一种多功能空间电荷测量系统及测量方法技术方案

一种多功能空间电荷测量系统及测量方法，该测量系统包括测量上电极，测量下电极，与测量上电极脉冲接入端连接的脉冲发生装置，与测量上电极高压接入端连接的直流高压源，试样设置在测量上电极和测量下电极间；测量下电极包括金属外壳，设置在金属外壳顶部并与试样下表面接触的下电极上盖板，设置在金属外壳内并与下电极上盖板下表面紧贴的薄膜传感器，罩在薄膜传感器外部的金属屏蔽壳，与薄膜传感器相连的低噪声放大器，镶嵌在金属外壳上的面板接头，低噪声放大器与面板接头相连；通过积分电路匹配线与面板接头连接的示波器；本发明专利技术还公开了测量方法；本发明专利技术不仅具有常规空间电荷测量功能，还具备在模拟空间真空高能电子环境下对不同厚度的板状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。

A multifunctional space charge measuring system and measuring method

A multifunctional space charge measurement system and measurement method, the measurement system includes a measuring electrode, the lower electrode and the electrode measurement, measurement of pulse access end connected to the pulse generator, DC high voltage source is connected with the measuring electrode on the high voltage access terminal of the sample electrode provided on the measurement and measurement electrode measurement; the lower electrode comprises a metal casing arranged on top of the metal casing and contact with the sample surface on the lower electrode plate, arranged in a metal casing and close to the surface of the lower electrode film sensor on the cover of the cover in the metal shielding shell thin film sensor external, low noise amplifier is connected with a thin film sensor, embedded in the joint panel the metal casing, the low noise amplifier is connected with the panel; through integral circuit, oscilloscope connected line and panel joint; the invention also discloses The measurement method; the invention not only has the conventional space charge measurement function, also have the injection plate sample charge of different thickness in simulated space environment and high energy electron dissipation law and online measurement of charge, electric field distribution function.

【技术实现步骤摘要】
一种多功能空间电荷测量系统及测量方法
本专利技术属于使用电声脉冲法进行介质材料内空间电荷测量
，具体涉及一种多功能空间电荷测量系统及测量方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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为申请人自主专利技术专利(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.本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：1、本专利技术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是本专利技术多功能空间电荷测量系统的连接示意图。图2是本专利技术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专利技术工作原理作更详细说明。如图1所示，本专利技术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1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能空间电荷测量系统，其特征在于：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)。

【技术特征摘要】
1.一种多功能空间电荷测量系统，其特征在于：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)。2.根据权利要求1所述的多功能空间电荷测量系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的多功能空间电荷测量系统，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晓泉，钱雨峰，黎颖，雷伟群，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61