[科普中国]-脉冲放电

带异种电荷的两电极之间，由于电势差的存在，发生电荷的转移，这叫放电。放电之后电荷减少，电势差降低，放电停止，如果有一个外加电源使电势差回到放电前的状态，那么就可以再次放电。如此循环，就形成脉冲放电。

简述脉冲放电过程脉冲放电是在放电管的两电极间加上脉冲电压而产生的一种放电形式。

产生脉冲放电的原理电路如图所示。

工作时，先由直流电源通过电R对电容器C充电，当充到一定电量时，再在缠绕于放电管上的触发金属丝两端加上高压脉冲。使管内气体着火，电容器C随即通过放电管放电，在很短的时间里把贮藏在电容器中的大量电能以光能的形式释放出米，形成极强的闪光。放电随即熄火。

脉冲放电从开始到结束，整个过程都不断些化，所以是非稳态放电。其放电过程可以分为发生过程和发展过程两个阶段。在发生阶段，放电具有火花放电的性质，而在发展阶段，则类似于大电流的弧光放电。现将其基本物理过程简述如下：

在高脉冲的作用下，放电管内气体击穿，形成不均的的很细的火花通道。电离产生的电子在轴向电场作用下，以很高的速度向阳极运动，使气休进一步电离，形成电子繁流。在电子繁流的同时，由于激变而产生了光子，这些光子引起的光电离起有很大的作用，由光电离形成的次级电子繁流与主电子繁流汇合，沟通了整个放电通道，使贮存在电容器上的电能通过火花通道迅速地释收，而放电通道内的气体树则被强烈地加热和电离，被加热的气体将引起放电通道加，经热过几个微秒的时间，放电通道的横截面达到它的最大值。这就是火花增长的过程，也是脉冲放电的发生阶段。

在火花增长到一定程度时，由于电容器释放出较大的能量，脉冲电流就很大（每平方厘米可达数千安培）。因而会在放电管内形成高温等离子体。这时，阴极表面具有很强的电场和很高的温度，将产生显著的场致发射和热电子发射，并以此来满足发展阶段所要求的大电流。在整个脉冲放电过程中，这一阶段的持续时间较长（约50微秒左右）。电容器贮存的大部分能量将在这段时问内通过放电管转化为光能。这就是脉冲放电的发展阶段。

随着电容器贮能的释放，使得加在放电仟两端的电压下降，管内电场相应地减弱，电予温度很快降低。当电容器供给放I乜管的能撼不足于维持放电时，放电就会熄灭。

以上讨论的脉冲放电的基本过程是通过贮能电容器放电来实现的。在放电过程中，电流方向保持不变，起初电流强度急剧增加，经过一个最大值后兢迅速下降。产生这种脉冲放电的条件是：脉冲电压最大值应高于直流放电的着火电压。这种放电形式称为直流脉冲放电。1

脉冲放电电路为消除蓄电池的硫化现象，延长蓄电池的使用寿命，本充电器设计了脉冲放电电路，对硫化的蓄电池具有脉冲修复作用。该电路由IC3（CD401）、VT5（负脉冲开关管）和其他元器件组成。

IC3的非门A、B和C15、C16、R24、R25组成多谐振荡电路，振荡脉冲输入IC3的2引脚对反相器C进行控制，IC3的1引脚受控于IC2的1引脚，在充电状态时，IC3的1引脚为高电平，反相器C输出放电控制脉冲，经非门处理后驱动VT5和VT6组成的达林顿管放大后，实现脉冲放电。2

脉冲放电的规律性当把脉冲电压施加于气隙时，由于放电延时的统计特性，气隙放电电压不仅和外施脉冲电压的峰值有关，还和脉冲电压的波形有关，因此在进行脉冲放电试验时，首先必须统一波形，才能对放电电压进行比较。我国规定的标准波形是1.5/40的脉冲波（见下图），这种波形主要是模拟雷电过电压作用。

在波形相同的脉冲电压作用时，由于放电时延的分荷性。必然导致放电电压的分散性，即施加峰值相同的电压时，放电可能在波峰处发生，也可能在波尾处发生，还可以不发生（初始电子没来得及出现时），提高电压峰值，仍烈有这种情况，只不过不发生击穿的可能性更小。由于脉冲穿的这一特点，一般用气隙放电的伏一秒特性来说明气隙静脉冲放电特性。

伏一秒特性是气隙脉冲放电电压和放电时间的关系，其作法如图所示。伏一秒特性说明，电压峰值越高，放电时间越短。脉冲电压是实际高压线路中大气过电压及操作过电压的模拟，当在高压试验中需要具体比较两个气隙的脉冲放电特性时，一种方法是全面比较其伏一秒特性，另一种简单方法就是规定要承受一定过电压倍数的脉冲电压。3

应用脉冲放电杀菌技术

用于液态食品的高压脉冲放电杀菌技术是目前冷杀菌研究中最为活跃的课题之一。脉冲放电杀菌一般是把液态食品作为电介质置于杀菌容器内，与容器绝缘的两个放电电极也置于其中；利用高压脉冲发生器产生的脉冲电场对食品进行间歇式杀菌，或者使液态食品流经脉冲电场进行连续杀菌。

1、脉冲放电杀菌的机理

电脉冲的杀菌机理及效应归纳起来主要有强电流通透杀菌效应、强烈冲击波杀菌效应、脉冲放电化学杀菌效应3个方面。

强电流通透杀菌效应又称为细胞膜穿孔效应，利用强电流引起的微生物细胞膜穿孔效应，使微生物致死而达到杀菌目的。微生物细胞膜是由镶嵌在蛋白质内的磷脂双分子层构成，带有一定的电荷和具有一定的通透性及强度，而且膜内外层具有一定的电势差。当有一个外部电场加到细胞两端时，会使膜的内外电势差增大而引起细胞膜的通透性剧增；另一方面，膜内外表面的相反电荷相互吸引而产生挤压力作用，以及高速运动的、具有极大动能的电子和离子产生撞击作用，使细胞膜上出现小孔，产生不可逆的损伤，又由于所施加的外电场是脉冲电场，电压在极短时间内（微秒、毫秒）激烈波动，会在细胞膜上产生振荡效应，细胞膜上出现的小孔变大，在这些因素的共同作用下，导致细胞不可逆破裂而趋于最终崩溃。

当液态食品中产生脉冲放电时，蓄能系统（如蓄能电容器组）会把储存的大量能量在瞬间释放出来，使液体介质被击穿而形成放电通道，间隙电阻从绝缘状态迅速降到几分之一欧姆，放电通道内产生极大的脉冲冲击电流，放电通道内带电粒子（电子、正离子等）高速运动相互碰撞也产生大量的热，使放电通道周围的液体瞬时汽化并形成气泡，·产生一种高速剧烈的膨胀爆炸和强烈的冲击波（4×103～5×104m/s），以高达105Pa以上的压力作用在细胞上，使细菌细胞膜破裂、压碎。如果在杀菌室内不断施加脉冲放电，就会不断产生冲击波，细菌细胞内部就处于持续不断的、剧烈的强迫振动，从而加速细菌的死亡速度。

另一方面，脉冲放电时在液体物料中产生的化学效应也可起到加速细菌死亡的作用。由于脉冲放电的大电流及由此产生的强磁场作用和电解电离作用，会使液体物料中产生许多等离子和基本粒子，如激励状态下的H+、OH、H2O离子团、O、H原子、O2、H2、臭氧分子、光子等，它们在强电流的作用下极为活跃，有些基本粒子还能穿过通透性增加的细胞膜，与细胞膜内的蛋白质、核糖核酸等生命物质相结合，使之变性、死亡。另一方面所产生的臭氧分子本身就具有较强的杀菌能力。

一般来说，放电电极为平行板状时的脉冲放电，其杀菌机理主要是细胞膜穿孔效应，而当电极为锐型时的流光放电杀菌，其机理则主要是冲击效应。

2、脉冲放电杀菌的特点

脉冲放电杀菌具有以下3个主要特点：

1）杀菌时间短、能耗低 杀菌时间一般为μs～ms级，用很低的能耗处理就可杀死99%的细菌，每吨液态食品灭菌耗电约为0.5～2.0kW·h，是高温杀菌耗能的1%。

2）温升小 脉冲杀菌时的温升一般小于5℃，因而可有效地保存食品的营养成分和天然风味。处理后食品在物理性质、化学性质、营养成分等方面与新鲜食品的差别很小。

3）杀菌效果明显 采用25kV/cm的电场强度，在60℃杀菌时，·细菌的存活率logN/No=10-9，杀菌率能满足商业无菌的要求。4

相关术语脉冲信号：瞬间突然变化，作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号。它可以是周期性重复的，也可以是非周期性的或单次的。

脉冲反应堆（pulse reactor）：能在很短时间间隔内达到超临界状态，从而产生很高脉冲功率和很强中子通量，并能安全可靠地多次重复运行的反应堆。它分为热中子脉冲堆和快中子脉冲堆两类。中国建成了一座铀氢锆脉冲反应堆，这是以铀氢锆作燃料的反应堆。它主要以氢作为慢化剂，当功率升高时，温度就会提高，氢的慢化作用减弱，反应性立即降低，反应堆有很大的瞬发负温度系数，因而呈脉冲运行。脉冲反应堆除了用来培训人员、从事研究工作和生产短寿命放射性同位素外，还可用来治疗癌症、中子照相、活化分析及辐照燃料和材料。

脉冲电源：用户的负载需要断续加电，即按照一定的时间规律，向负载加电一定的时间，然后又断电一定的时间，通断一次形成一个周期。如此反复执行，便构成脉冲电源。例如对于无极性电解电容器的老练工艺中，需要给电容器正向充电一段时间，然后放电，然后反向给电容器充电一段时间，然后放电，如此便形成正向→放电（断电）→反向→放电→正向……，如此反复。

脉冲宽度：就是高电平持续的时间。常用来作为采样信号或者晶闸管等元件的触发信号。

脉冲电路：就是脉冲波形的产生，整形和变换的电路。脉冲电路是由两部分组成：惰性电路和开关。开关的作用是破坏稳态，使电路出现暂态。

脉冲拨号：是一种时域处理方法，它用脉冲的个数来表示号码数字。脉冲拨号方式对脉冲的宽度、大小、间距、形状都有着严格的要求，如果由于线路的干扰或其他原因而使得这些参数发生了变化，则可能引起号码接收的错误。另一方面，由于每个脉冲都占有一定的时间（一般每个脉冲占用的时间为100ms），而使得这种拨号方式比较慢。

脉冲加热：是利用各种波形的脉冲电流，以时断时续的方式来加热来达到一些特殊工艺要求。

脉冲波：就是以冲击形式产生的信号波形。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所