Способ определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках Советский патент 1993 года по МПК G01R29/24 

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 диэлектриках и разработку способов борьбы с вредными их проявлениями.

Цель изобретения - повышение точности определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках за счет учета мощного уровня помех, возникающих при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом твердого диэлектрика и не имеющих строгой временной локализации.

На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления способа измерения распределения пространственного заряда в твердых диэлектриках.

Устройство для осуществления способа содержит импульсный генератор 1 оптичеоо чз ч|

Os СЛ

о

ского излучения, снабженный вторым выходом, идентичным первому, заряженный и электрически нейтральный, диэлектрические образцы 2, 3 в торцевой части каждого из которых установлены по два электрода 4, 5 и 6, 7 соответственно, инвертор 8, блок 9 суммирования, при этом электрические выходы заряженного диэлектрического образца 2 подключены к первому входу блока 9 суммирования, электрический выход электрически нейтрального диэлектрического образца 3 подключен ко входу инвертора 8, по выходу подключенного ко второму входу блока 9 суммирования, выход которого подключен ко входу блока 10 измерений, по выходу подключенного к первому входу блока 11 преобразования и обработки данных, по второму входу соединенному с выходом преобразователя 12 давления, по входу акустически согласованный с поверхностью электрода 5 диэлектрического образца 2.

Изобретение осуществляется следующим образом: импульсом лазерного излучения, генерируемого импульсным генератором 1 оптического излучения, одновременно воздействуют на переднюю поверхность электродов 4 и 6, установленных с торцевых сторон исследуемого диэлектрического образца 2 и электрически нейтрального, идентичного исследуемому, диэлектрического образца 3 соответственно. При взаимодействии лазерного излучения с веществом электрода 4 энергия лазерного излучения практически мгновенно поглощается в локальном объеме, определяемом глубиной проникновения лазерного излучения в вещество и поперечными размерами лазерного импульса. Это, в свою очередь, 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 4, затем за счет дополнительного согласования волновых акустических сопротивлений электрода и диэлектрического образца беспрепятственно проходит в объем исследуемого диэлектрического образца 2. При распространении волны сжатия по диэлектрическому образцу 2 происходит сжатие части исследуемого диэлектрического образца 2, которое приводит, во-первых, к пространственному смещению зарядов, во-вторых, к изменению пространственной концентрации зарядов и диполей, в третьих, к измене- нию относительной диэлектрической проницаемости материала диэлектрика. В

0

результате вышеуказанные явления приводят к возникновению на электродах 4 и 5 исследуемого диэлектрического образца 2 индуцированных зарядов. Изменения величины индуцированных зарядов на электродах 4 и 5 зависят от распределения реальных зарядов и параметров импульса акустического давления, В зависимости от величины сопротивления в измерительной схеме параметры акустоиндуцированного электрического сигнала выражаются через изменения потенциалов или токов, что позволяет в принципе оценить характеристики распределения заряда в объеме

5 диэлектрика при известной пространственно-временной структуре акустического сигнала.

Используя известные соотношения теории электрического поля в диэлектриках

0 можно показать, что в случае разомкнутой цепи (режим холостого хода, т.е. при выполнении условия (C+Co), где С0 - емкость незаряженного образца, С - емкость заряженного образца, R - входное со5 противление измерительной схемы, L - толщина образца, Se - скорость распределения продольных волн в образце) разность потенциалов, возникающая на электродах 4 и 5 исследуемого диэлектрического образца

0 2 при распространении в нем акустического импульса, описывается следующим уравнением:

U(t)xG (Јj/ E(z)P(z,t)dz,

О)

где L- толщина диэлектрического образца 3;

E(z) - напряженность электрического поля в объеме диэлектрика, ось z совпадает с направлением распространения акустической волны:

ад

х о {( -о- модуль всесторонней о { I i fi)

5 объемной упругости (где Е - модуль Юнга, ft - коэффициент Пуассона);

| (е + 2)2 2 . Р-S-- тг -функция относио сЈ

тельной диэлектрической проницаемости, 0 учитывающая и возможное изменение от величины приложенного акустического давления и для случая линейного акустического воздействия и для данного типа исследуемого диэлектрического материала, являю- 5 щаяся постоянной величиной;

P(z,t)- амплитуда импульса плоской бегущей акустической волны.

В токовом режиме (режим короткого замыкания, т.е. при выполнении условия (C+C0)R«L/Se) регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала амплитуда тока во внешней цепи описывается выражением:

:Л

l(t)xCoG(Јr) J E(z)P (z,t)dz, (2) о

где Со - емкость несжатого образца (первоначальная емкость);

P (z,t) - является производной по координате z.

Амплитуда импульса плоской бегущей акустической волны зависит от пространственной и временной координат следующим образом:

P(z,t)P(t-z/Se). (3)

При этом уравнения (1) и (2) принимают следующий вид:

00

i(t)- xCoGfir)/ E(Se(t-S)( 00)

beо

f. Исходя из свойств дельта функции получим

U(t)xG(Јr)E(Set) ое

(11)

10(t)(Јr)E (Set)

Ое

(12)

С учетом одного из уравнений Максвелла,

учитывающего связь напряженности элект15 рического поля с плотностью зарядов, а

именно

dlvE- o,

(13)

20

где p(z) - распределение плотности заряда вдоль координаты z, получим

Использование: изобретение относится к технике измерений электрического заряда в диэлектрических материалах и может быть использовано в электротехнической и радиоэлектронной промышленности, а также в научно-исследовательских и заводских лабораториях для неразрушающего контроля внутренних электростатических зарядов в диэлектриках. Сущность изобретения: целью изобретения является повышение точности измерения распределения пространственного заряда в твердых диэлектриках. Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения распределения пространственного заряда в твердых диэлектриках, заключающемуся в возбуждении акустического сигнала в исследуемом образце импульсами лазерного излучения и регистрацию а ку сто индуцированного электрического сигнала, снимаемого с электродов заряженного образца и характеризующего распределение пространственного заряда, дополнительно облучают электрически нейтральный образец, идентичный исследуемому, регистрируют электрический сигнал, снимаемый с его электродов, инвертируют его относительно акустоинду- цированного электрического сигнала, производят суммирование сигналов и по результирующему электрическому сигналу судят о распределении пространственного заряда. 1 ил. сл с

U(t)xG(Ј r) / E(z)P(t-z/Se)dz.(4)

о

l(t)xG(Ј г)С0 У E(z)P (t-z/Se)dz. (5)

В случае достаточно коротких акустических импульсов, длительность которых удовлетворяет условию (приближения короткого удара) верхний предел интегрирования в интегралах (4) и (5) можно положить равным бесконечности. С учетом замены переменных Ј t-z/Se выражения (4) и (5) принимают вид

00

U(t)-l xG(Ј r) / E(Se(t- S)Pg )dЈ, (6)

00

l(t)lxC0G(Јr) /E(Se(t-3)P (ЈdЈ ()

В случае акустических импульсов длительность которых удовлетворяет условию Т0 гэф/5е, где - толщина диэлектрика в направлении распространения акустических волн, импульс акустического воздействия можно считать дельта-функциональным, т.е.

Р(Ј)(Ј),

где Ро - амплитуда импульса давления.

При этом выражения для U(t) и l(t) выглядят следующим образом:

00

U((Јr)/ E(Se(t-§)(Sdt, (9) Оеп

25

(t)pxCoG(Јr)p(Set)

(14)

Таким образом, полученные соотношения (11) и (14) позволяют при известной амплитуде акустического сигнала, прохоЗо дящего через заряженный исследуемый диэлектрический образец однозначно определять пространственное распределение электрического заряда и связанную с ниу напряженность электрического поля.

35Однако на акустоиндуцированный сигнал, снимаемый с электродов 4 и 5 диэлектрического образца 2, накладывается сигнал помехи, возникающий в результате взаимодействия импульсного лазерного излучения

40 с веществом твердого диэлектрика и действия электромагнитных погчех. Для отстройки от сигнала помехи импульсом лазерного излучения одновременно воздействуют на переднюю поверхность электрода 6, уста45 новленного с торцевой стороны электрически нейтрального диэлектрического образца 3. В результате термоупругого эффекта в поверхностном слое электрода 6 генерируется импульс давления, распрост50 раняющийся со звуковой скоростью вначале по электроду 6. В связи с тем, что акустические сопротивления электрода 6 и диэлектрического образца 3 согласованы, импульс давления передается диэлектриче55 скому образцу 3 без искажений. При распространении импульса давления со звуковой скоростью по диэлектрическому образцу 3 происходит сжатие части электрически нейтрального диэлектрического образца 3. Однако в результате происходящих

процессов из-за отсутствия зарядов в объеме электрически нейтрального диэлектрического образца 3 на электродах 6 и 7 не возникает акустоиндуцированный электрический сигнал, но при этом появляется сигнал помехи, имеющий одинаковую полярность с полезным сигналом. Сигнал помехи вначале инвертируют с помощью инвертора 8 относительно полезного аку- стоиндуцированного электрического сигнала, снимаемого с электродов 4 и 5, а затем складывают с полезным сигналом в блоке суммирования 9. Результирующий сигнал без помехи с выхода блока 9 суммирования подается на вход блока 10 регистрации измерений, выходной сигнал которого подается на вход блока 11 преобразования и обработки данных, где по заданной программе происходит расчет искомого пространственного распределения электрического заряда в диэлектрическом образце 2 при известной амплитуде акустического давления, измеряемой с помощью преобразователя 12 давления.

Алгоритм работы блока 11 преобразования и обработки данных заключается в следующем:

сительной диэлектрической проницаемости

G(Ј r).

P(5et)

WS

4 П Ро X С0 G (Јг)

В соответствии с изобретением точность определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках значительно выше, чем в прототипе, основанном на возбуждении акустического сигнала в исследуемом образце импульсами лазерного излучения и регистрацию акустоиндуцированного электрического сигнала, снимаемого с электродов

заряженного образца и характеризующего распределение пространственного заряда, и не учитывающем наличие мощного уровня помех, возникающих при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом твердотельной мишени и не имеющих строгой временной локализации, что делает практически невозможным определение распределения пространственного заряда в диэлектриках с умеренной величиной объемной плотности. Кроме того, изобретение делает возможным автоматизацию процедуры измерений распределения пространственного заряда в диэлектрических материалах.

Формула изобретения

Способ определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках, включающий возбуждение акустического сигнала в исследуемом образце импульсами лазерного излучения и регистрацию акустоиндуцированного электрического сигнала, снимаемого с электродов заряженного образца и характеризующего пространственное распределение электрического заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках, дополнительно облучают электрически нейтральный образец, идентичный исследуемому, регистрируют электрический сигнал, снимаемый с его электродов, инвертируют его относительно акустоиндуцированного электрического

сигнала, производят суммирование сигналов и по результирующему электрическому сигналу судят о пространственном распределении электрического заряда.