Способ определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1)5 6 01 Я 29/2 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ 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 акустоиндуцированного 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 акустоиндуцированного электрического сигнала, производят суммирование сигналов и по результирующему электрическому сигналу судят о распределении пространственного заряда. 1 ил. к технике измеда в диэлектрит быть испольй и радиоэлектакже научно-исх лабораториях оля внутренних в диэлектриках ьбы с вредными пределения 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 оптичеышение точноственного рася - по остран ст ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического института им, С,М.Кирова(56) Гросс. Эффект облучения в боросиликатном стекле, 1957, т, 107, с. 368,Розно А,ГГромов В.В, Измерениеплотности распределения объемного заряда в твердых диэлектриках. - Письма в ЖГФ,1979, т. 5, вып. 11, с. 648,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ТВЕРДЫХДИЭЛЕКТРИКАХ(57) Использование: изобретение относитсяк технике измерений электрического зарядав диэлектрических материалах и может бытьиспользовано в электротехнической и радиоэлектронной промышленности, а такжев научно-исследовательских и заводских лабораториях для неразрушающего контроля Изобретение относится рения электрического заря ческих материалах и може зовано в электротехническо ронной промышленности, а т следовательских и заводски для неразрушающего контр электростатических зарядов и разработку способов бор их и роя вления ми. Цель изобретени и определения прского 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 б, 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 изменению относительной диэлектрической проницаемости материала диэлектрика. В40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 35 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 диэлектрика при известной пространственно-временной структуре акустического сигнала,Используя известные соотношения теории электрического поля в диэлектриках можно показать, что в случае разомкнутой цепи (режим "холостого хода", т.е. при выполнении условия (С+Со)й /Яе, где Со - емкость незаряженного образца, С - емкость заряженного образца, В - входное сопротивление измерительной схемы,толщина образца, Яе - скорость распределения продольных волн в образце) разность потенциалов, возникающая на электродах 4 и 5 исследуемого диэлектрического образца 2 при распространении в нем акустического импульса, описывается следующим уравнением:Цс)=хб (ЯД Е(г)Р(кЛ)бг, (1)о где- толщина диэлектрического образ- ца 3;Е(г) - напряженность электрического поля в объеме диэлектрика, осьсовпадает с направлением распространения акустиче- СКОЙ ВОЛНЫ;Е х=- модуль всесторонней3 1 - 2,и) объемной упругости (где Е - модуль Юнга, ,и - коэффи иент Пуассона);я+2 2 6(я) =функция относиЗе е тельной диэлектрической проницаемости, учитывающая и возможное изменение от величины приложенного акустического давления и для случая линейного акустического воздействия и для данного типа исследуемого диэлектрического материала, являющаяся постоянной величиной;Р(гд) - амплитуда импульса плоской бегущей акустической волны,В токовом режиме (режим "короткого замыкания", т,е, при выполнении условия (С+Со)й /Яе) регистрации акустоиндуци= -хс.а Я) Х Е(Я.(т-В) дЯа . (10)Яео рованного электрического сигнала амплитуда тока во внешней цепи описывается выражением: Исходя из свойств дельта функции получим 1(1)оеСое(яе) ) Е(е)Р(г,1)бе, (2)о О(1)=хС( Я г)Е(Яе 1) е где Со - емкость "несжатого образца" (первоначальная емкость);Р(,т) - является производной по координате д.,Амплитуда импульса плоской бегущей акустической волны зависит от пространственной и временной координат следующим образом; 10 (т)= - хСоб(Я г)Е(ЯеХ)Яе(12) С учетом одного из уравнений Максвелла,учитывающего связь напряженности электрического поля с плотностью зарядов, аименно Р(гд)=Р(с-г/Яе). (3)(5) Таким образом, полученные соотношения (11) и (14) позволяют при известной амплитуде акустического сигнала, проходящего через заряженный исследуемый диэлектрический образец однозначно опре- .делять пространственное распределение электрического заряда и связанную с ниц напряженность электрического поля.Однако 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 помех, Для отстройки от сигнала помехи импульсом лазерного излучения одновременно воздействуют на переднюю поверхность электрода б, уста новленного с торцевой стороны электрически нейтрального диэлектрического образца 3, В результате термоупругого эффекта в поверхностном слое электрода б генерируется импульс давления, распрост раняющийся со звуковой скоростью вначале по электроду б. В связи с тем, что акустические сопротивления электрода б и диэлектрического образца 3 согласованы, импульс давления передается диэлектрическому 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 В случае достаточно коротких акустических импульсов, длительность которых удовлетворяет условию го /Яе (приближения "короткого удара") верхний предел интегрирования в интегралах (4) и (5) можно положить равным бесконечности. С учетом замены переменных=ы/Яе выражения (4) и (5) принимают вид 1О(т) ХСЗР(Я г) / Е(Яе(т- Я)Р)б, (б)11(т) хСоСЗ(Я г) Х Е(Яе(1- Я)Р(Яс 3(7)Я(о В случае акустических импульсов длительность которых удовлетворяет условию гогэф/Яе, где гэф - толщина диэлектрика в направлении распространения акустических волн, импульс акустического воздействия можно считать дельта-функциональным, т,е,РЫ)=Р д( ),(8) где Ро - амплитуда импульса давления,При этом выражения для О(т) и т) выглядят следующим образом: О(е= - хб( Яг)Е(Яе(т- ф) б , (9) При этом уравнения (1) и (2) принимают следующий вид; где рф - распределение плотности зарядавдоль координаты л, получимпроцессов из-за отсутствия зарядов в объеме электрически нейтрального диэлектрического образца 3 на электродах б 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 акустоиндуцированного 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;1, Введение в блок памяти значений постоянных величин,и, Е, Со, Яе, я. 2. Расчет модуля всесторонней объемЕ ной упругости х - и функции отно 3 (1 - г,и) сительной диэлектрической проницаемости ( ) е+2) 2Зе3, По измеренным значения (с) и Ро расчет по заданной программе пространственного распределения электрического заряда в диэлектрическом образца 2 по формуле, р(Бет)4 лРох Со С (й5 10 15 20 25 30 35 40 45 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, о т л ич а ю щ и й с я 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.1827650// 30 35 40 45 50 Составитель В. ЕкименкоТехред М.Моргентал Корректор .Г. Кос Редактор Заказ 2358 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101