熊蘭的講座-脈沖功率技術(shù)0509.ppt

脈沖功率技術(shù),熊 蘭 電氣工程學(xué)院 2013.5,概 念,目 錄,1,發(fā) 展,2,技 術(shù),3,應(yīng) 用,4,其 他,5,2019/7/4,3,什么是脈沖功率？,將儲(chǔ)存的能量以電能的形式，用單脈沖或重復(fù)頻率的短脈沖方式加到負(fù)載上。 技術(shù)指標(biāo)：,1 概 念,電 壓： 103-107V 電子能量：0.3-15M eV（電子伏） 束流大?。?03-107A 脈沖寬度：0.1-100ns 束流功率：0.1-100TW 總能量： 1kJ-15MJ,2019/7/4,4,常見(jiàn)波形,1 概 念,上升時(shí)間：電壓峰值從10%上升到90%所需要的時(shí)間。 下降時(shí)間：同理。 上升時(shí)間和下降時(shí)間主要依賴于負(fù)載阻抗。 脈沖寬度： 定義不明確，有的定義為半高寬-脈沖最大值的50%處的時(shí)間寬度，也有定義為底寬-在幅值的90%處的時(shí)間寬度。,電子伏特(electron volt)，簡(jiǎn)稱為電子伏，縮寫(xiě)為 eV ，是能量的單位。,代表一個(gè)電子（所帶電量為-1.610(-19)庫(kù)侖）經(jīng)過(guò)1伏特的電場(chǎng)加速后所獲得的動(dòng)能。電子伏與SI制的能量單位焦耳（J）的換算關(guān)系：,1eV=1.610(-19)J,例如，一個(gè)電子及一個(gè)正子（電子的反粒子），都具有質(zhì)量大小為 511 keV ，能對(duì)撞毀滅以產(chǎn)生 1.022 M eV 的能量。質(zhì)子，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的重子具有質(zhì)量 0.938 G eV 。,核爆中帶電粒子的能量范圍約在 0.3 至 3 M eV，而大氣中分子的能量約為 0.03 eV,將粒子的能量從電子伏特轉(zhuǎn)換到開(kāi)氏溫度時(shí)，要乘以 11,605。,1 概 念,什么是脈沖功率技術(shù)？,1 概 念,研究產(chǎn)生各種強(qiáng)電（納秒級(jí)高壓）脈沖功率輸出的發(fā)生器系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)。,由初始儲(chǔ)能技術(shù)（電容器儲(chǔ)能、電感器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、核能等）產(chǎn)生所需的初級(jí)脈沖波形（毫秒到微秒量級(jí)），然后再利用脈沖成形和開(kāi)關(guān)技術(shù)，在時(shí)間尺度上通過(guò)對(duì)能量的脈沖進(jìn)行壓縮、整形，實(shí)現(xiàn)輸出脈沖峰值功率的放大，并輸出到負(fù)載，為高科技裝置和新概念武器提供強(qiáng)電脈沖功率源。,教材及參考書(shū),選用教材 李正贏，脈沖功率技術(shù)，水利電力出版社，1992 主要參考書(shū) 1）王瑩，高功率脈沖電源，原子能出版社，1991 2） Pai S.T., Qi Zhang， Introduction to high power pulse technology， Singapore : World Scientific, 1995 3）劉錫三，高功率脈沖技術(shù)，國(guó)防工業(yè)出版社，2005 4）H.Bluhm著，江偉華、張弛譯，脈沖功率系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2008 5）韓旻，鄒曉兵，張貴新，脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，2010,1938年，美國(guó)人Kingdon和Tanis第一次提出用高壓脈沖電源放電產(chǎn)生微秒級(jí)脈寬的閃光X 射線； 1939 年，蘇聯(lián)人制成真空脈沖X射線管，并把閃光 X 射線照相技術(shù)用于彈道學(xué)和爆轟物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。 采用高壓脈沖電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電方式來(lái)獲得較高電壓脈沖。 第二次世界大戰(zhàn)期間，企圖用于軍事的電磁炮和其他研究再度興起，也促進(jìn)了脈沖功率科學(xué)技術(shù)的形成和發(fā)展。,2 發(fā) 展,2019/7/4,9,2 發(fā) 展,1947年，英國(guó)人A.D.Blumlien以專利的形式，把傳輸線波的折反射原理用于脈沖形成線，在納秒脈沖放電方面取得了突破。 1962年，英國(guó)原子能研究中心的J.C.Martin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將Marx發(fā)生器與Blumlien的專利結(jié)合起來(lái)，建造了世界上第一臺(tái)強(qiáng)流相對(duì)論電子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脈沖功率達(dá)TW（1012W）量級(jí)，開(kāi)創(chuàng)了高功率脈沖技術(shù)的新紀(jì)元。,之后，大型脈沖功率裝置雨后春筍般地在世界各國(guó)建立： 1986年建成PBFA-II 裝置，其峰值電壓為12MV、電流8.4MA、脈寬40ns，其二極管束能為4.3MJ，脈沖功率1014W，是世界上第一臺(tái)功率闖過(guò)100TW 大關(guān)的脈沖功率裝置。,2 發(fā) 展,脈沖功率發(fā)展里程碑,1962年， 英國(guó)AWRC, J.C. Martin， 發(fā)展了 Marx+Blumlein， ns量級(jí) 1967年， USA, Sandia， 高功率粒子束，10MV,100KA,80ns 1972年，USA, Hary Diamond 實(shí)驗(yàn)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，俄羅斯， Kalchatov，F(xiàn)usion，2MV,40MA,90ns 中國(guó)， 1979, 西南工程物理研究院，6MV,100KA,80ns， 閃光 I 號(hào) 1995，合肥，30GW,500KA, FUSION 1980，中國(guó)工程物理研究院，星光1，星光2，神光3 西北核技術(shù)所，閃光2，1MA, 1MV, 相對(duì)論電子束加速器 華中科技大學(xué) “神光III”,美國(guó)和俄羅斯目前在脈沖功率技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。 美國(guó)從事脈沖功率技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)有Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Maxwell實(shí)驗(yàn)室、Los Alamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、海軍武器研究中心、Texas技術(shù)大學(xué)等。 1967 年在 Sandia 實(shí)驗(yàn)室建成的Hermes2I為當(dāng)時(shí)最大的脈沖功率裝置; 1972年美國(guó)陸軍的Hary Diamond實(shí)驗(yàn)室建成了Aurora裝置,這個(gè)聞名遐邇的設(shè)備由 4臺(tái) Marx發(fā)生器組成 ,是脈沖功率史上的一個(gè)里程碑 ; 1986年Sandia實(shí)驗(yàn)室又建成了FBFA2II ,是世界上第 1個(gè)闖過(guò) 100TW 大關(guān)的裝置。,2 發(fā) 展,俄羅斯從事脈沖功率技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)有庫(kù)爾恰托夫研究所、新西伯利亞核物理所、托姆斯科大電流電子學(xué)研究所、電物理裝備所、列別捷夫所等, 建造了許多大型的Marx成形線型聯(lián)合裝置,1985 年建成的 AHrapa25就是其中之一。 日本的脈沖功率技術(shù)主要應(yīng)用于強(qiáng)流粒子束加速器，特別重視輕離子的慣性約束聚變。從事脈沖功率技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)有東京大學(xué)、熊本大學(xué)、大阪大學(xué) 、長(zhǎng)崗技術(shù)大學(xué)等 , 較著名的裝 置有大阪大學(xué)的Raiden2IV和1986年長(zhǎng)崗技術(shù)大學(xué)建成ETIGO 2II。,2 發(fā) 展,我國(guó)脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用的研究是從20世紀(jì) 70年代末開(kāi)始的。中科院等離子體物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院電工技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位的研究水平居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。 國(guó)內(nèi)已有 20 多臺(tái)的Marx裝置在運(yùn)行，居首者是 1979 年西南工程物理研究院建成的“閃光 I 號(hào)”裝置 ; 20世紀(jì) 90 年代以后，國(guó)內(nèi)相繼又建成的裝置有西北核技術(shù)研究所的 “ 閃光 II 號(hào) ” ,中國(guó)工程物理研究院和上海光機(jī)所“神光II號(hào) ”，華中科技大學(xué)等聯(lián)合研制的“神光III”。,2 發(fā) 展,各國(guó)典型脈沖功率裝置的性能比較,2 發(fā) 展,幾次重大突破,首先是Blumlien傳輸線的應(yīng)用，建成脈沖功率達(dá)到TW量級(jí)的強(qiáng)流相對(duì)論電子束加速器。 第二階段是以“水”代替“油”，發(fā)展了低阻抗強(qiáng)流電子束加速器，脈沖功率達(dá)到了數(shù)十TW量級(jí)。 第三階段是激光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)加速器并聯(lián)運(yùn)行，脈沖功率達(dá)到100TW。,2019/7/4,16,2 發(fā) 展,第四次突破-感應(yīng)加速腔（脈沖功率技術(shù)結(jié)合直線加速器）， 第五次突破口-發(fā)展重復(fù)頻率脈沖技術(shù)。 現(xiàn)在世界上脈沖功率正向著更高功率（5001000TW）、更高電壓（107V）、更大電流（107A）和高重復(fù)頻率方向發(fā)展。,2019/7/4,17,幾次重大突破,2 發(fā) 展,高功率脈沖發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu),3 設(shè) 備,電能（電容器， 電感，超導(dǎo)） 機(jī)械能 （電動(dòng)機(jī)，慣性儲(chǔ)能） 化學(xué)能 （火藥，蓄電池） 傳輸線 核能,3.1 儲(chǔ) 能,3 設(shè) 備,火藥：220 kJ/g 核能：104 MJ/g,3.1 儲(chǔ) 能,3 設(shè) 備,3.1 儲(chǔ) 能,儲(chǔ)能密度,2019/7/4,22,3.1儲(chǔ)能-電容儲(chǔ)能（多為陶瓷介質(zhì)電容）,3 設(shè) 備,電壓形式,在同樣的電流下，電感儲(chǔ)能密度是電容儲(chǔ)能密度的25倍。但目前技術(shù)不夠成熟。,單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器,3.1儲(chǔ)能-電容儲(chǔ)能(多臺(tái)電容器并聯(lián)；Marx發(fā)生器),3 設(shè) 備,電容儲(chǔ)能技術(shù)成熟，但儲(chǔ)能密度低、體積和重量大，價(jià)格高，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)脈沖難，對(duì)開(kāi)關(guān)要求高。,2019/7/4,24,3.1儲(chǔ)能-電感儲(chǔ)能,3 設(shè) 備,電流形式,用電感儲(chǔ)能產(chǎn)生高壓脈沖的方法有 4 種： 單級(jí)電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換放電（包括電阻性轉(zhuǎn)換和電容性轉(zhuǎn)換）； 多級(jí)電感儲(chǔ)能脈沖發(fā)生器（分組時(shí)序并聯(lián)、多級(jí) MEATGRINDER 和逐級(jí)壓縮的電感儲(chǔ)能）； 用電流過(guò)零方法產(chǎn)生連續(xù)脈沖（電橋抵消脈沖、反向抵消脈沖和串聯(lián)抵消脈沖）； 用鐵磁元件變換脈沖（鐵氧體傳輸線和非線性電感磁壓縮）等。,3.2 脈沖發(fā)生裝置,圖（a）裝置,圖（b）等效電路,武漢大學(xué)研制的中國(guó)首臺(tái)400kV 電感儲(chǔ)能型閃光X 射線機(jī),慣性儲(chǔ)能是依靠物體運(yùn)動(dòng)來(lái)儲(chǔ)存能量的方法。 儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)機(jī)械和飛輪中的動(dòng)能是旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，不僅儲(chǔ)能密度高，而且提取方便。 一般使用較小功率的拖動(dòng)機(jī)構(gòu)，以相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間把一定質(zhì)量的轉(zhuǎn)子或飛輪慢慢地加速使其轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，儲(chǔ)存足夠的動(dòng)能，然后利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣性脈沖地驅(qū)動(dòng)合適的發(fā)電設(shè)備，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電磁能-法拉第電磁感應(yīng)定律。,3.1儲(chǔ)能-慣性儲(chǔ)能（飛輪、電機(jī)）,3 設(shè) 備,優(yōu)勢(shì)： 儲(chǔ)能密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，可移動(dòng)。 應(yīng)用： 近代同步加速器，托卡馬克聚變裝置，等離子體箍縮，大型風(fēng)洞裝置，大截面金屬對(duì)頭焊接，加熱鋼坯，泵浦大功率激光，作重復(fù)發(fā)射的粒子束武器的電源和電磁發(fā)射器的電源，燒結(jié)金屬粉末，電磁噴涂，模擬地震脈沖，脈沖金屬成型等。,3.1儲(chǔ)能-慣性儲(chǔ)能（飛輪、電機(jī)）,3 設(shè) 備,直流 換向直流脈沖發(fā)電機(jī) 單極脈沖發(fā)電機(jī) 交流 同步發(fā)電機(jī) 補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)（優(yōu)點(diǎn)：具有自開(kāi)關(guān)特性，易快速連續(xù)多次運(yùn)行，無(wú)需大功率開(kāi)關(guān)）,3.1儲(chǔ)能-慣性儲(chǔ)能,美國(guó)Texas大學(xué)研制的作為電磁炮電源的補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)，6極，4700r/min，轉(zhuǎn)子直徑0.8m，外直徑1.2m，重11噸，峰值開(kāi)路電壓2kV，電流844kA，脈寬2.54ms，38MJ。三個(gè)軌道輪流發(fā)射，長(zhǎng)3m，80g彈丸加速到2-3km/s，發(fā)射率60Hz。,慣性儲(chǔ)能機(jī)械的典型分類和性能,3.1儲(chǔ)能-慣性儲(chǔ)能,單極發(fā)電機(jī)：儲(chǔ)能密度大，但輸出電壓低，實(shí)現(xiàn)重復(fù)脈沖困難，需要大功率開(kāi)關(guān)。,作為初級(jí)高壓脈沖電源，通常由電容器構(gòu)成以下各種發(fā)生器： 蓄電池-電容器聯(lián)合脈沖電源； 電容器并聯(lián)或串聯(lián)，多半構(gòu)成沖擊電流發(fā)生器； 經(jīng)典Marx發(fā)生器（沖擊電壓發(fā)生器），電容并聯(lián)充電后串聯(lián)放電輸出高電壓脈沖； 高效能Marx發(fā)生器； 電感隔離型Marx發(fā)生器（包括全電感隔離型和電阻-電感并聯(lián)隔離型）； L-C 倍壓器（反向疊加型和振蕩級(jí)聯(lián)型）。,3.2 脈沖發(fā)生裝置,單級(jí)沖擊電壓發(fā)生器,3.2 脈沖發(fā)生裝置,T1:調(diào)壓器；T2：升壓變壓器；D硅堆（整理管）； C1：儲(chǔ)能電容；G：大功率開(kāi)關(guān),經(jīng)典Marx發(fā)生器,3.2 脈沖發(fā)生裝置,重慶大學(xué)輸變電裝備安全與及新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2400kV/260kJ,經(jīng)典Marx發(fā)生器,3.2 脈沖發(fā)生裝置,工作原理： 電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電,試品得到多大電壓？ 脈沖極性？,3.2 脈沖發(fā)生裝置,全電感隔離型Marx發(fā)生器,采用集中式限流電感的全固態(tài)單極性Marx發(fā)生器,3.2 脈沖發(fā)生裝置,采用半導(dǎo)體充電開(kāi)關(guān)的單極性Marx發(fā)生器,電容器 火花開(kāi)關(guān) 電阻 連接導(dǎo)體 觸發(fā)方式 變壓器油 絕緣,3.2 脈沖發(fā)生裝置,Marx發(fā)生器的零部件,3.2 脈沖發(fā)生裝置,英飛凌 eupec IGBT,大功率波紋線繞電阻,大功率鋁合金線繞電阻,電容器 合成油浸漬聚丙烯薄膜絕緣型電容器，具有較好的耐沖擊電流性能，其儲(chǔ)能密度達(dá)0.15J/cm3，單只電容器（KJ量級(jí)）的總電感可低達(dá)10-30nH。 “自愈式”電容器，采用鍍有金屬薄膜（0.1um量級(jí)）的有機(jī)薄膜或電容器紙?jiān)诔瑑魲l件下緊密卷繞制成，無(wú)需油浸，儲(chǔ)能密度達(dá)到1J/cm3量級(jí)。,Marx發(fā)生器的零部件,3.2 脈沖發(fā)生裝置,高壓電容器,火花開(kāi)關(guān),兩電極開(kāi)關(guān)：簡(jiǎn)單的氣體火花開(kāi)關(guān)是一種兩電極放電部件，利用絕緣容器在電極之間充壓縮氣體（空氣、氮?dú)狻⒘虻龋┮蕴岣吖ぷ麟妷?，甚至直接暴露于大氣中，開(kāi)關(guān)先承受一定的高電壓而呈現(xiàn)絕緣（高阻抗）狀態(tài)，然后氣體擊穿形成等離子體傳導(dǎo)通道而接通電路。 三電極開(kāi)關(guān)：在兩電極開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，增加觸發(fā)極，可以接收指令觸發(fā)擊穿，獲得較好的同步或關(guān)聯(lián)工作性能。,Marx發(fā)生器的零部件,3.2 脈沖發(fā)生裝置,Marx發(fā)生器的零部件,3.2 脈沖發(fā)生裝置,火花開(kāi)關(guān),氣體火花開(kāi)關(guān)還可以利用激光、X光、電子束等進(jìn)行觸發(fā)，Marx發(fā)生器的氣體火花開(kāi)關(guān)通常都是電觸發(fā)的。 氣體火花開(kāi)關(guān)可以說(shuō)是Marx發(fā)生器中最為關(guān)鍵的部件?；疽笫请姼行?、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。 性能穩(wěn)定分靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。 靜態(tài)性能穩(wěn)定是指開(kāi)關(guān)在耐受直流高壓期間不易發(fā)生自放電，并且擊穿特性（擊穿電壓和工作氣體壓強(qiáng)及間隙長(zhǎng)度的關(guān)系）不易隨放電次數(shù)的增加而發(fā)生明顯變化。 動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定指開(kāi)關(guān)在觸發(fā)脈沖或瞬態(tài)過(guò)電壓（高于直流擊穿電壓的瞬態(tài)）作用下?lián)舸r(shí)具有足夠小的擊穿延遲時(shí)間分散性。,Marx發(fā)生器的零部件,電阻器,水電阻：功率容量大，阻值范圍大，柔韌性好，適應(yīng)性強(qiáng)。 缺點(diǎn)：液體包容部件的塑料軟管容易老化，受氣溫影響較大，安裝使用過(guò)程中易殘存和析出氣體等。 在功率不大的情況下，總儲(chǔ)能很小，開(kāi)關(guān)數(shù)量很少時(shí)，可以使用繞線式電阻器。,Marx發(fā)生器的零部件,電阻器,充電電阻，接地電阻，觸發(fā)電阻 選取電阻器除了要考慮功率問(wèn)題以外，還要保證其與相應(yīng)電容器的時(shí)間常數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生器對(duì)其負(fù)載的放電時(shí)間。 觸發(fā)電阻除要考慮自身功率和相應(yīng)電容器常數(shù)外，還要限制觸發(fā)電流以保護(hù)觸發(fā)器。,脈沖發(fā)電機(jī)利用機(jī)械能轉(zhuǎn)換電脈沖的發(fā)電裝置，多半是先用透平機(jī)或電動(dòng)機(jī)把大質(zhì)量飛輪驅(qū)動(dòng)起來(lái)，旋轉(zhuǎn)到高速度，使飛輪慣性地儲(chǔ)存動(dòng)能。然后，突然轉(zhuǎn)接到脈沖發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，產(chǎn)生電脈沖輸出，飛輪因釋能而被減速或停轉(zhuǎn)。 其中，補(bǔ)償式脈沖交流（C P A ）發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)和磁通壓縮兩種原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)線圈電感補(bǔ)償，把慣性儲(chǔ)能、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和脈沖成形三者融為一體，能直接以幾百赫茲的頻率輸出幾千伏、幾百千安的電脈沖，性能較優(yōu)秀。,3.2 脈沖發(fā)生裝置,美國(guó)研發(fā)的脈沖交流發(fā)電機(jī),產(chǎn)生短時(shí)高電壓、大電流或大功率脈沖的發(fā)電機(jī)。 包括沖擊電壓發(fā)生器、沖擊電流發(fā)生器和高功率脈沖發(fā)生器。,由于化學(xué)燃料，尤其是含能材料，具有很高的儲(chǔ)能密度（例如高能炸藥為46 MJ/kg），又能快速脈沖地釋放和轉(zhuǎn)換成電脈沖，所以現(xiàn)代脈沖功率技術(shù)常采用化學(xué)能的脈沖發(fā)電裝置，例如高儲(chǔ)能密度的電化學(xué)電源（含太陽(yáng)能光伏電池對(duì)蓄電池充電）。,3.2 脈沖發(fā)生裝置,3.3 脈沖成形系統(tǒng),電容器（脈沖陡化） 電感（磁壓縮開(kāi)關(guān)） 變壓器（升壓，脈沖變換） 傳輸線(或者脈沖形成線，分為平行板或者同軸線) PFN（Pulse Forming Network）脈沖成形網(wǎng)絡(luò) 開(kāi)關(guān) 閉合開(kāi)關(guān)，斷路開(kāi)關(guān) 氣體開(kāi)關(guān)，固體開(kāi)關(guān)，等離子體開(kāi)關(guān)，機(jī)械開(kāi)關(guān) 單次放電，重復(fù)脈沖 自擊穿，外擊穿,3 設(shè) 備,3.3 脈沖成形系統(tǒng),通過(guò)能量或時(shí)間壓縮方法，對(duì)儲(chǔ)能或發(fā)生系統(tǒng)輸出的功率脈沖進(jìn)行整形和變窄，以達(dá)到需要的脈沖功率值和脈沖形狀以及脈寬的要求。 分 類： 脈沖傳輸-成形線及其倍壓器 脈沖功率變壓器 大功率開(kāi)關(guān)技術(shù),一種串級(jí)脈沖變壓器,3.3 脈沖成形系統(tǒng),開(kāi)關(guān)元件的參數(shù)和特性對(duì)脈沖的上升時(shí)間、幅值等產(chǎn)生最直接、最敏感的影響 , 因此開(kāi)關(guān)元件在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊的地位。另外，開(kāi)關(guān)元件在高電壓、強(qiáng)電流條件下工作, 環(huán)境十分惡劣。因此，開(kāi)關(guān)元件的擊穿現(xiàn)象和開(kāi)關(guān)電極上的放電物理過(guò)程均十分復(fù)雜。 要解決好這些問(wèn)題，需研究開(kāi)關(guān)擊穿過(guò)程、電極損耗過(guò)程及開(kāi)關(guān)電壓的恢復(fù)過(guò)程等物理現(xiàn)象,而所有研究工作的基礎(chǔ)是等離子物理、材料學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)。,3.3 脈沖成形系統(tǒng),幾種常見(jiàn)開(kāi)關(guān)的主要參數(shù)比較,3.3 脈沖成形系統(tǒng),真空二極管：是高電壓、低電感的傳輸線負(fù)載,3.4 二極管,必須考慮脈沖傳輸-成形線與二極管之間的匹配問(wèn)題,在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下，金屬晶須爆炸形成陰極等離子體，并且高密度強(qiáng)電子束經(jīng)陰極等離子體發(fā)射而產(chǎn)生。 兩種形式的電子流： 1）基本上平行于電力線的電子流； 2）聚焦流或箍縮流（由于強(qiáng)流束的自身磁場(chǎng)作用），幾乎平行于電力線。,輻照二極管：提供強(qiáng)射線輻射源，模擬核爆效應(yīng)。,3.4 二極管,應(yīng)用實(shí)例,聚焦（箍縮）二極管：在小面積上（焦斑）產(chǎn)生高照射量。,等離子體輻射源二極管：模擬核爆效應(yīng)的射線效應(yīng),離子二極管：慣性約束聚變。利用自磁場(chǎng)和陽(yáng)極的曲率效應(yīng)進(jìn)行聯(lián)合聚焦，離子匯聚到中心靶區(qū)。,微波二極管：用于高功率微波和自由電子激光，產(chǎn)生空心薄層環(huán)形電子束，順著外磁場(chǎng)的磁力線，由二極管進(jìn)入真空漂移管。,低阻抗電子束二極管：利用強(qiáng)流電子束在漂移區(qū)打靶產(chǎn)生韌致輻射。,感應(yīng)直線加速二極管：天鵝絨布做的冷陰極反射體，發(fā)射理論：1）爆炸等離子體發(fā)射；2）基于真空-絕緣體-金屬電極三結(jié)界點(diǎn)的預(yù)擊穿電子發(fā)射。,是提供能量高，流強(qiáng)大，品質(zhì)好的電子束流的關(guān)鍵設(shè)備，并且通過(guò)電子束打靶可轉(zhuǎn)化成X輻射源。 電子能量一般都較高（大于5MeV），輸出功率幾-幾十kW。在輻射加工安全許可范圍內(nèi)，高能（大于5MeV）電子對(duì)被照射物具有最深的有效穿透。,3.5 電子直線加速器,3.5 脈沖功率特點(diǎn),慢充電儲(chǔ)能，快放電； 在許多情況下，脈沖的幅值更高； 輸出脈沖功率大； 脈沖上升時(shí)間更短，脈寬更?。?在許多情況下，需要輸出重復(fù)脈沖； 回路元件多，加工工藝要求高，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜 負(fù)載多樣性，復(fù)雜性,3 設(shè) 備,沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn) 瞬變響應(yīng)特性好 不確定度： 幅值 3% 時(shí)間10% 測(cè)量方法 球隙測(cè)量、分壓器+示波器(峰值表),3.6 脈沖檢測(cè)方法,3 設(shè) 備,球隙測(cè)量,50%放電電壓 球隙放電電壓表 正極性沖擊放電表 保護(hù)電阻 R500，L 30H,3.6 脈沖檢測(cè)方法,3 設(shè) 備,三組件系統(tǒng) 二組件系統(tǒng) 理想分壓比 各部件誤差,分壓器+示波器(峰值表),3.6 脈沖檢測(cè)方法,3 設(shè) 備,電阻分壓器 阻值低，分布電容影響測(cè)量誤差， 吸收功率大，測(cè)量電壓低 電容分壓器 有幅值誤差，無(wú)波形誤差,3.6 脈沖檢測(cè)方法,3 設(shè) 備,電容分壓器,3.6 脈沖檢測(cè)方法,3 設(shè) 備,脈沖功率技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上很活躍的前沿高科技之一，關(guān)鍵是高壓納秒脈沖技術(shù)、高功率離子束的產(chǎn)生和應(yīng)用技術(shù)。,產(chǎn)生強(qiáng)流粒子束，包括電子束、離子束和中子源。 產(chǎn)生強(qiáng)脈沖電磁幅射，包括射線（或伽馬射線）、高功率微波（HPM）、超寬帶輻射（UWB）、電磁脈沖（EMP）、相干光源（從紅外到紫外）等。 產(chǎn)生強(qiáng)電脈沖效應(yīng)，包括強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)、電磁炮、內(nèi)爆等離子體、等離子體焦點(diǎn)、脈沖電暈放電（非熱等離子體）和聲擊波等。,4 應(yīng) 用,脈沖功率 裝置,粒子束,電磁輻射,強(qiáng)電脈沖,電子束,離子束,中子源,X射線/伽馬射線,激光器,、,電磁脈沖（）,強(qiáng)磁場(chǎng)/強(qiáng)電場(chǎng),電磁炮,Z箍縮,脈沖電暈,聲擊波,4 應(yīng) 用,粒子束,核爆模擬器,高能閃光X射線照相,慣性約束聚變,4 應(yīng) 用,電磁脈沖,高功率微波,高功率激光器的激勵(lì),強(qiáng)脈沖中子源,內(nèi)爆等離子體,領(lǐng) 域：,工業(yè)領(lǐng)域 軍事、國(guó)防 科學(xué)技術(shù)研究,4 應(yīng) 用,工業(yè)應(yīng)用,Plasma physics 等離子體物理（脫硫脫氮、凈化 廢氣、水處理） Pulsed x-ray 脈沖X射線 Flue gas cleanup 煙氣清理（除煙塵） Water and organics treatment 水處理、有機(jī)物處理 Metal forming 金屬加工成型 Discharging in water for kidney stone removal 水中放電排腎結(jié)石 Food disinfection 食品消毒滅菌 Material process 材料加工處理,4 應(yīng) 用,軍事、國(guó)防應(yīng)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 軌道槍 Coil gun 線圈槍 Electrothermal Chemical Gun 電熱化學(xué)槍,4 應(yīng) 用,科學(xué)研究,High magnetic field 強(qiáng)磁場(chǎng) Inertial confinement fusion (ICF) 慣性約束聚變 Synchrotron radiation 同步加速器輻射 High velocity launch and collision 高速度發(fā)射和碰撞,4 應(yīng) 用,4 應(yīng) 用-工業(yè)生產(chǎn),核聚變電站 強(qiáng)流脈沖離子束輻照-渦輪葉片表面的清洗加工；YSZ熱障涂層表面改性；鈦合金表面改性的機(jī)理研究；高溫金屬材料；表面再制造技術(shù)原理與應(yīng)用 水處理-滅菌消毒 脈沖電暈放電減排SO2和NOx 有機(jī)物處理-廢棄有毒物 脈沖或者靜電除塵,核聚變的能量是通過(guò)兩個(gè)原子合并為一個(gè)原子而產(chǎn)生的。 在核聚變反應(yīng)堆中，氫原子發(fā)生聚變，進(jìn)而形成氦原子、中子，并釋放巨大的能量。氫彈和太陽(yáng)的能量就是靠這種反應(yīng)提供的。與核裂變相比，核聚變所產(chǎn)生的能量更加清潔、安全、高效，其能量來(lái)源也更為豐富。核聚變反應(yīng)大多數(shù)都涉及氫的同位素氘和氚。,核聚變電站,4 應(yīng) 用-工業(yè)生產(chǎn),人工太陽(yáng)-核聚變電站,4 應(yīng) 用-工業(yè)生產(chǎn),4 應(yīng) 用-工業(yè)生產(chǎn),核聚變電站,核聚變點(diǎn)火過(guò)程,water disinfection 等離子體進(jìn)行水的消毒滅菌,4 應(yīng) 用,*定義1: “包含足夠多的正負(fù)電荷數(shù)目近于相等 的帶電粒子的物質(zhì)聚集狀態(tài)?！?（金佑民，樊友三，“低溫等離子體物理基礎(chǔ)”， 清華大學(xué)出版社，1983年） 過(guò)分廣義。 固態(tài)等離子體：晶格中正離子與自由電子組合; 半導(dǎo)體中電子與空穴的組合等。 液態(tài)等離子體：如電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的組合。 *定義2: “等離子體是由大量帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)。” （國(guó)家自然科學(xué)基金委，“等離子體物理學(xué)發(fā)展 戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告”，1994年） 強(qiáng)調(diào)了非凝聚系統(tǒng)，即排除了單純的固態(tài)和液 態(tài)，但包含了電子束和離子束。,什么是等離子體?,定義3: “等離子體是包含足夠多的正負(fù)電荷 數(shù)目近于相等的帶電粒子的非凝聚系統(tǒng)?！?（YXF） 單純氣態(tài)： 完全或部分電離了的氣體 (微放電區(qū)電離度下限 10-6, 大氣壓下 放電空間平均電離度可低至10-12) 非單純氣態(tài)：塵埃等離子體 (伊林，王友年，王曉剛， 王德真） 霧滴等離子體 （YXF）,什么是等離子體?,氣體放電 等離子體 （電場(chǎng)作用加速荷電粒子導(dǎo)致電離） 1）低氣壓放電：直流 輝光放電 高頻放電 （微波、射頻） 2）高氣壓放電：直流 弧光放電 (LTE) 電暈放電 (NTE) 介質(zhì)阻擋放電 (NTE) 2. 熱致電離等離子體 (高平動(dòng)能原子、分子碰撞導(dǎo)致電離) 高溫燃燒、爆炸、擊波 3. 輻射電離等離子體 （光電離） X-射線、紫外光等,低溫等離子體的產(chǎn)生方式,電暈層外區(qū) （暗區(qū)）,電暈放電 形成條件: 二電極曲率半徑相差 懸殊 (線筒、線板、針板） 特點(diǎn)： 1. 高氣壓 (105-106Pa) 高電壓降 (103-105 V) 低電流密度 (10-3-10-6A/cm2) 4. Te Ti Tg 102 K,電暈層,筒狀電極,線電極,低溫等離子體的產(chǎn)生方式,介質(zhì)阻擋放電 形成條件: 二電極間有絕緣介質(zhì)存在 交變電場(chǎng) 特點(diǎn)： 1. 高氣壓 (105-106 Pa) 高電壓降 (103-105 V) 低電流密度 (10-2-10-3A/cm2) Te Ti Tg 102 K,HV（a.c.),低溫等離子體的產(chǎn)生方式,大氣壓輝光放電 (APGD),Masuhoro Kogoma et al. 1987 年世界上首次獲得APGD (2004年12月Kogoma 來(lái)大工訪問(wèn)) 早期三條件: 1) He 2) 交流頻率 1 kHz 3) DBD 亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，擴(kuò)散系數(shù)大, 其能量與電離勢(shì)接近 高分子膜及紡織品改性處理; 大氣壓下均勻CVD等 F. Massines: (8th APCPST, Australia, July, 2006) N2: APTD; He: APGD (雙介質(zhì)層; 緊密接觸) 清華 王新新, 大工 王德真等, 國(guó)自重點(diǎn)基金(2004-2007),低溫等離子體的產(chǎn)生方式,大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積 (已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用） 等離子體平面顯示器 (PDP) (已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)階段） 等離子體化工合成及轉(zhuǎn)化 （O3發(fā)生器，已工業(yè)化半世紀(jì)，CH4轉(zhuǎn)化，煤轉(zhuǎn)化，等離子體引發(fā)聚合，) 等離子體環(huán)境工程 （燃煤電廠煙氣中氮、硫氧化物脫除，VOC脫除， 汽車尾氣中氮氧化物脫除，固體廢料處理，) 紡織品等材料表面的等離子體改性 (已產(chǎn)業(yè)化） 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD)制備各種新型材料 （金剛石，類金剛石，碳納米管，),等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積 * 全世界與大規(guī)模集成電路相關(guān)工業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)萬(wàn)億美元以上。等離子體化學(xué)刻蝕與沉積是大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)中的核心環(huán)節(jié)之一。 * 1998年7月，參觀了設(shè)在臺(tái)新竹交通大學(xué)內(nèi)的“國(guó)科會(huì)毫微米元件實(shí)驗(yàn)室”。其設(shè)備總值約1億美元，包含一套從美進(jìn)口的90年代中期水平的大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)流水線（超凈廠房，10級(jí)， 10 塵埃/m3 )。已完成250 nm 元件技術(shù)開(kāi)發(fā)，正在開(kāi)發(fā) 130 nm元件制備技術(shù)。每年來(lái)此實(shí)驗(yàn)室工作的臺(tái)研究生有約400人。,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積,以Si刻蝕為例： Mask 制備： UV, VUV lasers: X-ray 100 nm (同步輻射） Electron-beam,F,Mask,Si,等離子體化學(xué)刻蝕： 屬干法刻蝕，刻蝕形狀規(guī)則，應(yīng)可勝任 100 nm 之刻蝕。 刻蝕中要求保持盡可能低的氣體壓力和盡可能高的電子密度(等離子體密度）。 如90年代初工業(yè)上開(kāi)始采用的新型“Helicon” 射頻源（70年代中期實(shí)驗(yàn)室研究成功）氣體壓力從數(shù)百 mtorr 降至數(shù)mtorr，等離子體密度從109 cm-3 上升至1010-12 cm-3 (相當(dāng)于電離度從10-6上升至10-3- 10-1) 。,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,大規(guī)模集成電路制備中的等離子體化學(xué)刻蝕與沉積 Si刻蝕用氣體以CF4 + O2 最為常用。與刻蝕 相關(guān)主要反應(yīng)： ） 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，新一代等離子體源刻蝕機(jī)理研究:(國(guó)自重點(diǎn)基金: 2007-2010),等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)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. 等離子體平面顯示器 (PDP),3 等離子體化工合成及轉(zhuǎn)化 (示例) O3制備 DBD放電，已工業(yè)化（瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家飲用水凈化）半個(gè)世紀(jì)，不斷有新的應(yīng)用（小家電消毒、滅菌）。 *初始過(guò)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 大連凌水有O3發(fā)生器工廠，從數(shù)百瓦到數(shù)十千瓦）,4. 等離子體環(huán)境工程 (示例 ) 人類新世紀(jì)面臨的三大環(huán)境問(wèn)題 CO2等溫室氣體排放帶來(lái)的全球氣候變暖及海平面升高等災(zāi)害 2. NOx, SOx 等排放帶來(lái)的酸雨等災(zāi)害 3. 臭氧層破壞帶來(lái)的紫外輻射穿透到大氣層問(wèn)題,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,4. 等離子體環(huán)境工程 (示例 ) 最重要的空氣污染物: 氮氧化物 (NOx = NO, NO2, N2O) 硫氧化物 (SOx = SO2, SO3 ) (酸雨！） 可揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOCs) 如甲醛、苯、甲苯等 VOC = Volatile Organic Compounds,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,4. 等離子體環(huán)境工程 (示例 ) NOx 脫除 1). 還原法 NOx + NH3 (HR, CO, H2, ) N2+ H2O (+ CO2) * 火力發(fā)電廠燃燒尾氣: NH3-selective catalytic reduction (over oxides of V, Ti, W). 已產(chǎn)業(yè)化 * 汽車尾氣(oxygen-free ） 三效催化劑（Three-Way Catalysts ) 同時(shí)脫除 NOx, HR & CO 已產(chǎn)業(yè)化 * 富氧燃燒(lean-burn)內(nèi)燃機(jī)尾氣 選擇還原催化劑開(kāi)發(fā)中,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,2). 氧化法 NO + O (O3, HO2) NO2 NO2 + OH HNO3 H NO3 + NH3 NH4NO3 3). 分解法 NOx N2 + O2 * 熱力學(xué)可行 * 最理想也最困難,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,等離子體(氧化)法脫除氮、硫氧化物（一） 電子束法： 日Ebara公司，1970年提出，80年代初中試，90年代中期工業(yè)化。我國(guó)成都電廠（200MW 機(jī)組，30萬(wàn)Nm3/h 煙氣）， 1998年建成使用(日方贈(zèng)送)。 * O, OH, HO2 產(chǎn)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,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,等離子體法脫除氮、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 脈沖電暈法： 吳彥等（國(guó)家“八五”，“九五”攻關(guān)，“十五” “863”）,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,等離子體法脫除VOC（揮發(fā)性有機(jī)物） 2005年5月, 加拿大Mc Master大學(xué)等離子體環(huán)境工程專家Jen-Shih Chang (張仁世)教授訪 問(wèn)大工(華裔, 日出生至獲碩士, 會(huì)日、英、漢語(yǔ)） * 等離子體脫除室內(nèi)VOC （全世界 50萬(wàn)臺(tái)空調(diào)器/年， dc or Pulsed dc） 步驟1： 靜電除塵 步驟2： TiO2 脫VOC dir. or indir. plasma (lamp) 步驟3： 活性碳（MnO2) 脫O3及NOx * 固體垃圾處理（全世界僅日本，數(shù)十個(gè)工廠） 步驟1： 焚燒發(fā)電 步驟2： 等離子體炬處理燃燒灰燼 步驟3： 殘?jiān)饘倩厥?張教授： 東莞垃圾綜合處理方案（2005年春，全國(guó)首個(gè)）,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,5. 紡織品等材料表面的等離子體改性,以紡織品為例 目的: 材料 改進(jìn) 提高 提高 提高 提高 提高 染色性 防水性 親水性 防燃性 防縮性 抗靜電性 羊毛 棉花 聚酯纖維 手段： 刻蝕， 交聯(lián)或分子鏈切斷， 官能團(tuán)導(dǎo)入,等離子體化學(xué)的主要應(yīng)用及若干最新進(jìn)展,靜電除塵,主電路主要由交流電抗器、三相整流橋、濾波電容、IGBT全橋逆變電路、高頻升壓變壓器、高壓整流硅堆組成。,高頻升壓變壓器：80kV，1200 mA,電除塵器是利用高壓電場(chǎng)使含塵粒荷電 ，用靜電力使粒子與氣流分離的除塵設(shè)備。由于粒子在高壓電場(chǎng)中受到靜電力較大，亞微米顆粒也能有效脫除，除塵效率高。,u1具體的電源輸出參數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度,4 應(yīng) 用-工業(yè)生產(chǎn),電磁脈沖武器,核電磁脈沖彈,一種以增強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)為主要特征的新型核武器。,非核電磁脈沖彈,是利用炸藥爆炸壓縮磁通量的方法產(chǎn)生高功率電磁脈沖的電磁脈沖武器，目前已有國(guó)家裝備了這種武器。,4 應(yīng) 用-軍事、武器,電磁脈沖武器： 利用能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生強(qiáng)電子束流，激勵(lì)高功率微波源產(chǎn)生極高脈沖功率輻射電磁能的一種武器。 電磁脈沖武器分為核電磁脈沖武器和非核電磁脈沖武器。,核電磁脈沖武器： 一種利用核爆炸產(chǎn)生的高強(qiáng)度電磁脈沖，對(duì)目標(biāo)-電子線路和元器件實(shí)施破壞的電磁脈沖武器。這是一種以增強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)為主要特征的新型核武器。核爆炸時(shí)，除產(chǎn)生沖擊波、光熱輻射、放射性污染之外，還有第四種效應(yīng)電磁脈沖效應(yīng)。當(dāng)這種電磁脈沖通過(guò)天線或天線等效體進(jìn)入毫無(wú)防備的電子設(shè)備，會(huì)在一瞬間造成雷達(dá)迷盲、通信中斷、計(jì)算機(jī)失控，使指揮控制系統(tǒng)的電子部件遭到極大破壞。,4 應(yīng) 用-軍事、武器,核電磁脈沖武器,誕生于氫彈實(shí)驗(yàn) 1961年10月30日，蘇聯(lián)在新地島上空試爆史上最大的萬(wàn)噸級(jí)氫彈時(shí)，就曾致使方圓數(shù)千公里內(nèi)的通訊線路及雷達(dá)系統(tǒng)全數(shù)“罷工” 。 1963年7月9日，美 國(guó)在太平洋的約翰斯頓島上空40km處進(jìn)行空爆核試驗(yàn)后，距約翰斯頓島1400km之遙的檀香山卻陷入一片混亂。 防盜報(bào)警器響個(gè)不停，街燈熄滅，動(dòng)力設(shè)備上的繼電器一個(gè)個(gè)被燒毀,核爆電磁脈沖武器： 主要是指采用高空核爆的核武器。即使是一顆普通的氫彈，如果采用高空爆炸的方式，以電磁脈沖形式釋放的能量在此次爆炸能量中占的份額也將比大氣層內(nèi)的核爆炸提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。特別重要的是，在大氣層外的高空爆炸時(shí)，由于沒(méi)有空氣，就不能產(chǎn)生沖擊波，也不能生成熱輻射，而放射性塵屑又隨距離平方而減弱，電磁脈沖幾乎成了唯一的核爆炸效應(yīng)。后果是破壞電子設(shè)備，比如敵方的通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、指揮系統(tǒng)電力網(wǎng)等，但毫不傷害人。研制一種使電磁脈沖效應(yīng)大大增強(qiáng)的、新型的核武器是十分自然而且必要的。 低空核爆炸：電磁脈沖效應(yīng)為非主要破壞效應(yīng)。 高空核爆炸：電磁脈沖效應(yīng)為主要破壞效應(yīng)。 關(guān)于高空和低空的劃分: 20公里-稠密的大氣層 20-40公里- 稀薄的大氣層 40公里-基本沒(méi)有空氣 20公里以下的爆炸定義為低空爆炸 40公里以上的爆炸定義為高空爆炸（大氣層外的爆炸）,核爆電磁脈沖武器,100 km,30 km,大氣層,伽馬射線,康普頓效應(yīng),* 自由電子 *,NEMP,NEMP,伽馬射線,Earth field,高空核磁暴,3000 km,4 應(yīng) 用-軍事、武器,美國(guó)鷹派智庫(kù)傳統(tǒng)基金會(huì)2013年3月30日發(fā)布警告：“核爆產(chǎn)生的電磁脈沖將會(huì)帶來(lái)大范圍的破壞，摧毀美國(guó)的經(jīng)濟(jì)，秒殺死上百萬(wàn)美國(guó)人?！薄?核電磁脈沖（NEMP）特性,幅度大。核電磁脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度在幾公里范圍內(nèi)可達(dá)110萬(wàn)Vm。 作用時(shí)間短。核電磁脈沖的電場(chǎng)變化迅速，在0.010.03us的時(shí)間內(nèi)即可上升到最大值。 頻譜寬。核電磁脈沖的頻率范圍寬（幾100MHz）。 作用范圍廣。高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖作用范圍廣。,4 應(yīng) 用-軍事、武器,雷電電磁脈沖（LEMP） 和核電磁脈沖（NEMP） 測(cè)試數(shù)據(jù)的差異,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（雷電） pulse!,4 應(yīng) 用-軍事、武器,時(shí)域和頻譜比較,時(shí)域,頻譜,s,NEMPs can reach up to several hundred MHz!,A NEMP is much faster than a lightning strike!,4 應(yīng) 用-軍事、武器,雷電電磁脈沖（LEMP） 和核電磁脈沖（NEMP）,核電磁脈沖的破壞類型,可使晶體二極管、晶體管、集成電路、電阻及電容、濾波器、繼電器和粒波器等電子元器件受到損壞； 可以與電纜、導(dǎo)線和天線等耦合，引起電子設(shè)備的失效或損壞、電路開(kāi)關(guān)跳閘和觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)； 能使根據(jù)磁通工作的存貯器（磁心、磁鼓和磁帶等）消磁或失真，破壞元器件或抹去存貯的信息和引起關(guān)閉傳遞假信號(hào)。 電磁脈沖使飛機(jī)和導(dǎo)彈等的金屬外殼上產(chǎn)生很大的感生電流，使電子元器件、線路和設(shè)備受到不同程度的干擾和破壞.,4 應(yīng) 用-軍事、武器,非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,非核電磁脈沖武器：利用炸藥爆炸壓縮磁通量的方法產(chǎn)生高功率電磁脈沖的電磁脈沖武器。其原理是將炸藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為巨大的脈沖電磁能，利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)敵方裝備進(jìn)行軟殺傷。世界上少數(shù)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的具有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的非核電磁脈沖武器可分為四大類：電磁脈沖彈、高能電磁脈沖發(fā)生器、電磁炮、高功率微波炮和爆炸驅(qū)動(dòng)磁通壓縮輻射器。 1）電磁脈沖彈是一種利用大功率電磁脈沖直接殺傷破壞目標(biāo)或使目標(biāo)喪失作戰(zhàn)效能的非核電磁脈沖武器。這種武器由飛機(jī)或?qū)椩诳罩邪l(fā)射并爆炸后，其強(qiáng)大的脈沖功率可將敵方的電子靈敏元件，甚至整個(gè)電子設(shè)備燒毀。這種武器的破壞目標(biāo)通常不是某一種電子設(shè)備，而是某一地區(qū)的幾乎所有電子設(shè)備。據(jù)稱，俄羅斯已研制成功一次可釋放能量100兆焦耳的電磁脈沖彈，該彈對(duì)北約的C4ISR系統(tǒng)威脅極大。,非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,1）電磁脈沖彈是一種利用大功率電磁脈沖直接殺傷破壞目標(biāo)或使目標(biāo)喪失作戰(zhàn)效能的非核電磁脈沖武器。,結(jié)構(gòu)：包括一個(gè)金屬圓筒（稱為電樞），它由一個(gè)線圈（定子線圈）環(huán)繞而成。電樞筒內(nèi)裝滿了高能炸藥，整個(gè)裝置外面包裹著一層堅(jiān)硬外殼。,炸彈爆炸的發(fā)生順序： 用開(kāi)關(guān)將電容器與定子相連，并通過(guò)導(dǎo)線傳輸電流，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。 引爆裝置點(diǎn)燃爆炸材料，爆炸以波的形式在電樞筒中部傳播。 當(dāng)爆炸通過(guò)電樞后，電樞筒將與定子線圈接觸。這就產(chǎn)生了短路，從而切斷定子與電源之間的通路。 這種自動(dòng)短路壓縮了磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁脈沖。,2）高能電磁脈沖發(fā)生器 發(fā)射頻帶很寬的電磁脈沖，可瞬間大范圍覆蓋目標(biāo)系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，對(duì)電子設(shè)備有很大的威脅。據(jù)報(bào)道，美軍正在研究用高能炸彈驅(qū)動(dòng)的電磁脈沖發(fā)生器，在最近的實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)3.05米、寬0.61米的普洛西翁型發(fā)生器產(chǎn)生了上升時(shí)間僅400納秒的1216兆安的脈沖，有效功率達(dá)4TW。,核電磁脈沖武器和非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,2）高能電磁脈沖發(fā)生器 發(fā)射頻帶很寬的電磁脈沖，可瞬間大范圍覆蓋目標(biāo)系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，對(duì)電子設(shè)備有很大的威脅。據(jù)報(bào)道，美軍正在研究用高能炸彈驅(qū)動(dòng)的電磁脈沖發(fā)生器，在最近的實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)3.05米、寬0.61米的普洛西翁型發(fā)生器產(chǎn)生了上升時(shí)間僅400納秒的1216兆安的脈沖，有效功率達(dá)4TW。,核電磁脈沖武器和非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,核電磁脈沖武器和非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,3) 電磁炮,電磁炮分為電磁軌道炮和電磁線圈炮兩種形式。 電磁軌道炮由兩條平直導(dǎo)軌和導(dǎo)軌間的彈丸滑塊組成，當(dāng)接通強(qiáng)電流時(shí)導(dǎo)軌間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通電滑塊在洛倫茲力作用下加速射出。 電磁線圈炮則由通電加速線圈和永磁/電磁彈丸組成，通過(guò)洛倫茲力加速?gòu)椡琛?核電磁脈沖武器和非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,我軍一種口徑20mm左右的車載反坦克 (也可能實(shí)現(xiàn)機(jī)載)，核心設(shè)備包括*MW級(jí)的高脈沖發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)線圈和高速裝彈機(jī)，可以把超過(guò)120g的實(shí)心穿甲彈加速到3.5km/s以上，射速在10發(fā)/分到15發(fā)/分之間(射速和彈頭初速要求有關(guān))。實(shí)驗(yàn)表明，彈頭雖小，但是由于初速高，完全能夠擊穿現(xiàn)役所有主戰(zhàn)坦克裝甲，效果就和用AK47掃射本田轎車一樣。,3) 電磁炮,電磁炮目前還需要更大容量的脈沖電源，同時(shí)還需要更耐高溫和更高強(qiáng)度的導(dǎo)軌材料以解決最頭疼的能量和燒蝕問(wèn)題！,能產(chǎn)生GW量級(jí)的微波，就像探照燈和手電筒射出的光束一般，可瞬間擊毀電子元器件。據(jù)稱，美空軍擬將輸電約30兆安的小型高功率微波炮裝在巡航導(dǎo)彈中，利用類似聚光罩的天線，將高功率微波炮的輸電能量匯聚在大約30度的范圍內(nèi)，從而達(dá)成對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行癱瘓攻擊的效應(yīng)。,非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,4）高功率微波炮,消息：美國(guó)F-22隱形飛機(jī)被殲-10（微波炮）擊落于中國(guó)沿海?,微波武器發(fā)射電磁波，電磁波以光速傳播。同時(shí)，微波武器有一個(gè)相當(dāng)大的照射寬幅，因此只要能夠在發(fā)射前大致瞄準(zhǔn)、鎖定隱身飛機(jī)所在位置，微波武器可以對(duì)隱身飛機(jī)作到開(kāi)機(jī)就摧毀。,當(dāng)微波武器發(fā)射的大功率微波照射到隱身飛機(jī)時(shí)，其發(fā)射的電磁波將大部分被隱身飛機(jī)“自愿吸收”。由于電磁波功率極強(qiáng)，因此在瞬間以1000-10000瓦平方厘米的極高強(qiáng)度將隱身飛機(jī)機(jī)體“加熱”到30005000高溫，這將直接造成隱身飛機(jī)瞬間凌空爆炸！即使只有100-1000瓦平方厘米的強(qiáng)度也足以在瞬間通過(guò)電磁效應(yīng)徹底摧毀機(jī)內(nèi)所有電子設(shè)備！至于最重要的飛行員，只要微波強(qiáng)度能夠達(dá)到80瓦平方厘米就足以瞬間將其烤熟！,非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,4）高功率微波炮,核電磁脈沖武器和非核電磁脈沖武器簡(jiǎn)介,5）爆炸驅(qū)動(dòng)磁通壓縮輻射器 是近年研制的一種新型電磁脈沖武器，它也是目前適合于炸彈應(yīng)用的最成熟的技術(shù)。 其基本原理是，用可在數(shù)百微秒時(shí)間內(nèi)的快速爆炸壓縮磁場(chǎng)以產(chǎn)生數(shù)十兆焦耳的電能。一部大型爆炸驅(qū)動(dòng)磁通壓縮輻射器產(chǎn)生的電流比一次典型的雷擊產(chǎn)生的電流大101000倍。該輻射器可由制導(dǎo)炸彈或巡航導(dǎo)彈進(jìn)行投擲，當(dāng)降落到目標(biāo)附近一定區(qū)域時(shí)，輻射器產(chǎn)生的電磁脈沖可使計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備中的電路失效，其最大作用距離可達(dá)