Способ определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках

 

Изобретение относится к материаловедению . Способ осуществляется устройством , содержащим импульсный генератор 1 оптического излучения, светоделительные пластины 2, 3, 4, зеркала 5, 6, электроды 7, 8, управляемые усилители 10, 11, фотоприемники 12,13, управляемые линии 14,15,17 задержки, блок 16 суммирования, инвертор 18, блок 19 регистрации. 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 G 01 R 31/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4811972/21 (22) 09.04,90 (46) 07,06.92. Бюл. М 21 (71) Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического института им. С.М,Кирова (72) В.К.Жуков, В.Ю.Екименко и B.È.Ñèìàíчук (53) 621,317.799(088.8) (56) Gross В, Эффект облучения в боросиликатном стекле. — Plus., Rev, 1957, ч.107, р.368.

Розно А.Г., Громов В.B. Измерение плотности распределения объемного заряда в твердых диэлектриках. Письма в ЖТФ, т.5, KL 11, с.648, 1979. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В

ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ (57) Изобретение относится к материаловедению. Способ осуществляется устройством, содержащим импульсный генератор 1 оптического излучения, светоделительные пластины 2, 3, 4, зеркала 5, 6, электроды 7, 8, управляемые усилители 10, 11, фотоприемники 12, 13, управляемые линии 14, 15, 17 задержки, блок 16 суммирования, инвертор

18, блок 19,регистрации. 2 ил, 1739320

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 диэлектрических материалах и разработки способов устранения последствий электризации.

Известен радиационный способ определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, основанный на определении тока во внешней цепи исследуемого образца, Устройство, реализующее этот способ, содержит источник)3-излучения, детектор и регистрирующий прибор.

Недостатком данного радиационного способа и устройства для его реализации является искажение первоначального распределения объемного электрического заряда в исследуемом образце и невысокая точность определения его пространственного распределения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ- определения пространственного распределения объемного электрического заряда, заключающийся в возбуждении акустического сигнала в исследуемом образце импульсами лазерного излучения и регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала, характеризующего пространственное распределение объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, Устройство для осуществления этого способа содержит импульсный лазер, измерительную ячейку для установки исследуемого образца и регистрирующий прибор.

Недостатком данного способа и устройства для его реализации является невозможность устранения влияния мощных помех, возникающих при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом исследуемого твердотельного диэлектрического образца и неимеющих строгой временной локализации, что черезвычайно затрудняет борьбу с ними и не позволяет достичь высокой точности определения пространственного распределения объемного электрического заряда в исследуемом образце.

Цель изобретения — повышение точности определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках.

В соответствии с предлагаемым техническим решением поставленная цельдостигается тем, что по способу определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, заключающимся в том, что возбуждают на поверхности исследуемого образца твердого диэлектрика акустический сигнал импульсом лазерного излучения и регистрируют акустоиндуцированный электрический сигнал, одновременно возбуждают акустический сигнал на противоположной поверхности образца исследуемого твердого диэлектрика, регистрируют соответствующий акустоиндуцированный электрический сигнал, инвертируют его, совмещают сигналы во времени и производят их суммирование, а пространственное распределение объемного электрического заряда определяют по результирующемуу сигналу.

Использование импульса лазерного излучения для одновременного возбуждения акустического сигнала с двух сторон исследуемого диэлектрика позволяет регистрировать акустоиндуцированный сигнал с минимальными искажениями его пространственно-временной структуры, вызванными сигналом помехи, возникающим в результа- . те взаимодействия лазерного излучения с веществом диэлектрического образца, что значительно повышает точность определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый спо- . соб определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках; на фиг.2— временные диаграммы работы устройства.

Устройство состоит из импульсного генератора 1 оптического излучения (например, лазера ОГМ вЂ” 20), светоделительных пластин 2 — 4 с коэффициентом деления 0,5, зеркал 5 и 6, электродов 7 и 8, устанавливаемых с торцовых сторон диэлектрического образца 9 и электрически соединенных с соответ:твующими входами управляемых усилителей 10 и 11, фотоприемников 12 и 13 (н an ример, Ф ЭУ вЂ” 09), и ричем выход фотоприемника 12 соединен с входом управляемой линии 14 задержки, по выходу соединенной с входом уп равляемого усилителя 10, по выходу подключенного к входу управляемой линии 15 задержки, по выходу соединенной с первым входом блока 16 суммирования, а выход фотоприемника 13 соединен с входом управляемой линии 17 задержки, по выходу подключенной к второ1739320

10

20

40

55 му входу управляемого усилителя 11, по выходу соединенного с входом инвертора 18, выход которого подключен к второму входу блока 16 суммирования, по выходу соединенного с блоком 19 регистрации.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Импульсом лазерного излучения, генерируемого импульсным генератором 1 оптического излучения, одновременно воздействуют на переднюю поверхность электродов 7 и 8, устанавливаемых с торцовых сторон диэлектрического образца 9.

При взаимодействии лазерного излучения с веществом электродов энергия лазерного излучения практически мгновенно поглощается в локальном объеме, определяемом глубиной проникновения лазерного излучения в вещество и поперечными размерами лазерного импульса. Это, 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, затем за счет дополнительного согласования волновых акустических сопротивлений электрода и диэлектрического образца беспрепятственно проходит в объем диэлектрического образца. При распространении первой волны сжатия от переднего электрода по диэлектрическому образцу происходит сжатие части заряженного диэлектрического образца, которое приводит к изменению расстояния между зарядами и к изменению относительной диэлектрической проницаемости сжатой части диэлектрика. В резул ьтате и роисходящих процессов на сигнальном электроде возникает ток 1<(t) в момент времени t> = о

Se —, где d — толщина диэлектрического образца; $е — скорость распространения акустической волны в диэлектрическом образце.

Форма и величина возникающего тока

1„(с) однозначно связана с искомым распределением пространственного заряда соотношением

lq(t)=4 лXG(ег Ppf р (Set) l(t) dt, (1) о где Se, — скорость распространения продольных акустических волн в диэлектрическом образце;

Х вЂ” объемная упругость материала диэлектрика;

6 (zr ) — функция относительной диэлектрической проницаемости, учитывающая ее возможное изменение от величины приложенного акустического давления; р ($Ее) — плотность распределения электрического заряда в объеме диэлектрика;

Po — амплитуда плоской бегущей волны;

1(с) — функция, описывающая изменение импульса лазера во времени.

Однако на токовый сигнал 1 (й), снимаемый с электродов диэлектрического образца, наклады вается сигнал помехи, возникающий в результате взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом твердого диэлектрика и действия в результате запуска импульсного генератора оптического излучения электромагнитных помех.

При взаимодействии второго импульса лазерного излучения с веществом противоположного электрода диэлектрического образца в результате термоупругого эффекта в поверхностном слое электрода генерируется акустическая волна сжатия, которая начинает распространяться вначале по второму электроду, а затем за счет дополнительного согласования волновых акустических сопротивлений электрода и диэлектрического образца беспрепятственно проходит в объем диэлектрического образца. При распространении акустической волны сжатия по зарядовой области, расположенной внутри диэлектрического образца, сжатие части заряженного диэлектрического образца не приводит к возникновению тока на сигнальном электроде, так как акустическая волна сжатия начинает распространяться от сигнального (второго) электрода, Проходя без отражения зарядовую область, акустическая волна сжатия достигает поверхности переднего электрода и на границе раздела сред (акустически свободная граница) отражается от нее в виде волны: разряжения. При распро45 странении отраженной волны разряжения по диэлектрическому образцу в обратном направлении растяжение части заряженного диэлектрического образца приводит к изменению расстояния между зарядами и к изменению относительной диэлектрической проницаемости части диэлектрического образца. В результате происходящих процессов на сигнальном электроде возникает ток 12(t) в момент времени t2 =, где

2d

$е

d — толщина диэлектрического образца.

Форма и величина возникающего тока lz(t) связаны с исковым распределением пространственногоо заряда соотношением (1). В

1739320

12(т) = I (t)e связи с тем, что акустическая волна разряжения противофазна волне сжатия, т.е. на токовый сигнал lz(t) также накладывается сигнал помехи, возникающий в результате взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом твердого диэлектрика и действия электромагнитных помех. При этом сигнал помехи, накладываемый на токовый сигнал lz(t), идентичен сигналу помехи, накладываемому на токовый сигнал I <(t), так как они вызваны действием одного источника помехи. Инвертирование токового сигнала Iz(t), а следовательно, и сигнала помехи и его сложение с токовым сигналом I >(t) приводит к устранению сигнала помехи и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум, что приводит к увеличению точности определения распределения пространственного заряда в твердых диэлектриках, о котором судят по результирующему суммарному сигналу.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках заключается в следующем, Импульсом лазерного излучения, генерируемого импульсным генератором 1 оптического излучения, с помощью светоделительных пластин 2 — 4 с коэффициентом деления 0,5 и зеркал 5 и 6 одновременно воздействуют на переднюю поверхность электродов 7 и 8, устанавливаемых с торцовых сторон диэлектрического образца. В поверхностном слое электродов 7 и 8 возбуждаются импульсы давления, которые распространяются по диэлектрическому образцу 9 один навстречу другому со звуковой скоростью, При прохождении первого импульса давления через зарядовую область происходит сжатие части заряженного диэлектрического образца

9, которое приводит к изменению расстояния между зарядами и изменению относительной проницаемости сжатой части диэлектрика. В результате происходящих процессов на сигнальном электроде 8 возникает импульс тока 11(т) в момент времени, где d — толщина диэлектрического

Cl

Så образца; Я - скорость распространения акустических волн в диэлектрическом образце (фиг.2), Импульс тока 11() поступает на вход управляемого усилителя 10, нв стробируемый вход которого подается импульс напряжения с выхода управляемой линии14 задержки, время задержки которой ез1= ц — to>, где о1 — время воздействия

55 первого лазерного импульса на переднюю поверхность электрода 7. На вход управляемой линии задержки поступает электрический импульс с выхода фотоприемника 12, преобразун>щего первый лазерный импульс импульсного генератора 1 оптического излучения, поступающего на вход фотоприемника 10 с помощью светоделительных пластин 2 и 3 с коэффициентом деления 0,5 и зеркала 5, в электрический сигнал. С выхода управляемого усилителя 10 импульс тока подается на вход управляемой линии 15 задержки, по выходу соединенной вторым входом блока 16 суммирования. Время задержки определяется временем прихода второго импульса тока на второй вход блока

16 суммирования, т.е. т, =tz — t> =

CI э

2d где t2 = —. — время возникновения второ$

ro импульса тока на сигнальном электроде

8; d — толщина диэлектрического образца 9.

При прохождении второго импульса давления по диэлектрическому образцу сжатие части заряженного диэлектрического образца 9 не приводит к возникновению импульса тока на сигнальном электроде 8, так как в этом случае акустическая волна сжатия распространяется от него в обратном направлении. Однако второй акустический импульс в виде волны сжатия, проходя зарядовую область без отражений, достигает поверхностного слоя электрода 7, отражается от него и начинает распространяться по диэлектрическому образцу 9 в обратном направлении в виде волны разряжения, Отраженная от поверхностного слоя электрода 7 акустическая волна в виде волны разряжения начинает распространяться в обратном направлении по диэлектрическому образцу

9 в противофазе с падающей на границу раздела сред (акустически свободная граница) акустической волной сжатия. При этом растяжение части заряженного диэлектрического образца 9 приводит к изменению расстояния между зарядами и к изменению относительной диэлектрической проницаемости ча ти диэлектрического образца. В результате инвариантности происходящих процессов на сигнальном электроде 8 возникает импульс тока Iz(t) в момент времени

tz=,имеющий противоположную

2d

Я полярность (фиг.2 по сравнению с импульсом. тока 11(т), вызванным прохождением первой волны сжатия, возбуждаемой в поверхности слое электрода 7 в результате термоупругого эффекта первым лазерным !

1739320

10

20

35

45 импульсом. Импульс тока lz(t) подается на вход управляемого усилителя 11, на стробирующий вход которого подается импульс напряжения с выхода линии 17 задержки, время задержки которой h3=t2 — to2, где to2. — время воздействия второго лазерного импульса на переднюю поверхность электрода

8. На вход линии 17 задержки подается электрический сигнал, с выхода фотоприемника 13, преобразующего второй лазерный импульс импульсного генератора 1 оптического излучения, поступающего на вход фотоприемника 13 с помощью светоделительных пластин 2 и 4 с коэффициентом деления 0,5 и зеркала 6. С выхода управляемого усилителя 11 импульс тока

lz(t) подается на вход инвертора 18. Последний инвертирует импульс тока l2(t) и сигнал помехи, накладываемый на токовый сигнал в результате взаимодействия лазерного излучения с веществом диэлектрического образца 9 и действия электромагнитных помех. С выхода инвертора 18 импульс тока

1г(с) положительной полярности совместно с сигналом помехи отрицательной полярности подается на второй вход блока 16 суммирования, на второй вход которого поступает с выхода линии 15 задержки импульс тока 1 (т) положительной полярности совместно с сигналом помехи положительной полярности. В результате суммирования сигналов на выходе блока 16 суммирования результирующий сигнал равен 1(с) = 11(t)+ 1 (т) = 21 (т), так как 11(t) = 1г(1).

При этом сигналы помехи, накладываемые на токовые сигналы, взаимно вычитаются, что приводит к значительному повышению отношения сигнал/шум и, следовательно, к повышению точности определения пространственного распределения объемного электрического заряда в диэлектрическом образце. Результирующий сигнал l(t) с выхода блока 16 суммирования подается на вход блока 19 регистрации.

Таким образом, одновременно возбуждая зондирующие акустические сигналы с противоположных сторон диэлектрического образца импульсами лазерного излучения, регистрируя акустоиндуцированные электрические сигналы, а также инвертируя один из них и проводя дальнейшее сложение сигналов, можно с достаточно высокой точностью определять пространственное распределение объемного электрического заряда в диэлектрическом образце.

В предлагаемом способе точность определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках значительно выше, чем в известном. В предлагаемом способе результирующий сигнал, по форме и величине которого судят о пространственном распределении объемного электрического заряда, практически не зависит от уровня и характера помех. Кроме того, предлагаемый способ позволяет автоматизировать процесс определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках.

Формула изобретения

Способ определения пространственного распределения объемного электрического заряда в твердых диэлектриках, заключающийся в том, что возбуждают на поверхности исследуемого образца твердого диэлектрика акустический сигнал импульсом лазерного излучения и регистрируют акустоиндуцированный электрический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения пространственного распределения электрического заряда, одновременно возбуждают акустический сигнал на противоположной поверхности образца исследуемого твердого диэлектрика, регистрируют соответствующий акустоиндуцирован ный электрический сигнал, инвертируют его, совмещают сигналы во времени и производят их суммирование, а пространственное распределение объемного электрического заряда определяют по результирующему сигналу.

1739320 йе

Ll

Фиг.2

Составитель В.Жуков

Техред М.Моргентал Корректор С, Шевкун

Редактор И,Горная

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2001 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5