中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生課題組與國(guó)網(wǎng)安徽電科院王恩惠博士合作使用里德堡原子電場(chǎng)傳感器測(cè)量了電弧MHz級(jí)射頻信號(hào)頻譜，為電弧測(cè)量提供了量子精密測(cè)量的新方法。相關(guān)成果7月2日以“Measurement of arc rf signals based on Rydberg atoms”為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Applied》上。
 

　　電弧故障是電力系統(tǒng)中電氣火災(zāi)的主要誘因，突顯了及時(shí)檢測(cè)此類故障的緊迫性。傳統(tǒng)電弧故障檢測(cè)方法基于系統(tǒng)電流和電壓參數(shù)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中常對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)造成干擾；而通過(guò)測(cè)量電弧射頻信號(hào)則可規(guī)避此類干擾問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)金屬天線，基于里德堡原子的電場(chǎng)傳感器具備非金屬性、自校準(zhǔn)性和各向同性特征，理論上在工作帶寬、靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。
 

　　圖 1 ：物理模型圖。(a)為三光子激發(fā)能級(jí)示意圖。(b)為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(c)為電弧射頻信號(hào)發(fā)生電路示意圖。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了里德堡原子傳感器對(duì)電弧射頻信號(hào)的響應(yīng)特性，并對(duì)比了傳統(tǒng)金屬天線與里德堡原子天線對(duì)電弧信號(hào)的響應(yīng)，如圖2所示，證實(shí)了其測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)金屬天線高度吻合，驗(yàn)證了原子傳感器在電弧故障檢測(cè)中的適用性，尤其在低頻段(<250 kHz)里德堡原子系統(tǒng)展現(xiàn)出更優(yōu)的信噪比性能。該工作還研究了原子系統(tǒng)對(duì)電弧射頻信號(hào)響應(yīng)的距離依賴性，為實(shí)際工程應(yīng)用中的探頭部署提供了重要參數(shù)依據(jù)，如圖3所示。
 

　　圖2：頻域?qū)Ρ葓D。(a)使用金屬天線測(cè)量得到的電弧射頻信號(hào)。(b)使用里德堡原子天線測(cè)量得到的電弧射頻信號(hào)。(c)兩種測(cè)量方法的頻域信噪比對(duì)比。

 

　　該工作架起了里德堡原子傳感技術(shù)與電路中電弧射頻信號(hào)探測(cè)之間的橋梁，為電弧故障的非侵入式檢測(cè)提供了新思路，有望推動(dòng)量子傳感技術(shù)在電力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。
 

　　中國(guó)科大博士研究生王啟鋒為本文的第一作者，丁冬生教授為本文的獨(dú)立通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省重大科技專項(xiàng)以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。