1、静电除尘。

传统的直流高压静电除尘方式在实际应用中所受粉尘比电阻限制比较严重,尤其是高比电阻粉尘导电率较小,极易积聚于集尘极上,直至积累到一定程度后,大量电荷难以实现有序释放,导致反电晕情况出现,严重影响粉尘收集率。与此同时,比电阻较小的尘粒的电导率较高,极易向集尘极释放负电荷,并带上正电荷。在电机电场力作用下,尘粒被重新推入到气流中。此种情况表明,通过静电除尘器难以有效的清除比电阻小的粉尘颗粒。而脉冲功率技术能够促进以上问题的有效解决,高压脉冲产生一定电晕流,直接贯穿于极间,逐步延伸至积尘层,高比电阻积尘层击穿后,释放层上积聚的电荷,从而有效的提高除尘效率。与此同时,脉冲电晕能够产生一定数量的高能电子,这些电子的数量较多且分布均匀,能够产生更多的活性粒子,在以静电吸附粉尘离子的同时,通过等离子体消除粉尘中夹带的有机物分析和二氧化硫等,从而促进脱硫脱硝的有效实现。与传统的直流高压静电除尘方式相比,脉冲静电除尘方式更节省能量,并改善除尘效率。

2、臭氧制取。

臭氧是一种强氧化性气体,在杀菌、氧化以及漂白等方面都具有重要作用,臭氧无色无臭无强腐蚀性,以空气为主要制备原料,在突变电厂作用下,气体分子中原有少量载流子从外电场中获得能量,通过与气体分子碰撞与电离,实现氧分子的分解和氧原子的瞬间结合,从而形成臭氧。脉冲功率技术在臭氧制取方面发挥着重要的作用,有助于提高臭氧生产效率。在臭氧反应器提供双极性窄脉冲火花隙高压开关的电源中,通过对互相垂直的旋转球隙的有效利用,促进正负直流高压的斩波的实现,在对脉冲电容进行充电后,通过另一对相互垂直的旋转球隙为反应器进行供电。在对脉冲电容及反应器匹配情况进行适度调整后,电压脉冲前沿和宽度得以实现,并以旋转球隙的转速对脉冲频率进行调节,从而促进臭氧的成功制取。

3、废水处理。

由于输出电压波形具有窄脉冲特点,在高压脉冲电源作用下,液相内非平衡电极之间的处理对象分子结构会发生一定程度的改变,促使质量较轻的电子逐渐变为高能自由电子,运动过程中与其他分子碰撞后,水相化学反应生成,在活性物质的作用下,水中有机物被讲解,从而实现废水的有效处理。

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《脉冲功率技术基础》主要介绍脉冲功率技术的基本原理及应用。内容包括能量的储存、高功率脉冲的产生、开关技术、绝缘、强流相对论二极管的结构和特性、脉冲功率装置中常用的检测与诊断技术、几种典型脉冲功率装置及其应用,以及脉冲功率技术的最新发展等。

《脉冲功率技术基础》可作为高等院校电气工程、工程物理、核聚变、强激光与高功率微波等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材,也可供相关领域的科研和工程技术人员参考。

1、脉冲功率装置的构成。

脉冲功率技术,就是将缓慢储存起来的具有较高密度的能量,进行快速压缩,转换或者直接释放给负载的电物理技术。其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的高峰值功率输出。该技术是为满足国防科研需要而发展起来的一门新兴科学技术,它是获得强流相对性电子束或离子束的重要手段,被广泛应用在国防科研、高新技术研究和民用工业等诸多领域中。

现阶段常用的初级能源主要包括:以电场形式储能的电容器或者Marx发生器、具有磁能的电感或者脉冲变压器、具有一定转动惯量的各类机械能发电机、化学能装置、核能装置。常用的中间储能系统和脉冲成形系统包括:脉冲变压器、容性传输线(形成线)、感性储能器、磁通压缩器(磁放大器)、磁流体发电机的通道发电系统、以及使用机械能的感应发电系统等。转换系统包括了电源内各种转换开关,包括闭合开关和断路开关两类。各种开关根据其应用方式不同可以分布在脉冲电源的不同位置。高功率脉冲电源首先将能量储存于初级能源,而后通过中间储能和脉冲形成系统充电,最后经过压缩、脉冲成形或转化等过程后,快速放电给负载。

2、国内外功率脉冲技术的发展历史和研究现状。

20世纪30年代,人们开始尝试使用电容放电产生X射线,这就是功率脉冲技术的起源。从1964年,世界上第1台强流电子束加速器SMOG(3MV,50kA,30ns)研制成功后,美、日、苏及欧洲许多先进国家的主要实验室都先后建造了众多的高功率脉冲装置。

Sandia实验室在1986年研制出的脉冲功率装置PBFA-II(12MV,8.4MA,40ns)是世界上第1个闯过100TW大关的脉冲功率装置。我国的高脉冲功率技术起步相对较晚,上世纪70年代,王淦昌教授领导的研究小组正式开始高功率脉冲电子束发生器的研究。1979年北京高能物理所建成了当时我国最大的强流脉冲电子束加速器闪光-I,应用于γ射线模拟源。之后一系列强流脉冲电子束加速器的建成,为我国在集体离子加速、准分子激光、电磁轨道炮、闪光X射线照相、高功率微波等高新技术领域的研究创造了较好的条件。

脉冲功率技术基础脉冲功率技术在环境工程领域的应用常见问题

韩昱,清华大学教授。1960年毕业于清华大学电机系。主要从事强电流脉冲放电技术、稠密等离子体焦点和Z箍缩(Z-Pinch)等离子体等学科的教学与科研工作。曾任清华大学气体放电与等离子体实验室主任(1983-1997年),北京市等离子体学会两届理事。先后为清华大学高年级本科生新开设选修课程"冲击大电流技术"(1983-1988年)"强流脉冲放电技术"(1989-1992年),为研究生新开设选修课程"脉冲功率技术基础"(1994-2002年),并编写了相关教材。作为指导教师指导硕士、博士研究生及博士后20余人。获清华大学教学工作优秀成果二等奖两项(1987年,1993年)。科研方面,获得国防科工委科技进步二等奖(第一完成人,1992年),获得国家教委科技进步二等奖(第二完成人,1988年)。作为项目负责人完成国家自然科学重点基金和自然科学基金、国家攻关项目子课题、国防预研基金、国家863基金、清华大学基础研究重点基金等十余项。在国内外发表论文100余篇。获国务院政府特殊津贴。是IEEE高级会员(Senior Mereber)。

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。

第1章 脉冲功率技术概述

1.1 什么是脉冲功率技术

1.2 脉冲功率技术的发展

1.3 脉冲功率系统的基本组成与应用

参考文献

第2章 能量的储存

2.1 概述

2.2 电容储能及脉冲电容器

2.2.1 电容储能

2.2.2 脉冲电容器

2.2.3 Marx发生器储能系统

2.3 电感储能

2.3.1 工作原理

2.3.2 人工过零技术

2.4 机械储能

2.4.1 脉冲发电机组

2.4.2 单极发电机

2.5 化学能

2.5.1 蓄电池

2.5.2 爆磁压缩发生器

参考文献

第3章 高功率脉冲的产生

3.1 概述

3.2 大容量电容器组并联运行

3.2.1 多台电容器并联运行

3.2.2 放电回路分析

3.2.3 用于电力部门的冲击电流发生器简介

3.2.4 开关并联运行的条件

3.3 Marx发生器

3.3.1 用于脉冲功率技术领域的Marx发生器

3.3.2 Marx发生器?陡化电容器电路

3.4 单传输线

3.4.1 电磁波在均匀无损线上的传播

3.4.2 单传输线型高压脉冲形成线

3.5 Blumlein传输线

3.5.1 同轴Blumlein传输线的工作原理

3.5.2 Marx发生器对Blumlein传输线充电时的电压和能量传输效率

3.5.3 Blumlein传输线放电时负载上电压波形

3.5.4 Blumlein传输线对负载的能量传输效率

参考文献

第4章 开关技术

4.1 概述

4.1.1 开关的主要特性参数

4.1.2 开关的触发系统

4.2 气体开关

4.2.1 三电极开关

4.2.2 电场畸变火花开关

4.2.3 多弧道开关

4.2.4 激光触发气体开关

4.3 固体开关

4.3.1 固体薄膜多通道开关

4.3.2 磁开关

4.3.3 光导半导体开关

4.3.4 高功率重复频率半导体固态开关

4.4 液体开关

4.5 开断开关简介

4.5.1 开断开关

4.5.2 等离子体断路开关

4.6 赝火花开关

4.6.1 工作原理

4.6.2 赝火花开关举例

参考文献

第5章 电介质的绝缘特性

5.1 引言

5.2 气体绝缘

5.2.1 静态电压下气体电介质的绝缘强度

5.2.2 脉冲电压下气体介质的击穿特性

5.3 液体绝缘

5.3.1 液体绝缘介质中的实用公式

5.3.2 几种常用的液体绝缘介质

5.4 固体绝缘

5.4.1 固体绝缘介质的几种击穿机制简述

5.4.2 计算几种固体绝缘材料击穿场强的实用公式

5.5 固体绝缘介质沿面闪络

5.5.1 沿面闪络结构类型

5.5.2 空气中纳秒脉冲电压下同轴电缆沿面闪络特性的试验研究

5.5.3 真空沿面闪络的击穿机制

5.5.4 纳秒脉冲下绝缘子真空沿面闪络特性试验研究举例

参考文献

第6章 真空二极管

6.1 真空二极管的构型与绝缘

6.1.1 真空沿面绝缘设计原则

6.1.2 真空磁绝缘

6.2 二极管中电子束和离子束的物理机制及特性

6.2.1 电子的发射过程

6.2.2 高功率二极管中的电子流

6.2.3 电子、离子双向流

6.2.4 二极管上的预脉冲

6.2.5 箍缩电子束二极管

6.2.6 同轴径向二极管

6.2.7 高功率离子束二极管

参考文献

第7章 测量与诊断

7.1 引言

7.2 用分流器测量脉冲大电流

7.2.1 基本原理

7.2.2 分流器的种类

7.2.3 分流器应用举例

7.3 Rogowski电流测量线圈

7.3.1 电流测量线圈的基本原理

7.3.2 用Rogowski线圈测量冲击电流时的误差分析

7.4 用法拉第筒测量加速器二极管中强流电子束

7.4.1 法拉第筒的结构

7.4.2 法拉第筒同轴测量电阻阻值的标定

7.5 磁光电流测量装置

7.5.1 磁光效应

7.5.2 磁光式电流传感器原理与构成

7.5.3 磁光式电流传感器信号处理

7.6 用分压器测量脉冲高电压

7.6.1 电阻分压器

7.6.2 电容分压器

7.6.3 阻容分压器

7.7 脉冲功率技术中的诊断技术举例

7.7.1 X射线总剂量测量

7.7.2 X射线能谱范围

7.7.3 稠密等离子体焦点脉冲X射线源随时间的变化特性

7.7.4 X射线针孔成像

7.7.5 激光差分干涉诊断

参考文献

第8章 脉冲功率装置及其应用举例

8.1 引言

8.2 相对论电子束(或离子束)加速器

8.2.1 加速器的组成

8.2.2 应用举例

8.3 高功率脉冲驱动的快速Z箍缩装置

8.4 直线感应加速器

8.5 高功率微波发生器

8.6 稠密等离子体焦点装置

8.6.1 等离子体焦点脉冲X射线源的应用举例

8.6.2 等离子体焦点脉冲中子源的应用举例

8.7 脉冲功率技术在环境保护中的应用

8.8 液电效应及其应用

8.8.1 液电效应

8.8.2 应用举例

8.9 重复频率脉冲功率装置

8.9.1 Tesla变压器型重复频率加速器的应用

8.9.2 Tesla变压器的工作原理

参考文献

脉冲功率技术基础脉冲功率技术在环境工程领域的应用文献

用于脉冲功率技术中的离子束断路开关 用于脉冲功率技术中的离子束断路开关

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页数: 未知

评分: 4.4

介绍用于真空储能装置中的离子束断路开关——IBOS。它是利用高速低密离子束代替低密中速等离子体融蚀断路开关“等离子体”而形成的,从而获得了更短的开断时间(<4ns)。

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用于脉冲功率装置测量的混合式高压分压器 用于脉冲功率装置测量的混合式高压分压器

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页数: 6页

评分: 4.8

为准确测量脉冲放电电压,提出了固液混合式高压分压器的原理与结构,并进行了标定和实验测试。用简化模型分析了分压器系统的理想响应条件,讨论了两级分压的衰减特性,提出了控制误差的方法。通过负载标定,得到分压器脉冲电压频率响应大于2.9MHz,最长脉冲宽度40μs,分压比(或衰减系数)为2.60kV/V,测量误差小于5%。该高压分压器具有造价低、制作易,同时适于ns到μs级脉冲电压的测量等优点,可以在实验室中得到应用。

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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。

AR RF/Microwave Instrumentation再一次用PSP系列宽带USB脉冲功率探头为RF功率测量(脉冲功率测量)设立了标杆,内置Real-time功率处理技术,这个系列新产品提供了客户所需的快速和精确的测量技术,可以EMC测试,生产测试/问题排查、功放设计研发上起到重要作用,并且在军用和民用中都可以用到,比如通信(LTE-TDD/FDD)航空,雷达和医疗系统中。它们是RF和微波功率测量设备中快速、精确以及可靠性的保障,本篇文章主要来讨论AR PSP系列功率探头的主要特色以及优点。

如何工作?

AR USB脉冲功率探头作为超快速功率测量工具,它可以采集并计算宽带调制RF信号的瞬态、平均以及峰值功率(调制信号功率),一个内置的A/D转换可以工作在100MSamples/S的采样率,然后数字信号处理器开展后续的工作,把数字采样信号在显示屏上形成一个缩放和校准后的功率曲线

图1展示了(峰值包络)峰值功率探头的方框图

图1

峰值功率探头的首要组件是检波器,可以移除RF载波信号并输出调制信号的幅值,检波器的视频带宽可以印象探头对RF信号包络功率的测量能力,图2的左边展示了一个带宽不足够的检波器是不能够无失真追踪信号包络,相反,图2右侧的检波器则具有足够的视频带宽,所以追踪测量到的包络值是准确的

图2包络检波

通过优化探头的响应时间,检波器是有可能追踪由于调制而快速变换的幅值。探头的视频带宽至少必须和信号的调制带宽差不多才能够准确的追踪。PSP001探头为展频信号提供了一个行业领先195MHz的视频带宽,测量时间可以快至3ns,它具备100MHz的采样率,可以保证对非常短的脉冲群和宽带信号进行分析,同时保证时间波形图和功率有很高的分辨率。

Real Time功率处理(RTPP)是一项新的信号处理技术,是确保测量精度的关键因素。这项先进的技术可以确保探头可以在采样过程中无间断的收集采样值,确保没有数据丢失。

AR PSP系列宽带USB脉冲功率探头和他们的主要特色如下表

主要特色

1.连续采样率:100Msamples/S

2.领先的视频带宽:195MHz

3.跟踪采样速率:100 k sweeps/sec

4.时间分辨率:100ps

5.有效采样率:10Gsamples/S

6.内置RF或者外置TTL 触发

7.超快上升时间:3ns

8.Real Time功率处理技术

9.多通道同步测量

利用AR的PSP系列探头可PulsewARe软件来测量功放的压缩功率

图3展示了一个AR的PSP系列探头的演示图,在这里我们把读值做的跟标量分析仪类似,来测量RF功放的增益,PSP系列探头可以支持AR的EMCWARE和PulsewARe,PulsewARe是一窗口软件,可以提供探头的控制和数据读取,如图4.

图3

图4

AR的PSP系列脉冲功率探头和AR的固态脉冲功率放大器是一个在EMC 辐射抗扰度应用上一个很好的组合,该探头可以精确的测量功放输出的脉冲的形状和峰值特性。

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/

或5MJ/kg),该储能能力比现在的电容器大几个数量级,即使磁通压缩技术的转换效率只有1%,在很小的封闭体积里,也可以在几个us的时间内提供几MJ的能量,产生数百GW量级的脉冲功率。

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。

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