Способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков

 

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 .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГЮБЛИМ (19) (И) ЗСЮ 6 01 К 31/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР гю делАм изОБРетений и ОтнРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ е(21) 3336457/18-25 (22) 29.06.81 (46) 23.12 ° 83. Рюл. 9 47 (72) В.Л.уваров, Г.Н.Протасюк и Б.И.Моисеенко (53) 621.382(088.8) (56) 1. Н.С.Костюков и др. Радиационное электроматериаловедение.

М., Атомиздат, 1979, с. 25 ° .2. Г.А.Воробьев, И.С.Пикалова.

Некоторые физические процессы в каменной соли в предельных электрических полях. "Физика твердого тела" т. 9, вып. 4, 1967, с. 961 (прототип) . (54)(57) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПРЕДПРОБОЙНОГО СОСТОЯНИЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, основанный на создании в пластине твердого диэлектрика, имеющей электроды, расположенные на ее поверхностях, электрического поля, напряженность которого выше критической величины, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точ. ности и расширения функциональных воэможностей путем обеспечения Оп.ределения 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 плоскйми электродами, расположенными на пластине твердого диэлект-рика.

1012675

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализаци1л способа; на фиг. 2 - распределение напряженнос- у

Изобретение относится к технике испытания диэлектрических материалов.

Известен способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков )1) основанный на регистрации индуцированного радиацией тока в предварительно заряженном плоском конденсаторе, содержащем пленку исследуемого диэлектрического материала.

Однако этот способ позволяет определять только величины g рФ, где ф - число генерируемых носителей на единицу дозы, р — подвижность носителей, — ьремя жизни носителей. 15

Наиболее близким техническим решением к изобретению является,способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков $2) основанный на создании в пластине 2р твердого диэлектрика. имеющей электроды, расположенные на ее поверхностях,электрического поля, напря- женность 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 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- gp тической 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 на пластине твердого диэлект- 6О рика. ти электрического поля по толщине пластины твердого диэлектрика.

Устройство содержит пластину твердого 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 ИэВ, обеспечивающей термализацию 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 где "i, "-50 с

По достижении критической напря женности поля ПЗ (в случае оргстекла 5 10 В/см, с е 30 с) в объеме образца спорадически генерируются электронные лавины, электрическое поле которых регистрируют при помощи емкостного датчика. дальнейшее увеличение напряженности поля ПЗ в образце (по величины 1 10 B/ñM) может привести к его необратимому электрическому пробою.

Распределение напряженности поля в образце, соответствуницее 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.е. вне образца поле отсутствует и разность потенциалов между. плоскими электродами емкостного датчика равна О. Таким образом, датчик реагирует только иа Флуктуации внутреннего электрического поля. Время сохранения ПЗ в образце определяется временем диэлектрической релаксации.

Т6 (2j

1 где э — темновая проводимость, и для большинства диэлектриков составляет 10 - 10 С и более. Время спадания радиационноиндуцированной проводимости не превышает 10 4с, т.е. поле в образце можно считать стационарным практически сразу после прекращения обчучения. Величина поглоь.„енной дозы в процессе инжекции ПЗ не превышает 1 Мрад и не приводит к необратимым изменениям электрофизических свойств материала.

1012675

А1 С05 6-

"= »с 1 е

1 где С - емкость датчика с образцом

Ф

Ф

6 — угол между 3» и направлением на элемент. площади поверхности датчика 4В расстояние до него; б - ллощадь пластин.

Таким образом, сигнал емкостного датчика пропорционален величине днпольного момента, и по длительности фронта нарастания можно определить время формирования диполя (лавины).

Время жизни диполя также составляет

- М, Наблюдаемое на нижнем луче осциллограмьы спадение амплитуды сигнала с временем 2-10 с совпадает

45

Была получена характерная осциллограмма сигнала емкостного датчика (нижний луч) при напряженности поля

ПЗ 5 10 В/см, чувствительность

0,1 В/дол, скорость развертки . 50 мкс/дел. Ка верхнем луче — сигнал акустического шума, измеренный при . помоци пьезодатчика (0,05 В/дел

50 мкс/дел) . -Наблюдаемые сигналы имеют следуюшую природу. При напряженности поля выше пороговой в ди- 10 электрике в зоне проводимости появляются кваэисвободные электроны, например, за счет ионизации дефектов по механизму Френкеля-Пула.

Электроны ускоряются в поле ПЗ и образуют лавину, эа головкой которой остается положительный заряд дырок, т.е. формируется диполь.

Возникновение диполя сопровождается акустической волной, природа ко- 20 торой связана с импульсным термоупругим расширением среды вследствие диссипации кинетической энергии лавины. Кроме того, диполь создает электрическое поле, регистрация которого позволяет определить величину и время формирования диполя. Поскольку лавина распространяется вдоль вектора напряженности поляЕ, то дипольный помент лавины дд//E т.е. в случае плоскопараллельной геометрии d перпендикулярен плоскости пластины. В этом случае сигнал емкостного датчика определяется выражением. (4) Хл 5 где Св - скорость звука.

Экспериментально измеренное время формирования лавины в случае оргстекла вблизи порога генерации составляет с< 3 10-1 с. Кэ выраже-. ний (4) и (3) с учетом величины ам- плитуды сигнала емкост ного датчика (10 В) получаем д a 1 ° 10 7 Ком.

Для производных величин имеем. у (JAN - .ед » 1 =ИО см,q = — <. ð +g.

-! "6 е.

«„ /Е с; g„ — y0®Д °:

"л с л

®л = л Ес "10 Ож.

Из выражения (3) видно, что чувствительность датчика определяется как ориентацией днполя относительнопластин, так и.местом его образования. С целью повышения .точности из- . мерения дипольного момента путем локализации области формировании лавины и ее синхронизации во времени последнюю можно инициировать воздействием на диэлектрик импульсом сфокусированного электромагнитного излучения, например. лазерного.

Способ позволяет проводить диагностику предпробойного состоянии твердых диэлектриков и эксперимен тально исследовать параметры лавинного. размножения носителей заряда в сильном электрическом поле, что значительно расширяет возможности изучения процессов, протекакицих на начальной стадии развития электрического пробоя, а также закладывает физические основы дпя новой диагностической методики в технике. высоких напряжений. с постоянной времени входной цепи усилителя. Задержка сигнала акусти ческой эмиссии (верхний луч) по отношению к сигналу емкостного датчика составляет 8 е 50 мкс, что соответствует времени прохождения звуковой волной акустической базы. Отаэ да можно приблизительно оценить координату области генерации лавины.

EØ6ì

-Х у

Составитель Л. Смирнов

Редактор Л. Утехина Техред T.Èàòo÷êà Корректор А, Дзятко

Заказ 10648/7 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4