[发明专利]纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统及方法，其中，系统包括：太赫兹激发组件，用于激发太赫兹电磁波；快速扫描组件，用于改变探测光与激发光之间的配合状态；空间电荷信号激发组件，用于激发空间电荷信号；检测及控制环节组件，用于探测空间电荷信号，得到空间电荷测量结果。该系统基于快速扫描太赫兹技术，通过稳定快速的多臂旋转光学延迟器和太赫兹压力波传感器，从而实现空间分辨率可达数十纳米，单次测量时间在秒级的空间电荷测量，有效解决了目前传统空间电荷测量方法存在空间分辨率不足，背景噪声干扰大，信噪比较低，缺乏表征绝缘材料中微纳缺陷的荷电特性的问题。

技术领域

本发明涉及固体电介质材料性能测试技术领域，特别涉及一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统及方法。

背景技术

直流电缆是解决大规模电力传输与新能源消纳问题的重要输电方式，也是跨海输电和未来大型城市输配电网络的主要方案。近十年，直流电缆的电压等级实现了从±160kV到±500kV的四级跳，线路长度超过5000km。十多年的开发和应用历史，新投运电力电缆产品的绝缘材料特性认识及结构设计验证不足，电压等级和容量的提升将带来更为严峻的绝缘老化问题，其造成的故障和隐患及检测诊断技术成为电力系统安全、稳定、可靠、经济运行的制约因素。

直流电缆绝缘层容易注入和积聚空间电荷，畸变电场。因此，空间电荷特性是表征直流电缆绝缘材料性能的重要参量之一。在电缆全寿命周期下，绝缘材料及界面处会形成复杂的聚集态结构变化，材料内部会因为空间电荷、局部放电等作用，导致劣化和缺陷产生，从而引发放电，甚至击穿。实际上电缆绝缘缺陷尺度通常呈现微纳米级别，一旦缺陷在绝缘材料中形成，电缆的绝缘寿命将大幅缩小。

因此，需要开发更高分辨率、更可靠的电场、电荷传感技术以满足对微纳米缺陷检测的要求。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

太赫兹波(THz)是指频率为10¹¹～10¹³Hz之间的电磁波，位于微波与红外之间。太赫兹波位于光波和电磁波之间，能量较低，不足以破坏常见的化学键，是比较安全的电磁技术。且THz对于如聚乙烯等非极性介质穿透性良好，而对金属、水分穿透性很差，在成像领域有广阔的应用前景。同时THz的宽频带特征也可用于光谱测量。THz的高穿透性、高安全性、高光谱分辨率的性质受到了研究人员的广泛关注，在安全检查、生物医学、材料无损检测、远距离成像等领域已经取得了相当的成就。

光学测量方法具有频带宽的优势，有利于克服电子器件的频带限制，2004年，Tanaka提出了基于Kerr和Pockels效应的固体绝缘空间电荷测量方法。国内哈尔滨理工大学利用激光作为激励，拓宽了电声脉冲法的测量带宽。但利用激光作为激励对试样有损伤的危险。而太赫兹脉冲波的典型脉宽为ps级，比电声脉冲法的电脉冲宽度低三个数量级，有利于提高空间分辨性，且由于太赫兹在聚乙烯等固体绝缘材料中有良好的穿透性，在较厚试样(毫米级)的测量中具有很大的发展潜力。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，该系统可以实现空间分辨率可达数十纳米，单次测量时间在秒级的空间电荷测量。

本发明的另一个目的在于提出一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，包括：太赫兹激发组件，用于激发太赫兹电磁波；快速扫描组件，用于改变探测光与激发光之间的配合状态；空间电荷信号激发组件，用于激发空间电荷信号；检测及控制环节组件，用于探测所述空间电荷信号，得到空间电荷测量结果。