电磁脉冲模拟器的性能分析-毕业论文.doc

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题 目 电磁脉冲模拟器的性能分析

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X 年 X月 X 日

目 录
0 引言 1
1 电磁脉冲简介 1
1.1电磁脉冲与脉冲功率技术 1
1.1.1脉冲形成原理 1
1.1.2典型的高功率电磁脉冲 2
1.1.3 脉冲功率技术 7
1.2核电磁脉冲模拟器 9
1.2.1核电磁脉冲模拟器类型 9
1.2.2 脉冲源及相关技术 10
1.3 核电磁脉冲模拟器的研究历史与国内外现状 14
1.3.1 国内外早期典型模拟器简介 14
1.3.2 模拟器研究现状及趋势 15
1.4 本文的研究工作 16
2 电磁脉冲模拟基本原理 16
2.1 核电磁脉冲模拟器基本类型 17
2.1.1 有界波模拟器 17
2.1.2 偶极子模拟器 18
2.1.3 静态模拟器 18
2.1.4 混合型模拟器 19
2.1.5 定向辐射模拟器 20
2.1.6 源区电磁脉冲环境的模拟 20
2.2 双指数脉冲形成基本原理 21
2.2.1 电容放电式脉冲源脉冲形成基本原理 21
2.2.2 马克斯发生器及其输出波形陡化技术 24
2.3 气体放电基本理论 26
3 电磁脉冲模拟器的性能分析 29
3.1 脉冲波形主要影响因素分析 29
3.1.1 气体火花间隙开关对波形的影响 29
3.1.2 线路分布参数对脉冲波形的影响 30
3.2 模拟器性能分析 32
3.2.1 脉冲电源负载与脉冲波形的关系 32
3.2.2 传输线（含小室）阻抗失配的影响 33
3.2.3 分压器的影响 34
4 总结 36
参考文献 36
致 谢 38
ABSTRACT 39

41

电磁脉冲模拟器的性能分析

摘要；电磁脉冲具有陡峭的前沿及较窄的宽度，覆盖了较宽的频带，能利用各种耦合途径迫使电子元器件、设备和线路遭受严重的破坏和干扰，故而，电磁脉冲及其工程防护的理论以及技术至今仍是世界各国研究的热点项目之一。论文阐述双指数脉冲形成的基本原理并分析回路分布参数对脉冲波形的影响以及电磁脉冲模拟器性能的分析。
关键词: 电磁脉冲模拟器；双指数脉冲；气体放电；影响因素

0 引言

脉冲技术是近年发展起来并得到广泛应用的技术, 它已用于电力系统高压绝缘试验、激光技术、微波技术和电磁兼容性试验等。本文简述了电磁脉冲环境及脉冲功率技术的发展历程，阐述了电磁脉冲模拟技术的国内外研究历史与现状，并深入介绍了电磁脉冲模拟器的基本理论，在此基础上阐述了双指数脉冲的基本形成原理以及对模拟器进行了性能分析。

1 电磁脉冲简介
1.1电磁脉冲与脉冲功率技术

电磁脉冲（electromagnetic pulse, EMP）是一种瞬变电磁现象。从时域波形看，一般具有陡峭的前沿，宽度较窄；从频域看，则覆盖了较宽的频带。电磁脉冲能损坏晶体二极管、晶体管、集成电路、电阻及电容、继电器和滤波器等多种类型电子元器件；可以与电缆、导线和天线等耦合，把电磁脉冲的能量传递给电子设备，引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转；能使根据磁通工作的存贮器（磁心、磁鼓和磁带等）消磁或失真，破坏元器件或抹去存贮的信息和引起关闭传递假信号（如20世纪60年代初美国的一次核实验，曾使距爆心1400km 的火奴鲁鲁地区的几百个防盗器发出虚警）。电磁脉冲还可以使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流，这种电流沿着接收机和导弹的金属表面流动，并通过壳体上的隙缝或舱口耦合到壳内，使电子元器件、线路和设备受到不同程度的干扰和破坏。因而有关电磁脉冲及其工程防护的理论和技术，便成为当今世界各大国研究的热点之一。

1.1.1脉冲形成原理

高压脉冲的形成原理可由图1-1所示的脉冲功率传输链表示。利用电容储存高压直流电源提供的能量, 同轴电缆用于传输信号。当水银继电器开关动作时, 经过信号变换过程产生所需陡脉冲, 为了减小过冲和
高压直流电源
电容
储能
脉冲变换
开关
阻抗匹配
负载

图1-1 脉冲功率传输链
反射, 在负载前端设计阻抗匹配环节。

1.1.2典型的高功率电磁脉冲

电磁脉冲包括：核爆炸电磁脉冲（nucleus electromagnetic pulse, NEMP），非核电磁脉冲武器产生的脉冲，雷电电磁脉冲（lightning electromagnetisc pulse, LEMP），静电放电（electrostatic discharge,ESD）脉冲以及大功率电子、电气开关的动作产生的电磁脉冲等。
1） 核电磁脉冲的特点[1]及高空核爆炸电磁脉冲典型波形
核武器是迄今威力最大的武器。核武器在爆炸瞬间不仅释放巨大的能量，而且这些能量可以转化为不同的杀伤破坏效应。核爆炸的杀伤破坏效应分为两类。第一类在爆炸后几秒到几十秒时间内起作用，称之为瞬时破坏效应，包括冲击波、热辐射（或称光辐射）、早期核辐射和电磁脉冲。第二类作用时间可持续几天甚至更久，是核爆炸产物剩余核辐射形成的放射性污染，包括γ 辐射和β粒子。从能量看，核爆炸产生的瞬发γ 射线的能量约占爆炸能量的0.3％，其中以电磁脉冲形式释放的能量，在高空爆炸（爆高高于30km）时约占这一部分能量的1％，在地面爆炸时占1/107。按此比例计算，百万吨级核武器高空爆炸以电磁脉冲形式释放的能量，高空爆炸时约为1011J；地面爆炸时约为106J。尽管这些能量分布在非常大的面积上，电子、电力系统的某些部分作为电磁能量的收集器从中耦合1J 以上的能量是完全可能的。而在极短的时间内，接收几分之一焦耳的能量就可能造成电子设备的临时性故障或永久性破坏。从波形看，核电磁脉冲具有很高的峰值场强，电场强度可达（104～105 V/m），磁感应强度可达10 mT，而且上升时间极短(10-8s)。从频谱看，以高空核爆炸电磁脉冲为例，其频谱覆盖了从超长波直至微波低端的整个频段，从而对无线电通信、导航和广播等系统的安全运行构成了严重的威胁。
从覆盖的地域看，地面爆炸时电磁脉冲源区（γ 辐射的能量沉积区，是γ 光子与空气或其他物质相互作用产生康普顿电流的区域）的覆盖半径为3km～8km，而高空爆炸时地球上凡能看到爆点的地方皆能受到脉冲的覆盖。如爆高为40km，则电磁脉冲覆盖的地面半径712km；爆高为80 km 时，覆盖半径达1000km。因此，暴露在高空爆炸电磁环境中的长导体（如架空电力线、架空通信线、铁轨等）可能收集到巨大的能量。而与这些长导体相连的电力、电子设备就可能遭受损坏。正由于核电磁脉冲具有上述特点，因而对电子、电气设备及系统构成了严重的威胁。特别是随着核武器技术的不断发展与进步，经专门设计的核武器可以大大增强其电磁脉冲效应，提高电磁脉冲能量在整个爆炸能量中的份额，陡化前沿，增加高频辐射，以致激励高功率微波，定向辐射电磁能，如中子弹、冲击波弹及尚在研制发展阶段的核电磁脉冲弹等。
高空核爆炸电磁脉冲（high altitude electromagneticpulse, HEMP），包括早期、中期和晚期3个部分。早期场是核爆炸瞬发γ 激励的康普顿电子运动产生的，这个过程大约持续1 μs。中期场包括所谓的散射γ信号和中子γ信号，其中散射γ信号是散射γ激励产生的场，在1μs～100μs之间，占主要成分；中子γ信号电场主要由高能中子和空气分子的非弹性碰撞产生的γ激励贡献，在1ms～10 ms之间。晚期电场在 1s 到数百 s 之间，是各种空间碎片和空气离子在地磁场中运动感应产生的电场，称为磁流体电磁脉冲。HEMP的早期成分，覆盖中频、高频、甚高频和一些特高频波段的信号，具有辐射范围广、强度大、频谱宽等特点，可以通过天线、孔缝、线缆等的强耦合作用，对各种电子化设备和系统造成暂时和永久损伤，具有强大的破坏效应。晚期部分的电场水平分量，将对系统产生强耦合。高空核爆电磁脉冲(早期部分)的波形表述有多种不同标准, 目前，较有影响的标准有美国国防部制定的一系列军用标准和手册，Bell 实验室标准和国际电工委员会制定的HEMP标准等。
美国国家标准IEEE/ANSI C63.14中对电磁脉冲的简明定义为[4]:电磁脉冲是在核爆炸时,由于伽玛光子与空气介质分子的相互作用而产生的电磁辐射。根据高空核爆电磁脉冲的基本理论模型，采用指数上升的理想伽玛源进行简单计算时，虽然不能包括所有可能想到的情况，但却能给出相对合理的电磁场，对于工程应用还是非常有价值的。这些计算结果的精度与对康普顿电流和空气电导率取值处理时的技术发展水平有关。一般高空核爆电磁脉冲场强可以总结为简单的双指数解析函数表达形式

图1－2 DOD－STD-2169 时域波形 图1－3 MIL-STD-461C时域波形图
E（t）=E0k(e-αt-e-βt) （1.1）
式中，E0 为峰值场强；k 是修正系数；α, β为表征脉冲上升、下降沿的参数。
1985 年美国国防部（DOD）颁布军标DOD－STD－2169，规定HEMP的早期成分标准为α＝3.0×107s-1，β＝4.76×108s-1， k＝1.285，E0＝50kV/m ,波形如图1－2所示。
1986年美军标MIL-STD-461C规定的波形如图1－3所示。规定脉冲上升时间tr≈5ns，脉宽td≈30ns，下降时间tf≈550ns。1993年将461C修正为461D，将其参数规定改为：波形前沿小于等于10ns，后沿大于75ns。如图1－4所示。显然，相对461C给出的严格定义的波形，461D仅规定了脉冲的峰值时间、衰落时间和峰值场强,波形标准限定条件没有以前严格。但标准过于灵活，在模拟器参数确定、考核试验级别等方面标准就不统一，给效应数据的比对带来难度，因为不同标准的HEMP考核试验结果是不同的。
1999年再次修正发布了最新的版本461E。采用IEC 61000-2-9中定义的HEMP早期波形，如图1－5所示。并将上升时间改为（1.8～2.8）ns，半峰宽改为（23±5）ns。

图1－4 MIL-STD-461D定义的波形 图1－5 MIL-STD-461E规定的波形
从80年代初期开始，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）开始讨论是否处理核电磁脉冲效应带来的问题，1991年，成立隶属于电磁兼容（electromagnetic compatibility,EMC）技术委员会（IEC/TC77）的SC77C分委员会，负责有关高空核爆电磁脉冲的标准[10~12]。IEC61000-2-9 内容是早期、中期和晚期HEMP波形的许多定义和辐射参数[13]，这是一项国际性的民用标准，正越来越广泛地被引用。其波形参数为：E0=50kV/m，α = 4.0×107s–1，β = 6.0×108s– 1，k =1.3。
文献[14]给出: α=1.5×106s–1，β=2.6×108s–1, k =1.04, E0=50kV/m；美国Bell实验室提出的参数为:α = 4×106s–1，β = 4.76×108s–1，k = 1.05，E0 = 50kV/m (MIL-STD-461C波形等同这个标准),这个标准是很著名的,很多文献资料都采用该标准来研究效应问题。
文献[15]给出了另外一种标准(k = 1.06，E0 = 50kV/m，α = 3.7×106s–1，β = 3.9×108s–1)，用于考核舰船的EMP效应。以色列的研究人员在文献[16]中给出的标准类似于Bell实验室的波形,其参数为k = 1.052，E0 = 50kV/m，α = 4.0×106s–1，β = 4.4×108s–1。文献[21]中给出一种用于电力系统试验的标准,其参数为k =1.89，E0 = 94.5kV/m，α = 5.0×106s–1，β = 5.0×108s–1。
综上所述，各标准峰值场强幅值多为50kV/m。但时域参数变化很大，可分为3种主要类型：上升时间和持续时间较长，中等(Bell)，较短(IEC)。基本趋势是前沿变快、持续时间变短。对于形如式(1.1)双指数函数表述形式的HEMP波形，其频谱响应由傅立叶变换得到
（1.2）

图1－6　不同标准HEMP波形的频谱图 图1－7 归一化累积能流谱
经计算可得各典型波形的频谱(幅度谱)（图1－6）。IEC61000-2-9标准和DOD-STD-2169标准波形的3dB带宽范围最宽；Bell实验室波形和文献[4]、[5]居中；文献[6]最窄。但是比较频谱幅值，出版物1波形频谱成分几乎覆盖了其他所有波形（10MHz 附近，几种波形频谱曲线有交叉，在此频率以上IEC61000－2－9标准频谱分量要稍稍大于该文献标准，体现在效应上为小孔耦合效应方面稍强），因此一定意义上，文献[3]波形威胁最严重，Bell实验室波形次之，而近年新修订的IEC 61000-2-9(MIL-STD-461E)波形相对要宽松得多，虽然其3dB带宽反而更宽一些。
由帕斯瓦尔定理，定义能谱S(f)来描述能流随频率的变化,表达式为
（1.3）
将上式在频域积分（远场一般f＞1kHz）可以得到早期HEMP波形的总累积能流为
（1.4）
累积至某一频率f 的能流为
（1.5）
归一化累积能流谱为
（1.6）
图1-7是由上式的计算结果绘出的归一化累积能流成分随频率的变化曲线[7]，图中可以看出各种波形的能流分布的主要频段范围。IEC 61000-2-9频率到100kHz时能流成分占到2 %，而到100MHz时，这个比例为98%，因此，IEC波形96%的能流分布范围在100kHz～100MHz。相应，Bell实验室波形的能流范围主要在10kHz～30MHz之间。出版物1波形，其能流分布范围主要在约1kHz～10MHz 的频段。
脉冲包含的总的能量密度j（辐射能量密度，J/m2）可表示为
（1.7）
根据上式从时域或频域可以计算出不同标准波形的总的能量密度大小，数值结果显示：出版物1波形的能量密度最大，为2.350J/m2；Bell实验室波形居中，约0.891J / m2；IEC波形最小，仅有0.114J /m2。
2）电磁武器（非核）与高功率超宽带电磁环境
在以大量电子信息设备为依托的信息化战争中，对电子信息设备构成威胁的电磁武器的发展，尤其是高功率（入射电磁场超过100V/m或微波的峰值功率超过100MW）超宽带（频带宽度达108Hz～1012Hz）电磁脉冲武器的出现，倍受人们的关注。
电磁脉冲武器有时也称为电磁脉冲产生器，是一种能在爆炸时产生强电磁脉冲辐射，并用来破坏敌方电子设备和武器系统的武器。这种武器的辐射主频率通常在1GHz ～30GHz的范围内,峰值功率在吉瓦级，辐射功率在100MW以上，它能摧毁来袭导弹或破坏雷达、通信系统和武器系统中电子设备或扰乱人的大脑神经系统、使人暂时失去知觉，特别在对付隐身武器(如隐身巡航导弹和隐身飞机) 方面具有明显的优势。电磁脉冲武器由初级能源、能量转换装置、射频脉冲产生器和发射天线等几部分组成。目前发展的电磁脉冲武器主要有电磁脉冲弹、微波炸弹和非核电磁脉冲产生器等。
通过各种渠道耦合进入系统金属壳体内的HPM(含UWB)能量，将对电子器件产生破坏效应，造成干扰、翻转、闭锁甚至烧毁，使其功能下降以致失效。损伤模式有热二次击穿，瞬时热效应引起的金属化失效，电压击穿和复杂波形引起的其他失效。损伤的严重程度与功率密度有关，有关数据见表1.1[8]。
表1. 1 高功率微波武器效应
损伤作用
功率密度
效 应
干扰作用
(0.01~1) mW/cm2
使相应工作频段上的雷达、通信设备不能正常工作
(0.01~1) W/cm2
通信、雷达、导航等系统的微波器件性能显著下降或失效，使小型计算机芯片失效
软杀伤作用
(10~100) W/cm2
壳体产生瞬态电磁场，进入壳体内部电路，产生感应电压，使其功能紊乱；如果感应电流过大，将烧坏电路中的器件，任何工作频段的电子系统都失效
硬杀伤作用
(103~104) W/cm2
强场作用引起非线性效应，能在瞬间摧毁目标，引爆炸弹、导弹、核弹等武器
对人员的影响
(3~10) mW/cm2
人员产生神经错乱，行为失误
80 mW/cm2
持续1s可使人死亡
高功率超宽带技术除了用于军事领域外，超宽带雷达能精确地显示目标的细节，且具有更高的抗噪和抗扰性能，因而在地球物理探测方面将发挥巨大的作用；在医疗方面，超宽带短脉冲（脉冲宽度为ps 量级的陡脉冲）可用于治疗癌症和肿瘤。采用定向传播的短脉冲波束，俗称“电磁导弹”， 是一种增加电磁能穿透深度的方法之一，因为它比脉冲调制的载波在人体内的衰减率要小得多。

0 1 2 3 4 5 6 7 8
time/ms
图1－8 雷电辐射电场波形
3）雷电脉冲
雷电效应分为直接效应和雷电流引起的次级效应。雷电的直接效应即直接由雷击产生的物理效应，包括燃烧、侵蚀、爆炸、结构变形和高压冲击波，以及强电流形成的磁场，还有雷电沿避雷装置引线向大地泄放时形成的足以致命的接触电压和跨步电压等等。雷电流引起的次级效应即电磁辐射效应，也就是雷电电磁脉冲(LEMP)及其与设备和系统之间的相互作用，其危害范围远大于直击雷。根据IEC 1312-1标准的定义,LEMP包括非直击雷产生的电磁场和电流浪涌。图1- 8是雷电放电各个阶段辐射电场强度波形。雷电形成的电磁脉冲包括从雷雨云形成到预击穿、梯级（阶跃）先导、回击、箭先导、后续回击以及云内和云间闪电中的所有放电过程所发出的电磁波, 其传播受到大地电导率及电离层多次反射的影响。由于回击电流产生的EMP峰值高、影响范围广, 成为雷电电磁脉冲的理论计算和效应研究的重点。
设在加拿大多伦多测试塔测到的典型的雷电回击电流微分、电流、电场及磁场波形如图1－9～图1－12所示（2002年7月22日16:43:28的单一雷闪）[9]。次图1.9-12。

time /m s time / m s
图1－11 雷闪回击电场波形 图1－12 雷闪回击磁场波形

time /m s time/m s
图1－9 雷闪回击电流微分波形 图1－10 雷闪回击电流波形

从1992年到2002年11年内323雷击中的111次闪电的波形参数统计结果如表1.2所示。由表可见，电场峰值在240 V/m 到3.24kV/m，平均为940 V/m，其中绝大部分（约占95％）超过370 V/m，而极少数（约占5％）会超过1.83 kV/m, 50％电场的峰值超过810V/m；电场平均上升时间（10％～90％）为1.21μs，电场平均半峰值脉宽为2.31μs；磁场峰值在0.20 A/m～4.79 A/m，平均为1.30 A/m，50％的磁场的峰值超过1.11A/m；磁场平均上升时间为1.24μs，磁场半峰宽平均为1.90μs.由于塔的电感、电容、山地接地阻抗特性等因素的影响都比较大，有关第一次回击的测试结果可能丢失一些高频分量，所以常根据远距离电场和磁场的时域测量结果，采用适用于地闪回击电流产生的电场和磁场模型，按近似公式计算得出。根据实际观测数据绘制的雷电电磁场频谱分析,地闪和云闪电磁场的主要成分分布在极低频(3 Hz～3000 Hz) 和甚低频(3kHz～30kHz)段。
表1. 2 LEMP实测参数统计
场类型
电场E
磁场H
统计项目
最小
95%
50%
平均
5%
最大
最小
95%
50%
平均
5%
最大
峰值(kV/A或A/m)
0.24
0.37
0.81
0.94
1.83
3.24
0.20
0.43
1.11
1.30
2.87
4.79
上升时间(us)
0.23
0.33
0.96
1.21
2.90
8.47
0.20
0.41
1.08
1.24
2.97
7.56
脉冲半宽（us）
0.42
0.64
1.99
2.31
3.92
8.63
0.24
0.62
1.70
1.90
3.67
5.03
4）静电放电脉冲
在干燥环境中静电放电现象是普遍存在的，而且静电荷可以聚集成上万伏的危险静电源。一旦形成放电回路，有时瞬间会形成几十甚至上百安培的电流脉冲,这种放电过程往往在纳秒量级完成，同时伴有强烈的宽带带电磁辐射。所以，静电放电不仅可以通过传导途径对敏感设备释放能量，而且可以通过空间电磁辐射场把能量传输到附近设备上，从而对敏感设备造成干扰或损伤。国际电工委员会制定的静电放电电流标准波形及参数分别如图1－13和表1.3[10]。文献[11]计算出电流幅值频谱如图1－14所示。
表1. 3静电放电标准波形参数[10]
放电
电压
kV
上升
时间
ns
峰值
电流
A（10%）
30ns处
电流
A（30%）
60ns处
电流
A（30%）
2
0.7~1
7.5
4
2
4
0.7~1
15
8
4
6
0.7~1
22.5
12
6
8
0.7~1
30
16
8
过去，人们认为静电放电是一种高电位、强电场、小电流的过程，其实这种看法并不完全正确。的确有些静电放电过程产生的放电电流比较小，如电晕放电，但是在大多数情况下静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流，在ESD过程中会产生上升时间极快、持续时间极短的初始大电流脉冲，并产生强烈的电磁辐射形成静电放电电磁脉冲( ESD EMP)。静电放电过程产生的电磁辐射场覆盖很宽的频谱范围，有的报道达到0～3 GHz。它的电磁能量往往会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的电火工品误爆，造成事故。作为近场危害源，许多人已把它与高空核爆炸形成的核电磁脉冲及雷电放电时产生的雷电电磁脉冲相提并论。

图1－13 静电放电 (人体金属模型) 标准电流波形 图1－14 人体-金属模型放电电流的幅值频谱
实验研究表明，静电危害的作用机理可分为力学效应、热效应、电磁辐射效应、强电场效应和磁效应等5种。

1.1.3 脉冲功率技术

所谓脉冲功率技术（pulsed power technology）是指将很大的能量(通常为几百千焦耳至几十兆焦耳) 储存在储能元件中, 然后通过快速开关(动作时间在纳秒左右)将此能量在纳秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率。它是一种电物理技术，也是纳秒脉冲电子学，是通用高电压技术以及应用物理学相结合的产物。
脉冲功率系统包括初级储能、脉冲储能和传输几部分。初级储能常采用马克斯发生器或脉冲电容器组、脉冲变压器(包括直线型和特斯拉型)等。脉冲储能主要有传输线型的电容储能(包括同轴型和平板型)和电感储能(同轴型和螺旋线型)方式，它们分别通过高功率闭合开关和断路开关，实现电脉冲压缩和功率放大。脉冲储能可以由一级或几级组成，末级也有采用磁感应方式，实现脉冲电压倍加(又称感应电压加法器)、能量会聚，最后通过真空磁绝缘传输线把能量传输给负载。脉冲功率系统的复杂程度决定于负载对它的要求、系统开关性能和初级储能向脉冲储能放电的快慢程度。
脉冲功率装置不仅成为脉冲辐射模拟的最有效的实验手段, 而且在惯性约束聚变(ICF)、新概念武器(激光武器、微波武器、电磁脉冲弹、粒子束武器、电磁炮、电热炮等)等国防和能源领域研究中得到重要应用, 在其他民用领域中也有广阔的发展前景, 如脉冲X射线源用于消毒灭菌, 脉冲离子束源用于材料表面改性，以及利用脉冲功率装置进行脱硫、脱硝、污水净化等环保应用和作为石油开采、勘探的供能系统，乃至医疗上对人体内结石破碎等。
脉冲功率技术是以20 世纪60 年代英国原子武器研究中心（AWRE）的马丁（J C Martin）领导的研究小组，基于经典的Marx 发生器技术，发明用于核武器强脉冲γ 射线效应模拟的高压脉冲传输线型强流脉冲电子加速器为标志而迅速发展起来的。
从20 世纪60 年代中期起，在美国国防部和能源部（DOE）的支持下，美国许多与国防有关的研究所，一些著名的大学，还有几个公司都积极投入了脉冲功率技术方面的研究工作。早期发射公司生产了一系列小型300kV～2MV，（3～5）kA，20ns，闪光X 射线机；离子物理公司将静电加速器对传输线直流充电，生产了FX-25 到FX-100 型脉冲功率装置，以后建造了大批油介质和水介质传输线装置，规模一个比一个大。除上述机构外，美国主要研究机构还有：利弗莫尔（Livermore）实验室，洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）实验室，海军研究实验室（NRL），海军水面武器中心（NSWC），空军武器实验室（AFWL），陆军实验室（HDL），康乃尔大学（Conell），马里兰大学（Malyland），得克萨斯大学（Texas），物理国际公司（PI），麦克斯韦公司（Maxwell），等等。俄罗斯则侧重于重复频率运行的脉冲功率装置和脉冲径向线加速器方面的研究。基于Tesla 变压器技术的“Sinus”和“Radan”系列脉冲功率装置，结构紧凑，易于重复频率工作。主要研究机构有：库尔恰托夫原子能研究所，叶菲利莫夫电物理装置研究所，实验物理研究所，新西伯利亚的大电流研究所、电物理研究所和核物理研究所，列别捷夫研究所等。他们在高功率微波研究方面，在世界上处于领先地位。法国主要研究机构集中在原子能委员会所属的Valduc 研究中心和CESTA 研究中心，重点仍是围绕闪光X 射线照相和抗核加固研究。日本和德国由于过去不涉足军事目的，他们的研究重点放在离子束聚变方面。主要的机构是日本大阪大学的激光工程研究所和长冈技术学院粒子束工学中心，德国的卡尔斯鲁赫（Karlsruhe）核研究所。我国的主要研究机构是：中国工程物理研究院，中国原子能科学研究院，西北核技术研究所和长沙国防科技大学以及中国科学院的电子所、电工所，清华大学电机工程系等。
脉冲功率技术的工程发展，经历了五次重大的技术突破，也被称为脉冲功率发展阶段中的五个里程碑[12]。
第一次发展是布鲁姆莱因传输线的应用，开创了脉冲功率技术的新纪元。典型装置有1968 年圣地亚实验室建造的HemesⅡ[13]，是第一台大型的用变压器油绝缘的高阻抗脉冲功率装置，产生电压10MV，电子束流100kA，脉冲宽度80ns，1m 处γ 射线的照射率1011rad/s。1972 年物理国际公司为陆军亨利•台蒙实验室建造的Aurora 装置，电压14MV，电子束流4×0.4MA，脉冲宽度120ns，总功率24TW，总束能3MJ，1m 处X 射线照射率3×1011rad/s，均匀辐射场面积1m×1m。1979年中国工程物理研究院建成闪光－Ⅰ强流电子束加速器，电压8MV，电子束流100kA，脉宽80ns，用于核爆炸效应的研究。80 年代中期，又成功地将其改造成闪光X 射线照相和辐照效应模拟两用装置。上述第一代高功率脉冲源装置的建成，为发展核武器加固技术研究，在实验室内建立核爆炸环境的模拟源，提供了技术可行性。
第二次发展可简洁概述为以“水”代“油”，即用高纯度去离子水取代变压器油作为传输线的绝缘介质，发展了低阻抗型强流电子束加速器。其代表装置有：1972 年美国海军实验室的GambleⅡ(1MV，1MA，50ns)[14]；1975 年海军水面武器中心的Casino（1MV，4×1MA，40ns）；1976年物理国际公司的Pithon（2MV，3.5MA，80ns），功率7TW；1978 年麦克斯韦实验室的Blackjack5(3MV,3.5MA，50ns)功率10TW，这是一台单机功率最大的水介质装置。1990 年我国西北核技术研究所建成闪光－Ⅱ（0.9MV，0.9MA，80ns）。低阻抗加速器的建成，为开展利用低能强流电子束间接模拟核爆炸软X 射线效应和研究内爆等离子体（imploding plasma）提供了试验条件。
第三次发展是多台装置并联运行。由于激光触发开关和磁绝缘传输线的应用，使得多台装置并联运行成为可能。多台装置并联运行，对开关同步抖动要求很苛刻，通常开关时间抖动＜1ns。典型代表装置有：圣地亚实验室1974 年建成的proto -Ⅰ，2 路，1TW；1979 年建成的proto－Ⅱ，16 路，10TW；1980 年建成的PBFAⅠ，36 路，30TW；1986 年建成的PBFAⅡ，36 路，100TW。1976年苏联库尔恰托夫原子能研究所建成的Angara-5，8 路，9TW，等。多路并联装置被称为第三代高功率脉冲源。
第四次发展是感应加速腔技术，传统的马克斯发生器－传输线－二极管形式的脉冲功率系统，受到高压绝缘的限制，如果要求把电子束加速到更高能量，必须使电子受到一系列多个加速间隙场的作用。强流感应直线电子束加速器（包括磁感应腔型、脉冲径向线型、共振腔自加速型等）应运而生。用铁氧体作磁心的加速腔组件的典型装置如利弗莫尔实验室1979 年建造的ETA和1983 年建成的ATA[16]。为了发展新型闪光X 射线机，利弗莫尔1983 年还建成了FXR，这是第一台用感应直线加速器的大型闪光X 射线机。使用脉冲径向线作加速腔组件的如：苏联实验物理研究所1977 年建成的Liu-10和1989 年建成的Liu-30。美国圣地亚实验室1981 年建成的RadlacⅠ和1986 年建成的RadlacⅡ。使用PBFA 型的组件结构和感应加速腔技术相结合的原理，1989年，圣地亚又建成了迄今世界上最大的射线模拟器HermesⅢ，采用了先进的磁绝缘传输线把20个腔的感应电压串联叠加到单个加速间隙上产生20MV，800kA，40ns 电子束，距靶1m 处γ 射线照射率达到103rad/s，满足了第三代抗核加固技术指标的要求，并可对武器系统进行全尺寸的致命威胁水平的模拟试验。
当前，脉冲功率技术的发展正处在又一次新的突破口，即第五次重复频率运行装置的发展。脉冲功率专家们认为：脉冲功率技术发展到今天，已是一门成熟的技术，基本原理性的突破在前四次发展中已经实现。无论是高功率微波或是民用方面，甚至将来的聚变堆运行，重复频率工作是十分重要的。这也是脉冲功率技术发展的一个转变。实现高平均功率运行与单次脉冲运行有许多不同的物理现象与规律，如开关寿命、绝缘材料老化、阴极寿命、阳极散热等。随着应用向着深度和广度发展，对强流束物理的研究将越来越引起人们的重视。强流束所蕴藏的物理现象是十分丰富的，许多规律还有待于进一步的探索与揭示[12]。

1.2核电磁脉冲模拟器

现代脉冲功率技术的崛起源于核武器效应模拟的需要，同时也推动了核电磁脉冲模拟技术的发展。电磁脉冲模拟试验分为实验室类型和场激励试验两类。前者是在实验室条件下进行的元器件阈值试验、缩比试验、注入试验等等。而后者通常是将被试的设备或系统放置在经专门设计的电磁脉冲模拟器所提供的电磁脉冲环境中，以观测受试对象有关电路的感应电压、感应电流或某一空间的场强，考察其运行状态，以评价设备或系统对电磁脉冲的敏感性、易损性，寻找电磁脉冲对于系统的耦合途径，检验各种防护措施的有效性。
被试对象及其试验目的的多样性使得电磁脉冲模拟器式样繁多，大小不一，形状各异。然而不论何种模拟器，皆由脉冲源和电磁场形成装置（场照射器）两大部分组成。模拟器所能提供的模拟环境，取决于脉冲电源和场照射器以及吸收负载的设计。

1.2.1核电磁脉冲模拟器类型

核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，按电场强度分为威胁量级和亚威胁量级两类模拟器。随着模拟技术的发展，C.E.Baum 于1978 年按所须模拟的电磁脉冲环境，将模拟器分为4 类：源区外电磁脉冲环境模拟器、地面附近核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、空中核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、高空核爆炸源区内系统电磁脉冲模拟器[16]。依据文献[1]和文献[17]等，较为典型的模拟器有：
(1) 有界波模拟器
有界波模拟器，采用了与波导类似的结构，故也称导波型模拟器，其截面可用两个正交的坐标来描述，波在第三个正交坐标方向上传播，基本上是TEM 模。只要频率不是太高（波长大于导波结构截面几何尺寸），对这类模拟器可按传输线理论加以分析，因而又称为传输线型模拟器。
(2) 偶极子模拟器
对于源区外电磁脉冲辐射场环境的模拟，当要考虑存在地面反射的情况时，常采用偶极子模拟器。这类模拟器常用的电场照射器就是典型的偶极子天线。
(3) 静态模拟器
静态模拟器是一种结构尺寸远小于激励信号波长的模拟器，故常称其为驻定场模拟器。它适用于对低频场或准静态场的模拟。由于产生的模拟场不传播，也称之为零维模拟器。这种模拟器的理想之处在于，它所产生的入射场在被试系统附近都是均匀的。
(4) 混合型模拟器
混合型模拟器综合了偶极子模拟器和静态模拟器的主要特点。
(5) 定向辐射模拟器
定向辐射也是系统远离模拟器结构的一种模拟方法。所谓定向辐射是相对于偶极子模拟器无方向性的辐射而言的，它将脉冲有限的能量集中在一定的角度范围内辐射，借以提高模拟器的效率。
(6) 源区电磁脉冲环境的模拟
电磁脉冲源区是康普顿电流分布的区域，源区内的空气介质具有随时间非线性变化的电导率，并在其中形成传导电流。如果核爆炸在地面附近发生，大地岩土介质的电导率也将发生变化。E/H比值也不像自由空间那样呈简单的常数关系。此外，γ 和中子的效应也很重要。因此源区是一个多变量的复杂环境。如果要把源区所有的特性准确的模拟出来，无疑是一个十分困难的问题。就目前的技术水平来看，根据研究问题的需要，建造一些只能产生部分源区特性的模拟器是可能的，特别是对大型的试验系统，一般只能考虑单一因素或特别感兴趣的某些因素的模拟。只有对很小的试验系统的一