脈衝功率技術基礎

脈衝功率技術，就是將緩慢儲存起來的具有較高密度的能量，進行快速壓縮，轉換或者直接釋放給負載的電物理技術。被廣泛套用在國防科研、高新技術研究和民用工業等諸多領域中。

基本介紹

• 中文名：脈衝功率技術基礎
• 外文名：Pulse power technology base

脈衝功率系統發展概述

1、脈衝功率裝置的構成。

脈衝功率技術，就是將緩慢儲存起來的具有較高密度的能量，進行快速壓縮，轉換或者直接釋放給負載的電物理技術。其實質是將脈衝能量在時間尺度上進行壓縮，以獲得在極短時間內的高峰值功率輸出。該技術是為滿足國防科研需要而發展起來的一門新興科學技術，它是獲得強流相對性電子束或離子束的重要手段，被廣泛套用在國防科研、高新技術研究和民用工業等諸多領域中。

現階段常用的初級能源主要包括：以電場形式儲能的電容器或者Marx發生器、具有磁能的電感或者脈衝變壓器、具有一定轉動慣量的各類機械能發電機、化學能裝置、核能裝置。常用的中間儲能系統和脈衝成形系統包括：脈衝變壓器、容性傳輸線（形成線）、感性儲能器、磁通壓縮器（磁放大器）、磁流體發電機的通道發電系統、以及使用機械能的感應發電系統等。轉換系統包括了電源內各種轉換開關，包括閉合開關和斷路開關兩類。各種開關根據其套用方式不同可以分布在脈衝電源的不同位置。高功率脈衝電源首先將能量儲存於初級能源，而後通過中間儲能和脈衝形成系統充電，最後經過壓縮、脈衝成形或轉化等過程後，快速放電給負載。

2、國內外功率脈衝技術的發展歷史和研究現狀。

20世紀30年代，人們開始嘗試使用電容放電產生X射線，這就是功率脈衝技術的起源。從1964年，世界上第1台強流電子束加速器SMOG（3MV，50kA，30ns）研製成功後，美、日、蘇及歐洲許多先進國家的主要實驗室都先後建造了眾多的高功率脈衝裝置。

Sandia實驗室在1986年研製出的脈衝功率裝置PBFA-II（12MV，8.4MA，40ns）是世界上第1個闖過100TW大關的脈衝功率裝置。我國的高脈衝功率技術起步相對較晚，上世紀70年代，王淦昌教授領導的研究小組正式開始高功率脈衝電子束髮生器的研究。1979年北京高能物理所建成了當時我國最大的強流脈衝電子束加速器閃光-I，套用於γ射線模擬源。之後一系列強流脈衝電子束加速器的建成，為我國在集體離子加速、準分子雷射、電磁軌道炮、閃光X射線照相、高功率微波等高新技術領域的研究創造了較好的條件。

脈衝功率技術在環境工程領域的套用

1、靜電除塵。

傳統的直流高壓靜電除塵方式在實際套用中所受粉塵比電阻限制比較嚴重，尤其是高比電阻粉塵導電率較小，極易積聚於集塵極上，直至積累到一定程度後，大量電荷難以實現有序釋放，導致反電暈情況出現，嚴重影響粉塵收集率。與此同時，比電阻較小的塵粒的電導率較高，極易向集塵極釋放負電荷，並帶上正電荷。在電機電場力作用下，塵粒被重新推入到氣流中。此種情況表明，通過靜電除塵器難以有效的清除比電阻小的粉塵顆粒。而脈衝功率技術能夠促進以上問題的有效解決，高壓脈衝產生一定電暈流，直接貫穿於極間，逐步延伸至積塵層，高比電阻積塵層擊穿後，釋放層上積聚的電荷，從而有效的提高除塵效率。與此同時，脈衝電暈能夠產生一定數量的高能電子，這些電子的數量較多且分布均勻，能夠產生更多的活性粒子，在以靜電吸附粉塵離子的同時，通過電漿消除粉塵中夾帶的有機物分析和二氧化硫等，從而促進脫硫脫硝的有效實現。與傳統的直流高壓靜電除塵方式相比，脈衝靜電除塵方式更節省能量，並改善除塵效率。

2、臭氧製取。

臭氧是一種強氧化性氣體，在殺菌、氧化以及漂白等方面都具有重要作用，臭氧無色無臭無強腐蝕性，以空氣為主要製備原料，在突變電廠作用下，氣體分子中原有少量載流子從外電場中獲得能量，通過與氣體分子碰撞與電離，實現氧分子的分解和氧原子的瞬間結合，從而形成臭氧。脈衝功率技術在臭氧製取方面發揮著重要的作用，有助於提高臭氧生產效率。在臭氧反應器提供雙極性窄脈衝火花隙高壓開關的電源中，通過對互相垂直的旋轉球隙的有效利用，促進正負直流高壓的斬波的實現，在對脈衝電容進行充電後，通過另一對相互垂直的旋轉球隙為反應器進行供電。在對脈衝電容及反應器匹配情況進行適度調整後，電壓脈衝前沿和寬度得以實現，並以旋轉球隙的轉速對脈衝頻率進行調節，從而促進臭氧的成功製取。

3、廢水處理。

由於輸出電壓波形具有窄脈衝特點，在高壓脈衝電源作用下，液相內非平衡電極之間的處理對象分子結構會發生一定程度的改變，促使質量較輕的電子逐漸變為高能自由電子，運動過程中與其他分子碰撞後，水相化學反應生成，在活性物質的作用下，水中有機物被講解，從而實現廢水的有效處理。

關於脈衝功率技術的發展趨勢

1、由單次脈衝向重複的高平均功率脈衝發展。

過去脈衝功率技術主要為國防科研服務，並且大多是單次運行，而工業、民用的脈衝功率技術要求一定的平均功率，必須重複頻率工作。

2、儲能技術--研製高儲能密度的電源。

在很多套用場合下，脈衝功率系統的體積和重量的大小是決定性因素，如飛機探測水下物體技術、艦載電磁炮等，都要求產生很大的脈衝功率，而且系統又不能過於龐大和笨重。

3、開關技術--探討新的大功率開關和研製高重複頻率開關。

開關元件的參數直接影響整個脈衝功率系統的性能，是脈衝功率技術中一個重要的關鍵技術。具有耐高電壓強電流、擊穿時延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重複的脈衝下穩定工作的各種類型開關元件的研製，是當前國內外脈衝功率技術中又一個十分受重視的研究課題。

4、積極開闢新的套用領域。

近年來，脈衝功率技術在半導體、積體電路、化工、環境工程、醫療等領域的套用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些套用研究中，已取得了可喜的進展。憑藉成功套用的經驗，脈衝功率技術將更多地套用於民用技術方面，民用是一個巨大的市場，而市場的推動又必將給脈衝功率技術的發展帶來新的生機。脈衝功率技術是現代電力電子技術中的一項重要內容，作為非平衡態電漿中的重要方式，近年來逐漸被廣泛套用於環境工程領域內，在處理環境污染的過程中，其具備高效、節能、清潔且便捷等優勢，具有廣闊的套用前景。