強電場環境下激光誘導擊穿等離子體研究進展

龐志開，杜鋼，周鴻鈴，鄭服利

（廣東電網有限責任公司廣州供電局電力試驗研究院，廣州 510410）

引言

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

目前，LIBS技術的迅速發展使其在礦產、考古、生物醫學及宇航探測等領域的理論和試驗研究非常活躍，尤其是一些需要遠程元素分析的領域，LIBS技術是目前唯一的可行手段。我國的超特高壓輸電網絡是世界上最大的主干輸電網絡，現有的高壓設備檢測分析都是以停電后的現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，對不同環境下的老化材料（硅橡膠、環氧樹脂等）、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，因此將LIBS應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地研究，這是該技術在高電壓領域應用的瓶頸之一。本文將首先簡單介紹LIBS技術基本工作原理，然后綜述靜電場、快速脈沖放電對LIBS光譜等離子體溫度、平均電子數密度、譜線發射相對強度以及激光誘導擊穿沖擊波等特性參數的影響，然后介紹了激光等離子體在高電壓工程中應用并對還需要開展研究的內容進行了展望，以期為研究者提供參考。

1 LIBS技術基本原理

LIBS裝置主要包括：調Q脈沖Nd:YAG激光源、光學透鏡、光學平臺、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，調節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，調節焦距，以便最大效率接收等離子體光譜。等離子體光譜數據處理過程可由計算機光譜分析軟件完成。LIBS試驗系統示意圖如圖1所示[2]。

圖1 LIBS系統示意圖[2]

LIBS光譜基本過程為，激光器產生脈沖激光經反射透鏡和透鏡聚焦于樣品表面，樣品被燒蝕、激發、蒸發和解離，在表面形成高溫、高電子密度的等離子體，首先產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合輻射產生各元素電離線形成的連續背景光譜，過程持續幾百納秒。連續輻射顯著衰減之后開始輻射大量原子和離子線狀光譜，處于激發態的原子和分子中的電子在分立的束縛能級之間躍遷并發射出對應波長的線狀光譜，即原子發射光譜，譜線的波長位置和強度代表測定元素的種類和含量，這是應用LIBS進行定性或者定量分析的根本依據。發射光譜通常可持續幾微秒至十幾微秒，這與激光參數、靶材特性有關。光譜收光裝置收集等離子體發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探測器完成光電轉化和傳輸，最終由計算機完成數據采集和儲存。經過上述步驟，即可完成整個發射光譜的采集、存儲過程。延時控制的目的是調節激光脈沖發出和光信號檢測的延遲時間，以避開復合輻射和韌致輻射階段強烈的連續背景光譜，從而獲取信噪比、信背比較高的原子、離子發射光譜。

2 強電場對LIBS信號的影響

2.1 靜電場

為了提高LIBS技術的靈敏度、再現性和檢測極限，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射光譜的影響，試驗結構如圖2所示。在這種情況下研究了激光誘導等離子體的物理參數，即電子密度和等離子體溫度。

圖2 結構簡圖[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，并因此增加了發射的光強度（激發的原子，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的影響方面，文獻[3]同樣進行了研究，利用激光誘導的沖擊波來監測由于施加電場而引起的等離子體羽流動力學的可能變化。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（折射）產生相應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的時間間隔，可以確定兩個連續時間間隔的傳播速度，該方法有良好的精度。

結果表明，激光誘導的激波速度沒有受到電場效應影響。實際上，激波速度主要取決于激光參數，如脈沖能量和光斑大小。然而，速度的值可以用于監測激光產生的等離子體的穩定性。

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境下的修復能力，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壓直流電源，外加電場為100 kV/m。結果表明，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技術結合快速放電脈沖增強原子發射譜線（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過程是激光脈沖和快速脈沖放電的雙重作用結果，提高了譜線信號的發射強度。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，樣品表面小區域激發出等離子體，再進一步被脈沖火花放電激發。文中比較了有無輔助火花激勵下的發射光譜特性，發現有火花激勵時的發射譜線比沒有火花放電的LIBS光譜強度強，得到的發射譜線也更多。

圖 3 試驗結構和原理簡圖[3]

LI Kexue等[7]對土壤樣品進行研究發現，激光燒蝕結合快速放電可有效提高譜線發射強度，減小信噪比，認為造成譜線發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，進而提高了原子發射光譜強度。李科學等[8]采用激光燒蝕－快脈沖放電等離子體光譜技術分析鋁合金樣品，發現與傳統的激光誘導擊穿光譜技術相比，該方法應用于鋁合金樣品后所產生的輻射光譜強度和信噪比均有很大提高，發射光譜線強度的相對標準偏差也得到改善。

在快速脈沖參數研究方面，周衛東等[9]研究了電壓和電容在快速脈沖放電增強激光誘導擊穿光譜中的作用，開發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被激發到更高的電子狀態的數量，這與使用大電容的更強烈的光發射原因相一致。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射強度將使得LA-FPDPS的結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；當放電回路參數一定時，激光能量從1 mJ變化到13 mJ，譜線強度呈現先增大后減小的趨勢。相對高重復率、低能量的激光誘導擊穿光譜技術而言，經過火花放電的增強，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）。這種信號增強方式沒有顯著增加燒蝕量，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結構簡圖[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象，在激光與物質相互作用方面具有許多優點。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，發現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果。

3 高電壓工程中激光誘導等離子體應用

激光誘導等離子體能量高、安全靈活、無污染等優勢在高電壓工程中電力設備絕緣在線監測以及元素分析等方面表面出一定的工業應用價值，國內外研究學者對以上應用展開了廣泛的研究。

電力設備運行過程中，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使用性能，王小華等[13]利用LIBS技術研究了不同真空度下的光譜演化規律，并利用主成分分析法和神經網絡算法對光譜信號進行良好的分類預測。

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系，并利用主成分分析法、人工神經網絡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測。結果表明，對于包括 ca、Mg、Al 在內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測。

另外，硅橡膠復合材料在電力設備外絕緣的傘裙護套中廣泛應用。硅橡膠絕緣子長期承受大氣環境以及工作電壓、過電壓和機械負荷考驗，長期運行會發生不同程度的老化，造成電氣、機械、力學等性能下降，影響電力系統的穩定運行。王希林等[17-19]基于LIBS技術快速、準確、在線監測硅橡膠的老化性能，建立了與硅橡膠老化狀態密切相關的碳(c)、氧(O)、鐵(Fe)、硅(Si)等成分和分布信息，探討了LIBS技術作為硅橡膠材料老化性能表征手段的可行性。研究發現，LIBS分析手段并不會破壞硅橡膠表面激光燒蝕區的憎水性，燒蝕區靜態接觸角甚至大于硅橡膠非燒蝕區的靜態接觸角；由于燒蝕坑深度與激光脈沖數呈線性關系，可獲得硅橡膠表面從表面到內部沿深度方向的各種元素及其分布規律，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技術在高電壓工程中的應用展望

根據上面提到的LIBS技術應用，有必要深入開展LIBS技術在高電壓工程相關領域的應用，在以下幾方面有重要的研究價值。

4.1 激光誘導等離子體演化物理機制研究

目前大多數激光誘導等離子體應用還處于試驗驗證階段，對影響等離子體動態發展過程的各項參數并未進行系統的理論研究。

4.2 電場形式對激光誘導等離子體的影響研究

高壓設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、電場方向對激光等離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、脈沖電場與等離子體的時序關系等，電場方向對等離子體的影響則可能是體現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律尚需探索。

4.3 LIBS戶外高電壓設備應用

可遠程分析測試是LIBS技術的魅力所在。隨著國家特高壓輸電線路的投用，交直流設備體積龐大，停電檢修空窗期較少，增加了現場檢修難度和危險性。LIBS遠程分析特性可在數米遠檢測在運行設備的運行狀態，其在線、快捷、準確的分析特點在戶外高電壓設備狀態檢測方面優勢明顯。但是考慮到在高電壓設備上進行應用，戶外環境參數對LIBS信號的影響必須系統研究。空氣溫度、環境濕度、氣壓、風力等環境參數影響也需要綜合考慮，為現場應用提供理論基礎支撐。

4.4 多種形式高電壓絕緣介質的分析

在絕緣介質劣化的同時會伴隨著固體、液體和氣體電介質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用LIBS技術實現在線監測。

5 結論

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

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

2）由于目前超特高壓輸變電設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等離子體特性的影響。激光誘導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用還需要深入研究。