我国高功率微波武器研究取得重大进展

    近日，复旦大学信息学院光源与照明工程系教授、博士生导师刘克富带领的科研团队发布了电光源领域的最新研究成果。该科研团队研制出了全固态高压脉冲功率源，填补了国内大功率固态脉冲功率源的技术空白，并以此为基础取得了军用高压脉冲功率技术、快脉冲放电等离子体废水、废气处理新技术两项重大应用突破，目前已经应用于国防、科研、环保等方面，在学科发展和校企合作方面取得了丰硕成果。 填补国内空白：全固态高压脉冲功率源技术 复旦大学是国内最早成立光源与照明工程系的高校，复旦电光源研究所作为国内气体放电光源研发的先驱，在新光源研发、成果转化、人才培养和学术交流方面为我国的照明行业做出了杰出贡献，在国内外照明界素有盛名。 刘克富继承了复旦大学电光源的传统优势学科方向，2006年作为引进人才调入复旦大学后，带领自己的科研团队在电光源领域攻坚克难，终于研制出了固态高压脉冲功率源，填补了国内大功率固态脉冲功率源技术空白。 该固态脉冲功率源采用固态开关电压叠加技术，可以实现高达200千伏以上的脉冲电压输出，特别是具备纳秒脉冲上升沿压缩技术，其幅值、脉宽、频率、极性多参数可调，可调制任意脉冲波形，兼具寿命长、体积小、可长时间持续运行的优点，具有高功率传输效率和高可靠性等多方面技术优势。全固态高压脉冲功率源技术涉及电力电子、高电压、脉冲功率多学科交叉。 据悉，该项目得到了多项国家自然科学基金的资助，研究成果已经获得了2项国家发明专利，去年在国际电气科学领域权威杂志IEEE Transactions上发表了8篇论文，在国际上遥遥领先。 环保技术创新：快脉冲放电等离子体废水废气处理新技术 以固态高压脉冲功率源的研究成果为核心，复旦大学电光源研究所刘克富团队进而在环保领域取得了另外一项重大突破，即快脉冲放电等离子体废水废气处理新技术，探索出了我国环境污染源治理一条新途径，具有重要的社会效益。 目前，国内外对难降解有机物废水常规的处理方法主要有生物法、物化法和氧化法等，但这些方法处理对有毒、有害的高分子有机物效果不佳，或者处理周期很长，处理成本高。近20 多年来国内外研究发现表明，高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes，AOP)可以比较有效地处理大部分难降解有机废水，因其在过程中产生氧化能力极强的羟基自由基·OH ，使大多数难降解的有机污染物氧化降解为低毒或无毒的小分子物质。现有的高级氧化技术包括紫外、臭氧、双氧水以及它们混合使用等方法，这些氧化技术存在运行费用过高、氧化剂消耗量大等缺点，使其普遍推广应用受到限制。近年来，快脉冲放电等离子体技术用于难降解污染物处理已经被实验证明是一种行之有效的方法，受到国内外学者的广泛关注。 快脉冲放电等离子体污水、废水处理新技术是集高能电子、臭氧氧化、紫外辐射于一体的全新概念高级氧化法。其原理是利用高压纳秒脉冲功率源在待处理污水中放电，产生大面积丝状放电通道，在放电空间迅速传播引起雪崩效应。由于放电瞬间释放高压脉冲大功率，在水中产生超强紫外光、臭氧和高能电子协同的“先进氧化处理”作用，在反应器中直接产生活性极强的自由基，通过自由基与有机化合物之间的聚合、取代、电子转移、断键等作用，使水体中的大分子、难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO2 和H2O , 接近完全矿化，达到降解、氧化、脱色、杀菌效果。 其技术优势表现在如下四个方面：一，多种物理效应协同“先进氧化处理”作用。快脉冲放电等离子体直接与污水大面积接触，直接产生活性极强的自由基，对污水进行高级氧化作用，具有不可替代的综合优势；二，工艺结构简单。可随时处理，不存在氧化剂生产和存储问题，也不存在二次污染的问题；三，处理效率、耗能低。快脉冲放电等离子体具有作用效果强，电能利用效率高，大部分能量用于有机物分解电离，而不是变成热量，具有能耗低的独特优势，因而使得该技术具有普遍推广应用价值；四，具有杀菌灭毒效果。由于放电产生超强紫外光、臭氧作用，对污水具有明显的灭菌消毒作用效果。 要产生等离子体放电，首先要解决好放电电源的问题。复旦大学刘克富团队研制成功的全固态高压脉冲功率源可以瞬间释放超大功率（MW量级），为其提供了充足的驱动源。其次是等离子体反应器与脉冲功率源匹配的问题。高效的等离子体放电反应器结构成为刘克富团队拥有的另一项国家专利，该反应器的放电空间与污水有大接触面，充分利用放电产生的超强紫外光、臭氧和高能电子，达到最大氧化、除污效果。该项目也获得了国家自然科学基金和长三角合作项目的支持。 应用前景光明：普遍适用于国防、能源、农业、工业、医疗卫生 复旦大学电光源研究所刘克富团队研制成功的固态高压脉冲功率源技术具有广泛的应用前景。除了在工业废气处理、脉冲放电除尘、难降解工业污水处理等环保领域起着重要作用，其不仅可以为高功率激光、高功率微波、雷达调制器、新概念电磁武器、加速器等国防工程提供强劲的驱动能源，还能在甲烷制氢、食品杀菌处理、电磁生物效应、超强紫外光源、等离子体材料处理等能源、农业、工业、医疗卫生领域有所贡献，兼具军用、民用功能。 据悉，该研究团队已经与中国工程物理研究院、中国兵器工业公司、中国电子集团、国防科技大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等研究所、企业和科研院校展开了卓有成效的合作，为其科研工作提供先进的固态脉冲驱动源。 该团队的另一研究成果——快脉冲放电等离子体高级氧化法未来还将在中药废水毒性降解、农药毒性降解、医药抗生素等行业大幅推广。据刘克富教授介绍，目前他们的研究团队正在与北京同仁堂中药研究院合作，针对中药废水毒性降解开展研究。中药的需求量增大，导致炮制中药的污水也增加，而毒性废水不能和普通废水一起进行生化处理。中药过滤后的废水中含有大量有毒、甚至剧毒物质，1-2毫克川乌浸泡液就可致人死亡。通过对小白鼠和斑马鱼的动物实验，证实用快脉冲放电等离子体高级氧化法来降解中药毒性，效果可达95%以上。目前该研究还在进行中，下一步将加大推广力度。

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    近日，复旦大学信息学院光源与照明工程系教授、博士生导师刘克富带领的科研团队发布了电光源领域的最新研究成果。该科研团队研制出了全固态高压脉冲功率源，填补了国内大功率固态脉冲功率源的技术空白，并以此为基础取得了军用高压脉冲功率技术、快脉冲放电等离子体废水、废气处理新技术两项重大应用突破，目前已经应用于国防、科研、环保等方面，在学科发展和校企合作方面取得了丰硕成果。 填补国内空白：全固态高压脉冲功率源技术 复旦大学是国内最早成立光源与照明工程系的高校，复旦电光源研究所作为国内气体放电光源研发的先驱，在新光源研发、成果转化、人才培养和学术交流方面为我国的照明行业做出了杰出贡献，在国内外照明界素有盛名。 刘克富继承了复旦大学电光源的传统优势学科方向，2006年作为引进人才调入复旦大学后，带领自己的科研团队在电光源领域攻坚克难，终于研制出了固态高压脉冲功率源，填补了国内大功率固态脉冲功率源技术空白。 该固态脉冲功率源采用固态开关电压叠加技术，可以实现高达200千伏以上的脉冲电压输出，特别是具备纳秒脉冲上升沿压缩技术，其幅值、脉宽、频率、极性多参数可调，可调制任意脉冲波形，兼具寿命长、体积小、可长时间持续运行的优点，具有高功率传输效率和高可靠性等多方面技术优势。全固态高压脉冲功率源技术涉及电力电子、高电压、脉冲功率多学科交叉。 据悉，该项目得到了多项国家自然科学基金的资助，研究成果已经获得了2项国家发明专利，去年在国际电气科学领域权威杂志IEEE Transactions上发表了8篇论文，在国际上遥遥领先。 环保技术创新：快脉冲放电等离子体废水废气处理新技术 以固态高压脉冲功率源的研究成果为核心，复旦大学电光源研究所刘克富团队进而在环保领域取得了另外一项重大突破，即快脉冲放电等离子体废水废气处理新技术，探索出了我国环境污染源治理一条新途径，具有重要的社会效益。 目前，国内外对难降解有机物废水常规的处理方法主要有生物法、物化法和氧化法等，但这些方法处理对有毒、有害的高分子有机物效果不佳，或者处理周期很长，处理成本高。近20 多年来国内外研究发现表明，高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes，AOP)可以比较有效地处理大部分难降解有机废水，因其在过程中产生氧化能力极强的羟基自由基·OH ，使大多数难降解的有机污染物氧化降解为低毒或无毒的小分子物质。现有的高级氧化技术包括紫外、臭氧、双氧水以及它们混合使用等方法，这些氧化技术存在运行费用过高、氧化剂消耗量大等缺点，使其普遍推广应用受到限制。近年来，快脉冲放电等离子体技术用于难降解污染物处理已经被实验证明是一种行之有效的方法，受到国内外学者的广泛关注。 快脉冲放电等离子体污水、废水处理新技术是集高能电子、臭氧氧化、紫外辐射于一体的全新概念高级氧化法。其原理是利用高压纳秒脉冲功率源在待处理污水中放电，产生大面积丝状放电通道，在放电空间迅速传播引起雪崩效应。由于放电瞬间释放高压脉冲大功率，在水中产生超强紫外光、臭氧和高能电子协同的“先进氧化处理”作用，在反应器中直接产生活性极强的自由基，通过自由基与有机化合物之间的聚合、取代、电子转移、断键等作用，使水体中的大分子、难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成CO2 和H2O , 接近完全矿化，达到降解、氧化、脱色、杀菌效果。 其技术优势表现在如下四个方面：一，多种物理效应协同“先进氧化处理”作用。快脉冲放电等离子体直接与污水大面积接触，直接产生活性极强的自由基，对污水进行高级氧化作用，具有不可替代的综合优势；二，工艺结构简单。可随时处理，不存在氧化剂生产和存储问题，也不存在二次污染的问题；三，处理效率、耗能低。快脉冲放电等离子体具有作用效果强，电能利用效率高，大部分能量用于有机物分解电离，而不是变成热量，具有能耗低的独特优势，因而使得该技术具有普遍推广应用价值；四，具有杀菌灭毒效果。由于放电产生超强紫外光、臭氧作用，对污水具有明显的灭菌消毒作用效果。 要产生等离子体放电，首先要解决好放电电源的问题。复旦大学刘克富团队研制成功的全固态高压脉冲功率源可以瞬间释放超大功率（MW量级），为其提供了充足的驱动源。其次是等离子体反应器与脉冲功率源匹配的问题。高效的等离子体放电反应器结构成为刘克富团队拥有的另一项国家专利，该反应器的放电空间与污水有大接触面，充分利用放电产生的超强紫外光、臭氧和高能电子，达到最大氧化、除污效果。该项目也获得了国家自然科学基金和长三角合作项目的支持。 应用前景光明：普遍适用于国防、能源、农业、工业、医疗卫生 复旦大学电光源研究所刘克富团队研制成功的固态高压脉冲功率源技术具有广泛的应用前景。除了在工业废气处理、脉冲放电除尘、难降解工业污水处理等环保领域起着重要作用，其不仅可以为高功率激光、高功率微波、雷达调制器、新概念电磁武器、加速器等国防工程提供强劲的驱动能源，还能在甲烷制氢、食品杀菌处理、电磁生物效应、超强紫外光源、等离子体材料处理等能源、农业、工业、医疗卫生领域有所贡献，兼具军用、民用功能。 据悉，该研究团队已经与中国工程物理研究院、中国兵器工业公司、中国电子集团、国防科技大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等研究所、企业和科研院校展开了卓有成效的合作，为其科研工作提供先进的固态脉冲驱动源。 该团队的另一研究成果——快脉冲放电等离子体高级氧化法未来还将在中药废水毒性降解、农药毒性降解、医药抗生素等行业大幅推广。据刘克富教授介绍，目前他们的研究团队正在与北京同仁堂中药研究院合作，针对中药废水毒性降解开展研究。中药的需求量增大，导致炮制中药的污水也增加，而毒性废水不能和普通废水一起进行生化处理。中药过滤后的废水中含有大量有毒、甚至剧毒物质，1-2毫克川乌浸泡液就可致人死亡。通过对小白鼠和斑马鱼的动物实验，证实用快脉冲放电等离子体高级氧化法来降解中药毒性，效果可达95%以上。目前该研究还在进行中，下一步将加大推广力度。

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