西安交通大学荣命哲教授团队揭示Au/Ag纳米粒子的差异化真空检测路径

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导语

真空开关是电力系统绿色升级的重要装备，而真空度是决定真空开关运行可靠性的关键指标。面对低气压下光谱信号弱、真空度难区分的检测瓶颈，西安交通大学荣命哲教授团队借助纳米材料引入激光诱导击穿光谱检测提升检测能力，并针对不同检测需求选择合适的增强介质，为真空开关真空度的在线、非接触检测提供了新的思路。

研究背景

真空灭弧室内部气压是决定真空开关绝缘恢复、开断性能和服役稳定性的关键指标。现有工频耐压、磁控放电、X射线等方法各有适用场景，但在长期运行设备的在线、非接触状态感知方面仍存在局限。激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS）技术可通过一束脉冲激光在材料表面产生微小等离子体，再从发射光谱和图像中读取环境压力信息，具有响应快、远距离布置灵活、多源信息同步获取等优势。

然而，在低气压范围内，常规LIBS往往出现特征谱线弱、信号波动大、压力点之间差异不明显等问题。金属纳米粒子能够改善样品表面对激光能量的吸收与耦合，但Au和Ag在同一检测场景下究竟有何差异，过去缺少系统比较。

图1 低气压下金银纳米粒子对铜特征峰点强度的增强对比

论文所解决的问题及意义

团队比较了Au与Ag对目标特征谱线、整体辐射、等离子体图像和真空度拟合能力的影响，寻找面向不同检测任务的材料选择依据。其工程意义在于：将纳米材料选择从经验试用推进到“按检测目标选材”，为真空开关在线真空度检测的灵敏度提升和方案优化提供实验依据。

论文方法及创新点

研究团队搭建了覆盖低气压的LIBS平台，以高纯铜为靶材，在统一条件下比较Au、Ag纳米粒子的增强效果。纳米粒子采用旋涂方式沉积，以减弱滴涂造成的团聚和“咖啡环”效应，提高表面分布均匀性与测试重复性。研究重点考察Cu I 515.3 nm和521.8 nm两条特征谱线，并同步分析峰值强度、增强倍数、辐射积分强度、时间演化、等离子体图像及其与气压的响应关系。

(a) 不同粒径下金银纳米粒子铜特征谱线 (b) 不同粒径下金银纳米粒子增强倍数

图2 不同粒径下金银纳米粒子对铜特征峰强度及增强倍数的影响

• 创新点1： 首次系统揭示Au与Ag纳米粒子在低气压LIBS中的差异化增强规律。

• 创新点2：明确了Au与Ag纳米粒子的差异化参数响应及适宜作用窗口

• 创新点3：建立了面向真空度检测目标的纳米增强材料选型方法

结论

Au和Ag均能显著增强低气压下的Cu特征谱线，整体强度呈现“Au增强LIBS高于Ag增强LIBS、高于常规LIBS”的规律。Au在较低浓度、较小粒径条件下即可获得更强的目标谱线响应；Ag则在较高浓度、较大粒径条件下表现更优。

在各自较优参数下，Ag产生的等离子体发光区域更大、亮度更高，辐射积分强度也更高，更适合利用整体发光与图像特征开展检测；Au的高亮核心更集中，并在Cu特征谱线增强方面保持优势。Au条件下拟合优度达到0.9744，高于Ag条件下的0.9419；Au对应的信号动态范围更大、压力分层更清晰，因此更适合强调目标谱线和真空度表征精度的检测任务。

(a) 浓度0.1 mg/mL、粒径10 nm的Ag纳米粒子

(b) 浓度0.01 mg/mL、粒径5 nm的Au纳米粒子

图3 不同气压下Au和Ag最优参数条件下等离子体辐射积分强度随延时的变化

团队介绍

荣命哲教授课题组

本研究依托西安交通大学电气工程学院荣命哲教授团队开展，获西安交通大学研究生教育优秀导师团队、陕西省“三秦学者”创新团队和陕西省引智示范基地等荣誉。

刘佳琪

西安交通大学电气工程学院博士研究生，第一作者，主要从事电力设备在线监测与寿命评估。

袁欢

副教授，通讯作者，主要从事电力设备在线监测与寿命评估、电力设备智能设计与数字孪生、微能量收集与无线能量传输研究。

本工作成果发表在2026年第13期《电工技术学报》，论文标题为"低气压下Au/Ag纳米粒子对LIBS信号增强差异及其真空度检测适用性研究"。本课题为国家自然科学基金和陕西省科学技术协会青年人才托举计划资助项目。

引用本文

刘佳琪, 吕思濛, 袁欢, 杨爱军, 王小华. 低气压下Au/Ag纳米粒子对LIBS信号增强差异及其真空度检测适用性研究[J]. 电工技术学报, 2026, 41(13): 4458-4468. Liu Jiaqi, Lü Simeng, Yuan Huan, Yang Aijun, Wang Xiaohua. Study on the Differences in LIBS Signal Enhancement by Au/Ag Nanoparticles under Low-Pressure Conditions and Their Applicability to Vacuum Degree Detection. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(13): 4458-4468.