Способ определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках Советский патент 1992 года по МПК G01R31/00 

(Л

С

Изобретение относится к материаловедению. Способ осуществляется устройством, содержащим импульсный генератор 1 оптического излучения, светоделительные пластины 2, 3, 4, зеркала 5, 6, электроды 7, 8, управляемые усилители 10, 11, фотоприемники 12,13, управляемые линии 14,15,17 задержки, блок 16 суммирования, инвертор 18, блок 19 регистрации. 2 ил

XI

со о со

ND О

Изобретение относится к технике измерения электрического заряда в диэлектрических материалах и может быть использовано в электротехнической и радиоэлектронной промышленности, а также научно-исследовательских и заводских лабораториях для неразрушающего контроля внутренних электростатических зарядов в диэлектрических материалах и разработки способов устранения последствий электризации.

Известен радиационный способ определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, основанный на определении тока во внешней цепи исследуемого образца. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник/3 -излучения, детектор и регистрирующий прибор.

Недостатком данного радиационного способа и устройства для его реализации является искажение первоначального распределения объемного электрического заряда в исследуемом образце и невысокая точность определения его пространственного распределения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являетсяспособопределенияпространственного распределения объемного электрического заряда, заключающийся в возбуждении акустического сигнала в исследуемом образце импульсами лазерного излучения и регистрации акустоиндуци- рованного электрического сигнала, характеризующего пространственное распределение объемного электрического заряда в твердых диэлектриках. Устройство для осуществления этого способа содержит импульсный лазер, измерительную ячейку для установки исследуемого образца и регистрирующий прибор.

Недостатком данного способа и устройства для его реализации является невозможность устранения влияния мощных помех, возникающих при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом исследуемого твердотельного диэлектрического образца и неимеющих строгой временной локализации, что чрезвычайно затрудняет борьбу с ними и не позволяет достичь высокой точности определения пространственного распределения объемного электрического заряда в исследуемом образце.

Цель изобретения - повышение точности определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках.

В соответствии с предлагаемым техническим решением поставленная цель достигается тем, что по способу определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, заключающимся в том, что возбуждают на поверхности исследуемого образца твердого диэлектрика акустический сигнал импульсом лазерного излуче0 ния и регистрируют акустоиндуцированный электрический сигнал, одновременно возбуждают акустический сигнал на противоположной поверхности образца исследуемого твердого диэлектрика, реги5 стрируют соответствующий акустоиндуцированный электрический сигнал, инвертируют его, совмещают сигналы во времени и производят их суммирование, а пространственное распределение объемно0 го электрического заряда определяют по результирующему сигналу.

Использование импульса лазерного излучения для одновременного возбуждения акустического сигнала с двух сторон иссле5 дуемого диэлектрика позволяет регистрировать акустоиндуцированный сигнал с минимальными искажениями его пространственно-временной структуры, вызванными сигналом помехи, возникающим в результа0 те взаимодействия лазерного излучения с веществом диэлектрического образца, что значительно повышает точность определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлект5 риках.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения пространственного распределения объемного электрического

0 заряда в твердых диэлектриках; на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства. Устройство состоит из импульсного генератора 1 оптического излучения (например, лазера ОГМ-20), светоделительных

5 пластин 2-4 с коэффициентом деления 0,5, зеркал 5 и 6, электродов 7 и 8, устанавливаемых с торцовых сторон диэлектрического образца 9 и электрически соединенных с соответствующими входами управляемых

0 усилителей 10 и 11, фотоприемников 12 и 13 (например, ФЭУ-09), причем выход фотоприемника 12 соединен с входом управляемой линии 14 задержки, по выходу соединенной с входом управляемого усили5 теля 10, по выходу подключенного к входу управляемой линии 15 задержки, по выходу соединенной с первым входом блока 16 суммирования, а выход фотоприемника 13 соединен с входом управляемой линии 17 задержки, по выходу подключенной к второму входу управляемого усилителя 11, по выходу соединенного с входом инвертора 18, выход которого подключен к второму входу блока 16 суммирования, по выходу соединенного с блоком 19 регистрации.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Импульсом лазерного излучения, генерируемого импульсным генератором 1 оптического излучения, одновременно воздействуют на переднюю поверхность электродов 7 и 8, устанавливаемых с торцовых сторон диэлектрического образца 9. При взаимодействии лазерного излучения с веществом электродов энергия лазерного излучения практически мгновенно поглощается в локальном объеме, определяемом глубиной проникновения лазерного излучения в вещество и поперечными размерами лазерного импульса. Это, учитывая нестационарный характер излучения, приводит к формированию поля термоупругих механических напряжений, разгрузка которых идет путем излучения из зоны возбуждения волны сжатия, которая распространяется со звуковой скоростью вначале по электроду, затем за счет дополнительного согласования волновых акустических сопротивлений электрода и диэлектрического образца беспрепятственно проходит в объем диэлектрического образца. При распространении первой волны сжатия от переднего электрода по диэлектрическому образцу происходит сжатие части заряженного диэлектрического образца, которое приводит к изменению расстояния между зарядами и к изменению относительной диэлектрической проницаемости сжатой части диэлектрика. В результате происходящих процессов на сигнальном электроде возникает ток H(t) в момент времени ti

dc

-g-, где d - толщина диэлектрического образца; St - скорость распространения акустической волны в диэлектрическом образце.

Форма и величина возникающего тока I,, (t) однозначно связана с искомым распределением пространственного заряда соотношением

H(t) 4 JiXG (Ef Ро/ р (Set) l(t) dt, (1)

о

где Se - скорость распространения продольных акустических волн в диэлектрическом образце;

X - объемная упругость материала диэлектрика;

G ( Ег) - функция относительной диэлектрической проницаемости, учитывающая ее возможное изменение от величины приложенного акустического давления;

р (Set) - плотность распределения электрического заряда в объеме диэлектрика; Ро - амплитуда плоской бегущей волны; l(t) - функция, описывающая изменение импульса лазера во времени.

Однако на токовый сигнал H(t), снимаемый с электродов диэлектрического образца, накладывается сигнал помехи, возникающий в результате взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом твердого диэлектрика и действия в результате запуска импульсного генератора оптического излучения электромагнитных помех.

При взаимодействии второго импульса

лазерного излучения с веществом противоположного электрода диэлектрического образца в результате термоупругого эффекта в поверхностном слое электрода генерируется акустическая волна сжатия, которая начинает распространяться вначале по второму электроду, а затем за счет дополнительного согласования волновых акустических сопротивлений электрода и диэлектрического образца беспрепятственно проходит в объем диэлектрического образца. При распространении акустической волны сжатия по зарядовой области, расположенной внутри диэлектрического образца, сжатие части заряженного

диэлектрического образца не приводит к возникновению тока на сигнальном электроде, так как акустическая волна сжатия начинает распространяться от сигнального (второго) электрода. Проходя без отражения

зарядовую область, акустическая волна сжатия достигает поверхности переднего электрода и на границе раздела сред (акустически свободная граница) отражается от нее в виде волны разряжения. При распространении отраженной волны разряжения по диэлектрическому образцу в обратном направлении растяжение части заряженного диэлектрического образца приводит к изменению расстояния между зарядами и к

изменению относительной диэлектрической проницаемости части диэлектрического образца. В результате происходящих процессов на сигнальном электроде возниО Н

кает ток l2(t) в момент времени t2 -F-. где

d - толщина диэлектрического образца. Форма и величина возникающего тока l2(t) связаны с исковым распределением пространственного заряда соотношением (1). В

связи с тем, что акустическая волна разряжения противофазна волне сжатия, т.е.

I2{t) h(t)ei2;r,

на токовый сигнал l2(t) также накладывается сигнал помехи, возникающий в результате взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом твердого диэлектрика и действия электромагнитных помех, При этом сигнал помехи, накладываемый на токовый сигнал l2(t), идентичен сигналу помехи, накладываемому на токовый сигнал h(t), так как они вызваны действием одного источника помехи. Инвертирование токового сигнала la(t), а следовательно, и сигнала помехи и его сложение с токовым сигналом h(t) приводит к устранению сигнала помехи и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум, что приводит к увеличению точности определения распределения пространственного заряда в твердых диэлектриках, о котором судят по результирующему суммарному сигналу.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках заключается в. следующем. Импульсом лазерного излучения, генерируемого импульсным генератором 1 оптического излучения, с помощью светоделительных пластин 2-4 с коэффициентом деления 0,5 и зеркал 5 и 6 одновременно воздействуют на переднюю поверхность электродов 7 и 8, устанавливаемых с торцовых сторон диэлектрического образца. В поверхностном слое электродов 7 и 8 возбуждаются импульсы давления, которые распространяются по диэлектрическому образцу 9 один навстречу другому со звуковой скоростью. При прохождении первого импульса давления через зарядовую область происходит сжатие части заряженного диэлектрического образца 9, которое приводит к изменению расстояния между зарядами и изменению относительной проницаемости сжатой части диэлектрика. В результате происходящих процессов на сигнальном электроде 8 возникает импульс тока h(t) в момент времени

d

ti , где d - толщина диэлектрического bi

образца; Si - скорость распространения акустических волн в диэлектрическом образце (фиг.2), Импульс тока h(t) поступает на вход управляемого усилителя 10, на стробируемый вход которого подается импульс напряжения с выхода управляемой линии14 задержки, время задержки которой Г31 ti - toi, где toi - время воздействия

первого лазерного импульса на переднюю поверхность электрода 7. На вход управляемой линии задержки поступает электрический импульс с выхода фотоприемника 12,

преобразующего первый лазерный импульс импульсного генератора 1 оптического излучения, поступающего на вход фотоприемника 10 с помощью светоделительных пластин 2 и 3 с коэффициентом деления 0,5

и зеркала 5, в электрический сигнал. С выхода управляемого усилителя 10 импульс тока подается на вход управляемой линии 15 задержки, по выходу соединенной вторым входом блока 16 суммирования. Время задержки определяется временем прихода второго импульса тока на второй вход блока

16 суммирования, т.е. т32 г - ti

26 St

Se время возникновения второго импульса тока на сигнальном электроде

8; d - толщина диэлектрического образца 9.

При прохождении второго импульса

давления по диэлектрическому образцу

5 сжатие части заряженного диэлектрического образца 9 не приводит к возникновению импульса тока на сигнальном электроде 8, так как в этом случае акустическая волна сжатия распространяется от него в обрат0 ном направлении. Однако второй акустический импульс в виде волны сжатия, проходя зарядовую область без отражений, достигает поверхностного слоя электрода 7, отражается от него и начинает

5 распространяться по диэлектрическому образцу 9 в обратном направлении в виде волны разряжения. Отраженная от поверхностного слоя электрода 7 акустическая волна в виде волны разряжения начи0 нает распространяться в обратном направлении по диэлектрическому образцу 9 в противофазе с падающей на границу раздела сред (акустически свободная граница) акустической волной сжатия. При этом

5 растяжение части заряженного диэлектрического образца 9 приводит к изменению расстояния между зарядами и к изменению относительной диэлектрической проницаемости чагги диэлектрического образца. В

0 результате инвариантности происходящих процессов на сигнальном электроде 8 возникает импульс тока J2(t) в момент времени 2d

t2:

Si

-,имеющий противоположную

полярность (фиг.2) по сравнению с импульсом тока h(t), вызванным прохождением первой волны сжатия, возбуждаемой в поверхности слое электрода 7 в результате термоупругого эффекта первым лазерным

импульсом. Импульс тока la(t) подается на вход управляемого усилителя 11, на строби- рующий вход которого подается импульс напряжения с выхода линии 17 задержки, время задержки которой - to2, где to2 - время воздействия второго лазерного импульса на переднюю поверхность электрода 8. На вход линии 17 задержки подается электрический сигнал, с выхода фотоприемника 13, преобразующего второй лазерный импульс импульсного генератора 1 оптического излучения, поступающего на вход фо- топриемника 13 с помощью светоделительных пластин 2 и 4 с коэффициентом деления 0,5 и зеркала 6. С выхода управляемого усилителя 11 импульс тока I2(t) подается на вход инвертора 18. Последний инвертирует импульс тока l2(t) и сигнал помехи, накладываемый на токовый сигнал в результате взаимодействия лазерного из- лучения с веществом диэлектрического образца 9 и действия электромагнитных помех. С выхода инвертора 18 импульс тока l2(t) положительной полярности совместно с сигналом помехи отрицательной полярно- сти подается на второй вход блока 16 суммирования, на второй вход которого поступает с выхода линии 15 задержки импульс тока h(t) положительной полярности совместно с сигналом помехи положитель- ной полярности. В результате суммирования сигналов на выходе блока 16 суммирования результирующий сигнал равен l(t) h(t)+ l2(t) 2M(t), так как h(t) l2(t). При этом сигналы помехи, накладываемые на токовые сигналы, взаимно вычитаются, что приводит к значительному повышению отношения сигнал/шум и, следовательно, к повышению точности определения пространственного распределения объемного электрического заряда в диэлектрическом образце. Результирующий сигнал l(t) с выхода блока 16 суммирования подается на вход блока 19 регистрации.

Таким образом, одновременно возбуж- дая зондирующие акустические сигналы с

противоположных сторон диэлектрического образца импульсами лазерного излучения, регистрируя акустоиндуцированные электрические сигналы, а также инвертируя один из них и проводя дальнейшее сложение сигналов, можно с достаточно высокой точностью определять пространственное распределение объемного электрического заряда в диэлектрическом образце.

В предлагаемом способе точность определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках значительно выше, чем в известном. В предлагаемом способе результирующий сигнал, по форме и величине которого судят о пространственном распределении объемного электрического заряда, практически не зависит от уровня и характера помех. Кроме того, предлагаемый способ позволяет автоматизировать процесс определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках.

Формула изобретения Способ определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, заключающийся в том, что возбуждают на поверхности исследуемого образца твердого диэлектрика акустический сигнал импульсом лазерного излучения и регистрируют акустоиндуцированный электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения пространственного распределения электрического заряда, одновременно возбуждают акустический сигнал на противоположной поверхности образца исследуемого твердого диэлектрика, регистрируют соответствующийакустоиндуцированныйэлектрический сигнал, инвертируют его, совмещают сигналы во времени и производят их суммирование, а пространственное распределение объемного электрического заряда определяют по результирующему сигналу.