一本介绍脉冲功率技术基本原理的综合性书籍：《脉冲功率技术基础》

脉冲功率技术为当前和未来需要高峰值功率的应用领域提供了可实现的途径。我们职业生涯的大部分时间在政府研究实验室度过，从事脉冲功率系统的设计、研制及应用，并致力于推动该领域的发展。我们都曾教授过脉冲功率的相关课程，并强烈认识到需要一本专门介绍该领域基本原理的综合性书籍。我们深信坚实的理论基础以及对该领域历史的深入了解将为未来的研究人员提供新兴应用所需的技能。

(美) J. 莱尔 (Jane Lehr)

(印) P. 罗恩 (Pralhad Ron)

脉冲功率技术是20 世纪50 年代由于国防科研的需求而迅速发展起来的涉及多学科的前沿高新科学技术。在核爆辐射效应模拟、高新技术武器等领域的需求牵引下，脉冲功率技术一直是各军事强国相关研究领域的重要研究内容和研究热点，广泛应用于闪光照相、X 射线产生、核爆辐射效应模拟、高功率微波、高功率粒子束、电磁发射、强激光、等离子体物理、核聚变等领域，同时在地球物理勘探、化石能源开发、环境保护、辐射改性、纳米制造、生物医学等民用领域也得到了迅速发展。

《脉冲功率技术基础》[(美)J.莱尔(Jane Lehr)，(印)P.罗恩(Pralhad Ron)著；王海洋，谢彦召，杨海亮译．北京：科学出版社，2024.6]一书是美国学者Jane Lehr 和印度学者Pralhad Ron 共同撰写的关于脉冲功率技术的专著。两位作者从20 世纪70 年代开始，先后在美国圣地亚国家实验室、美国新墨西哥大学、美国空军研究实验室、英国伦敦大学玛丽女王学院、加拿大麦吉尔大学、印度印多尔理工学院等单位开展研究工作，本书是他们多年教学和研究成果的总结。Jane Lehr主要研究高功率电磁学、脉冲功率、高电压工程，以及真空、气体、液体中电击穿的物理机理和应用，尤其是在超宽带高功率电磁脉冲和重复脉冲功率方面，开展了大量系统的研究工作，取得了很大进展。Pralhad Ron主要从事高电压装置的设计与开发、粒子加速器建造、电子束处理、工业电子束、X 射线、EMP 测试、脉冲强磁场、电磁干扰模拟和防护技术等方面的研究。

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本书主要涉及相关概念、设计信息、系统技术和应用领域等。由于每个高功率应用都需要特定的功率源，因此脉冲功率领域的内容很难编撰。自定义及领域内固有的跨学科性质限制了综合性文献的形成。本书适用于脉冲功率源的设计者和研究人员，同时适用于脉冲功率技术、等离子体物理和应用、激光物理和技术、高电压绝缘和电力系统工程、测量和诊断、高功率电磁学、粒子束、电磁干扰和电磁兼容等相关专业的研究生。

本书侧重于脉冲功率装置的工程设计和研制建造，为脉冲功率组件、系统和测量奠定坚实的基础，因此可供多个学科专业的研究生和相关工程师参阅。此外，本书还包括电磁干扰、电磁兼容和拓扑概念，其目的是抑制脉冲功率系统中的电磁干扰，并且缩小教科书和研究人员之间的鸿沟。本书旨在深入介绍脉冲功率装置单个组件的理论、设计和研制建造，但内容非常简洁，重点聚焦于整个脉冲功率系统。本书对基本概念、图形和已解决的设计示例得出的大量公式进行了说明。

本书共12 章，每章都包含大量参考资料，以引导研究人员深入地研究该领域。第1～5 章描述脉冲功率源系统的基本组成单元。第6、7 章以各个组件的集成系统为例，说明系统应用过程中需要注意的事项。第8～12 章介绍相关的重要主题，包括绝缘介质的电击穿(第8、9 章)、脉冲电压和电流的测量(第10 章)，以及电磁干扰、电磁干扰抑制的拓扑结构(第11、12 章)。以下介绍各章的主要内容。

• 第1 章介绍Marx 发生器和类似Marx 的电路，讨论广泛使用的基于Marx 发生器的倍压电路的设计公式、注意事项和示例；介绍多种低电感Marx 发生器的结构，它们具有高功率传输、低抖动、快速建立和重复脉冲运行的能力；此外，介绍其他电路拓扑结构，如麦克斯韦Marx 发生器电路和Fitch 电路，但是这些电路并未得到广泛应用。

• 第2 章介绍脉冲变压器，这是另一种被广泛应用的电压倍增方法。本章还讨论以最小失真原则来优化设计高功率脉冲传输线变压器，并与应用设备阻抗相匹配。

• 第3 章介绍脉冲形成线，脉冲形成线传输来自Marx 发生器或Tesla 变压器的脉冲，具有在非常短的上升时间内提供吉瓦级峰值功率的能力。同时，本章介绍各种传输线的结构，如同轴线、带状线、Blumlein 线、层叠Blumlein 线、径向线、螺旋线和螺旋发生器。从最大充电电压、最大功率输出、电介质的选择、电介质击穿场强与充电时间的依赖性关系等方面对脉冲形成线设计进行了优化，并给出设计示例。

▲ ZR 装置脉冲压缩电路各个部件的瞬时峰值功率

• 第4 章介绍闭合开关，论述在波形失真最小条件下设计用于将能量高效传输至负载的自触发和外触发火花开关时需要考虑的因素及其性能参数；讨论火花开关结构、触发结构、触发模式，以及几种专用火花开关（如速调管、脉冲串模式间隙和放射性同位素辅助间隙）的显著特点。此外，本章提供用于估算电感项上升时间、电阻项上升时间以及火花通道数量的设计示例。

• 第5 章介绍断路开关，其是电感储能系统的重要组成部分。本章详细讨论断路开关的结构和性能，涵盖的内容主要来自Ron 和Gupta 的NRC 报告Opening Switches in Pulsed Power Systems，REP. TR-GD-007。

• 第6 章介绍吉瓦级至太瓦级脉冲功率装置。脉冲功率装置具有以高峰值功率传输单脉冲或重复脉冲的能力。装置的类别主要包括串级电容储能系统、串级电感储能系统、磁脉冲压缩单元、感应电压叠加器和直线感应加速器等。由于国际知名装置历史地位的重要性以及其与现代脉冲功率系统发展的相关性，本章重点讨论由快速Marx 发生器、脉冲形成线和多通道火花开关组成的国际知名装置。

▲ 以Marx 发生器为初级储能单元，以同轴Blumlein PFL 为中间储能单元的高压脉冲发生器

• 第7 章介绍电容器组的能量存储，包括大电流电容器组储能的设计和建造过程所涉及的理论、实践和安全等方面内容。电容器组主要用于在微秒范围内传输高能量，其广泛应用于等离子体加热、强磁场产生和电磁推进等方面。

• 第8 章介绍气体动力学理论的基本概念，描述Paschen 和Townsend 的早期实验，并深入阐述气体击穿的基本机理，以及电晕放电和伪火花放电现象。同时，本章还讨论通过将中间电极设计为近圆柱形和球形来实现最佳绝缘利用率的技术，并且给出了SF6 气体及其与其他气体的混合气体获得最大效用的实用技巧。

• 第9 章讨论固体、液体和真空中电绝缘与电击穿的特性，论述电介质中的击穿机理和为提高绝缘性能所采用的实用技术。本章重点描述局部放电和电气树，它们决定着固体电介质的长期性能、传输线绝缘液体的性能以及真空中应用设备的性能。另外，本章讨论沿面闪络理论和抑制技术。

▲ 真空间隙中固体绝缘介质沿面闪络的机理

• 第10 章讨论脉冲电压和电流测量的概念和技术，深入论述在保证脉冲波形不失真的条件下所涉及的参数精确标定的问题，同时介绍对强电磁干扰具有很高抗干扰能力的电光和光电转换技术。

• 第11 章介绍电磁干扰和干扰抑制。由于脉冲功率系统的运行会产生强辐射的电磁场，因此强电磁辐射可能会损坏设备或导致测量不准确甚至误操作。本章在讨论引起电磁干扰的电容耦合、电感耦合、共阻抗耦合和辐射耦合的基本机理后，结合屏蔽电缆、电源线和信号线滤波器、隔离变压器等保护技术的实用方法，详细讨论有效接地和屏蔽措施。

• 第12 章介绍电磁干扰抑制的拓扑结构。采用复杂结构的多层嵌套屏蔽体，可以使电子系统在恶劣环境中免受强电磁干扰的影响，安全可靠地运行。为了使大量表面不连续的屏蔽体保持较高的屏蔽性能，需要在各个受保护区域使用专门的技术，并要求贯通装置与屏蔽体之间的连接标准较高。

本书的翻译工作得到强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室和西安交通大学瞬态电磁环境与应用国家级国际联合研究中心的大力支持。西北核技术研究所王海洋研究员、西安交通大学谢彦召教授与西北核技术研究所杨海亮研究员负责本书的翻译。其中，西北核技术研究所王海洋、肖晶、孙楚昱、程乐等对初稿进行了统稿和修改，谢彦召教授和杨海亮研究员对全部译稿进行了审校。

本文摘编自《脉冲功率技术基础》[(美)J.莱尔(Jane Lehr)，(印)P.罗恩(Pralhad Ron)著；王海洋，谢彦召，杨海亮译．北京：科学出版社，2024.6]一书“前言”“译者序”，有删减修改，标题为编者所加。

(辐射环境模拟与效应丛书)

Foundations of Pulsed Power Technology

ISBN 978-7-03-077396-8

宋无汗，15902971152

郑小羽，18049634557

本书综述国际上脉冲功率技术和相关研究领域的主要进展，重点讨论脉冲功率系统基本概念、组成及其应用等内容。本书共12 章，第1～5 章概述脉冲功率源系统的基本组成单元；第6、7 章论述脉冲功率系统的应用；第8、9 章介绍绝缘介质的电击穿；第10 章介绍脉冲电压和电流的测量；第11、12 章介绍电磁干扰及其抑制技术等内容。

本书可供脉冲功率技术相关科研人员参考，也适用于等离子体物理及其应用、高电压绝缘和电力系统工程、高功率电磁学、粒子束及电磁兼容等领域的科研人员。

（本文编辑：刘四旦）

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