介質阻擋放電光電檢測裝置研究

張鼎衢，肖勇，胡嘉，孟慶亮，宋強，潘峰

（廣東電網公司電力科學研究院，廣東廣州510080）

介質阻擋放電光電檢測裝置研究

張鼎衢，肖勇，胡嘉，孟慶亮，宋強，潘峰

（廣東電網公司電力科學研究院，廣東廣州510080）

采用光電倍增管（PMT）研制一種探測介質阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）微弱光信號的光電檢測裝置。根據DBD微弱光信號的特點，進行光電檢測裝置設計，通過光纖排、光電轉換電路、示波器放大并采集微弱光信號。使用新裝置進行大氣壓下DBD的檢測試驗，驗證該新型裝置較傳統的DBD檢測裝置具有靈敏度高、響應速度快、可有效區分放電與干擾信號、可同時采集多點信號等特點，為DBD的試驗研究提供可靠的探測方法。

介質阻擋放電；光電轉換；光電倍增管；微弱光信號

1 檢測原理

介質阻擋放電是一種在放電氣隙空間中至少插入一塊絕緣介質的氣體放電。大氣壓空氣中的介質阻擋放電主要為絲狀放電，單根電流絲的直徑約100μm，電流密度0.1～1 kA/cm2，輸運能量μJ級[10]，它們貫穿于放電極板之間，形成微放電通道。這些獨立的微放電在時空中隨機分布在介質表面，每個微放電都代表一次流光擊穿，持續時間幾十納秒。這些微放電發出nW量級的微弱紫外光，主波長約為340～400nm[11]，均勻、散漫且穩定。

光電倍增管是一種具有高增益的真空光電轉換器件，其增益高達105～108，非常適合用于探測微弱光信號[12]。

針對微弱光信號的特點，采用光纖排及光電轉換電路采集放電區域光電流的方法，稱為多路光信號探測法。放電空間中不同區域的微弱光信號經紫外光纖排引入PMT轉化為電信號，再經過信號處理電路連接示波器。每路對應一個微放電通道，獲得的多路光電流波形為研究DBD相鄰微放電通道間相互作用提供了可靠依據。

2 系統整體結構與理論分析

系統由DBD發生裝置、光纖排、光電轉換、信號處理電路組成，原理圖如圖1所示。

圖1 檢測系統原理圖

DBD發生裝置由電源、腔體、兩個放電極板和電介質玻璃板組成（如圖2所示）。絕緣介質覆蓋在其中一個放電極板上，用于產生大氣壓中穩定的介質阻擋放電；在放電過程中，介質阻擋了氣隙空間中的放電通道，介質表面累積大量電荷，這些表面電荷形成的電場抑制了氣隙電場的增長，進而抑制電弧的產生[13]。

光纖排將微弱光信號傳輸到信號采集系統。光在光纖中的傳輸滿足下式：

式中：θ——入射角；

θ0——臨界入射角；

n1——內芯的折射率；

n2——包層的折射率。

圖2 DBD發生裝置

由折射定理可知，當θ＜arcsinNA時（NA為數值孔徑），光線因在光纖內部發生全反射而不會消失。傳播損耗與纖芯材料的吸收、散射等有關，這種損耗非常小，可忽略不計。

受數值孔徑的影響，光纖的探測區域呈輻射狀且滿足下式：

式中：l——探測區域到光纖端面的距離；

d——圓形探測區域的直徑；

θ——數值孔徑角。

光電轉換主要由光電轉換器件組成，相比APD和PIN光電二極管，PMT高增益的特點使其更適合于探測DBD的微弱光信號。其工作原理為：入射光經PMT光電陰極產生一次光電子，形成陰極電流（IK），一次光電子經倍增級多級倍增后產生大量的二次電子，最后匯聚于陽極形成陽極電流（IA），陽極電流與陰極電流的比值為電流增益Gm：

光電倍增管一般處于直流或脈沖工作的狀態下，針對輸出的光電流信號可以通過負載電阻進行電流-電壓轉換；但負載電阻并不是越大越好，負載過大會影響PMT的時間特性和傳輸特性，如下式所示：

式中：RL——負載；

Cs——PMT陽極和其他電極間、PMT與最末倍增極間的電容以及雜散電容的總和。

上限截止頻率為

可見，PMT外圍電路的響應頻率會受到負載電阻的限制，負載電阻過大時，受上線截止頻率的限制，容易使陽極輸出電壓脈沖堆積，導致PMT輸出非線性。

DBD產生的脈沖信號主要為高頻信號，負載電阻通常為100kΩ～1MΩ，該電阻很難與線路波阻抗匹配，如下式所示：

式中：ZC——線路的波阻抗；

Z2——末端阻抗。

信號在線路的始端和末端會發生多次反射，這些反射信號與原信號疊加后輸出，使輸出信號畸變。

為解決以上問題，本文提出大負載接電壓跟隨器匹配的信號處理電路，如圖3所示。

圖3 大負載接電壓跟隨器匹配電路

電路中電壓跟隨器的輸入阻抗高，輸出阻抗低，隔離了負載與電纜，既可以實現末端電纜匹配，又可以放大微弱光電流信號。

3 系統結構設計

3.1 光纖排

光纖排由多根光纖（南京迪多科技特種紫外光纖）、金屬探頭和調整支架構成。其中，光纖的芯徑為200μm，屬于特種紫外光纖，數值孔徑為0.22。按照需求選用8根光纖制排，光纖排的一端集合成直徑8mm的金屬探頭，每根光纖的間距為150μm，金屬探頭用于接收光信號；每根光纖的另一端制成直徑3mm、長度10mm的金屬頭，這些金屬頭通過固定原件連接至光電倍增管的陰極入射窗口。根據式（2）可知，光纖排可測的兩點間距為350～2450μm。為了方便探測不同區域的光信號，設計調整支架，該支架可以實現上下40mm、左右1 cm的微調。

3.2 光電轉換

針對DBD微弱紫外光信號，選用R212UH（濱松）光電倍增管，其光譜響應范圍為185～650nm，最大響應波長340nm，陽極脈沖上升時間2.2 ns，電子渡越時間22ns，增益107。可見，該PMT具有極高的增益并能夠快速地響應光信號。通過此PMT，可將DBD的微弱光信號轉換為脈沖幅值為1～10μA，脈沖寬度為ns級的光電流輸出。

光電倍增管作為檢測微弱光信號的器件，若直接與可見光接觸，會受到背景輻射光和空間磁場等外界因素的干擾，嚴重影響測量結果[14]。因此，為了削弱這些噪聲的影響，設計PMT管屏蔽罩（見圖4）。該屏蔽罩由坡莫合金制成，分上罩與底座兩部分，屏蔽罩內外都涂有黑色絕緣漆，達到了屏蔽磁場和背景輻射光的目的。

圖4 PMT屏蔽罩

3.3 信號處理電路

信號處理電路不僅需要將PMT輸出的微弱光電流信號轉換為可供示波器接受的電壓信號，還要保證電壓轉換速度能夠跟上介質阻擋放電光電流的變化速度。最后將電壓信號傳輸到示波器（Tektronix MOS3034）中觀測。設計原理圖如圖5所示。

圖5 PMT外圍電路原理圖

CC238及其控制電路用于控制PMT增益，信號處理電路將光電流信號轉換為電壓信號并放大，供示波器顯示。具體電路及參數如圖6所示。

電路采用大負載加電壓跟隨器匹配同軸電纜輸出，既可以放大微弱信號，又可以避免反射信號的干擾。其中：限流電阻（R1）保證OPA2350輸入電流I＜500mA；耦合電容（C）隔直通交，可保護后續電路；去耦電容（C11、C12）去除紋波干擾，可改善電源的高頻特性；補償電容（C1）為電路增加新極點，拉大主極點與其他極點的間距，改變電路的相頻響應，破壞了自激振蕩的條件；可調負載電阻RL范圍為10～100kΩ。因此該電路的電壓輸出信號為0.5～2V。

4 實驗

實驗用6根光纖探測不同負載時大氣壓DBD錐形極板錐尖處的光信號，外加電壓為10 kV，頻率為10 kHz，氣隙間距為1mm，得不同負載時脈沖寬度，如表1所示。

圖6 PMT外圍電路

表1 不同負載電阻時的脈沖寬度

可見，信號的脈沖寬度隨負載成正比變化，為了避免多次放電時信號重疊，選擇負載為20 kΩ，干擾信號的脈寬為ns級，因此4.8μs的脈沖即為放電信號。圖7為示波器采集的波形，上方（CH1）為放電電流波形，下方（CH2）為光電流波形。

可見，當放電較弱時（圖7（a）），光電流可以體現放電的發生，放電電流無法完全體現；放電較強時（圖7（b）），放電電流與干擾信號疊加，無法區分，而光電流由于存在4.8μs的脈寬可以區分干擾，這充分體現了新型檢測裝置的優越性和可靠性。

5 結束語

研究基于PMT的光電檢測裝置，針對DBD微弱紫外光信號設計、分析與制作。裝置具有ns級的響應速度，可將nW級、波長為340～400 nm的微弱紫外光信號放大為0.5～2V的電信號；最小探測值為200μm（直徑），可同時多路采集最小間距為350μm的多個點光源進行對比研究，通過調整支架和光纖排可靈活采集不同區域的光信號；選擇不同的負載，根據負載對應的信號脈寬區分干擾信號；通過實驗可知，該新型裝置有更好的優越性和可靠性。

圖7 放電電流與光電流波形

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Study on photoelectric detection device to dielectric barrier discharge

ZHANG Dingqu，XIAO Yong，HU Jia，MENG Qingliang，SONG Qiang，PAN Feng
（Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080，China）

A dielectric barrier discharge detection system is developed using PMT.According to faint light signal characteristics of dielectric barrier discharge，the system is designed，using optical fiber line，photoelectric conversion circuit and oscilloscope to magnify and collect the signal.Results in atmospheric pressure of dielectric barrier discharge detection experiment show that the system has high sensitivity，fast response，can effectively distinguish discharge and interference signals，gather more signals in different areas，it provides a reliable detection method for DBD experimental study.

dielectric barrier discharge；photoelectric conversion；PMT；faint light signal

A文章編號：1674-5124（2015）06-0076-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.018

0 引言

介質阻擋放電（DBD）是產生大氣壓非平衡態等離子體的一種可靠、經濟的方法，適于常壓或加壓條件下的工業應用[1]。DBD逐漸成為研究等離子體科學的熱點之一。目前DBD的探測技術主要分為以下兩類：1）電信號探測法，文獻[2-6]在不同的實驗條件下用李薩如圖評判了DBD的均勻性，用電流電壓波形評判了放電的周期特性，該方法操作簡單，但是只能從時間上評判DBD的均勻性，探測回路容易受到空間磁場的干擾；2）光信號探測法，通過發射光譜法、光電流測量和照片拍攝分析等研究放電的光譜特性和光電流特性，文獻[7-9]運用了放電照片和數值模擬等方法，這些方法有利于直觀地分析放電斑圖，但是目前相機的曝光時間無法達到采集幾十納秒的單次微放電的要求，導致放電斑圖為多次放電疊加的結果，難以分析單次微放電的特性。因此，迫切需要一種高靈敏度、抗干擾能力強、能夠在時空上同時研究DBD單次微放電特性的技術，作為評判DBD均勻性的依據。基于此，本文提出采用多路光信號探測的方法，研究一種基于光電倍增管（PMT）能夠多路同時采集DBD放電微弱光信號的檢測系統。

2014-09-21；

2014-12-16

國家自然科學基金（50877033）

張鼎衢（1987-），男，內蒙古巴彥淖爾市人，工程師，碩士，主要從事電能計量及相關領域研究工作。