摘要：本文主要介绍了几种用于沿面闪络实验的光学 诊断方法及其各自的特点，并给出了相应的实验结果和结论。
1 概述
在大型的脉冲功率装置和高电压设备中，绝缘材料常被用于支撑不同电位的部件 ，由于绝缘材料在真空中的沿面闪络电压远远低于同等距离真空间隙的击穿电压，因此成为引起装置绝缘破坏的关键因素，严重影响着装置运行的安全性和稳定性。从六十年代开始， 国外就有许多专家学者对这一现象进行实验研究，提出了多种引发真空中沿面闪络现象的物理机制，以及抑制沿面闪络、提高真空中绝缘体绝缘水平的方法，为解决工程设计中遇到的 绝缘问题提出了很好的建议，为沿面闪络现象的深入研究奠定了基础。但是由于影响绝缘材料在真空中沿面闪络特性的因素很多，对其发生发展的物理机制至今还没有一个公认的结论 。
一般认为沿面闪络过程包括三个阶段：①起始阶段，也就是初始电子发射阶段；②发展阶段 ，即电子沿绝缘体表面运动倍增的阶段；③闪络击穿阶段，即绝缘体表面形成贯穿性导电通道的阶段。对于第一和第三阶段，人们已有了比较一致的看法，大多数理论都认为绝缘体表 面的沿面闪络是由阴极三结合点处的初始电子发射引发的，经过发展阶段，最后以在绝缘介质表面附近的脱附气体层和介质材料本身的汽化层内形成贯穿性导电通道结束的，而对发展 阶段的物理机制，则存在着分歧。目前占主导地位的理论主要有二次发射电子崩(SEEA)假说和极化能量松驰(ETPR)假说等［1、2］。
早期在研究真空中沿面闪络的实验中，一般只测量闪络电压和闪络电流，但随着研究工作的深入，这种单一的诊断手段已无法满足对实验现象的分析，新的诊断方法应运而生。如Tumi ran等人采用了一种静电探测技术监测沿面闪络发生前后表面电荷的分布变化情况［3］等。人们在实验中发现真空中沿面闪络放电过程中，一般都伴有光的发射，研究光的发射和传输特性有利于更好地理解沿面闪络的发生机理和发展过程。因此，各种先进的光学技术 和光学仪器逐渐被应用于沿面闪络现象的研究中，并取得了大量的成果。
2 沿面闪络实验中常用的光学诊断方法
近些年来，随着光学技术的迅猛发展，利用先进的光学仪器诊断沿面闪络发光现象的技术也日趋成熟。目前较为常用的光学诊断设备包括光电倍增管、条纹相机、高速 CCD相机、光谱分析系统、电子扫描显微镜等。这些光学诊断系统有着不同的特点和监测对象，在条件允许的情况下，往往同时采用两种或多种方法。
2.1 光电倍增管系统
光电倍增管是光电测量系统中最常用的器件，它主要用来监测特定光谱范围 内光的发光强度随时间的变化情况，其特点包括：①响应时间可以做得很小，一般的响应时间都小于几个ns，对一些采用特殊技术的光电倍增管，如微通道板光电倍增管，其响应时间 可以做到几百ps，甚至更小；②与普通的光电管相比，光电倍增管有较大的电流增益，适合于观察一些较弱的光信号，这些特点非常适合研究真空中沿面闪络起始过程的光现象；③每 一个光电倍增管都有一定的光谱响应范围，这主要由光电阴极材料的特性决定，实验中可通过选择不同光谱响应范围的光电倍增管或通过加单色、多色滤光透镜的方式，对沿面闪络过 程中不同波段的光现象进行监测。光电倍增管系统的主要不足是，它只能反应光强随时间的变化情况，而对光的空间分布情况则无法监测。
图1［4］是一幅典型的沿面闪络电压、电流和光强信号随时间的变化波形。实验中选用的是Hamamatsu R1193U-02光电倍增管，其光谱响应范围是185～650nm，峰值响应光谱是3 40nm，响应时间小于2ns。比较电压、电流和光信号可以看出，脉冲电压下沿面闪络的发生 是 以电压的突然崩溃和电流的快速上升为标志的，而光信号的建立比电压开始崩溃和电流开始上升的时间大约早20ns，其光强峰值则出现在电压降低到几乎为零的时刻，这时的电极间隙 已完全贯通。这说明，在沿面闪络的起始阶段，伴随着初始电子发射的同时，也有光子的发射，这一发射随着电子倍增的形成也不断增强，并在间隙完全击穿的时刻达到峰值。
2.2 高速条纹摄像系统
在研究真空中沿面闪络的实验中，还经常采用高速条纹相机系统拍摄沿面闪络过程 中电极及绝缘体表面在不同时刻的发光图像。它的主要特点是响应快、图像直观，能很好地反映沿面闪络过程中不同时刻整个放电间隙上光的空间分布。但这一系统对硬件的配置 要求较高，除了一套快速摄像系统外，还需要高性能的同步触发系统和后处理系统。同样的，这一系统也只能响应特定光谱范围内的光信号。图2(a)是使用Imacon700高速图像转换相 机拍摄并经过处理后得到的放电间隙的图像，图中箭头所指方向为条纹运动方向。图2(b) 仍是使用Hamamatsu R1193U-02光电倍增管得到的同一次闪络过程中的光信号［4］。
在T.Asokan等人进行的这次实验中，他们发现［4］，通过分析条纹相机所得图像表明，从阴极三结合点处开始发光，到可见光在实验间隙中传播，直至最后间隙的完全贯穿只需要2ns，而从光电倍增管所得到的光信号则发现，光信号的出现要早于电压崩溃和电流上 升的时刻约20ns。由于所选用的条纹相机只对可见光范围内的光信号响应，而光电倍增管则是对紫外光和部分可见光(160～650nm)响应。因此可以得出，在沿面闪络的起始阶段，主要对应于紫外光的发射，可见光则几乎是与电压的崩溃和电流的剧增同时出现的。有实验表明，在随后的光过程中，仍以紫外光成分居多。
T.Asokan等人在仔细分析了不同时刻得到的条纹图像后，对沿面闪络中的光过程给出了以下几条结论 ：①可见光的发射既可以从阴极末端，也可以从阳极末端起始，这只决定于绝缘材料的表面状况和电场分布，这表明沿面闪络可以从任意点开始；②光的传播时间和电极间隙完全贯穿 的时间决定于其起始过程，对于光只从阴极或阳极起始的情况，这一时间较长，约6ns，而对于光从两极同时开始的情况，这一时间大约只有2ns；③从开始发光到光贯通整个电极间 隙的速率约为0.3×109cm/s。
2.3 光谱分析系统
前面讲过，影响真空中绝缘材料沿面闪络特性的因素很多，例如：绝缘体表面释放 的气体、真空中的残余气体、绝缘体表面较为集中的缺陷和电极材料熔化产生的金属蒸汽等。采用摄谱仪记录沿面闪络过程中的光谱特性，可以从不同的单个谱线中分辨出不同因素在 沿面闪络过程中所起的作用大小，从而更好地理解沿面闪络过程的物理机制。文［5］在分别对真空间隙击穿放电以及Al2O3绝缘体和PMMA?绝缘体沿面闪络击穿过程中发光 光谱的分析指出，绝缘体表面释放的气体和绝缘介质内部的缺陷都是真空中沿面闪络等离子体形成的重要原因。图3［5］是这三种情况下的谱线图，试验中所用的电极材料为铝 ，记录光谱的CCD相机曝光时间为10μs。从图3(a)中可以看出，电极蒸汽、真空中的残余气体和电极表面释放的气体对真空间隙的击穿起着相当重要的作用。从图3(b)、(c)则可看出 ，电极蒸汽、电极和绝缘材料表面释放的气体以及绝缘体内部的缺陷对沿面闪络起着重要作用。
另外，通过调节记录光谱的CCD相机的曝光时间，可以得到沿面闪络过程中不同时刻的光谱特性，经过比较分析表明，在沿面闪络的初始阶段，只有表面释放的气体和材料内部的缺陷对光的发射起作用，电极蒸汽则几乎没什么影响。?
2.4 电子扫描显微镜
电子扫描显微镜虽然不能实时地观测沿面闪络发展过程中的表面情况，但通过它可 以比较放电前后绝缘体表面和电极表面微观结构变化情况，这有利于解释沿面闪络过程中微观粒子的运动发展情况。图4［4］是用电子扫描显微镜观测到的沿面闪络实验后阴极 表面的微观结构图。从图中可以看出，经过沿面闪络放电试验后的阴极表面材料部分被熔化，并随机地固化在阴极三结合点附近，这也说明在沿面闪络过程中电极表面材料的熔化和汽化对最后的击穿和其中的光过程起着非常重要的作用。?
3 结论
光学诊断技术为研究真空中绝缘材料沿面闪络的发生机理和发展过程提供了丰富 的信息，但每一种方法都有各自的特点和应用局限性。根据研究目的和实验条件，综合使用是沿面闪络机理研究的趋势。探索新的光学诊断方法，提高光学诊断系统的技术水平， 将对真空中绝缘材料沿面闪络特性的研究产生有力的推动作用。
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