基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置及方法制造方法及图纸

本申请公开了基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置及方法，用以解决现有技术不能准确表征聚合物材料在特定温度下陷阱参数的问题。装置包括：激励光导入模块，用于导入激励光源；其中，激励光源用于激励待测样品的入陷电荷；直流电压导入模块，用于将直流电压导入待测样品的前电极；温度调控模块，用于对待测样品进行温度调控；电流信号导出模块，用于收集待测样品的脱陷电荷形成的电流信号；其中，温度调控模块主要包括加热盘、加热控制器、紫铜冷头、液氮瓶、液氮传输管及循环泵。本申请可以实现聚合物材料在特定温度下陷阱参数的大范围表征，且能够保证陷阱参数表征的准确性，能广泛应用于特殊使用环境下聚合物材料的测试与研究。

【技术实现步骤摘要】
基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置及方法
本申请涉及聚合物陷阱参数测量
，尤其涉及基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置及方法。
技术介绍
聚合物绝缘材料因其具有优异的电绝缘性能、耐热性能、机械性能及易于加工成型、价格低廉、重量轻等优点，被广泛应用于电子电气、核反应堆及航空航天等领域。近年的研究发现，由于聚合物材料在生产制造过程中不可避免的会引入添加剂等杂质以及材料本征缺陷，会在其内部形成能量水平处于禁带的局域态，使得材料内出现了允许载流子停留的缺陷点，为空间电荷的积聚提供了条件。空间电荷在聚合物中的入陷、脱陷及迁移等行为会引发局部电场集中，从而导致聚合物材料的老化甚至是击穿(体积穿及沿面闪络)，严重威胁聚合物绝缘材料的安全。而聚合物中陷阱的存在直接影响到空间电荷的入陷、脱陷及迁移等行为。因此，准确表征聚合物材料的陷阱参数对选材、开发新材料及评估材料的绝缘性能具有重要的指导价值。光刺激放电法(photo-stimulateddischarge，PSD)是一种常用的聚合物绝缘材料中陷阱参数的测量方法。但现有PSD法都只是在室温条件下进行的表征，在聚合物材料的实际使用过程中，会受到环境温度的影响，从而影响聚合物材料陷阱参数的改变。因此，只研究聚合物材料在室温环境下的陷阱参数，并不能准确表征聚合物材料特定温度下的陷阱参数，也不能真实反映聚合物材料的实际使用情况。
技术实现思路
本申请实施例提供了一种基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置及方法，用以解决现有技术不能在特定温度下准确表征聚合物材料的陷阱参数，不能真实反映聚合物材料的实际使用情况的技术问题。一方面，本申请实施例提供了基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，装置包括：激励光导入模块，用于导入激励光源；其中，激励光源用于激励待测样品的入陷电荷；直流电压导入模块，用于将直流电压导入待测样品的前电极；温度调控模块，用于对待测样品进行温度调控；电流信号导出模块，用于收集待测样品的脱陷电荷形成的电流信号；其中，温度调控模块主要包括加热盘、加热控制器、紫铜冷头、液氮瓶、液氮传输管及循环泵。本申请实施例提供的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，通过激励光导入模块及直流电压导入模块将激励光源以及直流电压导入待测样品，并激励待测样品产生激发电流信号，可以在不破坏待测样品的前提下，达到测试精度高、测试周期短、可测能级范围广以及装置简单易实现等效果；另外，通过温度调控模块对到测样品的温度进行调控，通过液氮瓶及加热盘可以实现待测样品温度范围在-180～300℃的测试，几乎涵盖了聚合物材料的所有使用温度范围，能够真实表征聚合物材料的使用情况；并且实现了聚合物材料在特定温度下的陷阱参数准确表征，能够广泛应用于特殊使用环境下聚合物材料的测试及研究过程。在本申请的一种实现方式中，装置还包括电极结构单元；电极结构单元包括环形金属前电极、金属平板后电极；其中，环形金属前电极用于与待测样品的前电极接触，以便导入直流电压；金属平板后电极用于与待测样品的后电极接触，以便收集电流信号。在本申请的一种实现方式中，装置还包括：光能量计，用于测试激励光源的能量；密闭气室，采用不锈钢金属腔体，用于为待测样品提供真空环境以及屏蔽噪声；不锈钢金属腔体上设置有若干个预设法兰。本申请实施例提供的表征装置将待测样品置于密闭的腔体中，实现了高真空氛围下的表征，一方面避免了激励光源使空气电离产生的电荷对测试结果产生干扰，另一方面由于某些聚合物材料在真空环境下使用，因此，本申请实施例提供的表征装置可以模拟聚合物材料的真空运行条件，使得表征结果更为贴近实际应用，进而使得本申请实施例提供的表征装置能够真实反映聚合物材料的使用情况。在本申请的一种实现方式中，激励光导入模块主要包括波长可调谐激光器、扩束镜、分光镜、光纤激光输入端、光纤及光纤激光输出端；其中，光纤激光输出端通过所述不锈钢腔体上的预设法兰导入激励光源；直流电压导入模块主要包括直流高压源、保护电阻、均压环及导线；电流信号导出模块主要包括静电计。在本申请的一种实现方式中，波长可调谐激光器的输出波长范围为210～2600nm，最低输出能量为1.4mJ，光通量密度为1024cm-2s-1量级，精度为±0.25nm，脉冲宽度为2～5ns。本申请实施例提供的表征装置中，激励光源采用基于光参量振荡器的波长可调谐激光器实现，其输出波长范围为210～2600nm，最低输出能量为1.4mJ。因此，相对于传统的氙灯加单色仪作为激发光源，本申请实施例中的表征装置采用的激光器具有单色性好、波长范围广及充分激发等优势。而且使得基于该激光器的PSD法表征装置具有可测能级范围广(0.48～5.9eV)、精度高及信噪比大等优点。在本申请的一种实现方式中，温度调控模块用于将待测样品的温度调控至-180～300℃。另一方面，本申请实施例还提供了基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征方法，采用如上述的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置实现，方法包括：确定待测样品的测试温度以及密闭气室的真空度；在测试温度及真空度达到第一预设阈值时，接通直流高压电源，以将直流电压导入待测样品；断开直流高压电源，并接通静电计，以去除待测样品表面的自由电荷；在静电计显示的电流值达到第二预设阈值时，接通波长可调谐激光器及光能量计，并基于预设扫描参数，通过激励光源对待测样品进行光扫描；其中，预设扫描参数主要包括以下至少一项：扫描波长范围、扫描步长、扫描时间；根据静电计显示的电流值、光能量计显示的光能量值以及预设扫描参数，确定测试温度下聚合物材料的陷阱参数。本申请实施例提供的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征方法，具有PSD法测试精度高、测试周期短、不破坏待测样品等优点；同时，在达到预设温度时对待测样品进行测试过程，综合考虑了聚合物材料的实际使用温度对陷阱能级的影响，实现了聚合物材料在特定温度下的陷阱参数的精确表征，具有典型的工程实际指导意义。在本申请的一种实现方式中，方法还包括：确定测试样品，并对其进行裁剪处理；将裁剪处理后的测试样品电镀上前电极与后电极，以得到待测样品；将待测样品放置在电极结构单元上，以使待测样品的后电极与电极结构单元的金属平板后电极接触，同时压实电极结构单元的环形金属前电极。在本申请的一种实现方式中，根据静电计显示的电流值、光能量计显示的光能量数据以及预设扫描参数，确定测试温度下聚合物材料的陷阱参数，具体包括：确定激励光源的扫描波长，以及确定与该扫描波长对应的电流值与光能量值；通过E＝h*c/λ，确定激励光源的扫描波长与陷阱能级深度的关系；其中，E表示陷阱能级深度；h为普朗克常数；c为光速；λ表示所述激励光源的波长；基于能量归一化算法，确定陷阱能级深度与陷阱能级密度之间的对应关系；通过对应关系，确定测试温度下聚合物材料的陷阱参数。在本申请的一种实现方式中，扫描波长范围为2600～210nm；扫描步长为2nm；扫描时间为2s。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，所述装置包括：/n激励光导入模块，用于导入激励光源；其中，所述激励光源用于激励待测样品的入陷电荷；/n直流电压导入模块，用于将直流电压导入所述待测样品的前电极；/n温度调控模块，用于对所述待测样品进行温度调控；/n电流信号导出模块，用于收集所述待测样品的脱陷电荷形成的电流信号；/n其中，所述温度调控模块主要包括加热盘、加热控制器、紫铜冷头、液氮瓶、液氮传输管及循环泵。/n

【技术特征摘要】
1.基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，所述装置包括：
激励光导入模块，用于导入激励光源；其中，所述激励光源用于激励待测样品的入陷电荷；
直流电压导入模块，用于将直流电压导入所述待测样品的前电极；
温度调控模块，用于对所述待测样品进行温度调控；
电流信号导出模块，用于收集所述待测样品的脱陷电荷形成的电流信号；
其中，所述温度调控模块主要包括加热盘、加热控制器、紫铜冷头、液氮瓶、液氮传输管及循环泵。


2.根据权利要求1所述的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，所述装置还包括电极结构单元；
所述电极结构单元包括环形金属前电极、金属平板后电极；
其中，所述环形金属前电极用于与所述待测样品的前电极接触，以便导入所述直流电压；所述金属平板后电极用于与所述待测样品的后电极接触，以便收集所述电流信号。


3.根据权利要求1所述的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，所述装置还包括：
光能量计，用于测试所述激励光源的能量；
密闭气室，采用不锈钢金属腔体，用于为所述待测样品提供真空环境以及屏蔽外界干扰；
所述不锈钢金属腔体上设置有若干个预设法兰。


4.根据权利要求3所述的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，
所述激励光导入模块主要包括波长可调谐激光器、扩束镜、分光镜、光纤激光输入端、光纤及光纤激光输出端；其中，所述光纤激光输出端通过所述不锈钢腔体上的预设法兰导入激励光源；
所述直流电压导入模块主要包括直流高压源、保护电阻、均压环及导线；
所述电流信号导出模块主要包括静电计。


5.根据权利要求4所述的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器的输出波长范围为210～2600nm，最低输出能量为1.4mJ，光通量密度为1024cm-2s-1量级，脉冲宽度为2～5ns。


6.根据权利要求1所述的基于PSD法的聚合物材料陷阱参数表征装置，其特征在于，所述温度调控模块用于将所述待测样品的温度调控至-180～300℃。

【专利技术属性】
技术研发人员：张冠军，杨雄，宋佰鹏，杨宁，周润东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61