西安交通大学：《高电压绝缘专论》研究生课程教学资源（课件讲稿）12 绝缘放电等离子体（基于Pockels效应的绝缘材料表面动态电荷测量）

西安交通大学9XI'ANJIAOTONGUNIVERSITY绝缘放电等离子体-II基于Pockels效应的绝缘材料表面动态电荷测量西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898

绝缘放电等离子体-II—— 基于Pockels效应的绝缘材料 表面动态电荷测量 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心

目录1.研究背景与意义2.基于Pockels效应的动态电荷测量系统3.绝缘材料表面电荷的动态特性4.总结-2-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 目 录 1.研究背景与意义 2.基于Pockels效应的动态电荷测量系统 3.绝缘材料表面电荷的动态特性 4.总结

1研究背景与意义表面电荷测量输变电设备气体沿面放电与调控问题在电极与聚合物材料接触处不可避免存在一些局部高场强区域，容易积累表面电荷而引起表面放电破坏。航天器真空环境绝缘表面带电问题航天器的聚合物薄膜材料受到高能粒子辐射时会在材料表面积累大量电荷，形成数干甚至数十伏的电位而引起表面放电，甚至导致航天器事故发生畸变原有电场，提供沿面放电窗表面电荷的存在是放电形成的重要原因：所需要的种子电荷-开展聚合物材料电荷动态分布的研究，对于深入认识表面放电的产生和发展过程合理使用聚合物材料，具有重要的理论意义和实用价值。-3-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- l 输变电设备气体沿面放电与调控问题 在电极与聚合物材料接触处不可避免 存在一些局部高场强区域，容易积累 表面电荷而引起表面放电破坏。 p 表面电荷的存在是放电形成的重要原因：畸变原有电场，提供沿面放电 所需要的种子电荷。 p 开展聚合物材料电荷动态分布的研究，对于深入认识表面放电的产生和 发展过程、合理使用聚合物材料，具有重要的理论意义和实用价值。 l 航天器真空环境绝缘表面带电问题 航天器的聚合物薄膜材料受到高能粒子 辐射时会在材料表面积累大量电荷，形 成数千甚至数十伏的电位而引起表面放 电，甚至导致航天器事故发生。 1 研究背景与意义 表面电荷测量

1 研究背景与意义表面电荷密度分布的测量方法表面电荷测量的本质是测量感应电场，目前主流的表征方法包括Lichtenberg图法(定性、离线）、静电探头法（定量、离线）和Pockels效应法（定量、实时）。probeDVHVAhpolariseCp=litesimSmall图示elementotKmeasuredobiec馍中optic0dISCahargecello扫描模块号青地控制器PC静电探头法Pockels效应法名称（从“单针”到“阵列”）（从“透射到“反射”）原理静电感应电光效应结构简单V-:测量精度高优点分辨率高不影响表面电荷分布适合于复杂表面实时在线诊断精度低（距离&干扰不足·仅适合于细小的或透明材料无法实时测量-4-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- n 表面电荷测量的本质是测量感应电场，目前主流的表征方法包括Lichtenberg 图法 （定性、离线）、静电探头法（定量、离线）和Pockels效应法（定量、实时）。 图示 名称 静电探头法 （从“单针”到“阵列”） Pockels效应法 （从“透射”到“反射”） 原理 静电感应 电光效应 优点 ü 结构简单 ü 分辨率高 ü 适合于复杂表面 ü 测量精度高 ü 不影响表面电荷分布 ü 实时在线诊断 不足 • 精度低(距离&干扰) • 无法实时测量 • 仅适合于细小的或透明材料 1 研究背景与意义 表面电荷密度分布的测量方法

阶段IPockels效应表面动态电荷1 研究背景与意义分布原位观测技术：系统开发与优化loshiyukiKawasakiloshiyukiKawasakiJapaneseJournalofAppliedPhysicsJournal of Applied PhysicsJournal of Physics D: Applied Physics1991，首次报道透射式电光效应表面电荷测量装置：1994，利用反射式结构观察电荷动态与静电探头法(EP)比较：分布EP0.1nC/cm21.0mm高压激励电源频率50HzBSO5.0nC/cm20.3mmCCD相机分辨率1.5ms/frameYongchangZhuYongchangZhuJournalofPhysicsD:AppliedPhysicsJournal of Physics D:Applied PhysicsIEEETransactionsonDielectricsandElectrical Insulation1995，提出优化反射式结构装置信噪1996，利用反射式结构观察了不同针比和准确度的措施；板间距下的电荷动态分布引入光学相位调节器提升信噪比：研究了“记忆效应”和表面负电荷对利用图像光强分布差得到系统的相位正极性流柱通道的影响延迟，从而提高准确度。Kyouzou SugimotoAkikoKumadaJournal of Physics D:Applied PhysicsReviewof ScientificInstruments2003，采用反射式电光效应表面电荷2001，采用纳秒脉冲激光，获得了高测量装置获得了介质阻挡放电的总表时空分辨率的表面电荷动态分布图像面电荷1.1nC;电荷演变时间分辨率：2ns和0.2ns；电荷沉积形成的电压为120V。-5-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- Yongchang Zhu Journal of Physics D: Applied Physics l 1995，提出优化反射式结构装置信噪 比和准确度的措施； l 引入光学相位调节器提升信噪比； 利用图像光强分布差得到系统的相位 延迟，从而提高准确度。 Toshiyuki Kawasaki Japanese Journal of Applied Physics l 1991，首次报道透射式电光效应表面 电荷测量装置； l 与静电探头法(EP)比较： EP 0.1nC/cm2 1.0mm BSO 5.0nC/cm2 0.3mm Toshiyuki Kawasaki Journal of Applied Physics Journal of Physics D: Applied Physics l 1994，利用反射式结构观察电荷动态 分布； l 高压激励电源频率 50Hz CCD相机分辨率1.5ms/frame Akiko Kumada Review of Scientific Instruments l 2001，采用纳秒脉冲激光，获得了高 时空分辨率的表面电荷动态分布图像； l 电荷演变时间分辨率：2ns和0.2ns； Kyouzou Sugimoto Journal of Physics D: Applied Physics l 2003，采用反射式电光效应表面电荷 测量装置获得了介质阻挡放电的总表 面电荷1.1 nC； l 电荷沉积形成的电压为120V。 Yongchang Zhu Journal of Physics D: Applied Physics IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation l 1996，利用反射式结构观察了不同针- 板间距下的电荷动态分布； l 研究了“记忆效应”和表面负电荷对 正极性流柱通道的影响。 1 研究背景与意义 阶段I——Pockels效应表面动态电荷 分布原位观测技术：系统开发与优化

L.StollenwerkPhvsicalReviewLetters阶段II一Pockels效应表面动态电荷原位诊断技术的应用：气体放电中动态电荷演变2007，采用脉冲激光源测量介质阻挡放电DBD的空间电荷分布穆海宝M.BogaczykIEEETransactionsonDielectricsandElectrical InsulationJournal of Physics D:Applied PhysicsIEEETransactionsonPlasmaScience2012，利用Pockels效应和ICCD相机2011研究不同聚合物薄膜（PI、PET同时观察介质阻挡放电的体放电和表和PVDF）的表面电荷动态分布特性：面电荷积聚的过程，电荷分布与电压极性有关，正极性电荷半径大于负极性：正极性下电荷分布因材料而异：R.Tschiersch, M.BogaczykJournal of PhysicsD:AppliedPhysicsR. Wild2014，继续深入观察DBD的体放电和Journal ofPhysics D:AppliedPhysics表面电荷积聚的过程，2014，采用脉冲激光和反射式表面电C研究了He/N氛围中DBD两种放电模荷测量系统，获得了APPJ处理薄膜时式下放电发展、表面电荷形成和消散表面电荷的动态分布的过程。系统时间分辨率达600ns存在问题：现阶段Pockels效应表面电荷原位测量技术只适用于测量极细或透明的电极结构下，透明薄膜或透光晶体材料的表面电荷分布

穆海宝 IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation IEEE Transactions on Plasma Science l 2011，研究不同聚合物薄膜 (PI、PET 和PVDF)的表面电荷动态分布特性； l 电荷分布与电压极性有关，正极性电 荷半径大于负极性； l 正极性下电荷分布因材料而异； M. Bogaczyk Journal of Physics D: Applied Physics l 2012，利用Pockels效应和ICCD相机 同时观察介质阻挡放电的体放电和表 面电荷积聚的过程； R. Tschiersch, M. Bogaczyk Journal of Physics D: Applied Physics l 2014，继续深入观察DBD的体放电和 表面电荷积聚的过程； l 研究了He/N2氛围中DBD两种放电模 式下放电发展、表面电荷形成和消散 的过程。 R. Wild Journal of Physics D: Applied Physics l 2014，采用脉冲激光和反射式表面电 荷测量系统，获得了APPJ处理薄膜时 表面电荷的动态分布； l 系统时间分辨率达600 ns 存在问题：现阶段Pockels效应表面电荷原位测量技术只适用于测量极细或透明 的电极结构下，透明薄膜或透光晶体材料的表面电荷分布。 L. Stollenwerk Physical Review Letters l 2007，采用脉冲激光源测量介质阻挡 放电DBD的空间电荷分布。 阶段II——Pockels效应表面动态电荷原位诊断 技术的应用：气体放电中动态电荷演变

2基于Pockels效应的动态电荷测量系统2.1课题组研究基础I：基于横向调制Pockels效应电场测量装置1交童高压发生器示波器t光源电场(85(nm)高压探头光电探器偏振光1/4波片铜电极准直器准直器BGO品体检偏器起偏器(通光方向）+铜电极横向调制Pockels效应原理图Pockels晶体横向调制系统示意图自聚焦透镜PBSPRSBGO晶体- d-30m.@觉d-6cm2ed-70m-d-Scm自聚焦透镜OER多模光纤起编器E40BCO品%2圭c保偏光纤光电探测器8国SD0@LED光源R147.4207370884.4示波器艳缘卡事长（mm）横向调制光路系统实物图直流电场下复合绝缘子串的空间电场分布口基于Pockels效应的光学电场传感器研制及其在输电线路中的应用研究[D],王帅.2019-7-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- 2.1 课题组研究基础 I：基于横向调制Pockels效应电场测量装置 偏振光 电场 x y x’ y’ l 横向调制Pockels效应原理图 l Pockels晶体横向调制系统示意图 l 横向调制光路系统实物图 l 直流电场下复合绝缘子串的空间电场分布 p 基于Pockels效应的光学电场传感器研制及其在输电线路中的应用研究[D], 王帅, 2019. 2 基于Pockels效应的动态电荷测量系统

2基于Pockels效应的动态电荷测量系统2.1课题组研究基础II：基于纵向调制Pockels效应电荷测量装置检偏器起偏器1/4玻片Pockels晶体x电场电场Ez入射光偏振光纵向调制Pockels效应原理图纵向调制Pockels效应反射式测量系统示意图高速摄像机采集控制计算机检偏器1=1ms1=2ms1=3ms4ms1=5ms1=6ms表面电药测量单元t= 7ms=smst=9ms=10mm高压送效Pockels单元(左)与Pockels效应表面电荷针-板结构表面放电在薄膜表面电荷动态分布测量系统（右）实物图口交流电压下针板电极聚合物绝缘薄膜表面放电电荷分布特性研究[D].穆海宝，2011-8-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- 2.1 课题组研究基础 II：基于纵向调制Pockels效应电荷测量装置 l 纵向调制Pockels效应原理图 l 纵向调制Pockels效应反射式测量系统示意图 l Pockels单元(左)与Pockels效应表面电荷 测量系统(右)实物图 l 针-板结构表面放电在薄膜表面电荷动态分布 偏振光 电场 x y x’ y’ p 交流电压下针板电极聚合物绝缘薄膜表面放电电荷分布特性研究[D], 穆海宝, 2011. 2 基于Pockels效应的动态电荷测量系统

2基于Pockels效应的动态电荷测量系统基于Pockels效应表面电荷测量平台：透射式(a)和反射式(b)(a)DepositedElectricchargefieldParallel raysTestednpls+0000000->Pockels crystaLightpathTransparentconductivefiimImagecapturePockels cel1/42PolarizerPockels cellAnalyzerwaveplatexElectric(b)fieldParallel rays-> Tested sampleDepositedchargeDielectric mirrorIncident+00light→Pockels crystal0000-ReflectedTransparentlight42Reflectiveconductive filmsurfaceekelscell1/8元PolarizationPockels cellwaveplatebeamsplitterImagecapture9《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotongUniversity

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- n 基于Pockels效应表面电荷测量平台：透射式(a)和反射式(b) 2 基于Pockels效应的动态电荷测量系统

2.2透射式Pockels效应表面动态电荷诊断平台正极性脉冲口(Positivepulse)激光器&扩束器偏振片11/42玻片放电单元偏振片2ICCD相机(Laser generator(Polarizationfilm)(2/4waveplate)(Discharge cell)(Polarizationfilm)((ICCDcamera)&Beamexpander)建立Pockels晶体电压与系统输出光强的线性关系利用矩阵光学设计透射式Pockels效应光Polarization film1#Polarizationfilm2H路，计算得到出射光的琼斯失量0TEAE.-i(8-m/2)E21+eICCDcamersDischarscel建立系统输出光强与Pockels晶体中快慢轴相位差的涵数关系：/4waveplate1=号(-0o(6+)asergenerato& Beam expander-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University

Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 偏振片1 (Polarization film) 1/4 λ玻片 (λ/4 wave plate) 偏振片2 (Polarization film) 放电单元 (Discharge cell) ICCD相机 (ICCD camera) x y 激光器&扩束器 (Laser generator & Beam expander) z 正极性脉冲 (Positive pulse)   x A - - 2 y B 1 0 0 2 1 0                    i E E E e E n 利用矩阵光学设计透射式Pockels效应光 路，计算得到出射光的琼斯矢量： n 建立系统输出光强与Pockels晶体中快慢 轴相位差δ的函数关系： 2 A 0 1 cos 2 2               E I Z 建立Pockels晶体电压与系统输出光强的线性关系 2.2 透射式Pockels效应表面动态电荷诊断平台