دراسة مواد العزل والحماية الكهربائية بواسطة التحليل الطيفي

الأهمية من دراسة مواد العزل الحماية الكهربائية على العموم

تلعب مواد العزل الكهربائي دوراً مهماً في تنسيق العزل لخطوط الطاقة الكهربائية العلوية، كما أنه من الممكن أن يؤدي تقدمهم في الخدمة إلى مخاطر محتملة على سلامة واستقرار نظام الطاقة، ولاختيار مواد العزل المناسبة أو تقييم درجات تقادمها؛ فإنه يجب قياس خصائص العزل الكهربائي، لذلك يعد التحليل الطيفي العازل ذو النطاق العريض (BDS) طريقة شائعة وأداة قوية لاستكشاف الخصائص العازلة للمواد على نطاقات زمنية عبر عدة درجات من حيث الحجم.

لذلك يعتمد على تفاعل “المجال الخارجي” مع العزم الكهربائي “ثنائي القطب” للعينة، والذي يتم التعبير عنه غالباً بالسماحية، كما ويسجل العلاقة بين التيار والجهد الكهربائي (الحجم والمرحلة) لمجموعة من الأقطاب الكهربائية التي تحتوي على المادة قيد التحقيق، بحيث يمكن أيضاً استخدام “موجة تيراهيرتز”، والمعروفة أيضاً “بإشعاع تيرا هيرتز” أو إشعاع ما دون المليمتر أو التردد الكهربائي العالي للغاية (THF).

وهي تعتبر كطريقة فعالة لقياس الخصائص العازلة للمواد بسبب التقدم التكنولوجي على مدى العقود الثلاثة الماضية علاوة على ذلك، كما يمكن استخدام الخصائص العازلة عند “ترددات التيراهيرتز”، وتعتبر كمتطلبات مرجعية لتقييم تقادم المواد وتحسين الأداء عند إضافة مواد التعزيز واكتشاف العيوب المحتملة وما إلى ذلك.

كما يشير “نطاق تيرا هيرتز” إلى “الموجات الكهرومغناطيسية” ذات الترددات بين (0.1) تيرا هيرتز و (10) تيرا هيرتز (1 تيرا هيرتز = 1012 هرتز) أو أطوال موجية بين (3) مم و (30) مايكرومتر، كما يقع نطاق التردد هذا مباشرة بين نطاقات الموجات الدقيقة الأكثر شهرة والأشعة تحت الحمراء، كما ويشترك في بعض الخصائص مع كل منهما، ونظراً لأطوالها الموجية؛ فإن موجات التيراهيرتز لها مزايا مختلفة مقارنة بطول موجة التصوير التقليدي على النحو التالي:

• دقة ممتازة في كل من المجال الزمني ومجال التردد الكهربائي مع النبض عروض أقل من (3 ps).

• التماسك الزماني والمكاني الجيد.

• على عكس الأشعة السينية؛ فإن موجات تيرا هيرتز ليس لها تأثير مؤين وتعتبر بشكل عام غير ضارة من الناحية البيولوجية.

• اختراق جيد يجعلها قادرة على اختبار مجموعة متنوعة من المواد غير الموصلة.

وهناك تفاعلات فريدة مع المادة يمكن استغلالها في تطبيقات مختلفة، على سبيل المثال، “رنين الفونون” البصري للمواد البلورية وجزء من الإثارة الاهتزازية والدورانية للجزيئات تقع في نطاق تيرا هيرتز، مما يجعل موجة تيرا هيرتز واعدة جداً في التحليل الطيفي وتحديد المواد.

مرافق الاختبار والعينات الخاصة بمواد العزل والحماية الكهربائية

تم إنشاء نظام التحليل الطيفي للمجال الزمني لموجة تيراهيرتز (THz-TDS) باستخدام مطياف (T-Ray 5000) من (Picometrix)، وهي منصة اختبار (THz-TDS) ومخططها التخطيطي موضحة في الشكل التالي (1)، كما أن نظام (THz-TDS) قادر على توليد التقاط وتحليل موجة تيراهيرتز، كذلك النظام الأساسي بأكمله عبارة عن نظام متكامل متكامل الألياف، وبالتالي ليست هناك حاجة للمكونات البصرية التقليدية المعقدة، بحيث يمكن تحويل المسار البصري بحرية وبالتالي يتم تحسين مرونة العملية بشكل كبير.

كذلك تستخدم منصة (T-Ray 5000) ليزر فيتيس (800) فيمتو ثانية كمصدر إثارة لتوليد واكتشاف إشعاع (THz)، وهو مقدار عرض النبضة الناتجة فيمتو ثانية والبالغ (100 fs)، كذلك الطول الموجي المركزي (800) نانومتر وتردد التكرار (80) ميغا هرتز ومتوسط ​​الطاقة يصل إلى (1) واط، لذلك سير عمل النظام بأكمله على النحو التالي:

يتم تقسيم ليزر الفيمتو ثانية إلى ضوء مضخة وضوء مسبار داخل وحدة التحكم، ومن ناحية أخرى، يتم إرسال ضوء المضخة إلى باعث (THz) (الهوائيات الضوئية الناقلة للـ (GaAs) ذات درجة الحرارة المنخفضة بجهد متحيز) عبر الألياف الضوئية، ثم تشع موجة تيرا هيرتز مع مدة زمنية تبلغ حوالي (5 ps ، a)، وهو نطاق طيفي من (0.02) إلى (2 THz) ومتوسط ​​قدرة حوالي (100 nW).

ومن ناحية أخرى؛ فإنه يتم إرسال ضوء المسبار إلى مستقبل (THz) (الهوائيات الضوئية الناقلة للـ (GaAs) ذات درجة الحرارة المنخفضة بدون جهد متحيز) بعد تعرضها لخط تأخير في وحدة التحكم وقوة المجال الكهربائي اللحظية لموجة تيرا هيرتز هي تم الحصول عليها عن طريق قياس التيار الضوئي، وذلك من خلال ضبط وقت التأخي، كما يمكن الحصول على شكل موجة المجال الزمني لموجة تيرا هيرتز.

الخصائص العازلة على نطاق تيرا هيرتز

في عملية القياس على نطاق تيرا هيرتز، تم استخدام الخصائص البصرية لموجة التيرا هيرتز، وذلك قبل دراسة الخواص العازلة تم قياس المتغيرات الضوئية للمواد بما في ذلك معامل الانكسار ومعامل الامتصاص، بحيث قام العديد من الباحثين بالتحقيق في استخراج المعلمات الضوئية للعديد من المواد تحت وضع انتقال الموجات التيرا هيرتز، ومع ذلك وبالنسبة لمعظم الخوارزميات الحالية وطرق معالجة البيانات؛ فإن المعطيات المقاسة لها دقة محدودة كنتيجة لتجاهل نبضات الصدى في إشارة التيراهيرتز.

لذلك قد يكون هناك نوعان من نبضات الصدى في القياسات، كما أن النوع الأول من نبضات الصدى أو يسمى نبض صدى النظام، وهو من نظام المعدات، وبعد النبضة الرئيسية ينبعث من جهاز إرسال (THz) وينتج بالفعل عن مادة (GaAs) في الباعث، أيضاً يتم إنشاء النوع الثاني من نبضات الصدى، والذي يُطلق عليه أيضاً نبضة صدى منعكسة، وذلك عندما تمر النبضة الرئيسية عبر العينة.

وبالنسبة للمواد ذات الامتصاص المنخفض ومؤشر الانعكاس العالي مثل الخزف الكهربائي، يتم إنشاء نبضة صدى منعكسة عن طريق انعكاس النبض الرئيسي داخل العينة، وبالنسبة للمواد الأربعة الأخرى في الاختبار، إما أن يكون الامتصاص مرتفعاً نسبياً أو يكون مؤشر الانعكاس منخفضاً بحيث يتم تخفيف انعكاس النبضة الرئيسية بشكل كبير.

لذلك؛ فإن نبضات الصدى في إشارات العينة لهذه المواد الأربعة هي في الواقع نبض صدى النظام، وذلك مهما كان نوع نبض الصدى، لذا يجب التعامل معه لتحسين النموذج من أجل معالجة هذه المشكلة، بحيث تم اقتراح طريقتين فيما بعد لمعالجة البيانات، والتي أخذت في الاعتبار نبض الصدى.

ولوصف طرق موجات التيرا هيرتز؛ فإنه يتم تقديم بعض المعطيات مثل سمك العينة (D) والمسافة بين مسبار الإرسال والعينة هي (x1)، بينما المسافة بين مسبار الاستقبال والعينة هي (x2)، أيضاً إشارة العينة هي موجة تيرا هيرتز التي تمر عبر العينة المسطحة ويتم استقبالها عند مسبار الاستقبال، بينما الإشارة المرجعية هي موجة تيرا هيرتز التي تمر عبر الهواء الجاف بدون عينة ثم يتم استقبالها في مسبار الاستقبال.

أيضاً يتم تعريف المتغيرات [E0 (ω)] و [Es (ω)] و (Er) على أنها الإشارات الطيفية من مسبار الإرسال وإشارة العينة والإشارة المرجعية على التوالي، كذلك (r12 ،r21) هي معاملات الانعكاس من الهواء إلى العينة والعينة إلى الهواء، و (t12)، (t21) هي معاملات الانتقال من الهواء إلى العينة والعينة إلى الهواء على التوالي.