高压脉冲电源也可称为高压脉冲发生器（High Voltage Pulse Generator）,是一种能够产生高电压、短持续时间脉冲电能的装置，也是推动现代技术发展的重要部件，在科学研究、半导体设备、工业应用、医疗设备及雷达中扮演关键角色。
1. 脉冲电源的参数主要包括：
（1）输出高压脉冲的脉冲幅度（Pulse Amplitude）；
（2）脉冲宽度（Pulse Width）；
（3）上升时间/前沿（Rising Time）；
（4）下降时间/后沿（Falling Time）；
（5）频率 / 周期 / 占空比（Frequency/Period/Duty Ratio）；
（6）形状（方波 / Square，三角波 / Triangle）；
（7）过冲（Overshoot, Preshoot）；
（8）脉冲顶降（Top Drop）；
（9）脉冲抖动 (Dither)；
（10）负载（Load）；
（11）输出的脉冲数（Pulse Number）；
（12）脉冲极性（Polarity）。
该技术的难度是做到对多种指标既要又要还有。比如高幅度（如10KV），超快的上升沿（如200ps），重复频率高（如10KHz）同时具备。本文主要概述与飞思达瑞纳秒、皮秒级高压脉冲电源系列产品相关的多样化应用，其独特的功能以及它们为各个行业带来的效益。后续亦将基于各种高压脉冲电源的新兴应用场景持续更新本文。
2. 主要行业应用
领域 | 说明 | 应用 |
激光器驱动 | 应用于激光系统,如Q开关和Pockels驱动,用于调制激光束的极化或强度。它们能够产生高强度、短时间的激光脉冲。 | 普朗克斯盒 电光调制器 Q开关 |
半导体 | 对于半导体行业中的各种等离子体工艺、薄膜沉积技术和离子注入至关重要，可以精确控制工艺参数并提高制造能力。 | 瞬态抗干扰度测试/老化测试设备 深反应离子刻蚀(DRIE) 高密度等离子体沉积 化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD) 光刻技术极紫外（EUV）光源 材料分析及检测 |
工业设备 | 高能脉冲磁控溅射技术是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术。将高能冲击磁控溅射与高压脉冲偏压技术复合，利用其高离化率和淹没性的特点，通过成膜过程中入射粒子能量与分布的有效操控，实现高膜基结合力、高品质、高均匀性薄膜的制备。 | HiPIMs磁控溅射电源 废水废气处理 气体放电 燃烧增效 |
生物医疗 | 通过施加高压脉冲在细胞膜上形成临时的孔,从而使药物、DNA或其他分子进入细胞内。 | 纳米刀 CART-T 细胞电转染 冲击波血管内碎石 |
超高速成像 | 被用于那些需要极高时间分辨率和精确能量控制的成像技术，以捕捉极短时间内发生的物理或生物过程,如空气间隙闪光摄影,以产生强烈的短时间光脉冲来照明和捕捉快速运动的事件。 | 飞秒激光泵浦探测系统 超高速X射线成像 电子显微镜和电子衍射 |
航空航天 | 提高飞行器性能，优化推进系统，增强材料耐用性和支持关键系统运行。 | 静电驻极技术 卫星脉冲等离子推进器 材料表面处理/结构无损检测 雷达高度/距离计 |
冲击测试 | 脉冲发生器用于测试绝缘材料的绝缘强度和击穿特性,通过施加高压脉冲到被测材料或设备。 | EMC/EMI测试干扰源 |
食品加工 | 在室温环境中通过脉冲电场使植物细胞代谢停止，提高加工效率，杀灭微生物，改善食品安全性，延长产品保质期。大幅提高红酒加工、果汁萃取、食用油生产的效率，改善蔬菜水果、鲜花产品组织和质地，及延长保鲜时间。同时加工过程可减少原材料损耗及加工时间，水及能源消耗。 | PEF技术 |
3. 应用解析
高压脉冲发生器在各种科学和工业应用中发挥着至关重要的作用，为飞行时间质谱仪、微通道板、光电倍增管、电子束、离子束、光束控制系统、管栅、Q开关、普克尔斯盒和电磁声换能器等设备的操作提供必要的高压脉冲。这些设备应用于从分析化学到材料科学的各个领域，提供独特的功能，促进研究、工业和技术的进步。
飞行时间质谱法(TOF-MS)
飞行时间质谱法 (TOF-MS) 用于分析样品的离子质荷比。该方法包括电离样品、使用高压脉冲加速离子，以及测量离子到达检测器所需的时间，该时间与离子的质荷比成正比。
高压脉冲发生器用于 TOF-MS，提供加速离子向检测器前进所需的高压脉冲。精确控制高压脉冲可实现精确的质量测量和高分辨率质谱。此外，它们还用于偏转板，用于飞行时间质谱仪中粒子束的静电调制。
好处：
1.高灵敏度：高压脉冲发生器能够检测复杂样品中的低丰度化合物。
2.高分辨率：精确控制离子加速可获得高分辨率质谱。
3.快速分析：快速离子脉冲可实现快速数据采集，从而提高分析吞吐量。
4.多功能性：配备高压脉冲发生器的TOF-MS可以适应各种样品类型和分析要求。
微通道板（MCP）
微通道板 (MCP) 是成像和检测应用中的电子倍增器。它们由密集排列的微小通道组成，可放大入射粒子产生的电子。
高压脉冲发生器提供加速 MCP 内电子所需的高压，从而通过通道使电子倍增。它们还用于门控，其中门控时间由脉冲宽度设置，用于短时间测量，类似于管栅的使用。
好处：
1.增强灵敏度： MCP 放大来自入射粒子的信号，提高检测灵敏度。
2.高速成像： MCP 可以提供高速成像功能，这在天文学和粒子检测应用中很有用。
3.低噪音： MCP 具有低噪音特性，适合低光照成像。
光电倍增管 (PMT)
光电倍增管 (PMT) 是一种将可见光子转换为电信号的光传感器。它们用于需要微光检测的应用，例如荧光光谱和粒子检测。
高压脉冲发生器提供加速 PMT 内电子所需的高压，从而导致电子倍增并产生可测量的电信号。它们还用于门控，其中门控时间由脉冲宽度设置，用于短时间测量，类似于管栅的使用。
好处：
1.高灵敏度： PMT 对低光照水平高度敏感，能够检测到弱信号。
2.宽动态范围： PMT 具有宽动态范围，可以检测弱信号和强信号。
3.响应时间快： PMT 具有快速的响应时间，适合需要快速信号检测的应用。
电子束
电子束用于电子显微镜、电子光刻和材料处理。它们是通过使用高电压加速电子而产生的。
高压脉冲发生器提供将应用的电子加速到所需能级所需的高压。
好处：
1.高分辨率：电子束可以实现高空间分辨率，从而实现详细的成像和图案化。
2.受控处理：可以精确控制电子束来蚀刻、沉积或修改微观和纳米尺度的材料。
3.无损分析：电子束可以分析无损材料，提供有关其结构和成分的重要信息。
离子束
离子束用于离子注入、材料分析和表面改性。它们是通过使用高电压加速离子而产生的。
高压脉冲发生器提供将离子加速到应用所需能量水平所需的高压。
好处：
1.精确掺杂：离子束可以精确地将掺杂原子引入半导体材料中，这对于器件制造至关重要。
2.表面改性：离子束可以改变材料的表面特性，如硬度和耐磨性。
3.深度剖析：离子束可用于材料深度剖析，提供有关其成分和结构的信息。
光束控制（光束偏转）
光束控制，也称为光束偏转，可改变粒子束或电磁辐射的方向。该技术用于各种应用，例如激光扫描、激光雷达系统和粒子加速器。
高压脉冲发生器通过向转向机构施加精确且定时的电压脉冲来控制光束的偏转。它允许在不实际移动光源的情况下操纵光束的方向。
好处：
1.精确控制：高压脉冲发生器能够精确控制光束控制机制，从而实现准确的光束定位。
2.速度：光束控制可以快速完成，适合快速扫描或跟踪应用。
3.非机械：使用高压脉冲进行光束控制是一种非机械过程，可降低机械故障的风险并实现紧凑系统的小型化。
管栅
管栅是阴极射线管 (CRT) 和其他电子管中用于控制电子流的电极。管栅位于阴极和阳极之间，通过环形、圆柱形或网格状电极控制电子流。
高压脉冲发生器提供控制电子管栅极所需的电压，并使电子管应用中的电子束能够运行。施加到电子管栅极的高压脉冲可以精确控制电子流，从而实现电子束消隐、时间控制和电子束选择。
好处：
1.聚焦和偏转：电子管、真空管和带有栅极的电子枪在高压脉冲控制下，有助于聚焦和偏转电子束，从而实现时间控制。
2.控制：高压脉冲发生器精确控制电子束并可进行时间控制。
Q开关
Q开关是一种用于控制激光输出的设备，通过在低 Q（高损耗）和高 Q（低损耗）状态之间快速切换来控制激光输出。该技术可产生高强度激光脉冲，适用于激光打标、切割和钻孔等各种应用。
高压脉冲发生器触发 Q 开关，使其在低 Q 和高 Q 状态之间切换。此过程可产生短暂、高强度的激光脉冲。
好处：
1.脉冲控制： Q开关可以精确控制激光脉冲的持续时间和强度，使其适用于需要高能脉冲的应用。
2.效率： Q 开关通过减少激光脉冲产生过程中的能量损失来提高激光系统的效率。
普克尔盒
普克尔盒是一种用于控制光束偏振的电光设备。它们用于各种应用，例如激光调制、光开关和激光腔倾卸。
高压脉冲发生器用于向普克尔斯盒施加电压，引起其双折射的变化，从而改变透射光束的偏振。
好处：
1.响应时间快：普克尔电池具有快速的响应时间，可以快速调制激光束。
2.高损伤阈值：普克尔盒具有高损伤阈值，使其适用于高功率激光系统。
电磁声换能器 (EMAT)
EMAT 是一种非接触式超声波换能器，无需液体或凝胶等直接耦合介质即可产生和接收超声波。它们可用于各种应用，例如缺陷检测、厚度测量和材料特性分析。
EMAT 系统使用高压脉冲发生器来产生脉冲电磁场。这些场会在被测材料中感应出超声波，EMAT 无需物理接触即可检测到超声波。
好处：
1.非接触式操作： EMAT 无需与材料物理接触即可运行，适合在恶劣环境或精密表面上使用。
2.多功能性： EMAT 可以产生不同类型的超声波，适用于各种应用。
3.高分辨率： EMAT 可以实现高分辨率测量，适合检测小缺陷或材料特性的变化。
4. 市场规模
基于市场研究报告给出的数据，2022年全球高压特种电源市场为7亿美元，中国市场为1.57亿美元，约占全球份额22.31%，预计2029年全球市场增长至9.67亿美元，中国市场将达到2.25亿美元，约占全球份额23.26%。从电源类型方面来看，高压直流电源占有重要地位，和脉冲电源的比例大致是7：3的关系，但是高压脉冲电源的增长率大于高压直流电源。
高压特种电源行业的市场参与者，特别是脉冲电源行业的玩家相对较少，高电压皮秒级脉冲电源的供应商更是屈指可数，先前市场调研报告难以获得较为准确的数据源。因此本文基于行业洞察将2025年后高压脉冲电源数据进行了乐观场景假设（也可能仍偏保守）。市场规模的预期差主要来自于以下三个驱动因素：
行业：市场增量/驱动力源自中国，底层逻辑是大政府、大市场、低利率环境驱动的一次基于需求侧带来的供给侧升级，首先是半导体全产业链的升级，国产化率进一步提升，在光刻机及真空半导体设备类较为典型，其次在医疗设备（早期筛查、肿瘤治疗等），同时有工业镀膜，电磁兼容及电子对抗等领域的高速发展。
技术：脉冲电源产品的研发需要跨学科融合的知识积累，属于高附加值的Niche Market，早期欧美因起步早已经在研发上获得了较长时间经验Know-how的积累。然而随着中国半导体器件多种类的突破以及完整的供应链优势，高端脉冲电源已基本可国产化替代，欧美公司技术壁垒逐步消失，亦因欧美自身出口受限等原因，高端技术地位逐步在快速迭代的过程中被中国公司掌握。
成本：作为一种多行业设备的中间关键部件，新兴应用种类及数量的提升，国产化率提升带来了终端设备行业性价比优势显现，下游行业规模化的瓶颈逐步突破。
5. 总结
因高压脉冲电源（特别是皮秒级）在时间精度、电压稳定性、体积效率、可靠性及成本优化潜力上的技术优势，其核心机会点仍将进一步渗透到更多行业。由于技术难度高，参与公司少，定制化程度高，标准化待进一步提高。随着半导体、电子、电气行业的发展，未来5年将是技术路线固化期，具备核心自研能力和行业know-how的企业将主导市场。
