脈沖功率作業(yè)

1、關(guān)于脈沖功率技術(shù)的調(diào)查1 脈沖功率發(fā)展史1.1國(guó)際發(fā)展情況近幾年由于在離子加速器、核聚變、微波裝置、激光（特別是大功率放電激光）、電磁脈沖、閃光輻射照相、瞬時(shí)輻射效應(yīng)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，脈沖功率技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，從而迅速發(fā)展成為一門(mén)新興技術(shù)。然而人們對(duì)脈沖放電特性的研究卻有著幾十年的歷史，最初開(kāi)始于天然雷電特性研究, 以及它對(duì)輸電線(xiàn)路、建筑物危害及其防護(hù)措施。當(dāng)時(shí)這種放電僅限于毫秒級(jí)和微秒級(jí)。20世紀(jì)40-50年代, 阿爾芬等人提出了強(qiáng)流相對(duì)性電子束的概念。但是, 一方面由于當(dāng)時(shí)客觀要求并不迫切；另一方面, 這樣快的脈沖放電, 無(wú)論在產(chǎn)生技術(shù)上, 或者在測(cè)量技術(shù)上都存在著一定的困難。因此, 其后

2、十多年,這種技術(shù)發(fā)展并不迅速。直到六十年代初期,英國(guó)原子能武器研究中心的J.C. 馬丁所領(lǐng)導(dǎo)的閃光X射線(xiàn)機(jī)研究小組，應(yīng)用脈沖功率技術(shù)獲得強(qiáng)流相對(duì)性電子束產(chǎn)生高強(qiáng)度的X射線(xiàn)。他們成功的將二戰(zhàn)期間雷達(dá)上所采用的布魯姆萊茵傳輸線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于閃光X射線(xiàn)照相研究，使得閃光X射線(xiàn)機(jī)的能量和強(qiáng)度都有極大的提高，從而開(kāi)拓了稱(chēng)之為脈沖功率加速器的研究領(lǐng)域, 使毫微秒級(jí)脈沖功率技術(shù)往前推進(jìn)了一步。70年代后期，由于粒子束約束聚變方案的提出，高功率粒子束向更高功率水平發(fā)展。例如1980年建成的PBFA-I（功率30TW）。80年代中期。因傳輸線(xiàn)型脈沖功率裝置中高壓受到絕緣能力的限制，基于多間隙加速原理的感應(yīng)直線(xiàn)電子束

3、加速器得到發(fā)展。1986年建成的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，它是世界上第一個(gè)功率闖過(guò)100TW 大關(guān)的脈沖功率裝置。1983年新球大戰(zhàn)計(jì)劃興起，由于他的推動(dòng)，禮佛摩爾實(shí)驗(yàn)室建造的ETA和ATA兩臺(tái)直線(xiàn)感應(yīng)電子加速器很快被改裝成激光研究裝置。1995年以后，美國(guó)圣地亞實(shí)驗(yàn)室的Z-箍縮研究取得了歷史性的重大突破，從等離子體輻射源產(chǎn)生的軟X射線(xiàn)前景喜人，又一次給脈沖功率技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。進(jìn)入新世紀(jì)后，脈沖功率技術(shù)正朝著100TW的超高功率水平前進(jìn)。1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況我國(guó)的高功率脈沖技術(shù)研究從20 世紀(jì)6

4、0年代開(kāi)始。現(xiàn)已建成各種大型脈沖功率裝置，并形成了一支強(qiáng)大的脈沖功率科學(xué)隊(duì)伍，還設(shè)立了脈沖功率技術(shù)學(xué)科。2 脈沖功率研究?jī)?nèi)容及特點(diǎn)脈沖功率技術(shù)研究的主要內(nèi)容是如何經(jīng)濟(jì)地和可靠地儲(chǔ)存能量, 并將大能量和大功率有效地傳輸?shù)截?fù)載上。由初始儲(chǔ)能技術(shù)（電容器儲(chǔ)能、電感器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、核能等）產(chǎn)生所需的初級(jí)脈沖波形（毫秒到微秒量級(jí)），然后再利用脈沖成形和開(kāi)關(guān)技術(shù)，在在時(shí)間尺度上通過(guò)對(duì)能量的脈沖進(jìn)行壓縮、整形，實(shí)現(xiàn)輸出脈沖峰值功率的放大，并輸出到負(fù)載，為高科技裝置和新概念武器提供強(qiáng)電脈沖功率源。脈沖功率的實(shí)質(zhì)是將脈沖能量在時(shí)間尺度上進(jìn)行壓縮，以獲得在極短時(shí)間內(nèi)（20-100ns）的高峰

5、值功率輸出。不斷提高的能量、功率上升時(shí)間和平頂度、重復(fù)率、穩(wěn)定性和壽命的要求, 給脈沖功率技術(shù)提出了一系列的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題, 諸如：能量的儲(chǔ)存, 能量和功率的傳輸, 脈沖的形成和壓縮, 開(kāi)關(guān)技術(shù), 絕緣特性, 磁絕緣傳輸線(xiàn), 二極管和有關(guān)診斷技術(shù)等。由于軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)上的需要, 脈沖功率技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的水平。脈沖功率技術(shù)主要由脈沖系統(tǒng)的儲(chǔ)能及脈沖發(fā)生技術(shù)，脈沖壓縮及成形技術(shù)統(tǒng)，開(kāi)關(guān)技術(shù)， 脈沖功率的負(fù)載，脈沖功率的應(yīng)用技術(shù)，脈沖功率測(cè)量技術(shù)， 脈沖高電壓，大電流的測(cè)量技術(shù)等。脈沖的產(chǎn)生要經(jīng)歷初始能源，中間能源，脈沖壓縮等過(guò)程，具體能流如下圖：脈沖功率系統(tǒng)的運(yùn)行有如下特點(diǎn)：(1) 脈沖

6、壓縮是一個(gè)瞬態(tài)快速過(guò)程，而不是穩(wěn)態(tài)過(guò)程。脈沖功率電路大都可歸結(jié)為集中參數(shù)或分布參數(shù)電路過(guò)程來(lái)分析。(2) 產(chǎn)生高電壓和大電流，裝置的設(shè)計(jì)和布局、絕緣與開(kāi)關(guān)特性，都特殊考慮和設(shè)計(jì)。(3) 極高的瞬時(shí)峰值功率。例如Aurora裝置，脈沖功率為當(dāng)時(shí)世界發(fā)電總量的10倍，但其總的能量不過(guò)相當(dāng)于幾個(gè)手榴彈。3 關(guān)于超導(dǎo)儲(chǔ)能的脈沖放電系統(tǒng)介紹脈沖功率技術(shù)的核心問(wèn)題是研究高儲(chǔ)能密度和高功率密度的脈沖功率儲(chǔ)能系統(tǒng),而且要求脈沖放電波形可控性好，脈沖重復(fù)性好,同時(shí)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此提高儲(chǔ)能密度和重復(fù)頻率,使裝置輕量化、小型化和實(shí)用化是其未來(lái)發(fā)展的方向。電容儲(chǔ)能通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)把能量送到負(fù)載上,而電感儲(chǔ)能是通過(guò)斷

7、路開(kāi)關(guān)把能量送到負(fù)載上。電容儲(chǔ)能充放電時(shí)間短,但其儲(chǔ)能密度低,有漏電,不適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能。相對(duì)電容儲(chǔ)能而言,電感儲(chǔ)能有儲(chǔ)能密度高、傳輸功率大、體積小成本低的優(yōu)點(diǎn)。電感儲(chǔ)能是用線(xiàn)圈儲(chǔ)存能量的,用普通導(dǎo)體繞制的線(xiàn)圈,由于有電阻損耗,電流會(huì)迅速衰減,儲(chǔ)存的能量很快就會(huì)耗盡。相對(duì)而言，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更大儲(chǔ)能密度,而且由于超導(dǎo)電阻為零,可大大降低輸入級(jí)的輸入功率,功率密度大;更重要的是,超導(dǎo)儲(chǔ)能容易控制,可對(duì)脈沖放電波形進(jìn)行控制。由于超導(dǎo)線(xiàn)材的通電密度遠(yuǎn)大于銅等常用導(dǎo)體,利用超導(dǎo)線(xiàn)材制成的儲(chǔ)能裝置的體積和重量將遠(yuǎn)小于常規(guī)的儲(chǔ)能裝置,從而可以實(shí)現(xiàn)電源的輕量化和小型化。超導(dǎo)儲(chǔ)能脈沖放電系統(tǒng)主要由超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，

8、脈沖成形回路和脈沖大電流測(cè)量系統(tǒng)三部分組成：3.1超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)是超導(dǎo)磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存(Superconductor Magnetics Energy Storage)的簡(jiǎn)稱(chēng),SMES系統(tǒng)具有儲(chǔ)能效率高、儲(chǔ)能密度大、釋放能量快速、持續(xù)性能強(qiáng)、無(wú)噪音、易于控制的優(yōu)點(diǎn),是一種前景十分誘人的儲(chǔ)能裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由超導(dǎo)線(xiàn)圈、失超保護(hù)、冷卻系統(tǒng)等組成。3.2脈沖成形回路研究脈沖功率首先使初級(jí)能源具有足夠的能量,初始能源可以是化學(xué)能、電能或其它形式的能源。能量存儲(chǔ)單元在一定時(shí)間內(nèi)存能量,然后,很快將能量釋放到脈沖成形網(wǎng)絡(luò),脈寬一般在微秒量級(jí)。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)將脈沖整形,并使其達(dá)到一定幅值后

9、,輸送給負(fù)載。對(duì)于脈沖成形回路來(lái)說(shuō),主要是要產(chǎn)生納秒級(jí)的上升沿和維持毫秒級(jí)脈寬的脈沖沖擊波,實(shí)現(xiàn)向負(fù)載輸出比輸入電流大很多的強(qiáng)電流,其過(guò)程有充電磁壓縮、高密度儲(chǔ)能、開(kāi)關(guān)整形,可知脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。而開(kāi)關(guān)是脈沖成形回路的關(guān)鍵元件,開(kāi)關(guān)性能的好壞,最直接影響輸出脈沖的技術(shù)參數(shù),尤其是輸出脈沖的上升時(shí)間。3.3脈沖大電流測(cè)量技術(shù)研究脈沖信號(hào)的測(cè)量作為脈沖功率技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分,通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果并與理論進(jìn)行印證可以較深入地了解脈沖功率裝置。要確保系統(tǒng)高效和穩(wěn)定運(yùn)行,就需要準(zhǔn)確且可靠地測(cè)量放電電流,為其提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。此外,對(duì)電流信號(hào)波形進(jìn)行分析,從而推知有關(guān)的物理過(guò)程,是

10、脈沖功率技術(shù)的重要研究方法,因此,脈沖電流測(cè)量是脈沖功率技術(shù)中不可分割的重要部分。高電壓大電流測(cè)量的特點(diǎn)有三:第一個(gè)特點(diǎn)就是被測(cè)脈沖前沿快；第二個(gè)特點(diǎn)是被測(cè)脈沖幅值高；第三個(gè)特點(diǎn)就是快脈沖情況下的電磁干擾。常用的脈沖電流測(cè)量方法有分流器法、法拉第效應(yīng)法、霍爾效應(yīng)法、羅柯夫斯基線(xiàn)圈(Rogowskicoil)法。4 脈沖功率的前景展望脈沖功率技術(shù)之所以近些年取得迅速發(fā)展主要?dú)w功于其如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）非線(xiàn)性即開(kāi)關(guān)的非線(xiàn)性、負(fù)載的非線(xiàn)性、利用非線(xiàn)性效應(yīng)應(yīng)用于脈沖功率技術(shù)（2）時(shí)間隔離短即脈沖作用時(shí)間小于物體固有的時(shí)間常數(shù)（冷處理、 快電場(chǎng)作用、快電磁效應(yīng)）（3）高效性即開(kāi)關(guān)具有負(fù)電阻特性，功率越高

11、，損耗越?。?）絕熱性即同樣峰值功率輸出，脈沖功率體積小（絕緣耐壓高、熱效應(yīng)小）脈沖功率技術(shù)已經(jīng)從高新技術(shù)、國(guó)防科研領(lǐng)域逐漸向工業(yè)、民用領(lǐng)域延伸。作為當(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:(1)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。(2)提高儲(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

12、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。(3)改進(jìn)開(kāi)關(guān)技術(shù)，探討新的大功率開(kāi)關(guān)和研制高重復(fù)頻率開(kāi)關(guān)。開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lèi)型開(kāi)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。(4) 積極開(kāi)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)將更多地應(yīng)用于民用技術(shù)方面, 民用是一個(gè)巨大的市場(chǎng), 而市場(chǎng)的推動(dòng)又必將給脈沖功率技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的生機(jī)。作為當(dāng)代高新技術(shù)研