熊兰的讲座-脉冲功率技术0509.ppt

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,5,2019/7/4,3,什么是脉冲功率？,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,2019/7/4,4,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： 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，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，高功率脉冲电源，原子能出版社，1991 2） Pai S.T., Qi Zhang， Introduction to high power pulse technology， Singapore : World Scientific, 1995 3）刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，2005 4）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，2008 5）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 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,2019/7/4,9,2 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（1012W）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,120ns 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 “神光III”,美国和俄罗斯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。,2019/7/4,16,2 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。,2019/7/4,17,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/g,3.1 储 能,3 设 备,3.1 储 能,储能密度,2019/7/4,22,3.1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,电容储能技术成熟，但储能密度低、体积和重量大，价格高，实现高重复脉冲难，对开关要求高。,2019/7/4,24,3.1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（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（飞轮、电机）,3 设 备,优势： 储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可移动。 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（飞轮、电机）,3 设 备,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（优点：具有自开关特性，易快速连续多次运行，无需大功率开关）,3.1储能-惯性储能,美国Texas大学研制的作为电磁炮电源的补偿脉冲发电机，6极，4700r/min，转子直径0.8m，外直径1.2m，重11吨，峰值开路电压2kV，电流844kA，脉宽2.54ms，38MJ。三个轨道轮流发射，长3m，80g弹丸加速到2-3km/s，发射率60Hz。,惯性储能机械的典型分类和性能,3.1储能-惯性储能,单极发电机：储能密度大，但输出电压低，实现重复脉冲困难，需要大功率开关。,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,T1:调压器；T2：升压变压器；D硅堆（整理管）； C1：储能电容；G：大功率开关,经典Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,重庆大学输变电装备安全与及新技术国家重点实验室2400kV/260kJ,经典Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,工作原理： 电容器并联充电、串联放电,试品得到多大电压？ 脉冲极性？,3.2 脉冲发生装置,全电感隔离型Marx发生器,采用集中式限流电感的全固态单极性Marx发生器,3.2 脉冲发生装置,采用半导体充电开关的单极性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,英飞凌 eupec IGBT,大功率波纹线绕电阻,大功率铝合金线绕电阻,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0.15J/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,高压电容器,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。,Marx发生器的零部件,电阻器,水电阻：功率容量大，阻值范围大，柔韧性好，适应性强。 缺点：液体包容部件的塑料软管容易老化，受气温影响较大，安装使用过程中易残存和析出气体等。 在功率不大的情况下，总储能很小，开关数量很少时，可以使用绕线式电阻器。,Marx发生器的零部件,电阻器,充电电阻，接地电阻，触发电阻 选取电阻器除了要考虑功率问题以外，还要保证其与相应电容器的时间常数要远远大于发生器对其负载的放电时间。 触发电阻除要考虑自身功率和相应电容器常数外，还要限制触发电流以保护触发器。,脉冲发电机利用机械能转换电脉冲的发电装置，多半是先用透平机或电动机把大质量飞轮驱动起来，旋转到高速度，使飞轮惯性地储存动能。然后，突然转接到脉冲发电机的转子轴上，产生电脉冲输出，飞轮因释能而被减速或停转。 其中，补偿式脉冲交流（C P A ）发电机是利用电磁感应和磁通压缩两种原理，实现对旋转线圈电感补偿，把惯性储能、机电能量转换和脉冲成形三者融为一体，能直接以几百赫兹的频率输出几千伏、几百千安的电脉冲，性能较优秀。,3.2 脉冲发生装置,美国研发的脉冲交流发电机,产生短时高电压、大电流或大功率脉冲的发电机。 包括冲击电压发生器、冲击电流发生器和高功率脉冲发生器。,由于化学燃料，尤其是含能材料，具有很高的储能密度（例如高能炸药为46 MJ/kg），又能快速脉冲地释放和转换成电脉冲，所以现代脉冲功率技术常采用化学能的脉冲发电装置，例如高储能密度的电化学电源（含太阳能光伏电池对蓄电池充电）。,3.2 脉冲发生装置,3.3 脉冲成形系统,电容器（脉冲陡化） 电感（磁压缩开关） 变压器（升压，脉冲变换） 传输线(或者脉冲形成线，分为平行板或者同轴线) PFN（Pulse Forming Network）脉冲成形网络 开关 闭合开关，断路开关 气体开关，固体开关，等离子体开关，机械开关 单次放电，重复脉冲 自击穿，外击穿,3 设 备,3.3 脉冲成形系统,通过能量或时间压缩方法，对储能或发生系统输出的功率脉冲进行整形和变窄，以达到需要的脉冲功率值和脉冲形状以及脉宽的要求。 分 类： 脉冲传输-成形线及其倍压器 脉冲功率变压器 大功率开关技术,一种串级脉冲变压器,3.3 脉冲成形系统,开关元件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响 , 因此开关元件在脉冲功率系统中占有特殊的地位。另外，开关元件在高电压、强电流条件下工作, 环境十分恶劣。因此，开关元件的击穿现象和开关电极上的放电物理过程均十分复杂。 要解决好这些问题，需研究开关击穿过程、电极损耗过程及开关电压的恢复过程等物理现象,而所有研究工作的基础是等离子物理、材料学、流体动力学等方面的知识。,3.3 脉冲成形系统,几种常见开关的主要参数比较,3.3 脉冲成形系统,真空二极管：是高电压、低电感的传输线负载,3.4 二极管,必须考虑脉冲传输-成形线与二极管之间的匹配问题,在外加强电场作用下，金属晶须爆炸形成阴极等离子体，并且高密度强电子束经阴极等离子体发射而产生。 两种形式的电子流： 1）基本上平行于电力线的电子流； 2）聚焦流或箍缩流（由于强流束的自身磁场作用），几乎平行于电力线。,辐照二极管：提供强射线辐射源，模拟核爆效应。,3.4 二极管,应用实例,聚焦（箍缩）二极管：在小面积上（焦斑）产生高照射量。,等离子体辐射源二极管：模拟核爆效应的射线效应,离子二极管：惯性约束聚变。利用自磁场和阳极的曲率效应进行联合聚焦，离子汇聚到中心靶区。,微波二极管：用于高功率微波和自由电子激光，产生空心薄层环形电子束，顺着外磁场的磁力线，由二极管进入真空漂移管。,低阻抗电子束二极管：利用强流电子束在漂移区打靶产生韧致辐射。,感应直线加速二极管：天鹅绒布做的冷阴极反射体，发射理论：1）爆炸等离子体发射；2）基于真空-绝缘体-金属电极三结界点的预击穿电子发射。,是提供能量高，流强大，品质好的电子束流的关键设备，并且通过电子束打靶可转化成X辐射源。 电子能量一般都较高（大于5MeV），输出功率几-几十kW。在辐射加工安全许可范围内，高能（大于5MeV）电子对被照射物具有最深的有效穿透。,3.5 电子直线加速器,3.5 脉冲功率特点,慢充电储能，快放电； 在许多情况下，脉冲的幅值更高； 输出脉冲功率大； 脉冲上升时间更短，脉宽更小； 在许多情况下，需要输出重复脉冲； 回路元件多，加工工艺要求高，总体结构复杂 负载多样性，复杂性,3 设 备,冲击电压测量系统的特点 瞬变响应特性好 不确定度： 幅值 3% 时间10% 测量方法 球隙测量、分压器+示波器(峰值表),3.6 脉冲检测方法,3 设 备,球隙测量,50%放电电压 球隙放电电压表 正极性冲击放电表 保护电阻 R500，L 30H,3.6 脉冲检测方法,3 设 备,三组件系统 二组件系统 理想分压比 各部件误差,分压器+示波器(峰值表),3.6 脉冲检测方法,3 设 备,电阻分压器 阻值低，分布电容影响测量误差， 吸收功率大，测量电压低 电容分压器 有幅值误差，无波形误差,3.6 脉冲检测方法,3 设 备,电容分压器,3.6 脉冲检测方法,3 设 备,脉冲功率技术是当前国际上很活跃的前沿高科技之一，关键是高压纳秒脉冲技术、高功率离子束的产生和应用技术。,产生强流粒子束，包括电子束、离子束和中子源。 产生强脉冲电磁幅射，包括射线（或伽马射线）、高功率微波（HPM）、超宽带辐射（UWB）、电磁脉冲（EMP）、相干光源（从红外到紫外）等。 产生强电脉冲效应，包括强磁场、强电场、电磁炮、内爆等离子体、等离子体焦点、脉冲电晕放电（非热等离子体）和声击波等。,4 应 用,脉冲功率 装置,粒子束,电磁辐射,强电脉冲,电子束,离子束,中子源,X射线/伽马射线,激光器,、,电磁脉冲（）,强磁场/强电场,电磁炮,Z箍缩,脉冲电晕,声击波,4 应 用,粒子束,核爆模拟器,高能闪光X射线照相,惯性约束聚变,4 应 用,电磁脉冲,高功率微波,高功率激光器的激励,强脉冲中子源,内爆等离子体,领 域：,工业领域 军事、国防 科学技术研究,4 应 用,工业应用,Plasma physics 等离子体物理（脱硫脱氮、净化 废气、水处理） Pulsed x-ray 脉冲X射线 Flue gas cleanup 烟气清理（除烟尘） Water and organics treatment 水处理、有机物处理 Metal forming 金属加工成型 Discharging in water for kidney stone removal 水中放电排肾结石 Food disinfection 食品消毒灭菌 Material process 材料加工处理,4 应 用,军事、国防应用,High power Laser for fusion 高功率激光 High power microwave 高功率微波 High power Laser Weapon 高功率激光武器 High Power beams 高功率光束 Electromagnetic Launchers Rail Gun 轨道枪 Coil gun 线圈枪 Electrothermal Chemical Gun 电热化学枪,4 应 用,科学研究,High magnetic field 强磁场 Inertial confinement fusion (ICF) 惯性约束聚变 Synchrotron radiation 同步加速器辐射 High velocity launch and collision 高速度发射和碰撞,4 应 用,4 应 用-工业生产,核聚变电站 强流脉冲离子束辐照-涡轮叶片表面的清洗加工；YSZ热障涂层表面改性；钛合金表面改性的机理研究；高温金属材料；表面再制造技术原理与应用 水处理-灭菌消毒 脉冲电晕放电减排SO2和NOx 有机物处理-废弃有毒物 脉冲或者静电除尘,核聚变的能量是通过两个原子合并为一个原子而产生的。 在核聚变反应堆中，氢原子发生聚变，进而形成氦原子、中子，并释放巨大的能量。氢弹和太阳的能量就是靠这种反应提供的。与核裂变相比，核聚变所产生的能量更加清洁、安全、高效，其能量来源也更为丰富。核聚变反应大多数都涉及氢的同位素氘和氚。,核聚变电站,4 应 用-工业生产,人工太阳-核聚变电站,4 应 用-工业生产,4 应 用-工业生产,核聚变电站,核聚变点火过程,water disinfection 等离子体进行水的消毒灭菌,4 应 用,*定义1: “包含足够多的正负电荷数目近于相等 的带电粒子的物质聚集状态。” （金佑民，樊友三，“低温等离子体物理基础”， 清华大学出版社，1983年） 过分广义。 固态等离子体：晶格中正离子与自由电子组合; 半导体中电子与空穴的组合等。 液态等离子体：如电解质溶液中正负离子的组合。 *定义2: “等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。” （国家自然科学基金委，“等离子体物理学发展 战略调研报告”，1994年） 强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液 态，但包含了电子束和离子束。,什么是等离子体?,定义3: “等离子体是包含足够多的正负电荷 数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。” （YXF） 单纯气态： 完全或部分电离了的气体 (微放电区电离度下限 10-6, 大气压下 放电空间平均电离度可低至10-12) 非单纯气态：尘埃等离子体 (伊林，王友年，王晓刚， 王德真） 雾滴等离子体 （YXF）,什么是等离子体?,气体放电 等离子体 （电场作用加速荷电粒子导致电离） 1）低气压放电：直流 辉光放电 高频放电 （微波、射频） 2）高气压放电：直流 弧光放电 (LTE) 电晕放电 (NTE) 介质阻挡放电 (NTE) 2. 热致电离等离子体 (高平动能原子、分子碰撞导致电离) 高温燃烧、爆炸、击波 3. 辐射电离等离子体 （光电离） X-射线、紫外光等,低温等离子体的产生方式,电晕层外区 （暗区）,电晕放电 形成条件: 二电极曲率半径相差 悬殊 (线筒、线板、针板） 特点： 1. 高气压 (105-106Pa) 高电压降 (103-105 V) 低电流密度 (10-3-10-6A/cm2) 4. Te Ti Tg 102 K,电晕层,筒状电极,线电极,低温等离子体的产生方式,介质阻挡放电 形成条件: 二电极间有绝缘介质存在 交变电场 特点： 1. 高气压 (105-106 Pa) 高电压降 (103-105 V) 低电流密度 (10-2-10-3A/cm2) Te Ti Tg 102 K,HV（a.c.),低温等离子体的产生方式,大气压辉光放电 (APGD),Masuhoro Kogoma et al. 1987 年世界上首次获得APGD (2004年12月Kogoma 来大工访问) 早期三条件: 1) He 2) 交流频率 1 kHz 3) DBD 亚稳态寿命长，扩散系数大, 其能量与电离势接近 高分子膜及纺织品改性处理; 大气压下均匀CVD等 F. Massines: (8th APCPST, Australia, July, 2006) N2: APTD; He: APGD (双介质层; 紧密接触) 清华 王新新, 大工 王德真等, 国自重点基金(2004-2007),低温等离子体的产生方式,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积 (已大规模工业应用） 等离子体平面显示器 (PDP) (已进入规模生产阶段） 等离子体化工合成及转化 （O3发生器，已工业化半世纪，CH4转化，煤转化，等离子体引发聚合，) 等离子体环境工程 （燃煤电厂烟气中氮、硫氧化物脱除，VOC脱除， 汽车尾气中氮氧化物脱除，固体废料处理，) 纺织品等材料表面的等离子体改性 (已产业化） 等离子体增强化学气相沉积（PECVD)制备各种新型材料 （金刚石，类金刚石，碳纳米管，),等离子体化学的主要应用及若干最新进展,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积 * 全世界与大规模集成电路相关工业总产值已达万亿美元以上。等离子体化学刻蚀与沉积是大规模集成电路工业生产中的核心环节之一。 * 1998年7月，参观了设在台新竹交通大学内的“国科会毫微米元件实验室”。其设备总值约1亿美元，包含一套从美进口的90年代中期水平的大规模集成电路工业生产流水线（超净厂房，10级， 10 尘埃/m3 )。已完成250 nm 元件技术开发，正在开发 130 nm元件制备技术。每年来此实验室工作的台研究生有约400人。,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积,以Si刻蚀为例： Mask 制备： UV, VUV lasers: X-ray 100 nm (同步辐射） Electron-beam,F,Mask,Si,等离子体化学刻蚀： 属干法刻蚀，刻蚀形状规则，应可胜任 100 nm 之刻蚀。 刻蚀中要求保持尽可能低的气体压力和尽可能高的电子密度(等离子体密度）。 如90年代初工业上开始采用的新型“Helicon” 射频源（70年代中期实验室研究成功）气体压力从数百 mtorr 降至数mtorr，等离子体密度从109 cm-3 上升至1010-12 cm-3 (相当于电离度从10-6上升至10-3- 10-1) 。,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,大规模集成电路制备中的等离子体化学刻蚀与沉积 Si刻蚀用气体以CF4 + O2 最为常用。与刻蚀 相关主要反应： ） CF4 + e CF3 ( CF2 , CF, F ) + e O2 + e O + O + e 2） CF2 + O COF + F CF2 + O CO + F + F COF + O CO2 + F 3） Si + 4F SiF4 *王友年等，新一代等离子体源刻蚀机理研究:(国自重点基金: 2007-2010),等离子体化学的主要应用及若干最新进展,Front,Back,Glass,Glass,PbO, Dielectric layer (transp.),ITO (In+Tin Oxide, transparent sustained electrode),Phosphor (RGB: red, green, blue),h= 0.13mm, d= 0.1 mm, 1 Pixel = R+G+B , 1.08 mm,Ag electrode,Address electrode,(Not in scale),MgO (500 nm),2. 等离子体平面显示器 (PDP),3 等离子体化工合成及转化 (示例) O3制备 DBD放电，已工业化（瑞士等发达国家饮用水净化）半个世纪，不断有新的应用（小家电消毒、灭菌）。 *初始过程 DH ( eV ) O2 + e O2* ( 1Dg ) + e 0.997 O2 + e O + O + e 5.115 O2 + e O + O- + e 3.654 O2 + e O + O (1D) + e 7.082 * O3 生成 O2 + O + M O3 + M O- + O2* O3 + e 大连凌水有O3发生器工厂，从数百瓦到数十千瓦）,4. 等离子体环境工程 (示例 ) 人类新世纪面临的三大环境问题 CO2等温室气体排放带来的全球气候变暖及海平面升高等灾害 2. NOx, SOx 等排放带来的酸雨等灾害 3. 臭氧层破坏带来的紫外辐射穿透到大气层问题,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,4. 等离子体环境工程 (示例 ) 最重要的空气污染物: 氮氧化物 (NOx = NO, NO2, N2O) 硫氧化物 (SOx = SO2, SO3 ) (酸雨！） 可挥发性有机化合物 (VOCs) 如甲醛、苯、甲苯等 VOC = Volatile Organic Compounds,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,4. 等离子体环境工程 (示例 ) NOx 脱除 1). 还原法 NOx + NH3 (HR, CO, H2, ) N2+ H2O (+ CO2) * 火力发电厂燃烧尾气: NH3-selective catalytic reduction (over oxides of V, Ti, W). 已产业化 * 汽车尾气(oxygen-free ） 三效催化剂（Three-Way Catalysts ) 同时脱除 NOx, HR & CO 已产业化 * 富氧燃烧(lean-burn)内燃机尾气 选择还原催化剂开发中,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,2). 氧化法 NO + O (O3, HO2) NO2 NO2 + OH HNO3 H NO3 + NH3 NH4NO3 3). 分解法 NOx N2 + O2 * 热力学可行 * 最理想也最困难,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,等离子体(氧化)法脱除氮、硫氧化物（一） 电子束法： 日Ebara公司，1970年提出，80年代初中试，90年代中期工业化。我国成都电厂（200MW 机组，30万Nm3/h 烟气）， 1998年建成使用(日方赠送)。 * O, OH, HO2 产生 O2 + e O + O + e or O + O ( 1D ) + e H2O + e H2 + O or O H + O H + O2 + M HO2 + M H2O + O ( 1D ) O H + O H,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,等离子体法脱除氮、硫氧化物（二） * NH4NO3 及 NH4SO4 生成 NO+O+M NO2 + M NO +HO2 NO2 +OH NO2 + OH + M HNO3 + M NH3 + HNO3 NH4NO3 SO2 SO3 H2SO4 NH4SO4 脉冲电晕法： 吴彦等（国家“八五”，“九五”攻关，“十五” “863”）,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,等离子体法脱除VOC（挥发性有机物） 2005年5月, 加拿大Mc Master大学等离子体环境工程专家Jen-Shih Chang (张仁世)教授访 问大工(华裔, 日出生至获硕士, 会日、英、汉语） * 等离子体脱除室内VOC （全世界 50万台空调器/年， dc or Pulsed dc） 步骤1： 静电除尘 步骤2： TiO2 脱VOC dir. or indir. plasma (lamp) 步骤3： 活性碳（MnO2) 脱O3及NOx * 固体垃圾处理（全世界仅日本，数十个工厂） 步骤1： 焚烧发电 步骤2： 等离子体炬处理燃烧灰烬 步骤3： 残渣金属回收 张教授： 东莞垃圾综合处理方案（2005年春，全国首个）,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,5. 纺织品等材料表面的等离子体改性,以纺织品为例 目的: 材料 改进 提高 提高 提高 提高 提高 染色性 防水性 亲水性 防燃性 防缩性 抗静电性 羊毛 棉花 聚酯纤维 手段： 刻蚀， 交联或分子链切断， 官能团导入,等离子体化学的主要应用及若干最新进展,静电除尘,主电路主要由交流电抗器、三相整流桥、滤波电容、IGBT全桥逆变电路、高频升压变压器、高压整流硅堆组成。,高频升压变压器：80kV，1200 mA,电除尘器是利用高压电场使含尘粒荷电 ，用静电力使粒子与气流分离的除尘设备。由于粒子在高压电场中受到静电力较大，亚微米颗粒也能有效脱除，除尘效率高。,u1具体的电源输出参数和电场强度,4 应 用-工业生产,电磁脉冲武器,核电磁脉冲弹,一种以增强电磁脉冲效应为主要特征的新型核武器。,非核电磁脉冲弹,是利用炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率电磁脉冲的电磁脉冲武器，目前已有国家装备了这种武器。,4 应 用-军事、武器,电磁脉冲武器： 利用能量转换产生强电子束流，激励高功率微波源产生极高脉冲功率辐射电磁能的一种武器。 电磁脉冲武器分为核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器。,核电磁脉冲武器： 一种利用核爆炸产生的高强度电磁脉冲，对目标-电子线路和元器件实施破坏的电磁脉冲武器。这是一种以增强电磁脉冲效应为主要特征的新型核武器。核爆炸时，除产生冲击波、光热辐射、放射性污染之外，还有第四种效应电磁脉冲效应。当这种电磁脉冲通过天线或天线等效体进入毫无防备的电子设备，会在一瞬间造成雷达迷盲、通信中断、计算机失控，使指挥控制系统的电子部件遭到极大破坏。,4 应 用-军事、武器,核电磁脉冲武器,诞生于氢弹实验 1961年10月30日，苏联在新地岛上空试爆史上最大的万吨级氢弹时，就曾致使方圆数千公里内的通讯线路及雷达系统全数“罢工” 。 1963年7月9日，美 国在太平洋的约翰斯顿岛上空40km处进行空爆核试验后，距约翰斯顿岛1400km之遥的檀香山却陷入一片混乱。 防盗报警器响个不停，街灯熄灭，动力设备上的继电器一个个被烧毁,核爆电磁脉冲武器： 主要是指采用高空核爆的核武器。即使是一颗普通的氢弹，如果采用高空爆炸的方式，以电磁脉冲形式释放的能量在此次爆炸能量中占的份额也将比大气层内的核爆炸提高几个数量级。特别重要的是，在大气层外的高空爆炸时，由于没有空气，就不能产生冲击波，也不能生成热辐射，而放射性尘屑又随距离平方而减弱，电磁脉冲几乎成了唯一的核爆炸效应。后果是破坏电子设备，比如敌方的通信设备、计算机、指挥系统电力网等，但毫不伤害人。研制一种使电磁脉冲效应大大增强的、新型的核武器是十分自然而且必要的。 低空核爆炸：电磁脉冲效应为非主要破坏效应。 高空核爆炸：电磁脉冲效应为主要破坏效应。 关于高空和低空的划分: 20公里-稠密的大气层 20-40公里- 稀薄的大气层 40公里-基本没有空气 20公里以下的爆炸定义为低空爆炸 40公里以上的爆炸定义为高空爆炸（大气层外的爆炸）,核爆电磁脉冲武器,100 km,30 km,大气层,伽马射线,康普顿效应,* 自由电子 *,NEMP,NEMP,伽马射线,Earth field,高空核磁暴,3000 km,4 应 用-军事、武器,美国鹰派智库传统基金会2013年3月30日发布警告：“核爆产生的电磁脉冲将会带来大范围的破坏，摧毁美国的经济，秒杀死上百万美国人。”“,核电磁脉冲（NEMP）特性,幅度大。核电磁脉冲的电场强度在几公里范围内可达110万Vm。 作用时间短。核电磁脉冲的电场变化迅速，在0.010.03us的时间内即可上升到最大值。 频谱宽。核电磁脉冲的频率范围宽（几100MHz）。 作用范围广。高空核爆炸产生的电磁脉冲作用范围广。,4 应 用-军事、武器,雷电电磁脉冲（LEMP） 和核电磁脉冲（NEMP） 测试数据的差异,LEMP/Surge test pulse 4 kV, 1.2/50 s,NEMP test pulse 6 kV, 5/200 ns,The NEMP/HEMP is about 1000 times faster than a lightning（雷电） pulse!,4 应 用-军事、武器,时域和频谱比较,时域,频谱,s,NEMPs can reach up to several hundred MHz!,A NEMP is much faster than a lightning strike!,4 应 用-军事、武器,雷电电磁脉冲（LEMP） 和核电磁脉冲（NEMP）,核电磁脉冲的破坏类型,可使晶体二极管、晶体管、集成电路、电阻及电容、滤波器、继电器和粒波器等电子元器件受到损坏； 可以与电缆、导线和天线等耦合，引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转； 能使根据磁通工作的存贮器（磁心、磁鼓和磁带等）消磁或失真，破坏元器件或抹去存贮的信息和引起关闭传递假信号。 电磁脉冲使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流，使电子元器件、线路和设备受到不同程度的干扰和破坏.,4 应 用-军事、武器,非核电磁脉冲武器简介,非核电磁脉冲武器：利用炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率电磁脉冲的电磁脉冲武器。其原理是将炸药的化学能转化为巨大的脉冲电磁能，利用爆炸时产生的电磁脉冲对敌方装备进行软杀伤。世界上少数国家已经开发出的具有实战价值的非核电磁脉冲武器可分为四大类：电磁脉冲弹、高能电磁脉冲发生器、电磁炮、高功率微波炮和爆炸驱动磁通压缩辐射器。 1）电磁脉冲弹是一种利用大功率电磁脉冲直接杀伤破坏目标或使目标丧失作战效能的非核电磁脉冲武器。这种武器由飞机或导弹在空中发射并爆炸后，其强大的脉冲功率可将敌方的电子灵敏元件，甚至整个电子设备烧毁。这种武器的破坏目标通常不是某一种电子设备，而是某一地区的几乎所有电子设备。据称，俄罗斯已研制成功一次可释放能量100兆焦耳的电磁脉冲弹，该弹对北约的C4ISR系统威胁极大。,非核电磁脉冲武器简介,1）电磁脉冲弹是一种利用大功率电磁脉冲直接杀伤破坏目标或使目标丧失作战效能的非核电磁脉冲武器。,结构：包括一个金属圆筒（称为电枢），它由一个线圈（定子线圈）环绕而成。电枢筒内装满了高能炸药，整个装置外面包裹着一层坚硬外壳。,炸弹爆炸的发生顺序： 用开关将电容器与定子相连，并通过导线传输电流，产生强磁场。 引爆装置点燃爆炸材料，爆炸以波的形式在电枢筒中部传播。 当爆炸通过电枢后，电枢筒将与定子线圈接触。这就产生了短路，从而切断定子与电源之间的通路。 这种自动短路压缩了磁场，从而产生强大的电磁脉冲。,2）高能电磁脉冲发生器 发射频带很宽的电磁脉冲，可瞬间大范围覆盖目标系统的响应频率，对电子设备有很大的威胁。据报道，美军正在研究用高能炸弹驱动的电磁脉冲发生器，在最近的实验中，长3.05米、宽0.61米的普洛西翁型发生器产生了上升时间仅400纳秒的1216兆安的脉冲，有效功率达4TW。,核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器简介,2）高能电磁脉冲发生器 发射频带很宽的电磁脉冲，可瞬间大范围覆盖目标系统的响应频率，对电子设备有很大的威胁。据报道，美军正在研究用高能炸弹驱动的电磁脉冲发生器，在最近的实验中，长3.05米、宽0.61米的普洛西翁型发生器产生了上升时间仅400纳秒的1216兆安的脉冲，有效功率达4TW。,核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器简介,核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器简介,3) 电磁炮,电磁炮分为电磁轨道炮和电磁线圈炮两种形式。 电磁轨道炮由两条平直导轨和导轨间的弹丸滑块组成，当接通强电流时导轨间产生强磁场，通电滑块在洛伦兹力作用下加速射出。 电磁线圈炮则由通电加速线圈和永磁/电磁弹丸组成，通过洛伦兹力加速弹丸。,核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器简介,我军一种口径20mm左右的车载反坦克 (也可能实现机载)，核心设备包括*MW级的高脉冲发电机、超导线圈和高速装弹机，可以把超过120g的实心穿甲弹加速到3.5km/s以上，射速在10发/分到15发/分之间(射速和弹头初速要求有关)。实验表明，弹头虽小，但是由于初速高，完全能够击穿现役所有主战坦克装甲，效果就和用AK47扫射本田轿车一样。,3) 电磁炮,电磁炮目前还需要更大容量的脉冲电源，同时还需要更耐高温和更高强度的导轨材料以解决最头疼的能量和烧蚀问题！,能产生GW量级的微波，就像探照灯和手电筒射出的光束一般，可瞬间击毁电子元器件。据称，美空军拟将输电约30兆安的小型高功率微波炮装在巡航导弹中，利用类似聚光罩的天线，将高功率微波炮的输电能量汇聚在大约30度的范围内，从而达成对电子设备进行瘫痪攻击的效应。,非核电磁脉冲武器简介,4）高功率微波炮,消息：美国F-22隐形飞机被歼-10（微波炮）击落于中国沿海?,微波武器发射电磁波，电磁波以光速传播。同时，微波武器有一个相当大的照射宽幅，因此只要能够在发射前大致瞄准、锁定隐身飞机所在位置，微波武器可以对隐身飞机作到开机就摧毁。,当微波武器发射的大功率微波照射到隐身飞机时，其发射的电磁波将大部分被隐身飞机“自愿吸收”。由于电磁波功率极强，因此在瞬间以1000-10000瓦平方厘米的极高强度将隐身飞机机体“加热”到30005000高温，这将直接造成隐身飞机瞬间凌空爆炸！即使只有100-1000瓦平方厘米的强度也足以在瞬间通过电磁效应彻底摧毁机内所有电子设备！至于最重要的飞行员，只要微波强度能够达到80瓦平方厘米就足以瞬间将其烤熟！,非核电磁脉冲武器简介,4）高功率微波炮,核电磁脉冲武器和非核电磁脉冲武器简介,5）爆炸驱动磁通压缩辐射器 是近年研制的一种新型电磁脉冲武器，它也是目前适合于炸弹应用的最成熟的技术。 其基本原理是，用可在数百微秒时间内的快速爆炸压缩磁场以产生数十兆焦耳的电能。一部大型爆炸驱动磁通压缩辐射器产生的电流比一次典型的雷击产生的电流大101000倍。该辐射器可由制导炸弹或巡航导弹进行投掷，当降落到目标附近一定区域时，辐射器产生的电磁脉冲可使计算机和通信设备中的电路失效，其最大作用距离可达