高功率脉冲马克思发生器.docx

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1、高功率脉冲马克思发生器脉冲是短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。脉冲功率技术是一门新兴的技术。从上世纪70年代后期，随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论和等离子体技术的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术才得到重视和迅速的发展。本论文首先介绍了仿真软件Multisim的发展以及在电路模拟方面的各种功能，然后介绍了高功率脉冲技术的发展、应用和MARX发生器的原理，同时结合MIIItiSim设计电路，最后对MARX发生器的元件参数和仿真结果进行了研究。本课题是通过对高功率脉冲技术知识的了解，利用Multisiin软件设计出基本的MARX发生器的电路，然后对其进行仿真，最后通过对开

2、关等元件参数的调整设计出一套能产生高功率脉冲电压的MARX发生器。关键词：高功率脉冲技术；MARX发生器；MultisimAbstractPulsemutationisashorttime,thenquicklyreturnstoitsinitialvaluesofphysicalquantities.Pulsedpowertechnologyisanewtechnology.Inthelaterthan1970s,asnucleartechnology,electronbeam,accelerator,laser,dischargetheoryandplasmatechnologyhasbe

3、enwidelyresearchandapplicationofpulsepowertechnologytogetattentionandrapiddevelopment.Thisthesisfirstlyintroducesthedevelopmentofsimulationsoftware,Multisimandvariousfunctionsinthecircuitsimulation,andthenintroducesthedevelopmentandapplicationofhighpowerpulsetechnologyandtheprincipleofMARXgenerator,

4、atthesametime,combinedwithMultisimcircuitdesign,thecomponentsofMARXgeneratorparametersandsimulationresultsarestudied.Thistopicisthroughtheunderstandingofthehighpowerpulsetechnology,usingtheMultisimsoftwaretodesignthebasiccircuitofMARXgenerator,thencarriesonthesimulation,nallythroughtheadjustmentofth

5、eswitchelementparameters,suchasdesignasetofMARXgeneratorcangeneratehighpowerpulsevoltage.Keywords：HighPulsedPowerTechnology;MARXgenerator;Multisim摘要IABSTRACTII1雌11.1 课题背景11.2 高功率脉冲技术研究意义及现状11.3 本课题研究的主要内容22马克思发生器相关理论32.1 马克思发生器的概述32.2 马克思发生器的原理3主要元件及其功用4672.3 马克思发生器的充电过程分析102.4 马克思发生器的放电过程分析103Multi

6、sim简介133.1 Multisim的概述13Multisim的主窗口界面1313工具栏173.2 Multisim对元器件的管理183.3 输入并编辑电路193.3.1 设置Multisim的通用环境变量193.3.2 取用元器件193.3.3 将元器件连接成电路203.4 虚拟仪器及其使用203.5 Multisim的优势和特点21Multisim的特点2123Multisim附加功能244基于MULTISIM的高功率脉冲MARX发生器254.1 元件选择与参数设定254.2 电路图设计284.3 马克思发生器运行及结果仿真28发生器运行的电路变化284.3.2仿真结果294.4 结果分

7、析304.5 其他实验电路图313132致谢35参考文献36附录37附录A英文原文37附录B中文翻译491绪论1.1 课题背景利用NIMultisinill可实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便的对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，元器件种类不受限制，成本低、速度快、效率高；所设计的电路可直接在产品中使用。对脉冲功率技术的研究，始于20世纪30年代的

8、电容器放电产生X射线。1938年,美国人Kingdon和Tanis第一次发表了用高压脉冲电源放电产生微秒脉冲X射线的文章。为了适应脉冲功率技术的发展,1976年在美国举行了第一届IEEE脉冲功率技术国际会议，在这次会上“脉冲功率”这个术语被认同。现在，各个先进工业国家的许多军用和民用研究部门、高等学校都在积极地开展脉冲功率技术及其应用的研究。脉冲功率技术经过半个多世纪的发展，已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业。民用领域延伸。作为当代高新技术领域的重要组成部分，它的发展和应用与其他科学的发展有着密切的关系。总之，脉冲功率技术已经在科学研究、国防工业以及工业、民用等众多领域有着极为重要的应用。

9、脉冲技术是当前比较活跃的一门前沿科学技术，是高新技术研究的重要技术基础之一，有着非常广泛的发展和应用前景。1.2 高功率脉冲技术研究意义及现状随着脉冲功率技术研究的不断深入，高功率脉冲技术被越来越多地应用在工业及民用领域。在环境工程领域，已经出现脉冲电晕等离子体法净化废气技术、高压脉冲放电废水处理、脉冲静电除尘、微生物灭菌消毒、制取臭氧等；在生物医疗领域，也出现了体外冲击波碎石技术(ESWL).脉冲电磁场对生物培养基影响研究；其他领域还有矿井物探和水下目标探测、对岩石钻孔、高速X射线水下摄影、工业辐射源、快速加热淬火等。脉冲功率形成的过程是首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量，然后向中间储

10、能和脉冲形成系统注入能量，接着能量经过存储、压缩、形成脉冲或转化等某些复杂过程之后最后快速释放给负载。而要形成功率大、脉冲前沿陡的电脉冲需解决三个关键技术：初始能源储能技术、脉冲开关技术、脉冲大电流测量技术。而根据这三大关节技术不难看出脉冲功率技术的发展趋势，即由单次脉冲向重复的高功率脉冲发展；研制高储能密度的电源；探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关；积极开辟新的应用领域。作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术的发展与应用与其他科学的发展有着密切的联系。随之研究的不断深入，其相关研究成果将越来越多地转化到生产应用领域闭。1.3 本课题研究的主要内容在高功率脉冲技术中，MARX

11、发生器作为现阶段应用最广的第一储能器，在相关领域的研究中占有极其重要的位置。设计高功率脉冲MARX发生器首先应考虑的是选择一种适合自身实现功能的电路设计及接线方式；而为实现其功能最基本的考虑则是选择一组衔接良好、互感微弱、参数适中的电容、电阻及开关等元器件。最后通过周密的计算和反复的实验整理出一组仿真结果放大效果明显，脉冲坡度陡峭的MARX发生器电路。本文将首先研究MARX发生器的组成、原理，然后对MARX发生器的充、放电过程进行简要分析，最后对MARX发生器的参数测量和发展情况加以介绍。熟悉使用MUltiSim软件，对MARX发生器电路进行结果仿真，得到波形结果。2马克思发生器相关理论模拟信

12、号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不经过调制，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输。2.1 马克思发生器的概述马克思发生器（MarXGenerator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由EMarx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程。所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验中。2.2 马克思发生器的原理马克思满足两个基本要求：即输出一定幅度（兆幅）的电压和具有一定时间宽度的波形。在高功率脉冲技术中，还要求马克思发生器具有低电感，以缩短对传输线的充电时间，减轻对传输线的绝缘要求。以下图这个简单的马克思发生器为例。图2.1马

13、克思发生器的基本线路线路的工作原理可以简单地概括为：“电容器并联充电，串联放电”，通常人们习惯把马克思发生器由多个电容器组成定名为马克思发生器的级数。把每个电容量为CO的电容器（总数为n个）通过充电电阻R并联充电到电压V0,而后使所有开关S（通常充气火花间隙开关）接通，这些电容器就会全部串联起来，建立起电压幅值为nV0的高压，并在负载上产生一定脉宽波形的高压脉冲。因为由并联充电变成串联放电，是靠火花间隙开关来实现的，所以开关放电同步的好坏，就直接决定了发生器同步性能的好坏。电阻R在充电时起电路的连接作用，在放电时又起隔离作用。为了触发放电，第一个开关通常采用三电极结构，外触发脉冲加到触发电极上

14、，其余开关则因放电间隙上过压而相继击穿闻。主要元件及其功用由图2.1可知，马克思线路的基本元件，除了充电直流电源、触发电源和负载以外,主要元件是：高压电容器、火花间隙开关、充电电阻和接地电阻。1、高压电容器这类高压电容器中，对电容器的主要要求是：总储能大和储能密度高并且他的故有电感小。因此要求马克思发生器对传输线的充电时间要小，因此马克思发生器电路必须是低电感的，而电容器的电感又是回路电感的主要组成部分之一。同时，也希望电容器的尺寸尽量小，质量要轻，因为外形尺寸太大时，也会给放电回路引入较大的电感。电容放电时，实际为一衰减的L-C振荡电路，会出现反向电压和电流，在应用中不能够超过允许的反向电压

15、、电流值，使用时必须仔细设计。电容罂的直接短路放电，一般是不允许的。必须串入一个小电阻或小电感。因此，在某些应用中还要专门考虑储能电容器的保护问题。已充电的发生器的电容器中储存有大量的能量，如果某个电容器内部的绝缘体击穿，其他电容器的能量会泄放到有故障的电容器当中去，能量又很大，使电容器中油迅速分解气化，在内部产生很大的压力，从而使电容器有爆炸的危险。通常采用隔离间隙，串接入吸能电阻的方法对电容器进行保护叫2、火花间隙开关早期马克思发生器的火花间隙开关大多采用空隙球，处于大气中，球的间隙距离可以方便调节。并且把全部球隙至于同一垂线上，便于火花放电时产生紫外线或射线相互照射，达到同步。脉冲功率技术中用的马克思发生器为了缩短火花隙的导通时间，通常采用充气火花间隙开关。在一定的间隙距离下，利用改变充气压力，可以改变运行电压的工作范围。利用火花间隙之间的电容耦合得到过电压，无需紫外线照射（有时还附加上电阻触发）。对于开关的主要要求是导通时间要短，工作稳定性要好，同步抖动要小。常用的触发开关是三电级开关和场畸变开关。三电级开关简图见图2.2,这是应用比较广泛，而且结构简单的一种间隙开关。当外加触发脉冲到达触发针Z上后，引起针和电极GO之间发生电火花，引起电极附近的电场畸变，加之光子照射，使主间隙形成流柱，间隙迅速闭合。图2.2三电级开关简图