一种多功能空间电荷测量系统及测量方法与流程

本发明属于使用电声脉冲法进行介质材料内空间电荷测量技术领域，具体涉及一种多功能空间电荷测量系统及测量方法。

背景技术：

绝缘介质作为电气、电子器件的关键组成部分，其电气、老化性能直接影响到设备运行的可靠性和寿命。研究表明，空间电荷是引起聚合物电老化的一个重要因素，材料的空间电荷分布能直观反映聚合物电老化程度、机构破坏、陷阱密度及其分布。太空环境对导致天器可靠性影响最严重的是各种能量的电子，电子聚集在介质材料内部或表面都会形成高静电电位，并引发严重影响电子系统正常工作的脉冲放电，严重时直接导致电子器件击穿或烧毁。研究介质材料在高能电子辐照下的空间电荷分布，对于保证航天器的运行可靠性和寿命具有重要意义。

经过20多年发展，电声脉冲法(pea)已被广泛应用于研究固体绝缘介质中空间电荷分布。但是基于电声脉冲法的常规测量空间电荷系统不能用于模拟空间环境进行电子束辐照情况下的空间电荷在线测量，且适用试样规格范围极为狭窄，仅为0.5mm厚度以下。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多功能空间电荷测量系统及测量方法，该系统不仅具有常规空间电荷测量功能，而且将测量范围扩展至5mm及以下厚试样，并且具备在模拟空间真空高能电子环境下对不同厚度的板状材料试样电荷注入和消散规律以及电荷、电场分布进行在线测量的功能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多功能空间电荷测量系统，包括测量上电极1，测量下电极12，与测量上电极1脉冲接入端连接的可调脉冲参数的脉冲发生装置2，与测量上电极1高压接入端连接的直流高压源3，试样设置在测量上电极1和测量下电极12间；所述测量下电极12包括金属外壳8，设置在金属外壳8顶部并与试样的下表面接触的下电极上盖板4，设置在金属外壳8内并与下电极上盖板4下表面紧贴的可改变厚度的薄膜传感器5，罩在薄膜传感器5外部的金属屏蔽壳6，与薄膜传感器5相连的低噪声放大器7，镶嵌在金属外壳8上的面板接头9，面板接头9中有一个信号传输口和一个电源接入口，分别用于传出低噪声放大器7放大的信号和给低噪声放大器7供电，低噪声放大器7与面板接头9相连；与面板接头9的信号传输口连接的积分电路匹配线10，连接在积分电路匹配线10另一端的示波器11。

所述测量上电极1为申请人自主发明专利(专利号：zl201110359855.x)中的电极。

所述脉冲发生装置2能够根据试样厚度调节输入脉冲信号的幅值和脉宽，同时薄膜传感器5通过调节薄膜的厚度以适应不同厚度试样的测量，使得整个测量系统实现对不同厚度的板状试样材料进行测量；所述脉冲发生装置2的脉冲幅值可调范围为0～3600v，脉宽的调节范围为5ns～150ns；薄膜传感器5的薄膜厚度调节范围为5μm～100μm；可测量的试样厚度范围为0.1mm～5mm。

该系统在一般大气环境下外加直流高压进行常规测量，施加电压范围为1kv～50kv；同时也能够在电子辐照环境下实时测量试样的空间电荷分布情况，电子能量范围为10kev～10mev，且该系统在垂直辐射和水平辐射的情况下都能进行实验测量。

所述测量上电极1和测量下电极12通过螺杆和螺母固定连接。

所述积分电路匹配线10主要由电容和电阻构成，用于消除波形的畸变。

上述所述多功能空间电荷测量系统的测量方法，以脉冲电声法作为基本原理，在一般大气环境下施加直流高压进行常规测量时，测量电荷的来源为施压的直流高压源3；根据测量试样的厚度进行脉冲参数和传感器厚度的选择；直流高压源3的施压使得试样内被注入一定极性的电荷，脉冲发生装置2所施加的脉冲在经过试样内部电荷位置时会产生相应极性的声脉冲波；声脉冲波传输经过试样和下电极上盖板4之后被薄膜传感器5接收并转变为电信号，之后输出的电信号波形经过低噪声放大器7放大，并经积分电路匹配线10进行波形修正，最后被示波器11接收，之后将得到的波形对信号数据进行标定和去噪处理，最终获得试样的电荷分布和电场强度分布；

电子辐照环境下的试样的电荷集聚原理为电子的直接注入，在电子辐照环境下该系统的测量不需要接入直流电压，所以不需要直流高压源3，利用测量上电极1直接接受电子注入，电子停留在试样内部直接形成空间电荷，然后利用脉冲发生装置2发出的脉冲激发出与电荷相关的声波信号，声波信号以试样和下电极上盖板4为介质进行传输，被薄膜传感器5接收并转化为相应的电信号；随后电信号经过低噪声放大器7放大，然后经积分电路匹配线10进行波形修正，最后被示波器11获取，之后将得到的波形对信号数据进行标定和去噪处理，最终获得试样的电荷分布和电场强度分布.

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明多功能空间电荷测量系统与普通的空间电荷测量系统相比较的优点如下：(1)该系统可以在一般大气环境下施加直流高压进行常规测量；(2)测量试样厚度由0.1mm一下扩展至5mm；(3)可以在电子辐照的环境下在线测量空间电荷。外加直流电压的调节范围为1kv～50kv，电子辐射能能量的变化范围为10kev～10mev。

2、脉冲发生装置2可以根据所测试样厚度连续调节输入脉冲信号的幅值和脉宽，薄膜传感器5可以根据所测试样厚度调节传感器的厚度，以获得测量不同板状试样所需的测量灵敏度和分辨率。脉冲幅值连续可调范围为0～3600v，脉宽的连续调节范围为5ns～150ns；压电传感器厚度调节范围为5μm～100μm；可测量的试样厚度范围为0.1mm～5mm。

3、该测量系统的测量电极采用机械固定的方向固定牢靠，可以满足正向或者侧向测量的实验要求，适用性更为广泛。

4、采用了专利号为zl201110359855.x中的电极为测量上电极1，可以实时监测观察试样的电荷注入和消散规律，为材料空间电荷的原位在线测量提供了方便。该电极在进行高能电子辐照测量时不用施加直流高压。由上电极表面贯穿到上电极底面的通孔为高能电子注入至板状试样的通道。

5、整个测量系统包括上下电极和连线中的绝缘材料和外套，均采用耐辐射聚合物材料，不仅可以保护本测量系统，而且不会因有机材料脱气而影响测量。

附图说明

图1是本发明多功能空间电荷测量系统的连接示意图。

图2是本发明多功能空间电荷测量系统的测量结果示意图，其中：图2(a)为一般大气环境下的常规测量效果图，图2(b)为电子辐照环境下的测量效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明工作原理作更详细说明。

如图1所示，本发明一种多功能空间电荷测量系统，包括测量上电极1，测量下电极12，与测量上电极1脉冲接入端连接的可调脉冲参数的脉冲发生装置2，与测量上电极1高压接入端连接的直流高压源3，试样设置在测量上电极1和测量下电极12间；所述测量下电极12包括金属外壳8，设置在金属外壳8顶部并与试样的下表面接触的下电极上盖板4，设置在金属外壳8内并与下电极上盖板4下表面紧贴的可改变厚度的薄膜传感器5，罩在薄膜传感器5外部的金属屏蔽壳6，与薄膜传感器5相连的低噪声放大器7，镶嵌在金属外壳8上的面板接头9，面板接头9中有一个信号传输口和一个电源接入口，分别用于传出低噪声放大器7放大的信号和给低噪声放大器7供电，低噪声放大器7与面板接头9相连；与面板接头9的信号传输口连接的积分电路匹配线10，连接在积分电路匹配线10另一端的示波器11。

本发明一种多功能空间电荷测量系统的测量方法为：以脉冲电声法作为基本原理，在一般大气环境下施加直流高压进行常规测量时，测量电荷的来源为施压的直流高压源3。根据测量试样的厚度进行脉冲参数和传感器厚度的选择。直流高压源3的施压使得试样内被注入一定极性的电荷，脉冲源2所施加的脉冲在经过试样内部电荷位置时会产生相应极性的声脉冲波。声脉冲波传输经过试样和下电极上盖板4之后被薄膜传感器5接收并转变为电信号，之后输出的电信号波形经过低噪声放大器7放大，并经积分电路匹配线10进行波形修正，最后被示波器11接收，之后将得到的波形对信号数据进行标定和去噪处理，最终获得试样的电荷分布和电场强度分布。一般大气环境下的常规测量效果如图2中的图2(a)所示，从图中可以看出：波形两端的界面电荷峰为一正一负的异极性电荷峰。由于可以根据试样的情况调整脉冲和传感器的参数，保证了测量的灵敏度，所以波形中电荷峰的特征明显，且在电路匹配线的作用下没有出现严重的波形“过冲”现象。

电子辐照环境下的试样的电荷集聚原理为电子的直接注入，在电子辐照环境下该系统的测量不需要接入直流电压，所以不需要直流高压源3，利用自主发明的专利测量上电极1直接接受电子注入，电子停留在材料内部直接形成空间电荷，然后利用脉冲发生装置2发出的脉冲激发出与电荷相关的声波信号，声波信号以试样和下电极上盖板4为介质进行传输，被薄膜传感器5接受并转化为相应的电信号。随后电信号经过低噪声放大器7放大，然后经积分电路匹配线10进行波形修正，最后被示波器11获取，之后将得到的波形对信号数据进行标定和去噪处理，最终获得试样的电荷分布和电场强度分布。测量效果如图2中的图2(b)所示，该图为水平辐射环境下在线测量得到的波形，从图中可以看出：与一般大气环境下常规测量结果不同，在线测量得到的波形两端的界面电荷峰为同极性的正电荷峰。试样中因为电子辐照而产生的空间电荷对应的负电荷峰十分明显，这是选择了合适的脉冲和薄膜传感器参数的结果。

本发明应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上做相应的变动，均属于本发明的保护范围。