利用THz-TDS系统分析高压电介质绝缘材料的老化特性

摘要

太赫兹时域光谱技术(THz.TDS)是在20世纪90年代发展起来的一种新型的光谱检测技术,所使用的电磁波是指频率位于微波与红外光之间的相干电磁脉冲,属于远红外波段。THz-TDS是基于飞秒超快激光技术的THz波段光谱测量新技术,它利用电光取样的方法直接记录THz辐射电场的振幅时间波形,通过傅里叶变换得到测量信号振幅和相位的光谱分布,进而获得试样材料在THz波段的复介电常数,包括消光系数、折射率以及吸收系数等信息。THz本身具有低能量,穿透能力强等诸多优点使得人们对其越来越感兴趣,物质对THz辐射的特征吸收可用来分析材料的组成及其结构的微细变化,与利用Kramerds-Kronig关系提取试样材料光学常数的方法相比,这种技术更为简单、可靠,同时具有非常高的时间分辨率以及空间分辨率,因而近年来被广泛应用于研究化学、生物材料在THz波段的光学特性。
　　本文主要工作和创新点总结如下:
　　(1)利用THz时域光谱技术对交联聚乙烯(CROSS-linked polyethylene,XLPE)高压电缆绝缘材料进行了THz光谱研究,得到了交联聚乙烯高压电缆绝缘材料在有效频率范围内的THz时域谱、频率谱、折射率谱和吸收谱。实验证明利用THz时域光谱技术对高压电缆绝缘材料的老化特性进行实时的无损检测是可行的,结果表明交联聚乙烯绝缘材料在THz波段均存在着明显的吸收特性,而且不同老化程度的试样其折射率谱、吸收谱均有明显不同。该研究结果为建立交联聚乙烯在THz波段的指纹光谱库提供了重要的实验依据。
　　(2)利用交联聚乙烯高压电缆绝缘材料在THz波段内的介电常数和介质损耗角正切(tanδ)作为电缆老化程度的检测标准。实验结果证明,xLPE高压电缆绝缘材料的老化程度越大,其介电常数值越小,介质损耗角正切(tanδ)越大,这些都符合预期的实际情况。

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1 概述

1.1太赫兹波简介

1.2交联聚乙烯电缆

1.3现有的XLPE电缆老化检测方法

1.4本文的选题依据和研究意义

1.5研究内容及文章结构

2 太赫兹时域光谱技术

2.1太赫兹时域光谱系统

2.2利用THz-TDS系统提取光学常数的原理

2.3实验样品制备技术

2.4实验数据的采集与处理

2.5本章小结

3 交联聚乙烯电缆材料的太赫兹时域光谱分析

3.1实验条件的设置

3.2交联聚乙烯电缆材料的光谱结果

3.3本章小结

4 交联聚乙烯电缆材料的老化特性分析

4.1 XLPE电缆材料老化特性——介电常数

4.2 XLPE电缆材料老化特性——介质损耗角正切值

4.3本章小结

5结论与展望

5.1本文研究工作总结

5.2未来工作展望

致谢

参考文献