电源，通常由电容器构成以下各种发生器： 蓄电池-电容器联合脉冲电源； 电容器并联或串联，多半构成冲击电流发生器； 经典Marx发生器（冲击电压发生器），电容并联充电后串

15、联放电输出高电压脉冲； 高效能Marx发生器； 电感隔离型Marx发生器（包括全电感隔离型和电阻-电感并联隔离型）； L-C 倍压器（反向叠加型和振荡级联型）。,3.2 脉冲发生装置,单级冲击电压发生器,3.2 脉冲发生装置,经典Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,多级发生器工作原理(电容器并联充电、串联放电),试品得到多大电压？,3.2 脉冲发生装置,全电感隔离型Marx发生器,电容器 火花开关 电阻 连接导体 触发方式 变压器油 绝缘,3.2 脉冲发生装置,Marx发生器的零部件,3.2 脉冲发生装置,电容器合成油浸渍聚丙烯薄膜绝缘型电容器，具有较好的耐冲击电流性能，其储能密度达0.15

16、J/cm3，单只电容器（KJ量级）的总电感可低达10-30nH。“自愈式”电容器，采用镀有金属薄膜（0.1um量级）的有机薄膜或电容器纸在超净条件下紧密卷绕制成，无需油浸，储能密度达到1J/cm3量级。,Marx发生器的零部件,3.2 脉冲发生装置,火花开关,两电极开关：简单的气体火花开关是一种两电极放电部件，利用绝缘容器在电极之间充压缩气体（空气、氮气、六氟化硫等）以提高工作电压，甚至直接暴露于大气中，开关先承受一定的高电压而呈现绝缘（高阻抗）状态，然后气体击穿形成等离子体传导通道而接通电路。 三电极开关：在两电极开关的基础上，增加触发极，可以接收指令触发击穿，获得较好的同步或关联工作性能。,Marx发生器的零部件,3.2 脉冲发生装置,Marx发生器的零部件,3.2 脉冲发生装置,火花开关,气体火花开关还可以利用激光、X光、电子束等进行触发，Marx发生器的气体火花开关通常都是电触发的。气体火花开关可以说是Marx发生器中最为关键的部件。基本要求是电感小、性能稳定、寿命长。性能稳定分静态稳定和动态稳定。静态性能稳定是指开关在耐受直流高压期间不易发生自放电，并且击穿特性（击穿电压和工作气体压强及间隙长度的关系）不易随放电次数的增加而发生明显变化。动态性能稳定指开关在触发脉冲或瞬态过电压（高于直流击穿电压的瞬态）作用下击穿时具有足够小的击穿延迟时间分散性。,