基于农村电网电晕检测的日盲紫外探测器研究

作     者：王钊 

作者单位：福建农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡启昌

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：农村电网 电晕检测 宽禁带半导体 日盲紫外探测器 

摘      要：现代农业的生产与发展离不开农村电网,因此,我国作为农业大国,持续对农村电网进行了大规模投资、建设与改造。近年来,我国农村电网的建设步伐越来越快,农村电网的电压等级也越来越高,随之而来的是如何降低农村电网的电能损耗,如何保障农村电网的可靠供电等亟需解决的问题。电网中常出现的电晕放电现象会消耗不必要的电能,严重时甚至会导致绝缘事故的发生,影响供电的可靠性,因此,对电晕放电现象的及时检测显得非常重要。相比于城市电网,农村电网的线路普遍比较稀疏、冗长,巡检距离较长;且农村电网所处环境较为复杂,对农村电网电晕放电现象进行检测时受到的干扰更多。本文主要基于农村电网的特点,从探测器的便携性、响应度、响应速度、响应截止边等多指标出发,使用磁控溅射、真空热蒸镀、X射线衍射、扫描电子显微镜、源表等设备,围绕日盲紫外探测器的结构设计、薄膜生长、器件制作与探测性能等方面进行研究。最终,本研究成功制作出了能够用于农村电网电晕检测的日盲紫外探测器,并基于日盲紫外探测器的性能,开展了外围警报电路的设计与仿真探索工作。主要开展工作与结果如下:(1)实现280 nm吸收截止边的Pt/In GaO/n-Si光伏型日盲紫外探测器的制作:通过能带工程,制备出了具有理想吸收截止边的氧化铟镓(In GaO)薄膜,并在此基础上制作Pt/In GaO/n-Si结构的光伏型日盲紫外探测器。当探测器处于波长为254 nm的光照射下,其开路电压可达到354 m V。此外,探测器在0 V偏压下的响应度可以达到0.48 m A/W,响应上升沿时间为0.47 s,下降沿时间为0.37 s,抑制比(R/R)高于2个数量级。该工作为制作具有理想日盲吸收截止边的光电探测器提供了重要参考。(2)构建Gr/MgZnO/GaN垂直结构日盲紫外探测器:以光响应层氧化镁锌(MgZnO)薄膜为基质,引入石墨烯(Gr)作为上导电层,构建了垂直结构为Gr/MgZnO/GaN的日盲紫外探测器,验证了Gr基光电探测器的可行性。当该探测器工作在-5 V偏压时,其对255 nm光的响应度是14.6 m A/W,其上升沿时间是0.79 s,下降沿时间是0.2s。该工作为Gr异质结探测器的应用提供了一个借鉴。(3)拓展高阻钛酸镁(MgTiO)在日盲紫外探测器中的新应用:将传统介电材料MgTiO应用于光电探测器领域,并研究退火对该材料的影响,以制作出具有高响应性能、快响应速度、便携等诸多优点的光伏型日盲紫外探测器。在0 V偏压下,该探测器对255 nm光的响应度高达42.6 m A/W,响应上升沿时间与响应下降沿时间分别为30ms、25 ms。该研究证明了MgTiO在日盲紫外探测器方面的潜力,解决了前两部分研究中探测器光电流与响应度较低等不足。(4)日盲紫外光电探测外围警报电路的设计与仿真探索:基于日盲紫外探测器的研究与测试结果,设计了外围警报电路,并使用Multisim 14.0软件进行了仿真实验。这部分工作验证了外围警报电路的可行性,有助于推进日盲紫外探测器在农村电网电晕探测中的实际应用。