強電場環(huán)境下激光誘導(dǎo)擊穿等離子體研究進展

龐志開，杜鋼，周鴻鈴，鄭服利

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局電力試驗研究院，廣州 510410）

引言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（Laser-induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）是以脈沖激光技術(shù)為基礎(chǔ)，以樣品被激發(fā)的等離子體原子發(fā)射光譜為檢測對象的定性及定量分析方法[1]。

目前，LIBS技術(shù)的迅速發(fā)展使其在礦產(chǎn)、考古、生物醫(yī)學(xué)及宇航探測等領(lǐng)域的理論和試驗研究非?；钴S，尤其是一些需要遠程元素分析的領(lǐng)域，LIBS技術(shù)是目前唯一的可行手段。我國的超特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)是世界上最大的主干輸電網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的高壓設(shè)備檢測分析都是以停電后的現(xiàn)場檢測與取樣后實驗室分析為主，缺乏可在不停電情況進行材料檢測的手段，而LIBS可以通過元素分析的方式，對不同環(huán)境下的老化材料（硅橡膠、環(huán)氧樹脂等）、自然污穢以及腐蝕金屬等進行近乎無損測試分析，進一步評估各材料的狀態(tài)，因此將LIBS應(yīng)用于高電壓工程中具有重要意義。

然而，激光等離子體在強電場中的變化特性還沒有得到系統(tǒng)地研究，這是該技術(shù)在高電壓領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸之一。本文將首先簡單介紹LIBS技術(shù)基本工作原理，然后綜述靜電場、快速脈沖放電對LIBS光譜等離子體溫度、平均電子數(shù)密度、譜線發(fā)射相對強度以及激光誘導(dǎo)擊穿沖擊波等特性參數(shù)的影響，然后介紹了激光等離子體在高電壓工程中應(yīng)用并對還需要開展研究的內(nèi)容進行了展望，以期為研究者提供參考。

1 LIBS技術(shù)基本原理

LIBS裝置主要包括：調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光源、光學(xué)透鏡、光學(xué)平臺、光譜儀、計算機等。通過控制電荷耦合器的門寬時延，可使激光器、光譜儀與計算機按照實驗要求時序工作，調(diào)節(jié)光譜儀光強增益可有效提高信噪比。試驗樣品放在精密移動平臺上，調(diào)節(jié)焦距，以便最大效率接收等離子體光譜。等離子體光譜數(shù)據(jù)處理過程可由計算機光譜分析軟件完成。LIBS試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示[2]。

圖1 LIBS系統(tǒng)示意圖[2]

LIBS光譜基本過程為，激光器產(chǎn)生脈沖激光經(jīng)反射透鏡和透鏡聚焦于樣品表面，樣品被燒蝕、激發(fā)、蒸發(fā)和解離，在表面形成高溫、高電子密度的等離子體，首先產(chǎn)生的高溫高密度等離子體在冷卻的過程中由韌致輻射和復(fù)合輻射產(chǎn)生各元素電離線形成的連續(xù)背景光譜，過程持續(xù)幾百納秒。連續(xù)輻射顯著衰減之后開始輻射大量原子和離子線狀光譜，處于激發(fā)態(tài)的原子和分子中的電子在分立的束縛能級之間躍遷并發(fā)射出對應(yīng)波長的線狀光譜，即原子發(fā)射光譜，譜線的波長位置和強度代表測定元素的種類和含量，這是應(yīng)用LIBS進行定性或者定量分析的根本依據(jù)。發(fā)射光譜通常可持續(xù)幾微秒至十幾微秒，這與激光參數(shù)、靶材特性有關(guān)。光譜收光裝置收集等離子體發(fā)射的光信號并傳送到光譜儀中進行分光，與其耦合的ccD或IccD探測器完成光電轉(zhuǎn)化和傳輸，最終由計算機完成數(shù)據(jù)采集和儲存。經(jīng)過上述步驟，即可完成整個發(fā)射光譜的采集、存儲過程。延時控制的目的是調(diào)節(jié)激光脈沖發(fā)出和光信號檢測的延遲時間，以避開復(fù)合輻射和韌致輻射階段強烈的連續(xù)背景光譜，從而獲取信噪比、信背比較高的原子、離子發(fā)射光譜。

2 強電場對LIBS信號的影響

2.1 靜電場

為了提高LIBS技術(shù)的靈敏度、再現(xiàn)性和檢測極限，Elhassan A 等[3]研究了在典型的LIBS裝置中施加不同極性的靜電場對發(fā)射光譜的影響，試驗結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這種情況下研究了激光誘導(dǎo)等離子體的物理參數(shù)，即電子密度和等離子體溫度。

圖2 結(jié)構(gòu)簡圖[3]

文中使用兩個相距1.9 cm的拋光平行銅板作為施加高電壓的電極。在正向偏置電壓（負電極和正電極）下，原子線和離子線的信噪比（S / N）顯著增強。激光誘導(dǎo)等離子體羽流在其中移動方向與入射激光束相反。等離子體中的正離子和正電極之間的高排斥場導(dǎo)致了等離子體羽流擴散限制，這增加了重組概率，并因此增加了發(fā)射的光強度（激發(fā)的原子，離子或分子的輻射衰變）。另一方面，在極性相反的條件下觀察到發(fā)射線強度的明顯劣化。這種負面影響可能歸因于由于拉伸的等離子體羽流引起的電子-離子復(fù)合的減少。隨著偏置電壓的變化，原子譜線的下降程度相比更大。

在電場對等離子體羽流動力學(xué)的影響方面，文獻[3]同樣進行了研究，利用激光誘導(dǎo)的沖擊波來監(jiān)測由于施加電場而引起的等離子體羽流動力學(xué)的可能變化。使用兩個角管，He-Ne激光束用于探測在3個連續(xù)位置傳播的沖擊波陣面，如圖3（a）所示。一個快速光電二極管被用來檢測在每個交點的探針光束的偏轉(zhuǎn)（折射）產(chǎn)生相應(yīng)的示波器跟蹤的負脈沖，如圖3（b）所示。知道兩個波束之間的距離和相應(yīng)的時間間隔，可以確定兩個連續(xù)時間間隔的傳播速度，該方法有良好的精度。

結(jié)果表明，激光誘導(dǎo)的激波速度沒有受到電場效應(yīng)影響。實際上，激波速度主要取決于激光參數(shù)，如脈沖能量和光斑大小。然而，速度的值可以用于監(jiān)測激光產(chǎn)生的等離子體的穩(wěn)定性。

2019年，A. Jabbar等[4]利用靜電場輔助LIBS測定了三種不同銅濃度的洋蔥在可控環(huán)境下的修復(fù)能力，以兩塊矩形鋁板作為電極（尺寸為1 cm×1 cm，間距為3 mm），兩個板連接到一個穩(wěn)壓直流電源，外加電場為100 kV/m。結(jié)果表明，未加靜電場的情況下，不同劑量銅的洋蔥葉片在水浸萌發(fā)土壤中的銅檢出限為0.05、0.085和0.17 ppm；外加靜電場輔助的情況下，樣品中銅的檢出限提高到0.028 ppm左右。

2.2 快速脈沖放電

LIBS技術(shù)結(jié)合快速放電脈沖增強原子發(fā)射譜線（The laser ablation fast pulse discharge plasma spectroscopy，LAFPDPS）最早由F. Brech等人于1960年提出了方案可行性[5]。如圖4所示，相比圖1，在樣品與透鏡的垂直方向上設(shè)置兩個電極并搭建快速脈沖放電電路，施加高壓，控制激光脈沖與納秒放電的延遲時間，這樣每次作用在樣品表面的等離子激發(fā)過程是激光脈沖和快速脈沖放電的雙重作用結(jié)果，提高了譜線信號的發(fā)射強度。接著1967 年Rasberry S.D.等[6]提出了一種光譜分析改進的激光探針。將高能激光束聚焦在樣品上，樣品表面小區(qū)域激發(fā)出等離子體，再進一步被脈沖火花放電激發(fā)。文中比較了有無輔助火花激勵下的發(fā)射光譜特性，發(fā)現(xiàn)有火花激勵時的發(fā)射譜線比沒有火花放電的LIBS光譜強度強，得到的發(fā)射譜線也更多。

圖 3 試驗結(jié)構(gòu)和原理簡圖[3]

LI Kexue等[7]對土壤樣品進行研究發(fā)現(xiàn)，激光燒蝕結(jié)合快速放電可有效提高譜線發(fā)射強度，減小信噪比，認為造成譜線發(fā)射強度增強的原因是隨著放電電壓的增加，激光等離子體中的能量沉積也隨之增加，從而影響等離子體的溫度以及等離子體中電子，離子和中性原子的密度，進而提高了原子發(fā)射光譜強度。李科學(xué)等[8]采用激光燒蝕－快脈沖放電等離子體光譜技術(shù)分析鋁合金樣品，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)相比，該方法應(yīng)用于鋁合金樣品后所產(chǎn)生的輻射光譜強度和信噪比均有很大提高，發(fā)射光譜線強度的相對標準偏差也得到改善。

在快速脈沖參數(shù)研究方面，周衛(wèi)東等[9]研究了電壓和電容在快速脈沖放電增強激光誘導(dǎo)擊穿光譜中的作用，開發(fā)了具有快速脈沖放電電路的LA-FPDPS。與使用微秒脈沖放電電路相比，具有更好的提高激光等離子體的發(fā)光強度的能力。當使用更大的電容時，觀察到更長的放電過程和放電電流的振蕩周期。這個放電過程較長會明顯增加等離子體的壽命和物質(zhì)被激發(fā)到更高的電子狀態(tài)的數(shù)量，這與使用大電容的更強烈的光發(fā)射原因相一致。在不同放電電壓下，脈沖放電延時在每次的試驗中基本保持不變，良好的信噪比和更高的發(fā)射強度將使得LA-FPDPS的結(jié)果可能有助于提高土壤中的微量元素分析精度。

華南理工大學(xué)李潤華課題組[10]利用火花放電增強LIBS信號，其裝置的激光器重復(fù)率為1 kHz，能量小于13 mJ，脈寬約為120 ns。如圖5所示，放電電源為4 kV的直流源，通過Rc電路在激光燒蝕點處附近產(chǎn)生放電。陽極為直徑2 mm的鎢針電極，45 °放置在激光燒蝕點上方，陰極為鋁合金樣品本身。研究結(jié)果表明，電壓值越大，電容值越小，則譜線強度增強程度越大；當放電回路參數(shù)一定時，激光能量從1 mJ變化到13 mJ，譜線強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。相對高重復(fù)率、低能量的激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)而言，經(jīng)過火花放電的增強，使得元素檢出限大大降低（Mg從121.5降到14.0 ppm，cu從118.4降到9.9 ppm）。這種信號增強方式?jīng)]有顯著增加燒蝕量，燒蝕孔的直徑與深度幾乎無差異，這說明良好的信號增強不能歸因于消融材料的增加。

圖 4 LA-FPDPS結(jié)構(gòu)簡圖[5]

圖5

李慶雪等[11]研究了火花放電輔助飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜（fs-LIBS）的時間分辨光譜，相比于ns-LIBS，fs-LIBS可以避免等離子體屏蔽的現(xiàn)象，在激光與物質(zhì)相互作用方面具有許多優(yōu)點。通過計算不同放電電壓下、不同激光能量下的時間分辨等離子體溫度和電子密度，發(fā)現(xiàn)隨著放電電壓的增加，其光譜強度和電子溫度均呈上升趨勢，而放電后較高電壓下的電子密度與較低電壓下的電子密度基本相等，這說明信號增強可能主要是由放電火花引起的等離子體再加熱的結(jié)果。

3 高電壓工程中激光誘導(dǎo)等離子體應(yīng)用

激光誘導(dǎo)等離子體能量高、安全靈活、無污染等優(yōu)勢在高電壓工程中電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測以及元素分析等方面表面出一定的工業(yè)應(yīng)用價值，國內(nèi)外研究學(xué)者對以上應(yīng)用展開了廣泛的研究。

電力設(shè)備運行過程中，因放電或者受潮引起的SF6氣體分子分解會造成絕緣性能下降，因此在線監(jiān)測氣體中微水、微氧以及分解物是尤為必要的，楊文斌等[12]研究了利用LIBS技術(shù)定量分析SF6氣體中的氧含量。真空斷路器中真空滅弧室真空度的劣化會威脅開關(guān)使用性能，王小華等[13]利用LIBS技術(shù)研究了不同真空度下的光譜演化規(guī)律，并利用主成分分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對光譜信號進行良好的分類預(yù)測。

絕緣子表面污穢會影響到高壓線路的運行安全，王希林等[14-16]利用LIBS研究了不同污穢中元素含量與等離子體光譜特征譜線的定量關(guān)系，并利用主成分分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及偏最小二乘法對污穢成分及含量進行了良好的分類與預(yù)測。結(jié)果表明，對于包括 ca、Mg、Al 在內(nèi)的幾種典型普通污穢，均可以被很好地聚類并定量分析；對于某些地區(qū)特有的特殊污穢葡萄糖污穢，同樣可以被快速鑒別并利用O元素特征譜線強度對其含量進行較好地預(yù)測。

另外，硅橡膠復(fù)合材料在電力設(shè)備外絕緣的傘裙護套中廣泛應(yīng)用。硅橡膠絕緣子長期承受大氣環(huán)境以及工作電壓、過電壓和機械負荷考驗，長期運行會發(fā)生不同程度的老化，造成電氣、機械、力學(xué)等性能下降，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。王希林等[17-19]基于LIBS技術(shù)快速、準確、在線監(jiān)測硅橡膠的老化性能，建立了與硅橡膠老化狀態(tài)密切相關(guān)的碳(c)、氧(O)、鐵(Fe)、硅(Si)等成分和分布信息，探討了LIBS技術(shù)作為硅橡膠材料老化性能表征手段的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，LIBS分析手段并不會破壞硅橡膠表面激光燒蝕區(qū)的憎水性，燒蝕區(qū)靜態(tài)接觸角甚至大于硅橡膠非燒蝕區(qū)的靜態(tài)接觸角；由于燒蝕坑深度與激光脈沖數(shù)呈線性關(guān)系，可獲得硅橡膠表面從表面到內(nèi)部沿深度方向的各種元素及其分布規(guī)律，得到硅橡膠表面的老化層深度和元素分布，并通過EDS、XPS等元素分析手段得以驗證。

4 LIBS技術(shù)在高電壓工程中的應(yīng)用展望

根據(jù)上面提到的LIBS技術(shù)應(yīng)用，有必要深入開展LIBS技術(shù)在高電壓工程相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，在以下幾方面有重要的研究價值。

4.1 激光誘導(dǎo)等離子體演化物理機制研究

目前大多數(shù)激光誘導(dǎo)等離子體應(yīng)用還處于試驗驗證階段，對影響等離子體動態(tài)發(fā)展過程的各項參數(shù)并未進行系統(tǒng)的理論研究。

4.2 電場形式對激光誘導(dǎo)等離子體的影響研究

高壓設(shè)備運行時的電場形式多樣，交流、直流、脈沖電場都可能存在，設(shè)備表面的電場方向可分為沿面方向或垂直方向。不同的電場形式、電場方向?qū)す獾入x子體的影響可能大有不同，電場形式需考慮如直流電場的極性效應(yīng)、脈沖電場與等離子體的時序關(guān)系等，電場方向?qū)Φ入x子體的影響則可能是體現(xiàn)在沿等離子體軸向或徑向的差別。此外，超特高壓輸電線路絕緣子的電場分布不均勻，局部電場強度有可能接近空氣擊穿場強，在如此高場強下的激光等離子體特性變化規(guī)律尚需探索。

4.3 LIBS戶外高電壓設(shè)備應(yīng)用

可遠程分析測試是LIBS技術(shù)的魅力所在。隨著國家特高壓輸電線路的投用，交直流設(shè)備體積龐大，停電檢修空窗期較少，增加了現(xiàn)場檢修難度和危險性。LIBS遠程分析特性可在數(shù)米遠檢測在運行設(shè)備的運行狀態(tài)，其在線、快捷、準確的分析特點在戶外高電壓設(shè)備狀態(tài)檢測方面優(yōu)勢明顯。但是考慮到在高電壓設(shè)備上進行應(yīng)用，戶外環(huán)境參數(shù)對LIBS信號的影響必須系統(tǒng)研究?？諝鉁囟取h(huán)境濕度、氣壓、風(fēng)力等環(huán)境參數(shù)影響也需要綜合考慮，為現(xiàn)場應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)支撐。

4.4 多種形式高電壓絕緣介質(zhì)的分析

在絕緣介質(zhì)劣化的同時會伴隨著固體、液體和氣體電介質(zhì)自身材料的水分增加、成分分解等過程。這些劣化過程有望應(yīng)用LIBS技術(shù)實現(xiàn)在線監(jiān)測。

5 結(jié)論

激光誘導(dǎo)等離子體在高電壓工程領(lǐng)域中的應(yīng)用屬于激光物理、氣體放電、精密儀器、光學(xué)工程及元素分析等多個領(lǐng)域的交叉研究方向，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值，目前已經(jīng)開展了電場對激光誘導(dǎo)等離子體特性的相關(guān)研究，取得了一些的研究結(jié)果：

1）靜電場下，不同的極性對光譜發(fā)射強度的影響不同，隨著偏執(zhí)電壓的升高，譜線和展寬會發(fā)生飽和，但是電場對等離子體的激發(fā)溫度以及電子數(shù)密度影響較小。隨著電壓的升高，激光沖擊波速度非線性增加，電壓很高時呈現(xiàn)線性增長趨勢。

2）由于目前超特高壓輸變電設(shè)備工作場強接近于試驗研究的脈沖放電電場強度，還需要研究交直流電場對激光誘導(dǎo)等離子體特性的影響。激光誘導(dǎo)等離子體與氣體放電的物理演化研究及在高電壓工程中的應(yīng)用還需要深入研究。