型（笔者的发明专利），它们均利用爆炸 线、径向传输线和螺旋传输线。
激波加热惰性气体成等离子体作磁流
（２）Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线
体，因此具有异常高的磁雷诺数和窄脉
它是一种双层传输线，匹配负载能
宽输出；而 ＭＦＣＧ－ＭＨＤ 型是利用爆炸磁 获得线的充电电压值，通常分为平板型
通压缩为 Ｍ Ｈ Ｄ 机的磁体励磁，从而得到 和同轴型，图 １２（ａ）表示 Ｂｌｕｍｌｅｉｎ 线工
脉冲功率技术综述
■ 武汉大学电气工程学院电磁发射研究所 王 莹
概 念
１． 脉冲功率定义 尽管脉冲功率学科已诞生 ４０ 余年， 并被《中国电气工程大典》收录，被国 务院定为二级学科；但世人至今知之甚 少或了解不全面。就其字面而言，“脉 冲”表示在时间间隔宽度内输出的量数 值，“功率”是单位时间内的能量（Ｊ／ｓ）， 合义便是以脉冲形式出现的功率（单位 时间能量），即“脉冲功率”（ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｐｏｗｅｒ）。 但涵义并非如此简单。由于历史上 最初提出该术语人的疏忽和翻译的不甚 考究，对“脉冲功率”的字面涵意并不 能完全顾名思义地理解。现代人常对 ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ这样解释：将电能慢慢地高 密度储存起来，然后脉冲地短时间快速 释放出来，从而获得巨大脉冲功率。 显然这里有两处词不达意：第一，自 然界有多种脉冲功率型式，诸如水库水 闸放水、地震、海啸、火山喷发、星球碰 撞、核爆炸、雷电等都有脉冲功率出现； 而电脉冲功率仅是其中的一种。４０ 年前 提出“脉冲功率”术语的人认为其他型式 的脉冲功率不可控、不便应用，他们就省 去了“电”字，仅用 ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ 直接代 表“电脉冲功率”到现在。第二，从字面
图 ４ 全电感隔离型 Ｍａｒｘ 发生器
功率；三是空间和时间压缩并举。因为 提高功率的办法只有增多能量或缩短释 放时间；因此，脉冲功率系统应当包括 三大部分：①储能或脉冲发生系统；② 脉冲压缩或成形系统；③负载及其应用 系统。如图 ２ 所示。
储能或脉冲发生系统
采取有效措施，通过对能量的空间 压缩，把电能高密度地储存起来，或者 用其他形态的能量脉冲地发电。通常把 这些设备或装置叫做（电）脉冲发生器 或脉冲发电机。有以下 ５ 种型式（图 ３）。
电源（含太阳能光伏电池对蓄
（ａ）
电池充电）外，常用的还有各
种形式的磁通压缩发生器（发
电机）、脉冲磁流体发电机和
磁流体电容器等。
（１）磁通压缩发生器（ＭＦＣＧ）
利用磁通 φ在良导体回路
内守恒原理即电感 Ｌ 与电流 ｉ
之间的关系φ＝ Ｌｉ，通过化学 反应产生的机械力做功，压缩
（ ｂ）
图６ 一种新型脉冲交流发电机
（ｂ）
图 ８ 脉冲磁流体发电机工作原理及一种实际装置
８
２００９ 年第 ４ 期
图 １１ 旋转床反应堆构造
产
经
作原理。
串级式脉冲变压器。图 １４ 表示一种串级
（３ ）层叠线倍压器
脉冲变压器。
包括多开关直线型、单开关直线型
体脉冲地通过发电通道。磁流体内的正 要有以下 ３ 种类型。
负电荷在磁体磁场中受洛伦磁力作用而
１． 脉冲传输－成形线及其倍压器
集中在发电通道的两电极极板上，从而
（１ ）脉冲功率常用的单传输线
形成电动势，如图 ８ 所示。最有前途的
它的匹配负载仅能获得线充电电压
是爆炸等离子体型 Ｍ Ｈ Ｄ 和 Ｍ Ｆ Ｃ Ｇ － Ｍ Ｈ Ｄ 的 １／２，其中包括带状传输线、同轴传输
更高的效率。
（３ ）脉冲磁流体电容
是一种导电磁流体旋转的脉冲磁流
体发电机，如图 ９ 所示。它具有磁流体导
电性好、输出脉宽长，热损失小等优点。
５． 核 －电脉冲功率装置 鉴于目前核聚变脉冲发电尚未成 功，核裂变电脉冲功率装置目前主要有 ３ 种概念：①传导式核裂变脉冲 Ｍ Ｈ Ｄ 发 电机；②感应式核裂变脉冲 ＭＨＤ 发电机
确切地说，现在人们说的脉冲功率 仅表示“电脉冲功率”；即把能量高密度 地慢储存起来，然后脉冲地短时间快速 释放而产生的高功率电脉冲。
２． 脉冲功率科学技术简史 １９３８ 年，美国人 Ｋｉｎｇｄｏｎ 和 Ｔａｎｉｓ 第 一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒 级脉宽的闪光 Ｘ 射线；１９３９ 年，苏联人
等制成真空脉冲 Ｘ 射线管，并 把闪光 Ｘ 射线照相技术用于弹道学和爆 轰物理学实验。那时，他们用高压脉冲 电容器并联充电串联放电方式来获得较 高电压脉冲。第二次世界大战期间，企 图用于军事的电磁炮和其他研究再度兴 起，它们也促进了脉冲功率科学技术的 形成和发展。２０ 世纪 ６０ 年代是脉冲功率 科学技术迅猛发展并形成单独学科的黄 金时代。这期间，由于对核爆炸有关效 应的模拟和粒子束惯性约束核聚变的研
年组织召开一次国际脉冲功率会
图 １ 王淦昌先生指导用高功率粒 子束加速器研究氟化氪准分子激光
议（ＩＥＥＥ Ｐｕｌｓｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）。 脉冲功率在现代科学和技术中的 十几个领域有着应用潜力，并成
为新概念（电磁）武器基
础。中国从 ２０ 世纪 ６０ 年代
也建成了各种大型脉冲功
率装置（图 １），并形成了
年建成的 ＰＢＦＡ－ＩＩ 装置，其峰值电压为
１２ＭＶ、电流 ８．４ＭＡ、脉宽 ４０ｎｓ，其二极
管束能为 ４．３ＭＪ，脉冲功率 １０１４Ｗ，它是
世界上第一个功率闯过 １００ＴＷ 大
关的脉冲功率装置。现在脉冲功
率这门年轻的学科仍处在蓬勃发
展时期，从 １９７６ 年起由美国电气
与电子工程师学会（Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ ）每两
产
经
脉冲功率科学技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压 － 大电流技术融为一体 的新型学科。本文首先科学地阐述脉冲功率定义、内涵和本质；其次，简介各种储能或脉冲发电系 统（空间压缩）；再次，简介能量的各种转换成形方法（时间压缩）；最后，给出脉冲功率装置的各 种负载及其应用，特别介绍了电磁发射技术。将使人们对脉冲功率科学技术有一系统完整的新认识。
（ａ）说明原理的正视图（剖去１／４） （ｂ）带装药的俯视图 １ ． 上绝缘壁；２ ． 外电极；３ ． 内电极；４ ． 下绝缘壁； ５． 等离子体及其旋转方向；６ ． 炸药装药；７ ． 气体爆炸 产物；８ ． 高速高电导率产物
图 ９ 脉冲磁流体电容
（图 １０）；③旋转床核脉冲反应堆（图 １１）。
脉冲压缩或成形系统
（ａ）
脉冲成形系统是通过能量 或时间压缩方法，对储能或发 生系统输出的功率脉冲进行整 形和变窄，以达到需要的脉冲
１ ． 中子减速剂和反射层；２ ． 裂变气体；３ ． 冷却气 体；４ ． 核反应堆腔；５ ． 热交换器；６ ． 电流输出绕 组；７ ． Ｍ Ｈ Ｄ 发电通道；８． 恒磁场的激磁绕组
图１０ 感应式核裂变ＭＨＤ 脉冲发电机工作原理
３． 惯性储能脉冲发电机 这些是利用机械能转换电脉冲的 发电装置，多半是先用透平机或电动 机把大质量飞轮驱动起来旋转到高速 度，使飞轮惯性地储存动能，然后突然 转接到脉冲发电机的转子轴上，使其 产生电脉冲输出，同时飞轮因释能而 被减速或停转。 惯性储能的脉冲发电机有多种，它 们是：① 脉冲功率用同步发电机；② 直 流脉冲发电机；③ 单极发电机（自激式 和它激式 ＨＰＧ ）；④ 补偿式脉冲交流发 电机（包括主动 Ｃ Ｐ Ａ、被动 ＣＰＡ、选择 被动 Ｃ Ｐ Ａ 、串激 Ｃ Ｐ Ａ 和高压脉冲发电 机）；⑤ 旋转式磁通压缩发生器（包括 主动式、切割式、挤压式和变磁通旋转 式）；⑥ 变感 － 电脉冲放大机（包括线圈 式和类传输线式）；⑦ 增频脉冲发电机 （包括机械变频型和电变频型）；⑧ 圆盘
（ａ）
（ｂ）
图 ５ 中国 ４００ｋＶ 电感储能型闪光 Ｘ 射线机
交流发电机（包括单转子结构型和多转
子结构型）；⑨变容脉冲放大机和压电
式脉冲发电机等。其中补偿式脉冲交流
（Ｃ Ｐ Ａ ）发电机是利用电磁感应和磁通
压缩两种原理，实现对旋转线圈电感补
偿，把惯性储能、机电能量转换和脉冲
成形三者融为一体，能直接以几百赫兹
式、径向式和炮击式；重复工
作的 Ｍ Ｆ Ｃ Ｇ 包括螺旋 － 活塞型
和轨道增强型（笔者专利）。
（２ ）脉冲பைடு நூலகம்流体（Ｍ Ｈ Ｄ ）发电机
（ ｂ）
和 普 通 磁 流 体 发 电 原 理 相 图 ７ ＭＦＣＧ 工作原理与等效电路
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７
产
经
同，只是要求控制化学反应产生的磁流 功率值和脉冲形状以及脉宽的要求。主
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５
产
经
究，需要大功率的强流粒子束加速器，
１９６２年Ｊ．Ｃ．Ｍａｒｔｉｎ把４０年代发明的Ｂｌｕｍｌｅｉｎ
线和更早的冲击电压（Ｍａｒｘ ）发生器结
合起来，从而把脉冲宽度从微秒级压缩
到几十纳秒，为脉冲功率学科的形成奠
定了基础。之后，大型脉冲功率装置雨
后春笋般地在世界各国建立，例如 １９８６
６
２００９ 年第 ４ 期
产
经
多级电感储能脉冲发生器（分组时序并 联、多级 ＭＥＡＴＧＲＩＮＤＥＲ 和逐级压缩的 电感储能）；③用电流过零方法产生连 续脉冲（电桥抵消脉冲、反向抵消脉冲 和串联抵消脉冲）；④用铁磁元件变换 脉冲（铁氧体传输线和非线性电感磁压 缩）等。图 ５（ａ）是笔者研制的中国首 台 ４００ｋＶ 电感储能型闪光 Ｘ 射线机，图 ５ （ｂ ）是其实施电路。
图 ２ 脉冲功率系统的组成
一支强大的脉冲功率科学
队伍，还设立了脉冲功率
技术学科。
３． 脉冲功率系统的组成
原则地说，实现脉冲
功率的途径很简单，一是
对能量实施空间压缩，以
高体积密度发生或储存电
磁能量；二是再对这些能
图 ３ 各种储能形式的比较
量进行时间压缩以获得大
Ｃ０－ 主电容量；Ｌ０－ 隔离电感；Ｒ０－ 充电与保护电阻；ＲＬ－ 负载；Ｇｓ－ 主开关；Ｇ１ 至 Ｇｎ－ 火花间隙隔离开关；Ｓ－ 充电开关；Ｃ＇ 和Ｌ＇－ 各级对地电容和连线电感；Ｃ＇＇ 和Ｃｇ－电 容器间寄生电容和火花间隙开关电容；Ｒ＇－ 隔离电感 Ｌ０ 的电阻