CN114047229A - 一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置和方法，该提取装置使用时，表面电位测试单元始终位于真空实验腔体内，可以避免电晕实验中环境温度、湿度等外界因素带来的干扰，测量得到的表面电位原始数据更为准确，通过电子束流监测模块得到的电子束流参数分析试样的表面沉积电荷分布，根据表面沉积电荷分布和表面电位衰减曲线，结合数学模型，即可获得陷阱参数，例如陷阱能级、陷阱电荷密度。

Description

一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置及方法

技术领域

本申请涉及一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置及方法，属于储能材料评价领域。

背景技术

聚丙烯薄膜具有高耐压、高绝缘阻抗和低损耗等特性，广泛应用于电力电容器等储能设备。直流电容器在柔性直流输电中起到稳压、滤波等作用，在运行中可能承受直流叠加谐波电压。在直流电压作用下，由于聚丙烯薄膜承担的场强较高，金属会向薄膜介质中注入空间电荷，这部分电荷会影响交流下的电荷存储过程。从物理本质上认识高场下薄膜介质内部电荷输运过程，并对其微观参数进行提取对实现材料改性和性能提升具有重要意义。

然而，目前聚丙烯材料内部电荷输运微观机理尚不完全清楚。因此，需要一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数的提取方法，对电荷微观参数进行提取，为后续材料性能提升提供重要的理论支持。

发明内容

针对现有技术的不足，本申请提供一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置及方法。具体技术方案如下。

一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，包括：

真空实验腔体；

设置于所述真空实验腔体上的电子枪；

以及设置于所述真空实验腔体内的表面电位测试单元，所述电子枪用于为所述表面电位测试单元上的试样注入电荷；

设置于所述表面电位测试单元一侧的电子束流监测模块，所述电子束流监测模块用于监测电子束流参数；

二维移动平台，所述二维移动平台用于在所述试样注入电荷后，将所述试样移动至表面电位测试位置。

进一步地，所述表面电位测试单元包括：

设置在所述二维移动平台上的接地电极，设置在所述接地电极上的试样，所述试样与所述电子枪对应设置；

还包括：测试探头，所述测试探头的一端与所述试样对应设置，所述测试探头的另一端连接表面电位计；

所述二维移动平台在所述试样注入电荷后，将所述试样移动至所述测试探头对应位置。

进一步地，所述聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置还包括控制单元，所述控制单元与所述二维移动平台和所述表面电位计电连接，以实现对所述二维移动平台移动和所述表面电位计表面电位采集的同步控制。

进一步地，在所述试样注入电荷后，所述二维移动平台可在所述控制单元控制下带动所述接地电极移动，使得所述试样移动至所述测试探头下方，所述控制单元控制所述测试探头启动测试所述试样的表面电位，并接收采集到的表面电位原始数据。

本申请还提供一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，采用如前文所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，包括如下步骤：

通过电子枪为表面电位测试单元的试样注入电荷；

通过电子束流监测模块获得电子束流参数；

控制单元控制二维移动平台移动所述试样至表面电位测试位置；

根据所述电子束流参数，获得所述试样表面沉积电荷分布；

根据试探头检测所述试样的表面电位，得到表面电位衰减曲线，结合所述试样表面电荷沉积分布，计算获得试样表面陷阱参数。

进一步地，所述试样放置于接地电极上，所述接地电极在所述二维移动平台的带动下移动，进而使得试样移动至所述测试探头下方进行表面电位测试。

进一步地，所述电子枪的电子辐射能量设置为1k eV-20k eV。

进一步地，所述试样的表面电位测试持续至电位趋于稳定后停止。

进一步地，所述试样表面陷阱参数通过以下模型计算：

其中，γ为热电子振动频率，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，f₀(Et)为陷阱初始占有率，L为介质厚度；Vs为表面电位，t为衰减时刻；ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，q_e电子单位电荷量。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，使用时表面电位测试单元始终位于真空实验腔体内，可以避免电晕实验中环境温度、湿度等外界因素带来的干扰，测量得到的表面电位原始数据更为准确。通过电子束流监测模块得到的电子束流参数分析试样的表面沉积电荷分布，根据表面沉积电荷分布和表面电位衰减曲线，结合数学模型，即可获得陷阱参数，例如陷阱能级、陷阱电荷密度。

附图说明

图1是本申请一种实施方式的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置的结构示意图；

图2是本申请一种实施方式的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法的流程示意图；

图3是应用本申请提供的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置及方法获得的表面陷阱分布谱图；

图中编号：

1、真空实验腔体；2、电子枪；3、表面电位测试单元；31、接地电极；32、试样；33、测试探头；34、表面电位计；4、电子束流监测模块；5、二维移动平台；6、控制单元。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本申请的技术方案进行详实的阐述，然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述的实施方式仅仅是对本申请的优选实施方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

如图1所示，为本申请第一种实施方式提供的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，包括真空实验腔体1；

设置于所述真空实验腔体1上的电子枪2；

以及设置于所述真空实验腔体内的表面电位测试单元3，所述电子枪2用于为所述表面电位测试单元3上的试样注入电荷；

设置于所述表面电位测试单元3一侧的电子束流监测模块4，所述电子束流监测模块4用于监测电子束流参数；

二维移动平台5，所述二维移动平台5用于在所述试样注入电荷后，将所述试样移动至表面电位测试位置。

本申请提供的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，使用时表面电位测试单元始终位于真空实验腔体内，可以避免电晕实验中环境温度、湿度等外界因素带来的干扰，测量得到的表面电位原始数据更为准确。使用时，电子枪为试样注入电荷，完成电荷注入后，试样可在二维移动平台作用下移动至表面电位测试单元的表面电位测试位置，进而检测试样的表面电位，获得试样的表面电位衰减曲线；然后电子束流监测模块得到的电子束流参数分析试样的表面沉积电荷分布，再根据表面沉积电荷分布和表面电位衰减曲线，结合数学模型，即可获得陷阱参数，例如陷阱能级、陷阱电荷密度。采用电子枪为试样注入电荷主要采用的是电子辐射方式，该方式的优点是注入电荷的类型、能量和数量可以控制。

具体地，如图1所示，所述表面电位测试单元3包括：

设置在所述二维移动平台5上的接地电极31，设置在所述接地电极31上的试样32，所述试样32与所述电子枪2对应设置；

还包括：测试探头33，所述测试探头33的一端与所述试样32对应设置，所述测试探头33的另一端连接表面电位计34；

所述二维移动平台5在所述试样注入电荷后，将所述试样移动至所述测试探头33对应位置。

试样放置在接地电极上，接地电极可在二维移动平台带动下移动，进而使得测试探头对准电荷注入位置，从而测得试样的表面电位。该测试装置用于获取电荷输运微观参数时，整个过程无需打开真空实验腔体，试样的移动无需手动调节，不仅操作简单，测试效率高，而且测试结果准确。

具体地，如图1所示，所述聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置还包括控制单元6，所述控制单元6与所述二维移动平台5和所述表面电位计34电连接，以实现对所述二维移动平台5移动和所述表面电位计34表面电位采集的同步控制。所述二维移动平台5可在所述控制单元6控制下移动，同时所述控制单元控制所述测试探头34测试试样的表面电位，并接收所述测试探头34采集的试样表面电位数据。

具体地，在所述试样注入电荷后，所述二维移动平台5可在所述控制单元6控制下带动所述接地电极31移动，使得所述试样移动至所述测试探头33下方，所述控制单元6控制所述测试探头33启动测试所述试样的表面电位，并接收采集到的表面电位原始数据。

如图2所示，本申请第二种实施方式还提供一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，采用第一种实施方式所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，包括如下步骤：

S1：通过电子枪为表面电位测试单元上的试样注入电荷；

S2：通过电子束流监测模块获得电子束流参数；

S3：控制单元控制二维移动平台移动所述试样至表面电位测试位置；

S4：通过测试探头检测所述试样的表面电位，进而获得所述试样的表面电位衰减曲线；

S5：根据所述试样的电子束流监测模块得到的电子束流参数分析试样的表面沉积电荷分布；

S6：根据表面沉积电荷分布和表面电位衰减曲线，结合数学模型，，计算获得试样表面陷阱参数。

进一步地，所述试样放置于接地电极上，所述接地电极在所述二维移动平台的带动下移动，进而使得试样移动至所述测试探头下方进行表面电位测试。

进一步地，所述电子枪的电子辐射能量设置为1k eV-20k eV。本实施例中采用的表面电位计为非接触式表面电位计，其最大量程为20k V，故电子能量不能过高，因此选择电子枪的电子辐射能量设置为1k eV-20k eV。

进一步地，所述试样的表面电位测试持续至电位趋于稳定后停止。

进一步地，所述试样表面陷阱参数通过以下模型计算：

其中，γ为热电子振动频率，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，f₀(Et)为陷阱初始占有率，L为介质厚度；Vs为表面电位，t为衰减时刻；ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，q_e电子单位电荷量。

上述试样表面陷阱参数的计算基于Simmons理论，假设表面沉积电荷脱陷后，在较高电场作用下，向接地电极运动，不考虑其再次入陷过程，适用于试样较薄，内部电场较高的情况。

根据Simmons理论，陷阱热发射电子概率为：

式中：γ为热电子振动频率；k_B为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；E_t为陷阱能级。

定义函数G_n(E_t,t)，表达式为：

G_n(E_t,t)＝e_nexp(-e_nt) (2)

G_n(E_t,t)函数决定了任意时刻电子陷阱能级对电流的贡献权重，当E＝E_m时，G_n(E_t,t)取最大值。

式中：E_m为等温衰减t时刻时的陷阱能级。

求解微分方程，可以得到陷阱能级：

E_t＝E_con-E_m＝k_BTln(γt) (4)

低能电子辐射下，沉积电子主要分布于厚度为η的介质表层，由高斯定理可以得出介质表面电位为：

式中：L为介质厚度；η为介质表层沉积电荷厚度；q_net为介质表层沉积电荷密度；n_t为单位时间内自由电荷数量。

从陷阱能级E_i到导带E_con范围内，单位时间内自由电子总密度为：

式中：f₀(E_t)为陷阱初始占有率；N(E_t)为陷阱能级E_t对应的陷阱密度/m^-3；E_i为陷阱最低能级/eV。

将公式(2)带入上述积分公式，可得：

n_t＝f₀(E_t)N(E_t)k_BT/t (8)

将公式(8)带入(7)，可得陷阱密度计算公式：

以聚酰亚胺PI为例，采用本申请第一种实施方式提供的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置对PI薄膜表面电位进行测试，获得PI薄膜表面电位衰减曲线，在根据第二种实施方式提供的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，即可获得不同能量电子辐射条件下PI的表面陷阱分布谱图，如图3所示。

Claims (9)

1.一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，其特征在于，包括：

真空实验腔体；

设置于所述真空实验腔体上的电子枪；

以及设置于所述真空实验腔体内的表面电位测试单元，所述电子枪用于为所述表面电位测试单元上的试样注入电荷；

设置于所述表面电位测试单元一侧的电子束流监测模块，所述电子束流监测模块用于监测电子束流参数；

二维移动平台，所述二维移动平台用于在所述试样注入电荷后，将所述试样移动至表面电位测试位置。

2.根据权利要求1所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，其特征在于，所述表面电位测试单元包括：

设置在所述二维移动平台上的接地电极，设置在所述接地电极上的试样，所述试样与所述电子枪对应设置；

还包括：测试探头，所述测试探头的一端与所述试样对应设置，所述测试探头的另一端连接表面电位计；

所述二维移动平台在所述试样注入电荷后，将所述试样移动至所述测试探头对应位置。

3.根据权利要求2所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元与所述二维移动平台和所述表面电位计电连接，以实现对所述二维移动平台移动和所述表面电位计表面电位采集的同步控制。

4.根据权利要求3所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，其特征在于，在所述试样注入电荷后，所述二维移动平台可在所述控制单元控制下带动所述接地电极移动，使得所述试样移动至所述测试探头下方，所述控制单元控制所述测试探头启动测试所述试样的表面电位，并接收采集到的表面电位原始数据。

5.一种聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，采用如权利要求1-4所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取装置，其特征在于，包括如下步骤：

通过电子枪为表面电位测试单元的试样注入电荷；

通过电子束流监测模块获得电子束流参数；

控制单元控制二维移动平台移动所述试样至表面电位测试位置；

根据所述电子束流参数，获得所述试样表面沉积电荷分布；

根据测试探头监测所述试样的表面电位，得到表面电位衰减曲线，结合所述试样表面电荷沉积分布，计算获得试样表面陷阱参数。

6.根据权利要求5所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，其特征在于，所述试样放置于接地电极上，所述接地电极在所述二维移动平台的带动下移动，进而使得试样移动至所述测试探头下方进行表面电位测试。

7.根据权利要求6所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，其特征在于，所述电子枪的电子辐射能量设置为1k eV-20k eV。

8.根据权利要求7所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，其特征在于，所述试样的表面电位测试持续至电位趋于稳定后停止。

9.根据权利要求5所述的聚合物薄膜介质电荷输运微观参数提取方法，其特征在于，所述试样表面陷阱参数通过以下模型计算：

其中，γ为热电子振动频率，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，f₀(Et)为陷阱初始占有率，L为介质厚度；Vs为表面电位，t为衰减时刻；ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，q_e电子单位电荷量。

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