脉冲功率科学与技术PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1　脉冲功率涵义 1

1.1.1　溯源 1

1.1.2　定义 1

1.2　能量压缩模式 3

1.2.1　空间压缩 4

1.2.2　时间压缩 4

1.2.3　时间-空间压缩 4

1.3　历史和现状 5

第2章　电容储能脉冲发生器 9

2.1　脉冲功率电容器 9

2.1.1 高压脉冲电容器 9

2.1.2　双电层电容器 11

2.1.3　（蓄）电池-电容器联合电源 14

2.2　冲击电流发生器 16

2.2.1　线性负载分析 17

2.2.2　非线性负载分析导引 18

2.2.3　相关技术要点 19

2.3　经典Marx发生器 21

2.3.1　工作原理 21

2.3.2　多级充电 23

2.4　高效能Marx发生器 25

2.4.1　特性 25

2.4.2　等效电路及其参量 28

2.4.3 向电容负载馈电分析 30

2.5　电感隔离型Marx发生器 33

2.5.1　全电感隔离型 33

2.5.2　电阻-电感并联隔离型 36

2.6 Marx发生器输出波形调整 38

2.6.1　波头和波尾电阻整形 38

2.6.2 电容整形 39

2.6.3　电爆炸导体整形 39

2.7 L-C倍压器 41

2.7.1　反向叠加型 41

2.7.2　振荡级联型 42

第3章　电感储能脉冲发生器 44

3.1 引言 44

3.2　基本电路及其充电分析 47

3.2.1　电感储能基本电路 47

3.2.2　充电分析 48

3.3　单级电感储能的转换放电 50

3.3.1　电阻性转换电路 51

3.3.2　电容性转换电路 57

3.4　用电流过零方法产生连续脉冲 61

3.4.1 电桥抵消脉冲电路 61

3.4.2　反向抵消脉冲电路 62

3.4.3　串联抵消脉冲电路 63

3.5　多级电感储能技术 64

3.5.1　分组时序并联电路 64

3.5.2 多级MEATGRINDER电路 67

3.5.3　逐级压缩的电感储能方法 70

3.6　用铁磁元件变换脉冲 70

3.6.1　铁氧体传输线 71

3.6.2　非线性电感磁压缩 72

第4章　惯性储能脉冲发电机 75

4.1 引言 75

4.2　脉冲功率用同步发电机 76

4.2.1　空载运行 77

4.2.2　稳态工作 78

4.2.3　暂态工作 79

4.2.4　并联运行 80

4.2.5　同步发电机的激磁 83

4.2.6　充任高功率脉冲电源 84

4.3　直流脉冲发电机 86

4.3.1　励磁和空载磁场 86

4.3.2　等效电容充电 88

4.3.3　发电机对负载放电分析 89

4.3.4　感应电动势和电磁转矩 91

4.3.5　基本方程 92

4.4　单极发电机 94

4.4.1　基本理论 95

4.4.2　类型及其特点 97

4.4.3　自激式单极发电机 99

4.4.4　实用的他激脉冲激磁法 101

4.5　补偿式脉冲交流发电机 102

4.5.1　基本原理 102

4.5.2　电磁特性分析 104

4.5.3　类型 105

4.5.4　主动CPA 109

4.5.5　被动CPA 110

4.5.6　选择被动CPA 111

4.5.7 高压脉冲发电机 113

4.5.8 串激CPA 115

4.6　旋转磁通压缩器 115

4.6.1　主动式旋转磁通压缩器 115

4.6.2　切割式旋转磁通压缩器 116

4.6.3　挤压式旋转磁通压缩器 117

4.6.4　变磁通旋转磁通压缩发生器 118

4.7　变感机-电脉冲放大机 119

4.7.1　线圈式变磁阻机-电脉冲放大机 120

4.7.2　类传输线变感脉冲放大机 123

4.8　变容和压电式电脉冲机概念 124

4.8.1　变容脉冲放大机 124

4.8.2　压电式脉冲发电机 125

4.9　增频脉冲发电机 126

4.9.1　机械变频型 128

4.9.2　电变频型 128

4.10　圆盘交流发电机 129

4.10.1　单转子结构型 129

4.10.2　多转子结构型 130

第5章　化学能高功率脉冲电源 132

5.1　化学脉冲电源 132

5.1.1　化学电源基本概念 132

5.1.2　电池的电特性 135

5.1.3　脉冲功率用电池 138

5.2　磁通压缩发生器理论基础 148

5.2.1　述评 148

5.2.2　磁场的冻结和压缩 149

5.2.3 MFCG基本电路分析 151

5.3　变形式MFCG 153

5.3.1　条状发生器 153

5.3.2　平板型发生器 155

5.3.3　螺旋发生器 156

5.3.4　同轴发生器 158

5.3.5　球形MFCG 160

5.3.6　圆筒聚爆装置 160

5.3.7　柔性导爆索型发生器 161

5.4 MFCG的初始储能 161

5.4.1　直接馈电 162

5.4.2　用电感储能器馈送初始能量 163

5.4.3　用中间助增器馈电 164

5.5 MFCG的脉冲调制 164

5.5.1　镇流器方法 164

5.5.2　断路开关锐化 165

5.5.3　脉冲变压器耦合 166

5.5.4　延迟线方法 168

5.6　关于MFCG的限制因素 169

5.6.1　磁通损失 169

5.6.2　强磁场效应 170

5.6.3　内部过电压 170

5.7　增互感型MFCG 171

5.7.1　轴向式 172

5.7.2　径向式 173

5.7.3　炮击式 174

5.8　能重复工作的MFCG 175

5.8.1 轨道增强型MFCG 175

5.8.2　螺旋-活塞型MFCG 179

5.9　脉冲磁流体发电机概论 182

5.9.1　概述 182

5.9.2　理论基础 184

5.9.3　法拉第和霍耳MHD发电机特性 185

5.10　化学燃料脉冲MHD发电机 187

5.10.1　火箭燃料法拉第MHD发电机 187

5.10.2　爆炸等离子体MHD发电机 189

5.10.3　脉冲等离子体MHD发电机 192

5.10.4　磁通压缩励磁的脉冲MHD发电机 193

5.10.5　重复脉冲MHD发电机 195

5.10.6　置磁炸药脉冲MHD发电机 197

5.11　磁流体电容脉冲发电机 198

5.11.1　性能浅析 198

5.11.2　主要物理量 200

第6章　核-电脉冲功率概念 202

6.1　三种核反应释能简介 202

6.1.1　核裂变及其原子弹 203

6.1.2　核聚变及其氢弹 205

6.1.3　反-正物质湮没反应释能 206

6.2　核裂变反应发电 208

6.2.1　反应能量 208

6.2.2　裂变反应堆基本概念 209

6.2.3　压水堆 210

6.2.4　沸水堆 212

6.2.5　高温气冷堆 214

6.3　磁约束核聚变研究 215

6.3.1　核聚变反应发电概念 215

6.3.2　托卡马克等离子体位形 216

6.3.3　托卡马克运行 219

6.3.4　等离子体加热方法 220

6.4　核脉冲MHD发电机 222

6.4.1　传导式裂变脉冲MHD发电机 223

6.4.2　感应式裂变脉冲MHD发电机 225

6.5　旋转床反应堆强脉冲功率源 228

6.5.1　旋转床反应堆 228

6.5.2　电功率转换 231

第7章　脉冲传输-成形线及其倍压器 234

7.1　传输线理论基础 234

7.1.1　无损线的真实性 234

7.1.2　传输线电物理特性 235

7.2　单传输成形线及其类线网络 239

7.2.1　单传输成形线 239

7.2.2 C型Guillemin类线网络 240

7.2.3　用成形线作储能元件的Marx发生器 241

7.3　脉冲功率常用的单传输线 242

7.3.1　带状传输线 242

7.3.2　同轴传输线 242

7.3.3　径向传输线 243

7.3.4　螺旋传输线 243

7.4　传输线的脉冲变换 244

7.4.1　多线段倍压变换器 244

7.4.2　电感隔离变换器 246

7.4.3　阻抗变换器 246

7.4.4　脉冲极性反转 247

7.4.5　变压器变换 247

7.5 Blumlein线 248

7.5.1　传输矩阵数学法分析 249

7.5.2　波过程物理法分析 251

7.5.3 Blumlein线参量 253

7.6　层叠线倍压器 255

7.6.1　多开关直线型 255

7.6.2　单开关直线型 257

7.6.3　阿基米得螺线型 258

7.6.4　并联同轴线型 260

7.7　多级波发生器 260

7.7.1　相干多级波发生器 260

7.7.2 Blumlein线型多级波发生器 262

7.8　传输线的过电压 263

7.8.1　并联时的过电压分析 263

7.8.2　串联时的过电压分析 265

7.8.3　混联时的过电压分析 265

7.9　脉冲成形网络的转换 267

7.9.1　开关转换特性 267

7.9.2　充电和预脉冲 268

7.10　磁绝缘传输线 269

7.10.1　基本原理 270

7.10.2　相对论解的理论模型 270

第8章　脉冲功率变压器 273

8.1　引言 273

8.2　理论基础 274

8.2.1　电物理过程 274

8.2.2　脉冲变压器的等值电路 276

8.3　设计原则 278

8.3.1　设计总要求 278

8.3.2　绕组电路的选择 279

8.3.3　电磁参数的确定 279

8.3.4　绝缘材料的选择 280

8.3.5　导线截面积的确定 281

8.3.6　磁感应增量及铁心带厚的选取 281

8.3.7　铁心截面积的确定 282

8.3.8　变压器电路的波阻抗 283

8.3.9　用分布电容修正结构参数 284

8.3.10　脉冲后沿的宽度 285

8.4　双谐振脉冲变压器 285

8.4.1　双谐振概念 285

8.4.2　电路分析 287

8.4.3　设计考虑要点 289

8.5 电缆绕组型脉冲变压器 292

8.5.1　空心式 292

8.5.2　铁芯式 294

8.6　特殊脉冲变压器 296

8.6.1　马丁脉冲变压器 296

8.6.2 HPG馈电的脉冲变压器 296

8.6.3 自耦三段脉冲变压器 298

8.6.4　非均匀传输线脉冲变压器 299

8.6.5　串级脉冲变压器 299

8.7　纳秒脉冲变流器 300

第9章　短路转换开关 303

9.1 引言 303

9.2　短路开关机理概说 304

9.3　用电极触发的气体放电开关 307

9.3.1　典型的三电极放电器 307

9.3.2　四电极短路开关 315

9.4　激光触发的短路开关 316

9.4.1　概述 316

9.4.2　激光触发放电机理 317

9.4.3　激光触发气体间隙的放电特性 319

9.4.4　几种开关结构 325

9.5　触发真空开关 326

9.5.1　基本组成及工作原理 327

9.5.2　主要类型 328

9.5.3　特点和性能 329

9.5.4　金属等离子体电弧开关 330

9.6　固体开关 332

9.6.1　可控固体开关 332

9.6.2　半导体功率器件综述 333

9.6.3　光电导通脉冲功率开关 337

9.7　表面放电开关 338

9.8 自击穿开关 341

9.8.1　二电极自击穿开关 341

9.8.2　多开关整形器 343

9.9　大功率液体场畸变开关 346

9.9.1　可控液体放电器 346

9.9.2　液体类V/N开关 346

9.10　连续-重复脉冲开关 348

9.10.1　混合式开关（CS） 348

9.10.2　重复气体火花隙开关 350

9.11　磁开关 350

9.11.1　磁开关原理 351

9.11.2　磁开关的必要条件 352

第10章　断路转换开关 353

10.1 引言 353

10.2　断路开关的转换功能 355

10.2.1　电感性负载 355

10.2.2　电容性负载 356

10.2.3　有功负载 356

10.3　电爆炸导体断路开关 357

10.3.1　概述 357

10.3.2　材料选取 358

10.3.3　结构尺寸设计原则 359

10.3.4　电物理机制 362

10.4　等离子体融蚀断路开关 364

10.4.1　断路转换机理 365

10.4.2　融蚀模型 368

10.4.3　雪犁模型 369

10.4.4　阴极物质的逸出 370

10.5　机械式断流器简介 374

10.5.1　真空断流器 374

10.5.2　“波纹式”断流器 375

10.5.3　受控固体断路开关概念 375

10.6　金属等离子体弧开关概要 376

10.7　交叉场管简介 376

10.8　等离子体枪或DPF开关 377

10.9　热驱动和超导断路开关概念 379

10.9.1　热驱动断路开关 379

10.9.2　超导断路开关 379

10.10　非线性电阻固体开关和反射开关概要 380

10.10.1　非线性电阻固体开关 380

10.10.2　反射开关 382

10.11　电子束控制开关 382

10.11.1　电子束控制断路开关 382

10.11.2　电子束控制闭合开关 385

10.12　炸药爆炸断路开关 387

10.12.1　单向碎裂型炸药断路开关 387

10.12.2　无感型炸药断路开关 388

10.12.3 INTREPID开关 389

第11章　电介质及其放电特性 390

11.1　引言 390

11.2　气体电介质放电特性 390

11.2.1 均匀电场中的放电 391

11.2.2　不均匀电场中的放电 395

11.2.3　脉冲功率放电气体击穿规律 400

11.3　液体电介质的放电特性 414

11.3.1　水电介质的放电特性 414

11.3.2　其他液体电介质的放电特性 418

11.4　固体电介质的电击穿特性 420

11.4.1　绝缘体击穿理论 420

11.4.2　沿固体介质表面的放电 424

11.4.3　真空中沿介质表面的脉冲放电 428

11.5　真空击穿的放电特性 430

11.5.1　爆炸发射机理概述 430

11.5.2　真空间隙击穿的引燃 432

11.5.3　火花击穿阶段电流增长的规律 433

11.5.4　真空击穿火花阶段在阴极上的过程 434

11.5.5　火花击穿阶段在阳极上的过程 436

11.5.6　外加触发引燃的真空脉冲放电 436

第12章　负载及其应用 438

12.1　产生强流粒子束 438

12.1.1　抗核加固研究 441

12.1.2　研究粒子束武器 442

12.1.3　集团离子加速 443

12.1.4　产生热激波 444

12.1.5　热起爆高能炸药 444

12.1.6　加速大质点 445

12.1.7　作脉冲中子源 446

12.1.8　惯性约束核聚变研究 447

12.1.9　尾流场加速 448

12.1.10　建立脉冲γ（或X）射线环境 450

12.2　泵浦强激光 453

12.2.1　泵浦CO2激光（武）器 453

12.2.2　泵浦准分子强激光（武）器 454

12.2.3　泵浦自由电子激光（武）器 458

12.2.4　泵浦软X射线激光 461

12.3　激励强电磁脉冲 464

12.3.1　激励高功率微波（武）器 464

12.3.2　电磁“导弹” 468

12.3.3　电磁脉冲弹 470

12.3.4　电磁脉冲模拟 476

12.4　产生和约束等离子体 479

12.4.1　磁约束核聚变 479

12.4.2 θ箍缩 481

12.4.3 Z箍缩 482

12.4.4　产生等离子体焦点 483

12.5　电磁成形与电磁冲击 483

12.5.1 电磁成形 483

12.5.2　电磁冲击模拟 485

12.5.3　电磁脉冲抽油 485

12.6　模拟雷击效应 487

12.6.1 电力系统中的应用 487

12.6.2　模拟雷击航空航天器 489

12.6.3　雷电武器概念试验 490

12.7　电爆炸 491

12.7.1　电爆炸导体 491

12.7.2　液电爆炸——电水锤效应 493

12.7.3　人体内结石粉碎机 496

12.7.4　制备金属纳米材料 497

12.7.5　金属线爆炸喷涂 498

12.8　环保医疗及其他应用 500

12.8.1　脱硫脱硝 500

12.8.2　污水处理 501

12.8.3　脉冲放电产生NO的医疗应用 502

12.8.4　脉冲功率除尘 503

12.8.5　其他应用 506

12.9 电热发射 507

12.9.1　纯电热炮 508

12.9.2　电热化学炮 508

12.10　电装甲 509

12.10.1　主动电装甲 510

12.10.2　被动电装甲 510

12.11　电磁发射 512

12.11.1　轨道炮 514

12.11.2　线圈炮 516

12.11.3　重接炮 518

12.11.4　优点和应用 520

12.12　脉冲功率与新概念电磁武器的相关性 521

12.12.1　兵器科学发展观：电磁武器时代已开启 521

12.12.2　脉冲功率成就电磁武器 524

主要参考文献 526