устройство для пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ, содержащее импульсный генератор оптического излучения и блок регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала, имеющий электрическую связь с диэлектрическим образцом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения пространственного распределения электрического заряда, в него введены измеритель параметров импульса лазерного излучения и блок преобразования и обработки сигналов, генератор оптического излучения выполнен двухканальным, причем один из каналов соединен с оптическим входом измерителя параметров импульса лазерного излучения, по электрическому выходу подключенному к первому входу блока преобразования и обработки сигналов, по второму входу соединенному с выходом блока регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения внутренних электростатических полей в твердых диэлектриках и может быть использовано в радиотехнической и радиоэлектронной промышленности, а также в научно-исследовательских лабораториях для неразрушающего контроля электростатических полей в твердых диэлектриках.

Известно устройство для измерения распределения потенциала в твердых диэлектриках, содержащее источник -излучения, детектор и регистрирующий прибор [1] . Работа устройства основана на определении тока во внешней цепи исследуемого образца, возникающего в результате взаимодействия потока быстрых электронов с веществом диэлектрика в присутствии электрических полей объемных зарядов.

Недостатком известного устройства является разрушение исследуемого образца в процессе определения пространственного распределения заряда в объеме диэлектрика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство [2] , содержащее импульсный генератор оптического излучения и блок регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала, имеющего электрическую связь с диэлектрическим образцом. Работа устройства заключается в возбуждении в диэлектрическом образце зондирующих акустических колебаний и регистрации электрического сигнала, характеризующего распределение объемного заряда. Устройство позволяет проводить измерения без разрушения образца или дополнительного введения в него зондов, возмущающих исследуемое пространственное распределение электрического заряда.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, а также невозможность получения искомого распределения заряда в абсолютных величинах, так как в этом случае не учитывается конечная величина длительности импульса акустического давления, воздействующего на исследуемый образец.

Целью изобретения является повышение точности определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках.

В соответствии с предлагаемым техническим решением цель достигается тем, что в устройство для определения пространственного распределения электрического заряда в твердых диэлектриках, содержащем импульсный генератор оптического излучения и блок регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала, имеющий электрическую связь с диэлектрическим образцом, дополнительно введены измеритель параметров импульса лазерного излучения и блок преобразования и обработки сигналов, а генератор оптического излучения выполнен двухканальным, причем один из каналов соединен с оптическим входом измерителя параметров импульса лазерного излучения, по электрическому выходу подключенному к первому входу блока преобразования и обработки сигналов, по второму входу соединенному с выходом блока регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала.

В лазерной технике и лазерной технологии известно выполнение генератора оптического излучения с двумя выходами [3] . Однако применение данного источника оптического излучения в сочетании с измерителем параметров импульса лазерного излучения в технике измерения внутренних электрических полей позволяет реализовать двухканальный вариант устройства для определения пространственного распределения заряда в твердых диэлектриках и обеспечивает достижение качественно новых результатов и соответственно повышение точности измерений. В совокупности эти блоки позволяют в предлагаемом устройстве фактически определять временную форму импульса лазерного излучения, максимальную плотность поглощенной энергии в зоне возбуждения и, соответственно, амплитуду импульса акустического давления в твердом диэлектрике, дальнейшее использование которой в расчетах, производимых с помощью введенного в устройство блока преобразования и обработки данных, позволяет с достаточно высокой степенью точности учесть пространственно-временные характеристики зондирующего импульса акустического сигнала, оказывающие непосредственное влияние на повышение точности определения искомого пространственного распределения заряда в исследуемом образце. Введение в устройство блока преобразования и обработки данных в новую совокупность признаков позволяет определить искомое пространственное распределение заряда в твердых диэлектриках с минимальными искажениями его пространственно-временной структуры и в реальном масштабе времени, так как в этом случае при расчете используется конечная величина длительности импульса акустического давления, что позволяет повысить точность определения пространственного распределения заряда в твердых диэлектриках.

Таким образом, проведенный анализ по совокупности существенных отличий показал, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена блок-схема устройства для определения пространственного распределения заряда в твердых диэлектриках.

Устройство для определения пространственного распределения заряда в твердых диэлектриках содержит двухканальный импульсный генератор 1 оптического излучения, электроды 2 и 3, устанавливаемые с торцовых сторон диэлектрического образца 4 и подсоединенные по входу блока 5 регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала (например, широкополосный усилитель, запоминающий осциллограф С 8-12, блок сопряжения осциллографа с многоканальным анализатором [4] , многоканальный анализатор АИ-1024-95 [5] ), по выходу подключенного к первому входу блока 6 преобразования и обработки данных (например, информационно-вычислительный комплекс преобразования и обработки данных многоканальных измерений [6] ), по второму входу соединенному с выходом измерителя 7 параметров импульса лазерного излучения, обеспечивающего одновременное измерение максимальной плотности поглощенной энергии и временной формы импульса лазерного излучения.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на высоковольтный блок импульсного генератора 1 оптического излучения на его выходе формируются два равных по длительности и амплитуде лазерных импульса. При воздействии первого лазерного импульса на электрод 2, установленного с торцовой стороны исследуемого образца 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 2, затем за счет дополнительного согласования волновых акустических сопротивлений электрода 2 и исследуемого образца 4 беспрепятственно проходит в объем исследуемого образца 4. При распространении волны сжатия по диэлектрическому образцу 4 происходит сжатие части исследуемого образца 4, 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 исследуемого образца 4. В результате происходящих процессов на электродах 2 и 3 появляются индуцированные заряды, причем изменения величины индуцированных зарядов зависят от распределения реальных зарядов в объеме исследуемого образца 4 и параметров импульса лазерного излучения. В зависимости от величины входного сопротивления блока 5 регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала параметры акустоиндуцированного электрического сигнала выражаются через изменения потенциалов или токов, что позволяет в принципе оценить характеристики распределения заряда в объеме при известной пространственно-временной структуре импульса лазерного излучения [7] :

I(t) = C_oG(_r)PS_e(t-t)J(t)dt, (1)

где = - модуль всесторонней объемной упругости [8] (где Е - модуль Юнга; - коэффициент Пуассона) ;

G(_r) = - - функция относительной диэлектрической проницаемости, учитывающая ее возможное изменение от величины приложенного акустического давления и для случая линейного акустического воздействия является величиной постоянной (где - диэлектрическая проницаемость исследуемого диэлектрического образца);

S_е - скорость продольных акустических волн;

С_о - емкость незаряженного образца;

Р_о - максимальная величина амплитуды давления в бегущей акустической волне;

J(t) - функция, описывающая изменение импульса лазера во времени, причем J(t) 1;

(S_e(t-t)) - распределение плотности заряда вдоль оси пучка лазерного излучения.

Электрический сигнал I(t) с помощью блока 5 регистрации акустоиндуцированного электрического сигнала подается на вход блока 6 преобразования и обработки данных, в котором происходит расчет по заданной программе спектра импульса электрического сигнала I^~( ). Как видно из формулы (1), амплитуда электрического сигнала, снимаемого с электродов 2 и 3 и характеризующего распределение пространственного заряда в объеме заряженного диэлектрика, описывается выражением типа свертки. Указанное обстоятельство позволяет, используя известную из спектрального анализа теорему Бореля, получить следующее выражение:

I) = C_oG(_r)(k)(), (2)

следовательно,

(k) = , (3)

где I^~( ) - спектр импульса электрического сигнала, снимаемого с электродов 2 и 3;

^~ (k) - пространственный спектр распределения электрического заряда внутри диэлектрика;

k - пространственная частота, равная /S_e;

P) = P(t)e^itdt - спектр зондирующего акустического сигнала (где P(t)= P_oJ(t), где P_o= ГЕ_m; Г = - безразмерная постоянная Грюнайзена; - коэффициент теплового расширения; - плотность диэлектрика; С - теплоемкость; - модуль всесторонней объемной упругости; Еm, J(t) - максимальная плотность поглощенной энергии в зоне возбуждения и функция, описывающая изменение импульса лазера во времени, соответственно, определяемые с помощью измерителя 7 параметров импульса лазерного излучения с выхода которого сигналы подаются на вход блока 6 преобразования и обработки данных, в котором происходит расчет по заданной программе спектра зондирующего акустического сигнала Р^~( ) с использованием полученных ранее файлов данных.

Далее, используя рассчитанные спектры I^~( ) и Р^~( ) в блоке 6 преобразования и обработки данных, происходит расчет по заданной программе в соответствии с формулой (3) пространственного спектра распределения электрического заряда внутри диэлектрика ^~ (k) и, применяя обратное преобразование Фурье, а именно

(x) = k)e^ikxdx, (4) можно рассчитать реальное распределение электрического заряда в объеме твердого диэлектрика по формуле

(S_et) = e^it_d

Таким образом, алгоритм работы блока 6 преобразования и обработки данных заключается в следующем.

Введение в блок памяти значений постоянных величин: , E, C_o, S_e, G( _r), , C, ;

Расчет модуля всесторонней объемной упругости = и постоянной Грюнайзена Г = .

По измеренным значениям I(t) расчет по заданной программе спектра импульса электрического сигнала I^~( ).

По измеренным значениям максимальной плотности поглощенной энергии Е_m и временной формы импульса лазерного излучения J(t) расчет по заданной программе Р(t)= P_oJ(t)= ГE_mJ(t) и определение спектрального состава генерируемых акустических импульсов разложением непериодической функции Р(t) в интеграл Фурье:

P) = P(t)e^itdt.

Расчет по заданной программе пространственного спектра распределения электрического заряда внутри диэлектрика:

k) =

Применяя обратное преобразования Фурье, расчет по заданной программе реального распределения электрического заряда в объеме твердого диэлектрика:

(S_et) = e^itd

Таким образом, измеряя амплитуды акустоиндуцированного сигнала, а также плотность поглощенной энергии в зоне возбуждения зондирующих акустических сигналов, проводя с помощью блока преобразования и обработки данных вычисление спектра импульса электрического сигнала и, определение спектрального состава генерируемых акустических импульсов, а также рассчитывая пространственный спектр распределения электрического заряда внутри диэлектрика, а затем применяя обратное преобразование Фурье, можно получить реальное распределение электрического заряда в объеме заряженного диэлектрика.

В предложенном устройстве точность определения пространственного распределения заряда в твердых диэлектриках значительно выше, чем в прототипе (Розно А. Г. , Громов В. В. Измерение плотности распределения объемного заряда в твердых диэлектриках. - Письма в ЖТФ, 1979, т. 5, вып. 11, с. 168), содержащем импульсный генератор оптического излучения, два электрода, устанавливаемые с торцовых сторон диэлектрического образца, и блок съема электрического сигнала и не учитывающем параметры лазерного излучения, воздействующего на поверхность исследуемого диэлектрического образца, и параметры УЗ-колебаний, возбуждаемых импульсами лазерного излучения в образце, что приводит к определению искомого пространственного распределения заряда в относительных величинах и со значительными искажениями его пространственно-временной структуры. Кроме того, предложенное устройство делает возможным автоматизацию процедуры измерений не только распределения пространственного заряда, но и распределения напряженности электрического поля и потенциала в объеме диэлектрических материалов. (56) 1. В. Gross "Эффект облучения в боросиликатном стекле". Plus. Rev. , 1957, v. 107, p. 368.

2. Розно А. Г. , Громов В. В. Измерение плотности распределения объемного заряда в твердых диэлектриках. - Письма в ЖТФ, т. 5, N 11, с. 648, 1978.

3. Справочник по лазерной технике. / Под ред. Ю. В. Байбородина и др. К. : Техника, 1978, с. 268, рис. 195, с. 270, рис. 198.

4. Р. Вебер. Д. Смитт. Сопряжение осциллографа с многоканальным анализатором // Приборы для научных исследований, 1986, N 12, с. 161, фиг. 1.

5. Техническое описание многоканального амплитудного анализатора импульсов АИ-1024-95.

6. Зайка В. А. , Мохнач А. Т. , Бабицкая Л. Д. Информационно-вычислительный комплекс преобразования и обработки данных многокальных измерений // Приборы и техника эксперимента. - 1983, N 6, с. 194.

7. Leiviner I. Les charges electrostatiques clansles isolants une meilleure connaissance par de nou velles methodes de messure / Rev. General. Del. , Electr. , 1987, N 2, pp. 57-59.

8. Яворский Б. М. , Детлаф А. А. Справочник по физике. М. : Наука, 1977, с. 284.

9. Розно А. Г. , Громов В. В. Акустическое зондирование - новый метод измерения электрического заряда и поля в объеме диэлектриков / Изв. АН СССР. Сер. Физическая, 1986, т. 5, N 3, с. 447.