激光诱导击穿光谱技术具有可远程测量、分析速度快、对样品基本无损、多元素同时分析、灵敏度高等优点，在高电压输变电设备检测应用潜力巨大。

 

为此本文综述了国内外静电场、快速脉冲放电对激光诱导等离子体的等离子体温度、平均电子数密度、谱线发射相对强度以及激光诱导击穿冲击波等的影响，介绍了激光诱导等离子体在电力系统绝缘子污秽检测与老化表征等的应用研究，并对激光诱导等离子体与电场的相互作用进行了归纳，展望了在高压输变电设备中应用激光诱导等离子体光谱技术的适用性。

 

LIBS技术基本原理

 

LIBS装置主要包括：调Q脉冲Nd:YAG激光源、光学透镜、光学平台、光谱仪、计算机等。通过控制电荷耦合器的门宽时延，可使激光器、光谱仪与计算机按照实验要求时序工作，调节光谱仪光强增益可有效提高信噪比。试验样品放在精密移动平台上，调节焦距，以便最大效率接收等离子体光谱。等离子体光谱数据处理过程可由计算机光谱分析软件完成。LIBS试验系统示意图如图1所示。

 

 

图1  LIBS系统示意图

 

LIBS光谱基本过程为，激光器产生脉冲激光经反射透镜和透镜聚焦于样品表面，样品被烧蚀、激发、蒸发和解离，在表面形成高温、高电子密度的等离子体，首先产生的高温高密度等离子体在冷却的过程中由韧致辐射和复合辐射产生各元素电离线形成的连续背景光谱，过程持续几百纳秒。连续辐射显著衰减之后开始辐射大量原子和离子线状光谱，处于激发态的原子和分子中的电子在分立的束缚能级之间跃迁并发射出对应波长的线状光谱，即原子发射光谱，谱线的波长位置和强度代表测定元素的种类和含量，这是应用LIBS进行定性或者定量分析的根本依据。发射光谱通常可持续几微秒至十几微秒，这与激光参数、靶材特性有关。光谱收光装置收集等离子体发射的光信号并传送到光谱仪中进行分光，与其耦合的CCD或ICCD探测器完成光电转化和传输，最终由计算机完成数据采集和储存。经过上述步骤，即可完成整个发射光谱的采集、存储过程。延时控制的目的是调节激光脉冲发出和光信号检测的延迟时间，以避开复合辐射和韧致辐射阶段强烈的连续背景光谱，从而获取信噪比、信背比较高的原子、离子发射光谱。

 

强电场对LIBS信号的影响

 

01静电场

 

为了提高LIBS技术的灵敏度、再现性和检测极限，Elhassan A 等研究了在典型的LIBS装置中施加不同极性的静电场对发射光谱的影响，试验结构如图2所示。在这种情况下研究了激光诱导等离子体的物理参数，即电子密度和等离子体温度。

 

 

图2 结构简图

 

文中使用两个相距1.9 cm的抛光平行铜板作为施加高电压的电极。在正向偏置电压（负电极和正电极）下，原子线和离子线的信噪比（S / N）显著增强。激光诱导等离子体羽流在其中移动方向与入射激光束相反。等离子体中的正离子和正电极之间的高排斥场导致了等离子体羽流扩散限制，这增加了重组概率，并因此增加了发射的光强度（激发的原子，离子或分子的辐射衰变）。另一方面，在极性相反的条件下观察到发射线强度的明显劣化。这种负面影响可能归因于由于拉伸的等离子体羽流引起的电子-离子复合的减少。随着偏置电压的变化，原子谱线的下降程度相比更大。 

 

在电场对等离子体羽流动力学的影响方面，文[3]同样进行了研究，利用激光诱导的冲击波来监测由于施加电场而引起的等离子体羽流动力学的可能变化。使用两个角管，He-Ne激光束用于探测在3个连续位置传播的冲击波阵面，如图3（a）所示。一个快速光电二极管被用来检测在每个交点的探针光束的偏转（折射）产生相应的示波器跟踪的负脉冲，如图3（b）所示。知道两个波束之间的距离和相应的时间间隔，可以确定两个连续时间间隔的传播速度，该方法有良好的精度。

 

 

图3 试验结构和原理简图

 

结果表明，激光诱导的激波速度没有受到电场效应影响。实际上，激波速度主要取决于激光参数，如脉冲能量和光斑大小。然而，速度的值可以用于监测激光产生的等离子体的稳定性。

 

2019年，A. Jabbar等利用静电场辅助LIBS测定了三种不同铜浓度的洋葱在可控环境下的修复能力，以两块矩形铝板作为电极（尺寸为1cm×1cm，间距为3mm），两个板连接到一个稳压直流电源，外加电场为100kV/m。结果表明，未加静电场的情况下，不同剂量铜的洋葱叶片在水浸萌发土壤中的铜检出限为0.05、0.085和0.17ppm；外加静电场辅助的情况下，样品中铜的检出限提高到0.028ppm左右。

 

02快速脉冲放电

 

LIBS技术结合快速放电脉冲增强原子发射谱线（The laser ablation fast pulse discharge plasma spectroscopy，LA-FPDPS）最早由F. Brech等人于1960年提出了方案可行性。如图4所示，相比图1，在样品与透镜的垂直方向上设置两个电极并搭建快速脉冲放电电路，施加高压，控制激光脉冲与纳秒放电的延迟时间，这样每次作用在样品表面的等离子激发过程是激光脉冲和快速脉冲放电的双重作用结果，提高了谱线信号的发射强度。接着1967 年Rasberry S.D. 等提出了一种光谱分析改进的激光探针。将高能激光束聚焦在样品上，样品表面小区域激发出等离子体，再进一步被脉冲火花放电激发。文中比较了有无辅助火花激励下的发射光谱特性，发现有火花激励时的发射谱线比没有火花放电的LIBS光谱强度强，得到的发射谱线也更多。

 

 

图4 LA-FPDPS结构简图

 

LI Kexue等对土壤样品进行研究发现，激光烧蚀结合快速放电可有效提高谱线发射强度，减小信噪比，认为造成谱线发射强度增强的原因是随着放电电压的增加，激光等离子体中的能量沉积也随之增加，从而影响等离子体的温度以及等离子体中电子，离子和中性原子的密度，进而提高了原子发射光谱强度。李科学等采用激光烧蚀－快脉冲放电等离子体光谱技术分析铝合金样品，发现与传统的激光诱导击穿光谱技术相比，该方法应用于铝合金样品后所产生的辐射光谱强度和信噪比均有很大提高，发射光谱线强度的相对标准偏差也得到改善。

 

在快速脉冲参数研究方面，周卫东等研究了电压和电容在快速脉冲放电增强激光诱导击穿光谱中的作用，开发了具有快速脉冲放电电路的LA-FPDPS。与使用微秒脉冲放电电路相比，具有更好的提高激光等离子体的发光强度的能力。当使用更大的电容时，观察到更长的放电过程和放电电流的振荡周期。这个放电过程较长会明显增加等离子体的寿命和物质被激发到更高的电子状态的数量，这与使用大电容的更强烈的光发射原因相一致。在不同放电电压下，脉冲放电延时在每次的试验中基本保持不变，良好的信噪比和更高的发射强度将使得LA-FPDPS的结果可能有助于提高土壤中的微量元素分析精度。

 

华南理工大学李润华课题组利用火花放电增强LIBS信号，其装置的激光器重复率为1 kHz，能量小于13 mJ，脉宽约为120 ns。如图5所示，放电电源为4 kV的直流源，通过RC电路在激光烧蚀点处附近产生放电。阳极为直径2 mm的钨针电极，45°放置在激光烧蚀点上方，阴极为铝合金样品本身。研究结果表明，电压值越大，电容值越小，则谱线强度增强程度越大；当放电回路参数一定时，激光能量从1 mJ变化到13 mJ，谱线强度呈现先增大后减小的趋势。相对高重复率、低能量的激光诱导击穿光谱技术而言，经过火花放电的增强，使得元素检出限大大降低（Mg从121.5降到14.0 ppm，Cu从118.4降到9.9 ppm）。这种信号增强方式没有显著增加烧蚀量，烧蚀孔的直径与深度几乎无差异，这说明良好的信号增强不能归因于消融材料的增加。

 

 

图5 放电增强示意图和对比图

 

李庆雪等研究了火花放电辅助飞秒激光诱导击穿光谱（fs-LIBS）的时间分辨光谱，相比于ns-LIBS, fs-LIBS可以避免等离子体屏蔽的现象，在激光与物质相互作用方面具有许多优点。通过计算不同放电电压下、不同激光能量下的时间分辨等离子体温度和电子密度，发现随着放电电压的增加，其光谱强度和电子温度均呈上升趋势，而放电后较高电压下的电子密度与较低电压下的电子密度基本相等，这说明信号增强可能主要是由放电火花引起的等离子体再加热的结果。

 

高电压工程中激光诱导等离子体应用

 

激光诱导等离子体能量高、安全灵活、无污染等优势在高电压工程中电力设备绝缘在线监测以及元素分析等方面表面出一定的工业应用价值，国内外研究学者对以上应用展开了广泛的研究。

 

电力设备运行过程中，因放电或者受潮引起的SF6气体分子分解会造成绝缘性能下降，因此在线监测气体中微水、微氧以及分解物是尤为必要的，杨文斌等研究了利用LIBS技术定量分析SF6气体中的氧含量。真空断路器中真空灭弧室真空度的劣化会威胁开关使用性能，王小华等利用LIBS技术研究了不同真空度下的光谱演化规律，并利用主成分分析法和神经网络算法对光谱信号进行良好的分类预测。

 

绝缘子表面污秽会影响到高压线路的运行安全，王希林等利用LIBS研究了不同污秽中元素含量与等离子体光谱特征谱线的定量关系，并利用主成分分析法、人工神经网络算法及偏最小二乘法对污秽成分及含量进行了良好的分类与预测。结果表明，对于包括 Ca、Mg、Al 在内的几种典型普通污秽，均可以被很好地聚类并定量分析；对于某些地区特有的特殊污秽葡萄糖污秽，同样可以被快速鉴别并利用O元素特征谱线强度对其含量进行较好地预测。

 

另外，硅橡胶复合材料在电力设备外绝缘的伞裙护套中广泛应用。硅橡胶绝缘子长期承受大气环境以及工作电压、过电压和机械负荷考验，长期运行会发生不同程度的老化，造成电气、机械、力学等性能下降，影响电力系统的稳定运行。王希林等[17][18][19]基于LIBS技术快速、准确、在线监测硅橡胶的老化性能，建立了与硅橡胶老化状态密切相关的碳(C)、氧(O)、铁(Fe)、硅(Si)等成分和分布信息，探讨了LIBS技术作为硅橡胶材料老化性能表征手段的可行性。研究发现，LIBS分析手段并不会破坏硅橡胶表面激光烧蚀区的憎水性，烧蚀区静态接触角甚至大于硅橡胶非烧蚀区的静态接触角；由于烧蚀坑深度与激光脉冲数呈线性关系，可获得硅橡胶表面从表面到内部沿深度方向的各种元素及其分布规律，得到硅橡胶表面的老化层深度和元素分布，并通过EDS、XPS等元素分析手段得以验证。

 

LIBS技术在高电压工程中的应用展望

 

根据上面提到的LIBS技术应用，有必要深入开展LIBS技术在高电压工程相关领域的应用，在以下几方面有重要的研究价值。

 

01.激光诱导等离子体演化物理机制研究

 

目前大多数激光诱导等离子体应用还处于试验验证阶段，对影响等离子体动态发展过程的各项参数并未进行系统的理论研究。

 

02.电场形式对激光诱导等离子体的影响研究

 

高压设备运行时的电场形式多样，交流、直流、脉冲电场都可能存在，设备表面的电场方向可分为沿面方向或垂直方向。不同的电场形式、电场方向对激光等离子体的影响可能大有不同，电场形式需考虑如直流电场的极性效应、脉冲电场与等离子体的时序关系等，电场方向对等离子体的影响则可能是体现在沿等离子体轴向或径向的差别。此外，超特高压输电线路绝缘子的电场分布不均匀，局部电场强度有可能接近空气击穿场强，在如此高场强下的激光等离子体特性变化规律尚需探索。

 

03.LIBS户外高电压设备应用

 

可远程分析测试是LIBS技术的魅力所在。随着国家特高压输电线路的投用，交直流设备体积庞大，停电检修空窗期较少，增加了现场检修难度和危险性。LIBS远程分析特性可在数米远检测在运行设备的运行状态，其在线、快捷、准确的分析特点在户外高电压设备状态检测方面优势明显。但是考虑到在高电压设备上进行应用，户外环境参数对LIBS信号的影响必须系统研究。空气温度、环境湿度、气压、风力等环境参数影响也需要综合考虑，为现场应用提供理论基础支撑。

 

04.多种形式高电压绝缘介质的分析

 

在绝缘介质劣化的同时会伴随着固体、液体和气体电介质自身材料的水分增加、成分分解等过程。这些劣化过程有望应用LIBS技术实现在线监测。

 

结论

 

激光诱导等离子体在高电压工程领域中的应用属于激光物理、气体放电、精密仪器、光学工程及元素分析等多个领域的交叉研究方向，具有重要的研究意义和应用价值，目前已经开展了电场对激光诱导等离子体特性的相关研究，取得了一些的研究结果：

（1）静电场下，不同的极性对光谱发射强度的影响不同，随着偏执电压的升高，谱线和展宽会发生饱和，但是电场对等离子体的激发温度以及电子数密度影响较小。随着电压的升高，激光冲击波速度非线性增加，电压很高时呈现线性增长趋势。

 

（2）由于目前超特高压输变电设备工作场强接近于试验研究的脉冲放电电场强度，还需要研究交直流电场对激光诱导等离子体特性的影响。激光诱导等离子体与气体放电的物理演化研究及在高电压工程中的应用还需要深入研究。

来源：环境技术核心期刊

关键词： 强电场环境 激光诱导 击穿 等离子体