脉冲功率源

在直线变压器型加速器中，以一种特殊的1:1变压比的变压器来产生初级高压脉冲，代替马克斯发生器对脉冲形成线充电。

这种脉冲变压器是由N个并联的单匝初级线圈和一个单匝次级线圈组成，当各个初级回路同时放电时，就可以在次级线圈上获得等于初级线圈放电电压N被的电压输出。

直线型变压器的基本结构如图1-4所示，整个变压器实际上是一同轴线，多个磁芯套在同轴传输线的内导体上，每个磁芯上绕一匝初级线圈，可以多路同时激励（并联激励），内导体本身就是单匝的次级线圈。内导体外表面缠绕数百层用甘油浸渍的有机薄膜作为初级和次级线圈间的绝缘，有机薄膜外的其余空间灌满甘油。每个初级线圈外接储能电容器和开关，电容器和开关可以直接放在同轴线外面大气中而无需浸在变压器油中。这样，当储能电容器通过开关向所有初级线圈同时放电时，若放电电压为U，在次级线圈上激励起的电压就将为NU。

直线型变压器要求数百个初级线圈的开关同步触发，这是它的主要不便之处。

其中，1为储能电容器；2为触发型气体火花开关；3为自击穿型气体火花开关；4为磁芯；5为电流测量线圈；6为次级绕组（单匝）；7为次级输出端高压绝缘子；8为水（油）介质传输线外筒；9为去磁电感；10为水（油）介质传输线高压电极；11为初级绕组（单匝）；12为绝缘液体（甘油）；13为初级、次级甘油浸渍有机薄膜绝缘子。

Tesla变压器又叫空气芯脉冲变压器，用于代替马克斯发生器对脉冲形成线充电，其最大优点是适合重复频率运行，并已形成了专门称之为Sinu的脉冲功率装置系列产品，这种装置的原理 在图1-5中给出。

其中，1为脉冲形成线；2为磁芯；3为初级线圈；4为锥形次级线圈；5为支承绝缘体。

Telsa变压器的特点是：它与同轴脉冲形成线构成一体化结构，变压器的单匝初级线圈安装在同轴脉冲形成线外筒的内表面上，次级线圈安装在同轴脉冲形成线内外筒之间的绝缘材料制成的锥形筒上，内外筒之间充满变压器油，高压输出端与形成线内筒相连接。这样的结构使整个脉冲功率装置十分紧凑；同时，在变压器中采用了开路磁芯，紧贴在同轴传输线外筒内表面和内筒外表面上，克服了完全不用磁芯引起漏磁大的缺点，提高了变压器的耦合系数。

脉冲功率技术指的是将低功率（电压、电流）能量储存在电场或磁场中，通过脉冲形成线和开关技术将其在时间尺度上压缩，而将电压、电流提高，以获得极短脉冲的高峰值功率电磁能量并释放到负载上去的一种能量压缩技术。由此可见，脉冲功率装置应该主要包括3大基本部分：低功率下的储能部分——初级能源；脉冲产生系统，即由低功率获得高功率的变换部分——脉冲形成及压缩系统；高功率负载——二极管系统。

脉冲功率装置是相对论电子注器件不可分割的组成部分，它的性能直接影响着器件的输出参数。

马克斯发生器——脉冲形成线——二极管组合是一种最典型、使用最广泛的脉冲功率装置；采用直线脉冲变压器或Tesla变压器都可以替代马克斯发生器产生初级高压脉冲对脉冲形成线充电。直线脉冲变压器的特点是电容器组的充电和放电过程都是并联的，利用变压比为1:1的脉冲变压器使次级电压因感应电压叠加原理而与初级线圈电压成N倍（N为初级线圈的个数）增长；Telsa变压器简单可靠，特别是它与同轴形成线在结构上一体化，十分紧凑，它还适合于重复频率运行，但它难以获得数兆伏电压和大的储能，因此适合中、小功率应用。

爆炸磁压缩脉冲功率系统也是高功率微波中得到重要应用的一种高功率脉冲源，它可以在us量级的时间内输出MJ量级的能量。其最主要的缺点是只能一次性使用。

脉冲线型电子加速器是应用十分广泛的一种脉冲功率装置，图1-1给出了脉冲线加速器的结构示意图，它主要包括直流电源、马克斯发生器、脉冲形成线、开关和真空二极管等部分。

脉冲功率源马克斯发生器

马克斯发生器是一种降多个电容器并联经直流电源充电后，通过一些开关使电容器串联的放电的系统，得到的放电电压可以是充电电压与电容器个数的乘积。图1-2是一个4级马克斯发生器的电路示意图，首先，直流电源多4个并联电容器

脉冲功率源脉冲形成线

一般由马克斯发生器获得的脉冲的持续时间在us量级，如果直接连接负载，则不可能得到高功率，而且与负载往往也不匹配。因此，必须对初级脉冲发生器产生的输出脉冲进行整形和压缩，其方法是在初级脉冲发生器后接电容型或电感型脉冲储能器，再通过闭合型或断路型开关驱动负载，这就是脉冲形成线的功能。

脉冲形成线利用电压波在一定长度和一定波阻抗的传输线上的往来反射成一定脉宽的电压脉冲，由于脉冲形成线的长度总是有限的，再长也不会超过几十米，而电压波在线上的传播速度通常与光速同一数量级，因此通过多次反射形成的电压波形很窄，一般脉宽仅几十到上百纳秒；与此同时，初级脉冲十分不规则的波形在此过程中被整形或形成更接近矩形形状的脉冲，这就是脉冲形成线的工作原理。

脉冲形成线可以有多种结构，目前应用最多的是布鲁姆莱茵传输线，它由3个同轴圆筒组成（参见图1-1），筒间充油或水作为绝缘介质，充油称为油线，充水则称为水线。中筒与马克思发生器相连充电，内筒通过电感与接地的外筒连接。布鲁姆莱茵传输线可以看做是双同轴脉冲形成的，对于相同的几何尺寸，水线阻抗约为油线的1/6，电容约为油线的34倍，因此更适合低阻抗脉冲功率装置，而其储能密度则在常用液体绝缘介质中的是最高的。

当脉冲形成线被充电到额定电压时，位于形成线终端的开关接通，脉冲形成线通过二极管的负载放电，放电过程也就是作用于二极管上的脉冲电压的形成过程。高压脉冲加到二极管的阴、阳极之间，阴极产生强烈的爆炸式场致发射，产生电子束，该电子束在阴、阳极之间的高电场下被加速，形成相对论电子注器件所需要的强流相对论电子束。

脉冲功率源二极管

二极管就是脉冲功率技术中的负载，它是利用脉冲功率装置获得强脉冲带电粒子束、

脉冲功率装置中常用的阴极是爆炸发射式阴极，当场强超过100kV/cm的脉冲高压加到阴极表面时，阴极表面上的微小凸起尖端（称为金属晶须）上的电场可以增强几十倍甚至数百倍，足以产生场致发射。金属须被发射电流迅速加热并在数纳秒内引起汽化爆炸，并形成等离子体。由于在阴极表面分布有大量晶须，所以表面的局部等离子体由于膨胀而会互相连接，从而在5ns~20ns的时间内形成一个覆盖整个阴极表面的等离子体鞘层，从这个鞘层中可以提取超过数kA/

天鹅绒也是脉冲功率装置中常用的一种阴极，它也是一种场致发射阴极，电流密度可以达到每平方厘米数百安至数千安，其优点是表面电场强度阈值低于爆炸式阴极的阈值，因此可以避免等离子体影响。其缺点就是电流密度较低，寿命也有限。

爆炸磁通量压缩发生器是目前体积最小、重量最轻的紧凑型脉冲功率装置，它利用炸药爆炸产生的能量进行脉冲宽度的压缩。由于炸药存储的能量密度极高（大于8kJ/

爆炸磁通量压缩器的原理示意图如图1-6所示。圆筒状的通关形成一个电枢，其中填充高能炸药，而用铜绕制成的螺旋状定子线圈套在电枢外面，并与电枢保持一定间距。在炸药爆炸前，线圈中接入一定起动电流以产生初始磁场[图1-6（a）],当起动电流达到峰值时，炸药开始爆炸，金属电枢筒膨胀并成理想锥体状向前推进，使电枢依次不断扩展到定子线圈的整个直径，从而依次与线圈接触，形成闭合回路，中断了起动电流[图1-6（b）]。电枢的膨胀缩小了线圈围绕的有效面积，压缩了磁通，并使线圈内电流迅速上升，同时减少了定子线圈的电感，随着电枢膨胀的持续推进，线圈电流不断上升，并在装置最终破碎之前，电流脉冲达到最大值。

1、由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。

过去脉冲功率技术主要为国防科研服务，并且大多是单次运行，而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率，必须重复频率工作。

2、储能技术--研制高储能密度的电源。

在很多应用场合下，脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素，如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等，都要求产生很大的脉冲功率，而且系统又不能过于庞大和笨重。

3、开关技术--探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。

开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能，是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制，是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。

4、积极开辟新的应用领域。

近年来，脉冲功率技术在半导体、集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究，已引起各界的广泛重视，而且在某些应用研究中，已取得了可喜的进展。凭借成功应用的经验，脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面，民用是一个巨大的市场，而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。脉冲功率技术是现代电力电子技术中的一项重要内容，作为非平衡态等离子体中的重要方式，近年来逐渐被广泛应用于环境工程领域内，在处理环境污染的过程中，其具备高效、节能、清洁且便捷等优势，具有广阔的应用前景。