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