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1、课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）

脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，于本世纪30年代产生，60年代以来迅速 发展，并逐渐形成一门独立学科的新兴技术领域。它是一种把较小功率的能量以 较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，将能量进行压缩与转换，然后在极短 的时间(短可为皮秒)以极高的功率密度向负载释放的电物理技术。

脉冲功率技术广泛应用于国防科研、高新技术领域和工业民用等领域。

在军事上，纳秒级脉冲电源主要用于等离子体物理与受控核聚变研究；核爆 炸模拟；闪光 X 射线照相；高功率激光；大功率微波；电磁脉冲；电磁发射；粒 子束武器和电磁成型等。

在工业污水净化方面，新兴的脉冲放电等离子体法是一种兼具高能电子辐射、 臭氧氧化和光化学氧化三种作用于一体的全新概念的废水处理技术。其处理效果 优于上述三种方法单独使用时的效果。高级氧化技术要求的温度和压力都极高， 对反应器材质要求高，能量消耗也很大。而光化学氧化法光能利用率低，所需的 时间太长。声化学氧化法中的超声波发生装置复杂，且空化高温使废水温度升高 导致能量利用率下降。而脉冲放电法与上述高级氧化技术相比，由于脉宽和脉冲 前沿上升时间均为纳秒级，能量利用率高，且要求的条件温和，操作简便。对目 前废水中存在的各类有机物的降解具有广泛的适用性，不产生二次污染，因而是 解决目前对我国水资源污染严重的造纸、酿造、制药和印染等工业废水问题的一 项全新而且前景广阔的水处理技术。

纳秒脉冲技术在除尘领域也有应用。传统静电除尘采用直流高压供电方式, 因 粉尘层等效电容效应造成反电晕现象而导致除尘率下降。采用脉冲供电时, 除尘器 粉尘层的等效电容在脉冲施加期间只充上很少的电荷, 在脉冲消失期间所充电荷 基本放完, 除尘器粉尘层不会因积累电荷形成高电压而造成反电晕。故脉冲供电电 源除尘器的除尘效果优于直流电源供电的除尘器。此外, 对于不同比电阻的粉尘, 可通过调整直流基压、脉冲频率和占空比使之达到佳除尘效果。脉冲静电除尘 是一种先进的空气净化技术, 如果将之与脱硫脱氮技术相结合, 采用ns级的脉冲供 电电源, 可实现脱硫脱氮技术与除尘技术一体化。目前国内外电除尘脉冲供电电源 大多采用在直流基础电压上迭加脉冲电压的设计方案。

纳秒脉冲对细菌也有特殊的杀伤力。高压脉冲电场对几十种与食品有关的微 生物具有良好的杀菌作用, 如大肠杆菌、枯草菌、短乳菌、啤酒酵母、金黄色葡萄 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B2 球菌、产朊假丝酵母、粪链球菌及粘质少雷氏菌等。关于脉冲电场杀菌机理现主 要有细胞膜穿孔效应、粘弹极形成模型、电磁效应、电解产物效应及臭氧效应等。 尽管脉冲电场杀菌机理目前尚存在争议, 但脉冲电场杀菌剂已经在食品杀菌、细胞 生物、基因工程及生物技术工程领域引起很大关注。其中脉冲电场对食品既能起 到有效杀菌的作用, 又能保持食品的新鲜和原有的色香味, 是非热处理食品杀菌 技术中目前效果好、有应用前景的技术。该技术在美国正走向商业化。

脉冲功率技术还可以应用来制取臭氧。臭氧作为强氧化性气体广泛用于杀菌、 氧化、漂白、除臭等, 具有无色无恶臭无强腐蚀性和毒性, 制备原料(空气) 易得等 优点。臭氧产生的原理是突变电场(工频、高频或脉冲电场) 作用下气体分子中原 有少量载流子(电子和离子) 从外电场中获得能量, 使其加速运动与气体分子碰撞 及电离, 氧分子分解成氧原子并在瞬间重新结合成臭氧。目前臭氧技术的主要问题 是生产效率低、能耗高。臭氧制备的理论效率为2kg(kWh),实际上用空气制取的效 率仅46～58g(kWh),用纯氧制取可升至10%。高压脉冲技术可提高臭氧生产效率。

医疗上，脉冲电源技术在治疗肿瘤领域也有新的进展。初，人们探讨直流 电对肿瘤的电化学治疗作用，但直流电本身的特性——电击时间较长会引发患者 心率紊乱的副作用，在一定程度上限制了其应用。因此在80年代末，日本学者在 对电脉冲物理特性前期研究的基础上，将脉冲电场与化疗药物相结合治疗肿 瘤获得成功，从而创立了癌症的电脉冲化学疗法。电脉冲化学疗法是利用高电场 强度、低剂量的电脉冲辅助化疗药物如博莱霉素、顺铂等治疗肿瘤。其治疗机理 是高强度的电脉冲引起细胞膜结构发生改变，产生暂时可逆性膜渗透性增加，膜 上出现亲水性孔道即电穿孔，这样使不易通过脂质双分子层膜的化疗药物易进入 细胞内，其细胞毒性作用可增强几十到几百倍。同时降低了药物对其它正常细胞 的毒副作用，且克服了多种化疗药物产生的抵抗性问题。对肿瘤组织，脉冲电场 本身还可引起一系列的电化学反应，抗血管效应和免疫效应。脉冲疗法作用于人 体可通过脉冲叠加方式引发治疗效应且作用时间较DC短，副作用少，愈后好，因 而展现了良好的应用前景。

脉冲电压发生器还在体外碎石，原子物理，加速器技术及核电磁脉冲模拟等 领域也得到了广泛的应用。因此，研制一台可测控的纳秒脉冲发生装置是具有重 要的现实意义。

长久以来，各个先进工业国家的许多军用和民用研究部门、高等学校都在积 极开展脉冲功率技术及其应用的研究。

早在1948年，A.D.Blumlein就以专利形式提出双层同轴线原理并将其用于雷达 研制，使匹配负载获得线性的充电电压值。50年代初，美、苏、英等国家秘密地 开始了受控热核聚变的研究，从而使不景气的等离子体物理学重现热潮，磁约束 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B3 用的高功率脉冲电源应运而生。在这期间，主要使用机械能和化学能的长脉冲电 源;各类脉冲发电机、铅酸蓄电池和磁通压缩发生器等得以出现和发展。

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。在这期间，由 于对核爆炸有关的效应模拟和粒子束惯性约束核聚变研究的需求，使得脉冲功率 领域中的强流粒子束加速器得以出现和飞速发展。这首先应归功于在英国原子武 器研究中心工作的J.C.Martin，他在1962年把40年代的Blunlein线和更早的Marx发生 器结合起来，从而把脉冲宽度从微秒压缩到几十纳秒。J.C.Martin在脉冲功率技术 发展史上这一划时代的贡献，使人们看到获得更高功率的可能性。于是，产生高 功率粒子束或强脉冲X射线的Marx成形线型高功率脉冲电源，雨后春笋般地在各国 试验室出现。

在美国，J.C.Martin领导的小组，1967年在Sandia实验室建成的 Hermes2 为当 时大装置，其输出电压为l0MV，输出电流为100kA，脉冲宽度为80ns; 1972年， 陆军的 Hary Diamond实验室建成了Aurora装置，这个闻名遐尔的设备由四台Marx 发生器(95级60kV电容器)组成，管电压为14MV，电流1.6MA，脉宽120ns，成本低 于10美元/J,功率达1013W，成为脉冲功率史上的一个里程碑;尔后，“磁绝缘”的 概念被用在Sandia实验室的PBFA- I装置上，这台1400万美元的惯性约束聚变装置， 由36路组成，通过磁绝缘传输线辐射状向中心二极管传输能量，峰值功率达30TW， 束的能量达1MJ; Sandia实验室根据能源部的合同，于1986年1月建成了PBFA- II装 置，其总投资为4800万美元。这台装置具有电压12MV、电流8MA,脉宽40ns、能量 4.3MJ和功率1014W，它是上个闯过100TW大关的装置，成为脉冲功率发 展史上的又一个里程碑。在日本，强流粒子束加速器多用于惯性约束聚变研究， 特别是轻离子的惯性约束聚变。较有名的装置有大阪大学的Raiden和长岗技术大学 1986年建成的ETIGO- 11，后者的电压为3MV、电流400kA、脉宽60ns。前苏联也 建造了许多大型Marx成形线型的联合装置，1985年由KypaM0B原子能研究所建成 的 Axrapa - 5就是其中之一，它的输出电压是2MV,电流40MA，脉宽90ns。

电感储能技术，虽然在50年代己经开始用于高速风洞和托卡马克装置，但用 于高阻抗负载却始于70年代。典型的应用实例是前苏联建成的 HPyp 一I和Mryp − 2 装置，后者是三级电感储能，用爆炸导体断路开关转换，获得3.7MV管电压，70kA 管电流，脉宽100-500ns且可调。由于电感储能密度比电容高1-2个数量级，成本低， 以及目前兴起的电磁推进技术几乎离不开它，所以目前上很重视电感储能的 高功率脉冲电源的多方面应用与发展。

近来备受重视的定向能(尤其是粒子束)武器和其它应用，要求连续发射，促使 产生连续大功率脉冲的技术快速发展。除大功率重复开关技术得以发展外，高电 压、大电流的加速器从70年代开始崛起。1982年美国Lawrence Livermore国家实验 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B4 室用4200万美元建成的直线感应加速器，使用多台Marx -Blumlein型脉冲电源激 励。这台直线感应加速器的指标是:电子能量为50MeV，束流1OkA，脉宽70ns，平 均重复率5Hz。近来 ，电磁发射技术又迅速发展起来。自从1978年澳大利亚国立 大学的R.A. Marshell 用500MJ,1.6MA的单极发电机作电磁轨道炮的脉冲电源，把质 量为3g的弹丸加速到5.9km/s之后，全的军事、航天、受控热核聚变、材料状 态研究领域非常振奋，均积极试验、研究用电磁发射器为己服务，这就极大的刺 激着高功率脉冲电源向多样性、高比能、小体积和低成本方向发展。电磁发射所 用电源十分广泛，可用电容储能、电感储能的脉冲电源，也可用化学能、核能、 机械能的高功率脉冲电源。因此，过去一度被冷落的机械能电源和化学能电源(含 电池组)再展宏图，同时还促进使核能高功率脉冲电源研究步伐的加快以及补偿式 交流脉冲发电机的出现。

我国脉冲功率技术主要是与我国可控核聚变研究、电子束与粒子加速器、新 兴强激光等重大科学技术项目和国防的需要紧密结合而发展起来的。80年代初， 中国工程物理研究院建成了我国大的高阻抗强流脉冲电子束加速器“闪光I号” , 运行参数是:输出电压为6(或8) MV、电流100kA、脉宽80ns。90年代初又研制成 l0MeV感应直线电子加速器；西北核技术研究所建成的0.9MV，0.9MA“闪光II号” 低阻抗相对论加速器；中物院和上海光机所建成的用于激光核聚变的“神光二号” 装置；中国科学院合肥等离子体所建成的超导TOKMAK磁约束聚变研究装置等都 标志着我国在脉冲功率领域已经有了很大的发展。

虽然高功率脉冲技术发展迅速，在基础理论研究领域应用十分广泛，但仍存 在以下几个方面的问题：

(1) 电源的储能密度有待进一步提高。高功率脉冲电源的工作，就其实质而言， 是能量的压缩，因此储能密度的提高对高功率脉冲技术的发展起着至关重要的作 用。目前高功率脉冲电源在初级能源以及中间储能和脉冲形成系统采用了一些提 高储能密度的措施之后，其空间能量压缩(即减小体积)就达到了极限，因此在绝大 多数高功率脉冲电源中，更有意义的是在时间上压缩能量。

(2) 缺少性能良好的大功率转换开关是许多高功率脉冲装置中重要的一部分， 它的功率等级直接影响着电源的功率等级。在场畸变间隙、薄膜间隙和激光触发 开关等基础上，研制延时短、分散性小和工作场强范围大的开关，是电容器组放 电技术的课题之一。

(3) 大功率脉冲重复频率不高。 脉冲功率系统一般包括初级能源、储能单元、脉冲形成回路、开关和负载。 初级能源可以是机械能发电机、化学能装置、核装置或其他形式的能源。采 用炸药、电池、磁流体发电机等做初级能源体积大、重量大、投资也大，采用炸 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B5 药时还有问题。现在常用的初级能源主要是储能电容器、冲击发电机和直流 充电电源。

目前，直流充电电源主要有两种：线性稳压电源和开关电源。线性电源和开 关电源的根本区别在于稳压控制方式和输出电路的不同。线性电源的稳压特性是 由稳压电路中的调整管来实现的，调整管也是输出管，电路工作在调整管的线性 区，因此称为线性直流稳压电源。开关电源的稳压电路由电子开关组成，用开关 的工作状态来实现稳定输出电压，因此称为开关电源。其核心是DC-DC电路。 DC-DC电路可以分为转换型和隔离型，隔离型比较好，输出和输入之间没有直接 的电连接关系。和线性电源相比较，开关型稳压电源有以下的特点：

（1） 效率高。开关型稳压电源采用非线性的DC-AC-DC电压调整电路，不使 用调整管，调压电路的功率开关管上的电压降很小，相应损耗小，所以效率和线 性电源相比较可以得到很大的提高，一般可达65-90%。

（2） 重量轻。开关型稳压电源可以采用对电网输入的交流电压直接整流的 方法，替代笨重的工频变压器，使电源的重量下降到1/50。

（3）稳压范围宽。在输入交流电压有效值变化时，可以利用反馈电路来保持 输出电压的稳定。

（4）所需要的滤波电容小，由于稳压电路的功率开关管工作在几十千Hz以上， 远远大于工频，因此滤波电容的容量可以大大减小。

（5）控制电路相对线性电源比较复杂，并且瞬态响应不如线性稳压电源。

储能单元和脉冲形成回路，具有储存能量和将能量转换成陡脉冲的功能。储能 方式大致有两类：电容储能和电感储能。电感储能技术在现代科学技术领域中， 诸如等离子体物理、受控核聚变、电磁推进、重复脉冲的大功率激光器、高功率 雷达、强流带电粒子束的产生以及强脉冲电磁辐射等领域，都有着极为重要的应 用。电感储能的储能密度高和传输功率大，从而使得储能装置体积小、成本低。 而电容储能简单、所需充电功率小，技术成熟，容易操作，工作时不影响环境， 经济合理。

基于本次课题的客观条件，决定在电容与电感储能中选择一种方式。电感储 能相比电容储能大的优势就是具有高得多的能量密度和极大的传输功率，从而 可以把电感储能装置做的很小。当装置总容量大于兆焦耳时，电感储能比电容储 能造价便宜，能量越大，经济上优越性越显著。但电感储能在技术上没有电容储 能成熟，电感储能技术上主要的困难在于在工作过程中开断巨大的高压直流大 电流（如 4 10 ～ 6 10 A），而且对充电电源功率要求很高。因此还是决定采用技术较 成熟，操作较可行的电容储能方式进行设计。

开关是脉冲功率系统中的关键元件，开关性能的好坏直接影响输出脉冲的技 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B6 术参数，尤其是输出脉冲的上升时间。开关的选择要综合考虑电路设计以及负载， 输出要求等因素。目前国内外常见的三种开关分别为：火花间隙开关，舌簧开关 和固态开关。常用的开关包括高压闸流管、气体火花间隙开关、磁开关等。闸流 管结构简单，易于控制，稳定可靠，但固有电感较大；气体火花开关控制复杂， 调试困难，而且重复频率不能做大，但电感可以做到很小；磁开关控制复杂，设 计困难，调试困难，但重复频率可以做得很好。作为脉冲开关要求其能承受电压 高、承受电流大、寄生电感小等。闸流管具备这些特点，且内充氢气，因氢气的 消电离时间短，工作频率高，效率高。所以本设计选用氢闸流管作为高压主开关。

2、课题任务、重点研究内容、实现途径

课题任务：制定高压纳秒脉冲发生器的实现方案，设计出合理的主电路和控 制电路，研制出基于计算机控制的高压纳秒脉冲发生器，实现输出高压纳秒脉冲 的电压峰值、重复频率、个数的计算机控制。 纳秒脉冲电压波形参数：单向指数衰减波，峰值 0～10kV 连续可调，脉冲宽 度 100ns～1μs 分级可调，重复频率 1～40Hz 连续可调，下降时间小于 100ns。 重点研究内容：

（1）主电路的设计及元器件的选择；

（2）开关触发电路的 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B7 设计与调试；

（3）计算机控制系统的研究包括软件的设计和硬件的实现。

本设计拟在分析对比现有的脉冲发生器的产生原理及实现方法的基础上，结 合本设计的任务，确定高压纳秒发生器的实验方案，并对实验方案进行理论分析， 选择合适的元器件；根据高压纳秒脉冲发生器的要求，选择合适的开关，并研制 相应的触发电路；在此基础上研制计算机控制系统。具体的基于计算机控制的高 压纳秒脉冲发生器的系统结构图如下图所示。 初级能源 储能单元 脉冲形成 回路 开 关 负 载 计算机控制系统 触发电路 3、进度计划 序号 起止周次 工 作 内 容 1 1 周至 4 周 完成文献综述、外文翻译和开题报告 2 5 周至 5 周 选择系统的实现方案 3 6 周至 7 周 设计主电路 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告 B8 4 8 周至 10 周 设计控制电路，绘制和加工印制电路板 5 11 周至 14 周 熟悉 Delphi 语言，编写软件 6 15 周至 17 周

总结，完成论文撰写 7 18 周至 19 周 论文答辩 8 周至 周

学生签名： 年 月 日 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日

说明：

1、开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写， 在毕业设计（论文）开始后两周内完成。

2、本页不够，请加页。

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