脉冲功率技术的进展和应用

内容概述序言---高能电子加速器简介第一章脉冲功率技术概要一脉冲功率技术简介二脉冲功率技术发展历史第二章脉冲功率系统结构一储能技术二脉冲成形系统三脉冲测量技术第三章脉冲功率技术应用附录下一步的工作计划序言---高能电子加速器简介蓝孚公司生产的高能电子加速器，属于行波直线型电子加速器。整体结构主要包含水、电、真空、机械、通讯、控制等组成部分。产生的束流能量为10～12MeV，峰值功率为2.5～3MW，平均功率为20～25KW，能散度为±5%，重复频率为10～500pps。部分加速器图示

图示1图示2图示3图示4图示5工作原理：利用脉冲功率技术，将很大的能量储存在储能元件--电容器中，然后通过快速开关将此能量在微秒时间内释放到负载上,

以得到极高的峰值功率（兆瓦以上）。

第一章脉冲功率技术概要一脉冲功率技术简介1.什么是脉冲功率？

在科学上，脉冲功率仅表示“电脉冲功率”：即把能量经相对长的时间高密度地储存起来，以电能的形式，在短时间内快速释放而产生的高功率电脉冲。

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（us或ns时间尺度）的高峰值功率输出。

自然界中的脉冲功率：简要介绍2常见脉冲波形上升时间：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：一般定义为底宽-在幅值的90%处的时间宽度。3脉冲功率技术

脉冲功率技术是研究将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中（通常为电容器、电感器等）,

然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右），将此能量在纳秒至微秒时间内释放到负载上,

以得到极高的脉冲输出功率的发生器系统及其相关技术。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。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。

4脉冲功率技术的主要参数电子能量：0.3～15MeV束流大小：103～107mA脉冲宽度：us、ns量级束流功率：1MW～100TW总能量：1kJ-15MJ脉冲功率技术创造和挑战物质世界的电磁极限，参数上一直有所突破。所以脉冲功率的技术参数没有严格界定。二脉冲功率技术发展历史1

发展历史1938年，美国人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，前苏联制成真空脉冲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。第二次世界大战期间，企图用于军事的电磁炮和相关研究兴起，促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。20世纪60年代是脉冲功率技术迅猛发展并形成单独学科的黄金时代。这期间，由于对核爆炸有关效应的模拟和粒子束惯性约束核聚变的研究，需要大功率的强流粒子束加速器，1962年脉冲宽度从微秒级压缩到了几十纳秒。1986年美国建成的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1014MW，它是世界上第一个功率闯过1000MW大关的脉冲功率装置。中国从20世纪60年代也建成了各种大型脉冲功率装置，并形成了一支强大的脉冲功率研究队伍，还设立了脉冲功率技术学科。2发展里程碑1962年，英国J.C.Martin，发展了Marx+Blumlein，ns量级1967年，USA,Sandia，高功率粒子束，10MV,100KA,80ns1972年，USA,HaryDiamond实验室，AURORA,14MV,1.6MA,120ns1978年，USA,Sandia，PBFA-I,Fusion,30TV,1MJ1986年,USA,PBFA-II,12MV,8.4MA,40ns,1014W1985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1980～,中国工程物理研究院，星光－1，星光－2，神光－31995，合肥，30GW,500KA,FUSION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”第二章脉冲功率系统结构能量压缩的概念

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空间压缩（提高储能密度）

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时间压缩（提高脉冲功率）

初始能源中间储能脉冲压缩和变换负载msusns激光、粒子束、等离子体、强磁场、强电场、EM枪、微波等0.1MW10MW1000MW高功率脉冲发生器的基本结构一

储能技术电能（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）传输线核能各种储能方式对比1.电容储能电压形式电容储能技术成熟，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。2.电感储能电流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。3.惯性储能（飞轮、电机）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。储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可移动。二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（PulseFormingNetwork）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，外击穿脉冲功率系统的运行特点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。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。极高的瞬时峰值功率。例如蓝孚公司的电子加速器，速调管的峰值功率达5MW。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