中国科大实现了基于里德堡原子的电弧信号测量

 

中国科大郭光灿院士团队史保森、丁冬生课题组与国网安徽电科院王恩惠博士合作使用里德堡原子电场传感器测量了电弧MHz级射频信号频谱，为电弧测量提供了量子精密测量的新方法。相关成果7月2日以“Measurement of arc rf signals based on Rydberg atoms”为题发表在国际知名学术期刊《Physical Review Applied》上。

电弧故障是电力系统中电气火灾的主要诱因，突显了及时检测此类故障的紧迫性。传统电弧故障检测方法基于系统电流和电压参数，在数据采集过程中常对现有电力系统造成干扰；而通过测量电弧射频信号则可规避此类干扰问题。相较于传统金属天线，基于里德堡原子的电场传感器具备非金属性、自校准性和各向同性特征，理论上在工作带宽、灵敏度等关键指标上展现出显著优势。

图1：物理模型图。（a）为三光子激发能级示意图。（b）为实验装置示意图。（c）为电弧射频信号发生电路示意图。

研究团队系统地研究了里德堡原子传感器对电弧射频信号的响应特性，并对比了传统金属天线与里德堡原子天线对电弧信号的响应，如图2所示，证实了其测量结果与传统金属天线高度吻合，验证了原子传感器在电弧故障检测中的适用性，尤其在低频段（<250 kHz）里德堡原子系统展现出更优的信噪比性能。该工作还研究了原子系统对电弧射频信号响应的距离依赖性，为实际工程应用中的探头部署提供了重要参数依据，如图3所示。

图2：频域对比图。（a）使用金属天线测量得到的电弧射频信号。（b）使用里德堡原子天线测量得到的电弧射频信号。（c）两种测量方法的频域信噪比对比。

该工作架起了里德堡原子传感技术与电路中电弧射频信号探测之间的桥梁，为电弧故障的非侵入式检测提供了新思路，有望推动量子传感技术在电力监测领域的发展。

中国科大博士研究生王启锋为本文的第一作者，丁冬生教授为本文的独立通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中国科学院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/2jpt-6313

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

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