Способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков Советский патент 1983 года по МПК G01R31/12 

Изобретение относится к технике испытания диэлектрических материалов.

Известен способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков l , основанный на регистрации индуцированного радиацией тока в предварительно заряженном плоском конденсаторе, содержащем пленку исследуемого диэлектрического материала.

Однако этот способ позволяет определять только величины gfuf , где - число генерируеглых носителей на единицу дозы, nj - подвижность нол

л

ьремя жизни носителей.

сителей,

Наиболее близким техническим решением к изобретению является.способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков 2j , основанный на создании в пластине 20 твердого диэлектрика, имеютей электроды, расположенные на ее поверхностях, электрического поля, напряженность которого выше критической величины.25

Недостатком этого способа является низкая точность и невозможность измерения основных параметров лавин носителей заряда: координаты места возникновения, времени формирования ,и дипольного момента.

Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей способа диагностики путем обеспечения определения координаты места возникновения, времени формирования и дипольного момента лавин носителей заряда.

Поставленная цель достигается тем, что по способу диагностики предпробойного состояния твердых 40 диэлектриков, основанному на созда-, НИИ в пластине твердого диэлектрика, имеющей электроды, расположенные на ее поверхностях, электрического поля, напряженность которого выше критиче- 45 ской величины, электроды на поверхностях пластины твердого диэлектрика выполняют плоскими, электрическое поле в пластине твердого диэлектрика, напряженность которого выше кри- JQ тической величины, создают путем облучения пластины твердого диэлектрика через один из плоских электро- , . дов пучком электронов, направленным нормально к ее поверхности, допол- . нительно измеряют амплитуду и фронт нарастания электрического поля лавины носителей заряда с помощью емкостного датчика, образованного плоскими электродами, расположенными на пластине твердого диэлект- 0 рика.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа; па

фиг. 2 - распределение напряженное- 5

ти электрического поля по толщине пластины твердого диэлектрика.

Устройство содержит пластину тведого диэлектрика 1, плоские электроды 2, широкополосный усилитель 3 и осциллограф 4.

Способ осуществляется следующим образом.

Образец с емкостным датчиком помещают нормально оси пучка заряженных частиц (электронов). Инжекцию заряда производят плоскопараллельным пучком с плотностью тока, например, 2.10 л/см и энергией 12 МэВ обеспечивающей тёрмализацию и захват электронов в образце с образованием пространственного заряда (пз) При данных параметрах инжекции максимальная напряженность поля ПЗ в образце растет с экспозицией по закону

(11

-Макс

где с,

По достижении критической напряженности поля ПЗ (в случае оргстекла 5-10 В/см, t i: 30 с) в объеме образца спорадически генерируются электронные лавины, электрическое поле которых регистрируют при емкостного датчика. Дгшьнейшее увеличение напряженности поля ПЗ в образце (до величины IlO В/см) может привести к его необратимому электрическому пробою.

Распределение напряженности поля в образце, соответствующее порогу генерации лавин, представлено на фиг. 2. В процессе инжекции в образец отрицательного заряда на его поверхности образуется равный по величине компенсирующий положительный заряд (за счет притягивания положительных ионов из воздуха), т. вне образца поле отсутствует и разность потенциалов между плоскими электродами емкостного датчика равна 0. Таким образом, датчик реагирует только на флуктуации внутреннего электрического поля. Время сохранения ПЗ в образце определяется временем диэлектрической релаксации

(2)

где 0 - темновая проводимость, и для большинства диэлектриков составляет 10 - 10 С и более. Время спадания радиациейноиндуцироваиной проводимости не превышает , т.е. поле в образце можно считать стационарным практически сразу после прекращения облучения. Величина поглощенной дозы в процессе инжекции ПЗ не превышает 1 Мрад и не приводит к необрьгимым изменениям электрофизических свойств материала. Была получена характерная осциллограмма сигнала емкостного датчика (нижний луч) при напряженности поля ПЗ 510 В/см, чувствительность 0,1 В/дол, скорость развертки 50 МКС/дел. На верхнем луче - сигна акустического шума, измеренный при помощи пьезодатчика (0,05 В/дел 50 МКС/дел). Наблюдаемые сигналы имеют следующую природу. При напряженности поля выше пороговой в диэлектрике в зоне проводимости появляются кваэисвободные электроны, например, за счет ионизации дефектов по механизму Френкеля-Пула. Электроны ускоряются в поле ПЗ и образуют лавину, за головкой которой остается положительный заряд дьфок, т.е. формируется .диполь. Возникновение диполя сопровождается акустической волной, природа которой связана с импульсным термоупругим расширением среды вследстви дассипаций кинетической энергии лавины. Кроме того, диполь создает электрическое поле, регистрация которого позволяет определить величину и время формирования диполя. Поскольку лавина распространяется , вдоль вектора напряженности поля Е , то дипольныйпомент. лавины ,//f , т.е. в случае плоскопараллельной геометрии dti перпендикулярен плосдсости пластины. В этом случае сигнал емкостного датчика определяется выражением эсо5 е-« е I . . где с - емкость датчика с образцом; в - угол между (1 и направлением на элемент площади поверхности датчика dg ; t расстояние до него S - ллощадь пластин. Таким образом, сигнал емкостного датчика пропорционален величине дипольного момента, и по длительнос ти онта нарастания мржно определи время формирования диполя (лавины). Время жизни диполя также составляет . Наблюдаемое на нижнем луче осциллограммы спадение амплитуды сигнала с временем ft 2-10 с совпадает с постоянной времени входной itenM усилителя. Задержка сигнала акустической эмиссии (верхний луч) по отнсшению к сигналу емкостного датчя ка составляет С, 50 икс, что соответствует времени прохождения звуковой волной акустической базы. Отся да можно приблизительно оценить координату области генерации лавины -Cs-C,. где Сд - скорость звука. Экспериментально измеренное время формирования лавины в случае ; оргстекла вблизи порога генерации: составляет i . Из выраже. НИИ Д4) и (3) с учетом величины аМплктуды сигнала емкостного датчика. («10 в) получаем (1 1 «Ю Кем. Для производных величин имеем TI; -1осм-.я,.«оЛ-, АЯ (Ч- р-Г см/В-c; Од- -iOniA, dA-EpAio-D. Из выражения (3) видно, что чувствительность датчика определяется как ориентацией диполя относительно пластин, так и.местом его образования. С целью повышения точности измерения дипольного момента путем локализации области формирования лавины и ее синхронизации во времени последнюю можноинициировать воздействием на диэлектрик импульсом сфокусированного электромагнитного излучения, например лазерного. Способ позволяет проводить диагностику предпробойного состряния твердых диэлектриков и экспершюитально исследовать параметры лавинного размножения носителей 3«piMta в сильном электрическом поле, что значительно расширяет возможности изучения процессов, протекающих на начальной стадии развития электрического пробоя, а также закладывает физические основы для новой диагностической методики в технике;высоких напряжений.

fAcn

СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПРЕДПРОБОЙНОГО СОСТОЯНИЯ ТВЕРдаХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, основанный на создании в пластине твердого диэлектрика, имеющей электроды, расположенные на ее поверхностях, электрического поля, напряженность которого выше критической величины, отличающийс л тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей путем обеспечения определения координаты места возникновения , времени формирования и дипольного момента лавин носителей. заряда, электроды на поверхностях пластины твердого диэлектрика выполняют плоскими, электрическое поле в пластине твердого диэлектрика, напряженность которого выше критической величины, создают путем облучения пластины.твердого диэлектрика через один из плоских электродов пучком электронов, направленным нормально к ее поверхности, дополнительно измеряют амплитуду и фронт нарастания электрического поля лавины носителей заряда с помощью емкостного датчика, образованного плоскими электродами, расположенными напластине твердого диэлект-рика.