Способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков

40 На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - распределение напряженнос- у Изобретение относится к техникеиспытания диэлектрических материалов.Известен способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков 1, основанный на регистрации индуцированного радиацией токав предварительно заряженном плоскомконденсаторе, содержащем пленку исследуемого диэлектрического материала.1 ООднако этот способ позволяет определять только величины ф рФ, гдеГ - число генерируемых носителей наединицу дозы, р - подвижность носителей,- ьремя жизни носителей, 15Наиболее близким техническим решением к изобретению является,способ диагностики предпробойного состояния твердых диэлектриков 21,основанный на создании в пластинетвердого диэлектрика, имеющей электроды, расположенные на ее поверхностях,электрического поля, напря-женность которого выше критическойвеличины. 25Недостатком этого способа является низкая точность и невозможностьизмерения основных параметров лавинносителей заряда: координаты меставозникновения, времени формированияи дипольного момента.Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональныхвозможностей способа диагностикипутем обеспечения определения координаты места возникновения, времениформирования и дипольного моменталавин носителей заряда,Поставленнаяцель достигаетсятем, что по способу диагностикипредпробойного состояния твердыхдиэлектриков, основанному на созда-,нии в пластине твердого диэлектрика,имеющей электроды, расположенные наее поверхностях, электрического поля,напряженность которого выше критической величины, электроды на поверхностях пластины твердого диэлектрика выполняют плоскими, электрическоеполе в пластине твердого диэлектрика, напряженность которого выше кри Отической величины, создают путемоблучения пластины твердого диэлектрика через один из плоских электродов пучком электронов, направленнымнормально к ее поверхности, дополнительно измеряют амплитуду и фронтнарастания электрического поля лавины носителей заряда с помощью емкостного датчика, образованногоплоскими электродами, расположенными на пластине твердого диэлектрика. 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 МэВ, 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 законуЕмаксгде фь й 50 с,По достижении критической напряженности поля ПЗ (в случае оргстекла 5 10 з 8/см, с 30 с) в объемеобразца спорадически генерируютсяэлектронные лавины, электрическоеполе которых регистрируют при помощиемкостного датчика. дальнейшее увеличение напряженности поля ПЗ вобразце (по величины ъ 110 В/см)может привести к его необратимомуэлектрическому пробою,Распределение напряженности поляв образце, соответствуецее порогугенерации лавин, представлено нафиг. 2, В процессе инжекции в образец отрицательного заряда на егоповерхности образуется равный повеличине компенсирующий положительный .заряд (за счет притягиванияположительных ионов из воздуха), т.е.вне образца поле отсутствует и разность потенциалов между. плоскимиэлектродами емкостного датчика равна О. Таким образом, датчик реагирует только иа Флуктуации внутреннего электрического поля. Время сохранения ПЗ в образце определяетсявременем диэлектрической релаксации.(2)1где 6 а - темновая проводимость, и для большинства диэлектриков составляет 10 - 10 С и более. Время спадания радиационноиндуцированной проводимости не превышает 10 4 с, т,е. поле в образце можно считать стационарным практически сразу после прекращения обчучения. Величина поглощенной дозы в процессе инжекции ПЗ не превышает 1 Мрад и не приводит к необратимым изменениям электрофизических свойств материала,1где С - емкость датчика с образцомаФ6 - угол между 3 и направлением на элемент. площади поверхности датчика 4456 - 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 -У, Наблюдаемое на нижнем луче осциллограмьы спадение амплитуды сигвала с временем в 210 фс совпадает 40 45 50 Была получена характерная осциллограмма сигнала емкостного датчика (нижний луч) при напряженности поля ПЗ 5 ф 10 ф В/см, чувствительность 0,1 В/дол, скорость развертки . 50 мкс/дел, На верхнем луче - сигнал акустического шума, измеренный при, помоюи пьезодатчика (0,05 В/дел 50 мкс/дел) . Наблюдаемые сигналы имеют следующую 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//Е т.е. в случае плоскопараллельной геометрии 6 перпендикулярен плоскости пластины. В этом случае сигнал емкостного датчика определяетсявыражением с постоянной времени входной .цени усилителя. Задержка сигнала акустй ческой эмиссии (верхний луч) па отношению к сигналу емкостного датчика составляет 8 а 50 мкс, что соответствует времени прохождения звуковой волной акустической базы. Отав да можно приблизительно оценить координату области генерации лавины.Х Сб.где Св - скорость звука.Экспериментально измеренноевремя Формирования лавины в случаеоргстекла вблизи порога генераций.составляет с й 3 10-1 с. Кэ выраже-,ний (4) и (3) с учетом величины ам-плитуды сигнала емкост ного датчика10 Б) получаем д 110 ф Ком.Для производных величин имеем"л с лфл ф л с "0 Пж.еИз выражения (3) видно, что чувствительность датчика определяется как ориентацией днполя относительнопластин, так и.местом его образования. С целью повышения .точности измерения дипольного момента путем ло. кализации области Формирования лавины и ее синхронизации во времени последнюю можно инициировать воздействием на диэлектрик импульсом сфокусированного электромагнитного излучения, например лазерногоСпособ позволяет .проводить диагностику предпробойного состояния твердых диэлектриков и эксперимен" тально исследовать параметры лавинного. размножения носителей зарйда 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.1012675 ЕШЬТЕ -Х у 0648/7 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного комитета СС по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб , дПодпи оноСР ка Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Л, Смирнов дактор Л. Утехина Техред Т.Маточка Корректор А. Дзятко