MCP像增強(qiáng)器在紫外電暈探測的應(yīng)用

紫外電暈探測

一、       什么是電暈放電？

電暈放電（corona discharge）是由圍繞在高電壓導(dǎo)體周圍的流體電離造成的放電，此處最常見的流體就是空氣，此放電因在黑暗中狀似月暈而得名。

電暈放電時，在沿著導(dǎo)線或電極的表面可以看到光層（電暈），伴有咝咝聲，并產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。非導(dǎo)電介質(zhì)也有此現(xiàn)象，此因在高電壓下電場強(qiáng)度過大，導(dǎo)致非導(dǎo)電介質(zhì)被擊穿，絕緣體的電阻迅速下降，繼而使得一部分絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，而形成放電現(xiàn)象，常發(fā)生在高壓電線周圍或帶電體的尖端附近（尖端放電）。

電暈放電

二、電暈放電的危害

電暈現(xiàn)象就是帶電體表面在氣體或液體介質(zhì)中局部放電的現(xiàn)象，常發(fā)生在不均勻電場中電場強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)（例如高壓導(dǎo)線的周圍，帶電體的尖端附近）。其特點(diǎn)為：出現(xiàn)與日暈相似的光層，發(fā)出嗤嗤的聲音，產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。

均勻電場中，由于各點(diǎn)電場強(qiáng)度都是一樣的，當(dāng)施加穩(wěn)態(tài)電壓（直流、工頻交流），電場強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度時，間隙就擊穿了。但日常很難見到均勻電場。對于稍不均勻的電場，日常見得很多。如球-球間隙，球-板間隙等，以球-球間隙為例，當(dāng)間隙距離小于1/4D時，其電場基本為均勻電場，當(dāng) D/4 ≤S≤ D/2 時，其電場為稍不均勻電場。

均勻電場的放電電壓也可用公式計算，公式為（單位為kV）：

24.44δs+6.08

δ—空氣相對密度；

s—間隙距離cm；

不均勻電場的差別就在于空氣間隙內(nèi)，各點(diǎn)的電場強(qiáng)度不均勻，在電力線比較集中的電極附近，電場強(qiáng)度最大，而電力線疏的地方，電場強(qiáng)度很小，如棒-棒間隙，是一對稱的不均勻電場，在電極的尖端處電力線最集中，電場強(qiáng)度也最大。

當(dāng)加上高壓后，會在電極附近產(chǎn)生空氣的局部放電——電暈放電，電壓再加高時，電暈放電更加強(qiáng)烈，致使間隙內(nèi)發(fā)生刷狀放電，而后就擊穿了（電弧放電）。如棒-板間隙，在尖電極附近電場強(qiáng)度最大，加上高壓后，電極附近先產(chǎn)生電暈放電，而板上的電力線很疏，不會產(chǎn)生電暈。

當(dāng)電壓足夠高時，棒極也將產(chǎn)生刷狀、火花放電，最后導(dǎo)致電弧放電（擊穿）。電暈多發(fā)生在導(dǎo)體殼的曲率半徑小的地方，因?yàn)檫@些地方，特別是尖端，其電荷密度很大。而在緊鄰帶電表面處，電場E與電荷密度σ成正比，故在導(dǎo)體的尖端處場強(qiáng)很強(qiáng)（即σ和E都極大）。

因此，在空氣周圍的導(dǎo)體電勢升高時，這些尖端之處能產(chǎn)生電暈放電。

通常均將空氣視為非導(dǎo)體，但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子，帶正電的導(dǎo)體會吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行徐徐中和。若帶電導(dǎo)體有尖端，該處附近空氣中的電場強(qiáng)度E可變得很高。當(dāng)離子被吸向?qū)w時將獲得很大的加速度，這些離子與空氣碰撞時，將會產(chǎn)生大量的離子，使空氣變成極易導(dǎo)電，同時借電暈放電而加速導(dǎo)體放電。因空氣分子在碰撞時會發(fā)光，故電暈時在導(dǎo)體尖端處可見亮光。

因此，電暈有許多不利影響：

1、       輸電線路上的電能損失；

2、       射頻(RF)產(chǎn)生的噪聲會干擾消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品；

3、       產(chǎn)生的臭氧和氮氧化物氣體的對生活在輸電線路附近的人們有不利影響；

4、       對線路、變壓器或絕緣體的損壞會加劇問題的產(chǎn)生，導(dǎo)致更多的功率損失和可能發(fā)生的電弧狀況；

5、       產(chǎn)生的紫外線還會對某些動物造成困擾。

如果輸電線路系統(tǒng)的組件正在經(jīng)歷電暈而問題沒有得到解決，則由此產(chǎn)生的損壞可能導(dǎo)致附近導(dǎo)體放電或電弧。電弧會對輸電系統(tǒng)造成重大損害，并導(dǎo)致過熱，從而導(dǎo)致潛在的故障。電暈放電可以通過改善絕緣性、使用電暈環(huán)，以及采用圓滑的導(dǎo)線截面并設(shè)計足夠大的截面面積來避免。

三、幾種用于探測和減少電暈影響的技術(shù)

1、聲學(xué)傳感器和射頻傳感器可以探測到電暈產(chǎn)生的噪聲，但電暈的精確定位是困難的。

2、熱圖像可以用來定位傳輸線或變壓器上的“熱點(diǎn)”，但是當(dāng)熱成像儀發(fā)現(xiàn)問題時，電弧已經(jīng)對其造成了嚴(yán)重?fù)p壞。

3、探測和定位電暈的可靠和精確的方法是使用紫外線（UV）成像，它可以探測到與電暈事件區(qū)域內(nèi)，電子和離子重組相關(guān)的極低水平的深紫外線。

雖然在這個過程中也產(chǎn)生了可見光，但由太陽產(chǎn)生的環(huán)境可見光量比電暈產(chǎn)生的可見光量大好幾個數(shù)量級。波長小于300nm的太陽光，即深紫外線，被地球的臭氧層吸收。非常敏感的日盲圖像增強(qiáng)器只對這種較深的紫外光敏感，并且可以在全白天工作，同時仍能探測和定位微弱的紫外線電暈輻射。

四、探測方案

典型的紫外電暈成像儀如圖1所示。紫外成像系統(tǒng)包括紫外線鏡頭、日盲圖像增強(qiáng)器、CMOS相機(jī)與像增強(qiáng)器耦合器件，以及圖像處理電子學(xué)設(shè)備。

可見光成像光路常與紫外光路部分共用。可見光成像系統(tǒng)包括可見光透鏡、CMOS或CCD可見光相機(jī)，以及圖像處理電子設(shè)備等組成。可見和紫外圖像在一個整體視頻中顯示，允許檢查員在視野中檢測電暈，并通過現(xiàn)場與顯示圖像的比較來確定其精確位置。一些成像系統(tǒng)可以包括一個熱成像儀，它可以幫助確定損傷的嚴(yán)重程度。

                          圖Ⅰ 典型的紫外電冕成像系統(tǒng)配置

五、       相關(guān)產(chǎn)品

1、       MCP像增強(qiáng)器：英國Photek 是一家專業(yè)生產(chǎn)像增強(qiáng)器、超快 PMT、條紋相機(jī)管、真空粒子探測器以及單光子計數(shù)相機(jī)系統(tǒng)的廠家。其像增強(qiáng)器最大口徑可達(dá)150mm，最多可做到 3級MCP 連用。

                                                   像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)圖

主要特點(diǎn)：

> 口徑：18、25、40、75、150mm可選，并接受其他尺寸的批量定制

> 波長覆蓋紫外、日盲、可見和近紅外

> 單、雙、三層MCP可選，以滿足不同增益需求（三層增益超百萬倍）

> 強(qiáng)磁場環(huán)境下特殊封裝可選

> 磁聚焦器可選

> 不同縮比可選

> 最短門寬可達(dá)200ps

> 主要應(yīng)用：電暈探測、紫外預(yù)警、弱光探測、微光夜視、時間分辨測試、條紋相機(jī)、分幅相機(jī)

陰極響應(yīng)曲線                        入射窗透過率曲線

2、       單光子成像相機(jī)：Photek 生產(chǎn)的光子計數(shù)相機(jī)基于多 MCP 的高度增益而設(shè)計的，其消除了由于 CCD 等設(shè)備帶來的模擬噪聲，噪聲可以低至 2cps/cm2，是極其微弱信號的好選擇，同時配有 IFS32 分析軟件，可以實(shí)現(xiàn)兩種類型的光子計數(shù)成像方式和多區(qū)域信號分析。

3、相機(jī)：先鋒科技提供多種相機(jī)方案，包括世界著名的英國Andor公司的科學(xué)級CCD和sCMOS相機(jī)、日本ArtRay和加拿大Lumenera公司生產(chǎn)的工業(yè)級相機(jī)。

英國Andor的iKon系列CCD相機(jī)參數(shù)：

日本ArtRay的USB3.0 CMOS相機(jī)參數(shù)：

加拿大Lumenera公司的INFINITY系列高性能相機(jī)參數(shù)：