长空气间隙放电中电离波检测系统的研发与应用：高时空分辨率动态观测新突破

为解决长空气间隙放电中电离波(ionization wave)高速演化(106 ～107 m/s)、发光强度动态范围广、空间校准精度要求高等难题，研究人员开发了基于16通道光电倍增管(PMT)的电离波检测系统(IWDS)。该系统通过单透镜折反射光学设计实现6 mm/通道的空间分辨率，结合200 MSa/s采样率与106 倍可调增益，首次实现了从流注放电(streamer)到再发光(re-illumination)的全过程连续观测，为高压输电绝缘设计与雷电防护研究提供了创新工具。

　　

高压输电线路和变电站的外绝缘设计优化，离不开对长空气间隙放电机制的深入理解。这种跨越数米的放电现象，不仅是电网绝缘故障的元凶，更是揭开自然闪电奥秘的钥匙。然而，电离波(ionization wave)作为放电通道传播的核心载体，其观测却面临三大"拦路虎"：快如闪电的传播速度（可达10⁷
米/秒）、瞬息万变的发光强度（从强流注到微弱暗周期）、以及毫米级的空间定位需求。传统的高速相机只能捕捉静态画面，而条纹相机和ICCD虽能动态观测，却因高昂成本和复杂操作令研究者望而却步。

为突破这些技术瓶颈，国内高压电气领域的研究团队创新研发了电离波检测系统(IWDS)。该系统通过16通道光电倍增管(PMT)阵列与单透镜折反射光学设计的巧妙结合，实现了6毫米的空间分辨率和45 MHz带宽的电信号采集。配合200 MSa/s的采样率和10⁶
倍可调增益，首次完整记录了1.5米空气间隙中流注放电、再发光和暗周期的动态演化过程。相关成果发表在《Optics》期刊，为高压绝缘设计和雷电防护研究提供了全新观测工具。

关键技术包括：1）采用16通道PMT阵列实现高灵敏度光信号转换；2）单透镜折反射光学设计同步实现观测窗(viewfinder)校准与6 mm/通道空间分辨率；3）200 MSa/s采样率配合32 ms连续记录时长捕捉瞬态过程；4）10⁶
倍可调增益适应流注强光与暗周期弱光的巨大强度差异。

整体设计
系统架构包含光学、电学和电源三大模块。垂直排列的PMT阵列通过折反射光学系统将不同区域电离发光转换为电脉冲，经放大滤波后由高速ADC采集。独特的观测窗设计解决了传统PMT系统空间校准难题。

动态性能测试
电学模块测试显示±3 dB带宽达45 MHz，输出电压与输入呈良好线性关系。光学模块通过532 nm激光校准证实6 mm空间分辨率，PMT增益调节范围覆盖10³
-10⁶
倍，满足从暗周期(nW级)到流注强光(μW级)的检测需求。

实验设置
采用Marx发生器产生1.5米间隙放电，施加200 μs波前/400 kV峰值电压以避免完全击穿。IWDS成功捕捉到流注起始、再发光现象及两者间的暗周期，测得流注传播速度达1.5×10⁶
m/s，与仿真结果吻合。

结论与意义
该研究首创的IWDS系统突破了传统观测手段在时空分辨率、动态范围和持续记录时长上的限制：1）6 mm空间分辨率与45 MHz带宽的组合首次实现毫米/纳秒量级的电离波动态追踪；2）10⁶
倍增益调节攻克了流注强光饱和与暗周期弱光检测的兼容难题；3）观测窗设计解决了PMT阵列空间校准的行业痛点。这些创新使得Xiangen Zhao团队能够精确解析长空气间隙放电各阶段的电离波特征，为高压设备绝缘优化和雷电先导过程研究提供了不可替代的实验工具。未来通过增加PMT通道数和提升采样率，该系统有望在千米级闪电观测中发挥更大价值。