紫外探测

紫外探测（共4篇）

紫外探测 篇1

0 引言

紫外和红外探测技术几乎同时产生于50年代,由于紫外探测器件灵敏度低,一直未能应用,而红外探测技术发展较快。直到90年代,日本开发出雪崩倍增靶摄像管,使得紫外摄像器件有较高的灵敏度和合适的光谱范围,紫外探测才得到广泛关注[1,2]。紫外探测技术以其独特优势在通信、预警和制导方面得到广泛的应用。由于紫外线的日盲特性和大气层中良好的传播特性,可飞越障碍物而实现非视线(NLOS)通信,具有低窃听率,高抗干扰性和全天候工作等优点,是一种具有很大发展潜力的新型通信方式[2]。紫外预警利用“日盲区”来探测导弹的火焰与羽烟,在背景洁净的日盲区,导弹羽烟的紫外辐射很容易被检测出来。由于避开了最强的太阳辐射背景,信息处理负担明显减轻,虚警率很低,与红外预警相比,不需要低温冷却,体积小、重量轻、响应快[1,2]。

1 紫外探测器的发展

1.1 真空型紫外探测器

早期真空型紫外探测器以光电倍增管(PMT)为代表,PMT是一种光电子发射型检测器,二次发射增益可达到104,对单个光子能够响应,具有极高的响应速度,可实现微弱信号探测[3]。目前PMT有专用“日盲”型的紫外PMT,日本滨松公司生产的改进型日盲紫外PMT R2078在“日盲”区外量子效率下降约50%,灵敏度是日盲区的1%,相差约2个数量级,比较适宜紫外光通信系统使用[2]。PMT只是概略探测紫外辐射源方位,不能成像,只能判断光谱信息来确定目标[2,3,4]。带有微通道板的光电倍增管———通道光电倍增管(CPM)是一种较新的紫外光电倍增管,不但探测灵敏度和角分辨率高,而且能成像,光电阴极以MCP为基底的CPM性能更好。

CPM采用双近贴式管型时,以输入窗为光电阴极基底,如图1所示。光电阴极(光电阴极镀在输入窗)和MCP近贴,距离为0.1~0.3mm,MCP又与荧光屏近贴,距离为0.5mm左右。由装架环和陶瓷管封接起来,工艺上很难实现,其间加有大于100V的电压,易引起场致发射;此时发射方式多为透射式,量子效率低[5,6]。

以MCP为基底,光电阴极直接镀到MCP的输入面,则输入窗和MCP间的距离要求不很严格,只需MCP的输出面与荧光屏近贴,光电子弥散就会减小,图像质量好。该器件发射模式为反射式,量子效率高,光电阴极前加一栅网,加电压后在其间形成一匀强电场,发射的光电子几乎都能进入通道而倍增,如图2所示。另外,输入窗可采用Mg F2材料做成透镜,光电阴极处于透镜的焦平面上,可以大大提高光电阴极的量子效率[5,6]。因此,以MCP为基底的通道光电倍增管成为发展趋势。

CPM具有响应速度快,抗磁场干扰能力强,电路简单,体积小,质量轻等特点[3,4,5,6]。采用像增强器作为核心探测器,虽然识别能力和探测灵敏度有所提高,但仍离不开高压电源[5,6,7,8]。像增强型CCD改进成背照式CCD(BCCD)后,就可消除这一缺陷,而且成像环节简化,灵敏度更高[7,8]。

一般CCD感光时,入射光是从MOS结构的正面进入,正面由于带有复杂的金属电极,反射较大。而背照式CCD(BCCD)刚好相反,光由CCD背面的单晶硅层入射,避免了金属电极对光的强反射,故能获得较高的量子效率,如图3所示,可见,无论感光灵敏度还是光谱响应宽度,背照式CCD都比前照式CCD要高要宽[8]。

像增强型CCD(ICCD)的成像过程为“光子-光生电子-倍增电子-光子-电子”,如图4所示,显然过多的成像环节会使图像质量逐渐恶化:MCP倍增使噪声被引入图像;光学元件的损耗及弥散会使ICCD的MTF(调制传递函数)进一步下降[8]。背照式CCD(EBCCD)去掉荧光屏、MCP和光学耦合器件,减少了ICCD中的图像传输链,成为“光子-光生电子-电子”链。当光生电子轰击减薄式CCD的背面时,产生电子-空穴对,电子得到增益。由于电子轰击半导体的噪声要远远低于MCP倍增的噪声,它的信噪比更高[8]。背照CCD通常要有足够薄的衬底,使得弱光信号能从CCD背面直接注入到芯片有源区,这样不但大大提高CCD的量子效率,而且对波长从10~1000nm的光子以及高能带电粒子都很灵敏[7,8]。

EBCCD的优点是增益高、空间分辨力强、噪声低,理论上甚至可以探测到单个光子,但是制作工艺复杂[7]。

1.2 固体紫外探测器

固体紫外探测器主要有紫外增强型硅光电二极管、二极管探测器、Si C紫外探测器和金刚石紫外探测器、紫外CCD等,其中基于Al Ga N的紫外探测器发展迅速,逐渐成为紫外预警探测器件的主流[9]。氮化镓基(Ga N Based)材料是指元素周期表中的III族元素铝、镓、铟和V族元素氮形成的化合物(Ga N、Al N、In N)以及由它们组成的多元合金(In Ga N、Al Ga N等)。其典型结构如图5所示[9]。

纤锌矿结构的III-V族材料是直接带隙材料。随着合金组分的改变,其禁带宽度可以连续变[17]。对于铝镓氮材料,其禁带宽度可以从Ga N的3.4e V连续变化到Al N的6.2e V,理论上讲,利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200 nm。根据经验公式估算:日盲型紫外探测器AlxGa1-xN材料的组分x需要达到40%以上,即所谓的高铝组分Al Ga N材料[9]。

目前,制备高铝组分Al Ga N材料虽然取得阶段性进展,但还面临许多困难[9],特别是制备具有器件结构的材料难度较大:其一缺少晶格匹配的衬底,使薄膜中存在大量缺陷,各种反应过程复杂且难控制;其二随着Al摩尔比率的增加,掺杂的激活效率变低。

紫外CCD是硅CCD减薄后,靠荧光物质将紫外光耦合进器件的,它可使器件具有从近紫外到远紫外波段摄像的能力[9,10]。1997年美国国家航空航天局研制成功新颖的256×256像元Ga N基紫外CCD,它是把Ga N紫外探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合式紫外CCD[10]。由于Ga N材料在365nm波段具有很尖的响应,因而降低了对滤波器的要求,使得Ga N基的光探测器具有日盲特性。美国北卡莱罗林纳大学Schetzina教授领导的研究小组报导的Ga N基可见光电二极管在零偏压下的响应度达到0.21A/W(工作波长356nm),相当于量子效率82%,探测率D*值为6.1x1013cm Hz1/2/W[9]。在传统CCD移位寄存器的末端和输出放大器之间插入电子倍增器,即可获得电子倍增CCD(EMCCD)[8],EMCCD在信号读出时,通过相对的高压,将信号逐步放大,提高灵敏度。因此EMCCD最大的优点就是具有非常高的灵敏度,适合微弱信号的探测。L3Vision系列CCD芯片是英国E2V公司最新的EMCCD产品。芯片采用最先进的片上电子倍增技术,在有效放大信号的同时保证了高水平的信噪比和一定的信号输出速率。EMCCD技术是目前CCD行业最先进、应用前景广泛的技术。

固体紫外探测器虽然灵敏度高,体积小,功耗小,但制作工艺的复杂性和性能的稳定性是攻克的难点[7]。

2 紫外探测新动向

2.1 面阵探测器是光电器件的发展方向之一

大规模、多波段集成的成像探测器件是简化应用系统、提高系统性能的重要手段之一。Ga N基紫外面阵探测器主要是朝着大规模日盲型发展,目前均采用与红外焦平面类似的工艺,将背照射Ga N基光电二极管阵列与硅CCD读出电路,通过铟柱互连方式得到紫外焦平面器件。1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、Honeywell技术中心以及美国夜视实验室成功地实现了基于Ga N/Al Ga N pin型背照射32×32列阵焦平面探测器数字照相机,响应波段为320~365 nm,峰值响应率达到0.2 A/W(358 nm),内部量子效率达到80%,理论峰值探测率达到6.1×1013 cm Hz1/2/W。2000年他们成功展示了128×128紫外焦平面探测器数字照相机,响应波长在320~365 nm。2002年该小组又研制出320×256日盲紫外探测器,但只有部分像元能够有效成像,且质量较差,主要原因可能是高质量的高铝组分的Al Ga N材料制备困难[9]。2005年美国西北大学也报道了日盲型320×256紫外焦平面探测器,给出了较清晰的图像,但是没有器件性能的详细描述[10]。由于制备高质量的高Al组分的Al Ga N材料工艺还有待于不断探索,阵列成像的质量还待于改进。

2.2 变相紫外CCD

由于硅在200~400nm波段的吸收深度小,因此在紫外波段成像比较困难,目前此问题有了突破性进展,Photometrics公司在正面照射的CCD上加一层薄发光转换涂料,该涂层能把紫外辐射转换成普通CCD能够响应的中等波长的可见光而不需要对硅本身作专门的处理,在200~400nm的波段内可达20%的量子效率[10]。如再经过适当背面注入处理,涂上抗反射层,则具有深耗尽层的背照式CCD可达50%以上的量子效率[7]。

ARP公司与CEA公司合作,研制出一种称为ANIMATERV3X的数字成像系统,采用512×512元的高分辨率传感器,该传感器为背照式薄型CCD,其响应波段可延伸至短紫外和软X射线区,入射光直接照在CCD器件上,产生的信息经数字化处理后,通过光纤传送给接口卡。ANIMATERV3X的最大优点是能够在紫外和X光波段内成像[10]。

2.3 紫外数字照相机

美国科学家发明了可感应紫外光的数字照相机。一般数字照相机只能“看见”可见光,对许多物体(如星球、生化武器)发出的紫外光是看不到的。物理学家Jan F.Schetzina表示,这个发明对拓展数字照相机用途有良好的促进作用。它的特别之处是用Al Ga N化合物作感光物质,而不是传统的硅,这种照相机显然在军事上很有用[1,10]。

3 结束语

随着紫外探测技术不断发展,其应用范围也越来越广。紫外探测不但用于紫外告警、紫外通讯,而且在空间科学,环境监测和工业生产中有重要应用。用于空间探测的紫外望远镜,紫外星敏感器,用于灾害天气的预报,电晕放电检测,水质检测等。紫外/红外双光谱探测也称为未来发展的方,据报道,美国北约盟军1989年使用的尾剌对空导弹就采用这种红外/紫外双色制导技术,白天飞机反射的日光紫外波段功率很强,则用紫外波段跟踪目标。夜晚紫外波段辐射功率小于红外辐射,则自动切换成红外波段跟踪目标[1,2,10]。

摘要：介绍紫外探测技术的新发展。真空型紫外探测器以通道光电倍增管为代表,分析了以MCP为光电阴极基底,输入窗为透镜式的管子的特点;固体紫外探测器以GaN基紫外CCD为代表,把GaN紫外探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合式紫外CCD。由于GaN基材料的禁带宽度与组分有关,光谱响应从200nm-365nm,在365nm(紫外光)波段具有很尖的截止响应特性,因而降低了对滤波器的要求,具有光谱响应特性好,灵敏度高,噪声小等优点。并对紫外探测的关键技术和发展动向做了初步分析,为紫外技术的进一步发展提供参考。

关键词：紫外探测技术,真空型紫外探测器,通道光电倍增管,固体紫外探测器

参考文献

[1]张忠廉,刘榴娣.紫外线技术在军事上的应用研究[J].光学技术,2000,Vol.26,No(4),289-293.

[2]李慧蕊.新型紫外探测器及其应用[J].光电子技术,2000,20,1:45-51.

[3]张宣妮,赵宝升.一种新型真空型紫外成像探测器[J].应用光学,2007,Vol.28,No(2),159-164.

[4]L.R.Canfield.J.Res.Natl Bureau standards(U.S)Far Ultraviolet Detector Standards,1998,92(2);97-112.

[5]张宣妮,鲁帆.紫外预警系统的发展[J].咸阳师范学院学报,2008,Vol.23,No(6),23-26.

[6]张宣妮,赵宝升等.以MCP为基底的CsI光电阴极的研究[J].咸阳师范学院学报,2007,Vol.22,No(6),22-25.

[7]戴丽英,刘德林,李慧蕊等.背照式电荷耦合器件的研制[J].光电子技术,2005,25(3):146-149.

[8]左舫,刘广荣,高稚允等.用于微光成像的BCCD,ICCD,EBCCD性能分析[J].北京理工大学学报,2002,22(1):109-112.

[9]Tut T,Yelboga T,Ulker E,et al,Solar-blind AlGaN-based p-i-n photodetectors with high breakdown voltage and detectivity[J],Appl.Phys.Lett.2008,92:103502.

[10]刘菊,贾红辉等.军用紫外光学技术的进展[J].光学与光电子技术,2006,Vol.4,No(6),60-64.

紫外探测 篇2

这个芯片是个“神眼”

“光子”是光的最小能量量子。一根燃烧的蜡烛一秒钟可以发射出多达100亿个以上的光子。光子如此微小,小到我们根本意识不到它的存在,然而,若是有种“神器”能扑捉监测到空气中的紫外光线的光子,岂不就能探出是否有紫外线,以及强度有多大了么?

南京大学电子科学与工程学院长江特聘教授陆海和他的研究团队,刚刚成功研制出了世界上最小的紫外光子传感器,尺寸仅有1毫米×0.8毫米。

神器有妙用紫外光子感应器

(1)自动调光:能分析判断周围的环境光是灯光还是太阳光,相应地自动调节对比度和色彩,既保持最逼真生动的显示效果,又不会刺激眼睛。

(2)检测紫外线:随时随地检测当前环境中的紫外线强度,提醒用户撑起遮阳伞,涂抹防晒霜,或干脆躲进室内。

(3)监测雾霾:紫外光子感应器芯片如果把它装进气象或环境监测卫星,可以用来监测环境污染,发现和判定雾霾影响范围及浓度。因为雾霾对于紫外光有着非常特殊的吸收作用,因此用探测器捕捉到紫外光,就能反向勘察雾霾影响区域和浓度。

紫外单光子感应器

目前世界各国都在竞相研发的“紫外单光子感应器”,是用来探测到底有没有紫外光线的。一个“单”字,却让研发难度和作用大得多了。因为一根蜡烛1秒就能释放出的超100亿个光子中,假设紫外光子只占万分之一,那么在完全不考虑飞行损耗的情况下,1公里以外,面积为1平方厘米的镜头1秒钟只能接收到1000个紫外光子。南大专家的目标则是要将每一个紫外光子发出的能量都收集、探测到。

弹发射的飞行尾焰中存在像指纹一样的特殊紫外光谱成分,在自然界中是不存在的,所以利用超灵敏度“紫外单光子探测器”就有可能在上千公里以外探测和分辨出来袭导弹,甚至通过卫星监测,在地方导弹刚刚点火的一瞬间就发现目标,并且根据尾焰分析出导弹型号射程,为有效反制或者规避提供宝贵的时间。

紫外探测 篇3

本文基于传统的PIN结构[1]和吸收-倍增-分离 (SAM) 结构[2]的4H-Si C紫外光电探测器, 设计了一种新结构的4H-Si C紫外光电探测器, 并将其命名为APIN。应用ATLAS半导体模拟软件, 对其的光电特性进行了模拟, 并加以分析。器件的结构如图1 (a) 所示, 在20μm宽的N+衬底上面有一层1μm厚的N¯层, 在N¯层上面的中间是厚度为0.5μm、宽度为4μm的N层, 在N层上面和两侧覆盖了一层厚度为0.15μm的P+层。P+、N、N¯和N+层的掺杂浓度分别为2.0×1019cm-3, 5.0×1017cm-3, 3.0×1015cm-3和2.0×1019cm-3。在模拟过程中, 光照是垂直入射到器件表面上并均匀照射在器件表面上。同时, 对传统的SAM结构和PIN结构的4H-Si C光电探测器也做了模拟, 以作对比分析, 结构如图1 (b) , (c) 。SAM结构中P+、N和N¯的厚度分别为0.15μm、0.4μm、和1μm;PIN结构中P+和N¯的厚度分别为0.15μm和1μm。SAM结构以及PIN结构中的各层的掺杂浓度与APIN结构的相同。

图2给出了4H-Si C APIN、SAM和PIN结构的暗电流与反向偏压的关系。从图中可以看出, APIN的暗电流比SAM APD的低, 而比PIN结构的高。掺杂浓度越高, 器件的暗电流越大, 相比PIN结构, APIN结构和SAM结构多了一层掺杂浓度较高的N层, 所以它们的暗电流比PIN结构的要大一些, 而APIN结构中的N层宽度是SAM结构的1/5, 所以APIN结构的暗电流比SAM结构的小。同时, 从图中可以看出, APIN结构和SAM结构的击穿电压 (分别是88V和117V) 远小于PIN结构的击穿电压 (245V) , 这是由于掺杂浓度较高的N层的引入, 而掺杂浓度越高, 击穿电压越低, 使得APIN结构和SAM结构可以在较低的电压下触发雪崩效应。APIN结构的击穿电压比SAM结构的小, 则是由N层厚度不一样引起的, APIN结构中N层厚度为0.5μm, 而SAM结构中N层厚度为0.4μm, 比APIN结构的小0.1μm。

图3所示是4H-Si C APIN在不同的反向偏压下的光谱响应曲线。有图可知, 反向偏压从0V增大到87V时, 峰值响应波长从270nm蓝移到260nm。随着反向偏压的增大, 器件的空间耗尽区变宽, 在耗尽区吸收的光子数增加, 使得耗尽区的光生载流子增多, 并在电场的驱动下分别向器件的两个电极移动, 形成光电流, 响应度随之增大。紫外可见比表征了紫外探测器对可见光的抑制程度, 其值越大越好。在反向偏压为88.36V时, 4H-Si C APIN的紫外可见比仍可达到5.3×102, 这表明在高的反向偏压下, 器件对可见光仍有较好的抑制能力, 即对紫外光有较好的探测性能。

图4所示是4H-Si C APIN、SAM和PIN结构在 (a) 雪崩状态 (暗电流为1×10-10A/μm时对应的偏压) 和 (b) 5V反向偏压下的相对光谱响应曲线。从图4 (a) 中可以看出, 在雪崩状态下, 三种结构的器件的响应度都差不多, 但根据图2, APIN具有更低的雪崩击穿电压, 特别是跟PIN探测器相比。此外相比SAM APD, APIN的响应峰值向短波方向移动 (蓝移) , 同时在短波的响应度更高, 更加有利于紫外波段的光探测。APIN作为APD使用时, 其具有较小的倍增区域和较大的吸收区域, 在实际制备器件中, 出现由于材料缺陷引起的提前击穿的几率会小很多, 同时又可以增大光敏面积, 提高探测率。从图4 (b) 中可以看出, APIN结构的响应度PIN结构的非常相似, 只是值稍低一些。这是由于APIN结构中间的N层宽度是4μm, N层两侧共有16μm宽的区域则是PIN结构, 所以在低偏压下, 其光谱响应度与传统的PIN结构非常相似。同时从图3中可以看出, APIN在低反向偏压下的光谱响应曲线基本重叠在一起, 即没有内部增益。

本文结合传统的SAM结构和PIN结构, 设计了一种新结构 (APIN) 的4H-Si C紫外光电探测器, 并应用ATLAS半导体模拟软件它的反向I-V特性和光谱响应特性, 并与传统的SAM结构和PIN进行了对比。结果表明, APIN作为APD使用时, 其具有较小的倍增区域和较大的吸收区域, 在实际制备器件中, 出现由于材料缺陷引起的提前击穿的几率会小很多, 同时又可以增大光敏面积, 提高探测率。相比传统的SAM APD, APIN的响应峰值想短波方向移动 (蓝移) , 同时在短波的响应度更高, 更加有利于紫外波段的光探测。此外, 在低反向偏压下, 其具有类似传统PIN结构的特性, 有较高的响应度, 且没有内部增益。以上结果表明, APIN结构的4H-Si C紫外光电探测器具有较好的性能, 可供制备实际器件作参考。

摘要：紫外波段的光探测器具有广阔的应用前景, 本文结合传统的吸收-倍增-分离 (SAM) 和PIN结构, 设计了一种新结构 (APIN) 的4H-Si C紫外光电探测器, 模拟了其光电特性, 并与传统的SAM和PIN结构的光电探测器进行了对比。结果表明其在雪崩状态下具有类似于SAM结构的雪崩光电探测器 (APD) 的特性, 在低反向偏压下具有类似于PIN光电探测器的特性, 为实际器件的制备提供参考。

关键词：4H-SiC,紫外光电探测器,SAM,PIN

参考文献

[1]Xiaping Chen, Huili Zhu et al.High-performance 4H-Si C-based ultraviolet p-i-n photodetector[J], J.Appl.Phys.102, 024505 (2007)

紫外探测 篇4

设备绝缘结构有极不均匀电场强度的特性,当电气设备周围强度大于某一临界值,空气分子会被电离,在过程中会伴随着空气分子的不断获得和释放能量,伴有“咝咝”放电声,这种现象称之为“电晕放电”。目前随着线路等级的不断攀升,电晕放电也随之加剧,其带来的损失需引起足够重视。据不完全统计,全国每年因电晕放电造成的电量损失达到20.5亿k Wh;电晕放电过程中释放的电磁脉冲会对高频信号和无线电产生强烈的干扰;同时,电晕放电强度和设备缺陷程度之间存在紧密的关系。因此,如何准确、定量的检测电晕放电继而加以及时的维护无论对于设备的安全运行还是对人力和物力资源的节约都有不可估量的意义。

为了更好的检测电晕放电现象,不同的检测参量衍生了很多的探测技术,诸如:超声波、红外、泄漏电流和紫外等等。各方法均有都有其优缺点。设备缺陷点处的电晕放电强度能在一定程度上反应设备故障的程度,紫外探测技术就是继承此理念通过检测设备缺陷点处的电晕放电来得出设备的缺陷程度[1]。根据美国电力科学研究院201年关于智能电网的技术报告表明,严重危害电力安全的2个问题中,有22个问题可以通过光学手段解决,其中有个问题必须通过紫外检测的手段解决;美国的CBH公司在发现电网安全的问题中,通过日盲型紫外检测发现到50%,红外检测和可见光的分别为28%和22%。所以紫外探测技术已经成为现在电力故障检测的主流技术。目前,电力行业常用和权威的紫外探测技术主要为用紫外成像仪来检测设备的缺陷[2]。此方法能直观的反映设备缺陷点处电晕放电的大小,但此方法是通过对紫外成像光斑进行图像算法得出的紫外光子数值,即定性反映电晕放电大小,不能定量的测量电晕放电的强度,故而不能对设备的缺陷程度有精准的掌控。

本文介绍一种基于光子型可定位紫外探测技术集成的智能紫外在线监测系统的设计方案,此方案主要包含全日盲光子型可定位紫外探测器、环境气象传感器、供电单元、主控单元、通信单元和后台的智能专家分析平台部分。这种方案可以对变电站进行实时安全防护,因为紫外探测器的波段在240~280nm,所以可以全天候监测,不受太阳光的干扰,获取准确的紫外光子数值。监测人员可在后台服务器平台上对变电站的运行情况全面掌控,结合现场返回的多种环境参数,通过专家分析软件可分析得出各个观测点的电晕放电状况,以及对历史数据的查询和放电趋势的判断。

1 系统构架

上文叙述到整个系统由光子型可定位紫外探测器、主控单元、环境气象传感器和后台的专家智能分析平台以及其他部分(供电单元、通信单元等)组成。

1.1 光子型可定位紫外探测器

长久以来,高灵敏度的紫外探测器件多采用光电倍增管及相似的真空器件,真空器件相对于固体紫外探测器件工作电压高、体积大是其显著的缺点。固体紫外探测器中以紫外增强型硅光二极管为典型代表,但是这种增强型硅光二极管又因在可见光波段亦有响应成为应用的负能量。宽禁带Ⅲ族氮化物半导体的逐步发展,对可见光响应极小的本征半导体紫外材料逐步涌现,诸如:Ga N基材料,Si C材料,Al Ga N,In Ga N等,因为此种紫外探测器可根据调整材料的配比来调整探测器响应的截止波长,可以制备全日盲型紫外探测器,故而受到很大的关注。对于此种材料的研究虽很早,但是因为其合成材料的制备及其困难,且没有合适晶格匹配的外延衬底。目前较为成熟的方法为MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化合物化学气相沉淀),这种方法是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长出各种化合物半导体。当前,面阵探测器是紫外探测的方向之一,此种方法采用类似红外焦平面的工艺,采用背照射技术和硅读出电路通过铟柱互连方式得到紫外焦平面器件[3,4,5]。

文中所述光子型可定位紫外探测器即采用上述紫外焦平面组件,与可见光系统,图像处理模块和供电模块等部件构成。图1为光子型可定位紫外探测器返回的数据,包含观测点处的现场图片、观测位置的放电光子数值,变焦倍数和观测时间等,白框为紫外探测的区域。

1.2 主控单元

通过对紫外探测技术的研究,可知影响紫外探测因素非常之多,如:距离、风速风向、温湿度、气压、探测距离、探测增益、电压等级等等。故而本系统集成了相应的传感器来采集现场的环境参数。如:温湿度传感器,气压传感器,距离传感器等等。整体系统以Microchip公司生产的PIC系列单片机为控制核心,其与外围的电路主要负责数据的采集、控制和通信以及整体系统的供电控制等。其结构框图如图2所示。

1.3 智能专家分析平台

上文提到影响紫外探测因素非常多,诸如:距离、风速风向、温湿度、气压、探测距离、电压等级等等。且种种因素之间非简单的叠加关系或相乘关系,这对于缺陷点处故障程度的判定造成很大的难度。本研究对此的解决方案为:通过全面的、细致的实验室试验和挂网运行返回的数据,建立完善的数据库,此数据库包含各种缺陷在不同环境下对应的放电光子数值,进而掌握其间的逻辑关系,然后通过横向和纵向的比对综合分析得出目前的缺陷程度,继而做出响应措施。

在智能专家分析平台上,可实时对当前监测点的放电状态进行查询,亦可调用历史数据和分析观测点的放电趋势。

2 试验结果

试验分为实验室试验和现场实地试验,旨在全面细致的分析电晕放电和其影响因素之间存在的关系。分别在500k V咸宁变电站和500k V光谷变电站进行了现场实地试验。试验选用南非504相机和本系统的光子型可定位紫外探测器进行比对试验,分别观测了常见的故障缺陷点,诸如:绝缘子串、均压环、隔离开关、出线节点、母头接线等常发生故障的点。试验结果如图3~图6所示。

图3为在500k V咸宁变电站中探测常见故障缺陷点得出的数据,并与南非504相机做了对比。图4为对比的数据曲线图。

图5为在500k V光谷变电站中探测常见故障缺陷点得出的数据,并与南非504相机做了对比。图6为对比的数据曲线图。

通过光子型可定位紫外探测器和南非504相机的对比测试,试验结果验证了的光子型可定位紫外探测器对检测变电站电晕放电的准确性和灵敏度。

3 结束语

文中所述系统开展了国内首次针对固体紫外焦平面组件开发的实时的紫外监测系统,并将探测结果做到定位定量。经现场实地测试和实验室的初步验证,光子型可定位紫外探测器灵敏度高,响应速度快,响应截止波长陡峭,效果良好。该项目持续的挂网运行和实验室试验相结合的方式能提供大量的、重要的和有科学依据的实验数据,建立完备的紫外光子数值和缺陷程度相对应的数据库,可以更好的掌握电晕放电的演变历程并提出相应的解决手段,可为我国紫外探测技术发挥重要的作用。

摘要：本文介绍了一种基于光子型可定位紫外探测器集成的智能紫外在线监测系统,可实时、定量监测变电站内的电晕放电状态。采用实验室试验和现场挂网试运行的手段得出电力设备缺陷在各种气象参数下所释放的紫外光子数值,然后后经过数据筛选和数据分析建立完整的电晕放电数据库,从而对缺陷程度进行评估。本研究的光子型可定位紫外探测器灵敏高、响应速度快低,并可定量测量电晕放电的强度。通过持续的挂网实时监测,可对设备电晕放电的演化过程、数据的积累和数据的分析提供强有力的支撑。