本發(fā)明涉及聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種基于等溫放電電流的絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，聚合物基固體介質(zhì)材料在高電壓工程、電力電子、微電子絕緣以及各類依賴電荷駐留和極化等行為的特種傳感器中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。特別是近年來(lái)以聚合物為基礎(chǔ)材料的聚合物納米復(fù)合材料異軍突起，成為電氣絕緣以及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在聚合物介質(zhì)內(nèi)部，陷阱是能夠?qū)﹄姾僧a(chǎn)生束縛作用的定域態(tài)或局域態(tài)。由于陷阱與聚合物及其納米復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能均有密切關(guān)聯(lián)，因而對(duì)納米電介質(zhì)陷阱特性的研究具有重要的意義。然而，聚合物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致了其陷阱能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)分布，其很難直接測(cè)量得到。已有的對(duì)于電介質(zhì)陷阱特性的研究均基于熱刺激方法，目前研究固體電介質(zhì)中陷阱特性的方法主要有：熱刺激電導(dǎo)、熱刺激電流、熱刺激表面電位、熱發(fā)光等。上述方法以不同物理量作為測(cè)量對(duì)象而產(chǎn)生了不同的熱刺激方法，但其本質(zhì)都是一樣的，即先通過(guò)某種途徑在電介質(zhì)中產(chǎn)生偶極極化或形成電荷存貯，然后再對(duì)電介質(zhì)施加某種刺激(電、熱、光、機(jī)械力等)，使偶極子去極化或使電荷發(fā)生入陷、脫陷、復(fù)合等過(guò)程，通過(guò)測(cè)量試樣表面電位、外電路感應(yīng)的電流、電子發(fā)射、光發(fā)射等相關(guān)物理量的變化來(lái)分析電介質(zhì)中的偶極子活化能等松弛參數(shù)或空間電荷及其陷阱參數(shù)。

目前，世界上應(yīng)用較為廣泛的方法為熱刺激電流(TSC)法。1964年，C.Bucci和R.Fieshci首先提出了用于分析偶極極化過(guò)程的完成TSC理論，并研究了粒子晶體結(jié)構(gòu)缺陷(空位、填隙等)引起的TSC。到了19世紀(jì)70年代，TSC基本理論趨于成熟，出現(xiàn)了從TSC譜圖中獲取活化能和陷阱參數(shù)的各種實(shí)驗(yàn)方法。但該方法發(fā)展至目前，依然僅適用于單一或有限個(gè)分立活化能的熱刺激過(guò)程，而不能直接表征聚合物絕緣的陷阱能級(jí)連續(xù)分布特性。

因此，用于研究聚合物陷阱特性的傳統(tǒng)的熱刺激電流等分析方法不能直接用于聚合物陷阱特性的定量分析。目前，陷阱能級(jí)測(cè)量方法的缺陷和對(duì)陷阱本質(zhì)認(rèn)識(shí)的不足，使得對(duì)聚合物及其納米復(fù)合物陷阱能級(jí)特性的研究主要依賴于定性分析和模擬計(jì)算。如何找到一種定量分析聚合物絕緣陷阱能級(jí)連續(xù)分布的測(cè)量方法仍是一個(gè)難題。

基于等溫放電電流的聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量方法，其本質(zhì)也是對(duì)電介質(zhì)施加熱刺激，使偶極子去極化或使電荷發(fā)生入陷、脫陷、復(fù)合等過(guò)程，通過(guò)測(cè)量外電路中放電電流變化情況即可計(jì)算得到陷阱能級(jí)分布特性。外電路中放電電流的連續(xù)性決定了該方法可以直接得到陷阱能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)性分布，是對(duì)聚合物絕緣的陷阱能級(jí)分布測(cè)量與表征方面的重大突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于等溫放電電流的絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量裝置及方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

基于等溫放電電流的聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量裝置，包括用于放置試樣的恒溫箱，試樣的兩端分別設(shè)有高壓電極和地電極，所述高壓電極連接有由K₁和K₂端子組成的兩路選擇開(kāi)關(guān)，K₁端子依次與保護(hù)電阻、高壓直流電源和地相連，K₂端子連接有皮安表，所述安培表與所述地電極一同接地。

基于等溫放電電流的聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至25℃，待溫度穩(wěn)定后，閉合K₁，打開(kāi)高壓直流電源并調(diào)節(jié)極化電場(chǎng)至25kV/mm，加壓時(shí)間設(shè)定為40min；

(2)關(guān)閉高壓直流電源并打開(kāi)K₁、閉合K₂，通過(guò)皮安表測(cè)量并記錄等溫放電電流曲線(I‐t曲線)，記錄時(shí)間為2h；重復(fù)以上步驟，記錄各個(gè)試樣等溫放電電流，每組試樣重復(fù)測(cè)量三次并取平均值以減小誤差；

(3)利用測(cè)量得到的等溫放電電流曲線推算該聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布情況。

步驟(3)中，陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)N_t(E)與能級(jí)E_t的關(guān)系為：

其中，S—電極面積/m；L—試樣厚度/m；e—電子電荷量/C；N_t(E)—陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)/(1/eV·m³)；ν—陷阱電子的逃逸頻率因子/s^‐1；k—玻爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10^‐23J/K；T—實(shí)驗(yàn)溫度/K；t—時(shí)間/s；I—等溫放電電流。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

1.直接獲得聚合物陷阱能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)性分布特性。

2.可以得到陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)N_t(E)與能級(jí)E_t的定量關(guān)系。

3.相對(duì)于熱刺激電流法，此實(shí)驗(yàn)環(huán)境為恒溫條件，無(wú)溫度變化等干擾因素。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是本發(fā)明中不同納米復(fù)合聚合物試樣等溫放電電流圖(I-t圖)。

圖3是本發(fā)明中不同納米復(fù)合聚合物試樣陷阱能級(jí)分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布測(cè)量方法所需實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，首先調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至25℃。待溫度穩(wěn)定后，閉合K₁，打開(kāi)高壓直流電源并調(diào)節(jié)極化電場(chǎng)至25kV/mm，加壓時(shí)間設(shè)定為40min，對(duì)聚合物試樣施加等溫?zé)岽碳?，使試樣?nèi)部產(chǎn)生偶極極化或形成電荷儲(chǔ)存；

極化過(guò)程結(jié)束后，立即關(guān)閉直流電源并打開(kāi)K₁、閉合K₂，利用皮安表測(cè)量并記錄試樣在去極化過(guò)程中外電路放電電流變化趨勢(shì)，得到等溫放電電流曲線(I‐t曲線)，記錄時(shí)間為2h。重復(fù)以上步驟，可記錄各個(gè)試樣等溫放電電流。為了減小誤差，按照以上步驟，每組試樣重復(fù)測(cè)量三次并取平均值，各組試樣放電電流曲線如圖2所示。

利用測(cè)量得到的等溫放電電流曲線(I‐t曲線)推算該聚合物絕緣陷阱能級(jí)分布情況。假設(shè)去極化初始階段材料內(nèi)部空間電荷產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)足夠高，等溫放電過(guò)程中注入電子和空穴最后都脫陷后回到陰極，并且在去極化過(guò)程中不存在電子和空穴的復(fù)合。在某個(gè)時(shí)刻t，脫陷電子在外電路感應(yīng)產(chǎn)生的電流為

由空穴脫陷所產(chǎn)生的外電路感應(yīng)電流為

其中，S—電極面積/m，L—試樣厚度/m，e—電子電荷量/C。N_t(E)—陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)/(1/eV·m³)。f₀(E)—能級(jí)E被電子占有的概率，它對(duì)一定的電子注入條件來(lái)說(shuō)是一個(gè)定值。ν—陷阱電子的逃逸頻率因子/s^‐1，其值應(yīng)該在10¹²～10¹⁴s^-1的范圍內(nèi)。e_n—電子從深度為E_t＝E_c-E(E_c是導(dǎo)帶能級(jí))的陷阱激發(fā)到導(dǎo)帶的概率，其可以表示為

其中τ——松弛時(shí)間。

利用公式(1)，陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)N_t(E)很難直接獲得。現(xiàn)引入了一個(gè)函數(shù)G(E,t)，

構(gòu)造函數(shù)G(E,t)＝Bδ(E-E_m)，其中δ(E-E_m)為沖激函數(shù)，B表示一個(gè)歸一化的常數(shù)。代入公式(4)則可得到

求得B＝kT/t。代入公式(4)中即可得到

將上式代入到公式(1)中即可得到

對(duì)上式進(jìn)行積分，利用沖擊函數(shù)的定義即可得到

同理可以得到

假設(shè)極化過(guò)程中，所有陷阱能級(jí)被電子和空穴填滿，且各占一半，則f₀(E)可取0.5。結(jié)合公式(8)和(9)得到等溫放電電流值為

另外，陷阱能級(jí)深度E_t和時(shí)間t的關(guān)系為

E_t＝E_c-E_m＝kTln(νt) (11)

其中，k——玻爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10^‐23J/K。T——實(shí)驗(yàn)溫度/K。

將公式(10)和(11)聯(lián)立即得到陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)N_t(E)與能級(jí)E_t的關(guān)系為

基于等溫放電電流得到陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)N_t(E)與能級(jí)E_t的關(guān)系為

其中，I—等溫放電電流/A，t—放電時(shí)間/s，S—電極面積/m，L—試樣厚度/m，e—電子電荷量/C。N_t(E)—陷阱能級(jí)密度分布函數(shù)/(1/eV·m³)。f₀(E)—能級(jí)E被電子占有的概率，為1/2。ν—陷阱電子的逃逸頻率因子/s^‐1，其值約為10¹²～10¹⁴s^-1。

利用上式即可計(jì)算得到圖2中各組試樣所對(duì)應(yīng)的陷阱能級(jí)準(zhǔn)連續(xù)性分布，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，五組聚合物試樣呈現(xiàn)類似于正態(tài)分布的陷阱能級(jí)分布特性，其深陷阱密度最大處陷阱深度均為0.87～0.88eV，深陷阱能級(jí)密度從大到小依次對(duì)應(yīng)試樣5、試樣4、試樣1、試樣2、試樣3。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。