卓立·应用 | 紫外电晕如何探测？看看这些科研利器！

电晕放电（corona discharge）是由围绕在高电压导体周围的流体电离造成的放电现象，有许多不利影响，如输电线路上的电能损失、射射频(RF)产生的噪声会干扰，产生的臭氧、氮氧化物、紫外线等对人们生活产生不利影响。本文介绍电晕放电产生原因，并分享紫外电晕成像技术在该领域的应用情况。

应用方向：电晕放电，紫外电晕成像仪、MCP像增强器、单光子成像相机

电晕放电（corona discharge）是由围绕在高电压导体周围的流体电离造成的放电，此处最常见的流体就是空气，此放电因在黑暗中状似月晕而得名。

▲ 电晕放电

电晕放电时，在沿着导线或电极的表面可以看到光层（电晕），伴有咝咝声，并产生臭氧、氧化氮等。非导电介质也有此现象，此因在高电压下电场强度过大，导致非导电介质被击穿，绝缘体的电阻迅速下降，继而使得一部分绝缘体变为导体，而形成放电现象，常发生在高压电线周围或带电体的尖端附近（尖端放电）。

电晕现象就是带电体表面在气体或液体介质中局部放电的现象，常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内（例如高压导线的周围，带电体的尖端附近）。其特点为：出现与日晕相似的光层，发出嗤嗤的声音，产生臭氧、氧化氮等。

均匀电场中，由于各点电场强度都是一样的，当施加稳态电压（直流、工频交流），电场强度达到空气的击穿强度时，间隙就击穿了。但日常很难见到均匀电场。对于稍不均匀的电场，日常见得很多。如球-球间隙，球-板间隙等，以球-球间隙为例，当间隙距离小于1/4D时，其电场基本为均匀电场，当 D/4 ≤S≤ D/2 时，其电场为稍不均匀电场。

均匀电场的放电电压也可用公式计算，公式为（单位为kV）：

不均匀电场的差别就在于空气间隙内，各点的电场强度不均匀，在电力线比较集中的电极附近，电场强度最大，而电力线疏的地方，电场强度很小，如棒-棒间隙，是一对称的不均匀电场，在电极的尖端处电力线最集中，电场强度也最大。

当加上高压后，会在电极附近产生空气的局部放电——电晕放电，电压再加高时，电晕放电更加强烈，致使间隙内发生刷状放电，而后就击穿了（电弧放电）。如棒-板间隙，在尖电极附近电场强度最大，加上高压后，电极附近先产生电晕放电，而板上的电力线很疏，不会产生电晕。

当电压足够高时，棒极也将产生刷状、火花放电，最后导致电弧放电（击穿）。电晕多发生在导体壳的曲率半径小的地方，因为这些地方，特别是尖端，其电荷密度很大。而在紧邻带电表面处，电场E与电荷密度σ成正比，故在导体的尖端处场强很强（即σ和E都极大）。

因此，在空气周围的导体电势升高时，这些尖端之处能产生电晕放电。

通常均将空气视为非导体，但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子，带正电的导体会吸引周围空气中的负离子而自行徐徐中和。若带电导体有尖端，该处附近空气中的电场强度E可变得很高。当离子被吸向导体时将获得很大的加速度，这些离子与空气碰撞时，将会产生大量的离子，使空气变成极易导电，同时借电晕放电而加速导体放电。因空气分子在碰撞时会发光，故电晕时在导体尖端处可见亮光。

因此，电晕有许多不利影响：

1、输电线路上的电能损失；

2、射频(RF)产生的噪声会干扰消费和工业电子产品；

3、产生的臭氧和氮氧化物气体的对生活在输电线路附近的人们有不利影响；

4、对线路、变压器或绝缘体的损坏会加剧问题的产生，导致更多的功率损失和可能发生的电弧状况；

5、产生的紫外线还会对某些动物造成困扰。

如果输电线路系统的组件正在经历电晕而问题没有得到解决，则由此产生的损坏可能导致附近导体放电或电弧。电弧会对输电系统造成重大损害，并导致过热，从而导致潜在的故障。电晕放电可以通过改善绝缘性、使用电晕环，以及采用圆滑的导线截面并设计足够大的截面面积来避免。

1、声学传感器和射频传感器可以探测到电晕产生的噪声，但电晕的精确定位是困难的。

2、热图像可以用来定位传输线或变压器上的“热点”，但是当热成像仪发现问题时，电弧已经对其造成了严重损坏。

3、探测和定位电晕的最可靠和精确的方法是使用紫外线（UV）成像，它可以探测到与电晕事件区域内，电子和离子重组相关的极低水平的深紫外线。

虽然在这个过程中也产生了可见光，但由太阳产生的环境可见光量比电晕产生的可见光量大好几个数量级。波长小于300nm的太阳光，即深紫外线，被地球的臭氧层吸收。非常敏感的日盲图像增强器只对这种较深的紫外光敏感，并且可以在全白天工作，同时仍能探测和定位微弱的紫外线电晕辐射。这些日盲图像增强器是在日晕成为一个更严重的问题之前精确探测和定位电晕的唯一方法，极大节省了电力公司的电力和费用。

典型的紫外电晕成像仪如图1所示。紫外成像系统包括紫外线镜头、日盲图像增强器、CMOS相机与像增强器耦合器件，以及图像处理电子学设备。

可见光成像光路常与紫外光路部分共用。可见光成像系统包括可见光透镜、CMOS或CCD可见光相机，以及图像处理电子设备等组成。可见和紫外图像在一个整体视频中显示，允许检查员在视野中检测电晕，并通过现场与显示图像的比较来确定其精确位置。一些成像系统可以包括一个热成像仪，它可以帮助确定损伤的严重程度。

▲典型的紫外电冕成像系统配置

英国Photek 是一家专业生产像增强器、超快 PMT、条纹相机管、真空粒子探测器以及单光子计数相机系统的厂家。其像增强器最大口径可达150mm，最多可做到 3级MCP 连用。

▲像增强器结构图

主要特点：

> 口径：18、25、40、75、150mm可选，并接受其他尺寸的批量定制

> 波长覆盖紫外、日盲、可见和近红外

> 单、双、三层MCP可选，以满足不同增益需求（三层增益超百万倍）

> 强磁场环境下特殊封装可选

> 磁聚焦器可选

> 不同缩比可选

> 最短门宽可达200ps

> 主要应用：电晕探测、紫外预警、弱光探测、微光夜视、导弹预警、时间分辨测试、条纹相机、分幅相机

▲阴极响应曲线

▲入射窗透过率曲线

Photek 生产的光子计数相机基于多 MCP 的高度增益而设计的，其消除了由于 CCD 等设备带来的模拟噪声，最低噪声可以做到 2cps/cm2，是极其微弱信号的最佳选择，同时配有 IFS32 分析软件，可以实现两种类型的光子计数成像方式和多区域信号分析。

先锋科技提供多种相机方案，包括世界著名的英国Andor公司的科学级CCD和sCMOS相机、日本ArtRay和加拿大Lumenera公司生产的工业级相机。

▲参数