聚合物固体介质空间电荷和陷阱能态密度测试仪器研制

Space charge is one of most important parameters to industrial application and special function in polymer based solid dielectric and it has very close relation with trap density distribution in the inner of the dielectric. Space charge is basic for electric field calculation and its formation mechanism could be deduced from trap density distribution. At present, space charge and trap density are measured individually and the correct explain for space charge formation might not be obtained due to sample difference between space charge and trap density measurements. Therefore, space charge and trap density distribution are two complementary parameters for charge transportation characteristics in the dielectric. Trap energy level and its density, local electric field and relaxation mechanism could be investigated via a simultaneous measurement of space charge and thermally stimulated current. In the project, space charge measurement and thermally stimulated current are combined in one instrument and technical routes for both technologies are investigated, as well as those special requirements for the combined instrument. With the instrument, not only space charge but also trap energy level could be characterized without any sample difference. In addition, various types of traps could be analyzed via the simultaneous characterization of plenty of information, which could provide enough data for new solid dielectric development and dielectric physics research.

空间电荷是影响聚合物固体介质的应用以及特异功能开发的重要参数，同时它与介质内部的陷阱能级密度分布密切相关，从空间电荷分布可以分析介质的电场分布，而从陷阱能级分布可以分析空间电荷的形成机制。目前空间电荷和陷阱能级密度都是独立测量的，由于样品个体的差异性，将影响对聚合物固体介质中空间电荷建立过程的物理机理的准确分析。因此空间电荷和陷阱能级密度是反映介质电荷输运特性的两个相辅相成的参数。通过空间电荷和热刺激电流谱的联合测试，可以研究聚合物固体介质中的各种缺陷的能态分布，分析局部电场以及各种松弛极化机理。项目提出将电声脉冲法和热刺激电流法结合于一套测试系统中，研究两种测试技术各自特点以及联合装置的特殊要求。通过联合测试装置，不仅能够测量空间电荷和陷阱能级密度分布，还可以获取形成空间电荷的各种陷阱机理，为介质性能表征、新材料的开发以及介质物理理论提供重要支撑。

空间电荷是影响聚合物固体介质的应用与开发的重要参数，同时它与介质内部的陷阱能级密度分布密切相关。从空间电荷分布可以分析固体介质的电场分布，而从陷阱能级分布可以分析空间电荷的形成机制。对于同一材料制成的试样进行空间电荷与陷阱能态密度分布的联合测量具有重要的理论与工程应用意义。.本课题成功研制了聚合物固体介质的空间电荷与陷阱能态密度测试仪器。该仪器将电声脉冲法和热刺激电流法相结合，能够对同一试样进行空间电荷分布与陷阱能态密度分布的联合测量。首先，仪器采用特制的“四电极”结构，解决空间电荷测量与电流测量的相互干扰问题。其次，项目研发出基于高压固体开关的高重复频率纳秒脉冲源，为快速测量空间电荷提供激励源。再次，仪器使用液氮和电加热协调控温方式，结合适当的控温参数，能够控制试样按照给定参数线性升温。最后，仪器使用自主研发的微电流测量模块的测量精度可以达到皮安级。.于此同时，项目也取得了相关的理论研究成果。通过对不同温度下声波振动信号在试样中的传递特性研究，成功对变温状态下的空间电荷信号进行恢复，并自主开发了相关的恢复软件。另外，提出基于非负线性最小二乘迭代算法解决热刺激电流分析中的分峰问题，并开发出对应的分析软件。.最后，利用研制的聚合物固体介质空间电荷和陷阱能态密度测试仪器，进行了四个方面的初步应用：对极高场强下交联聚乙烯材料中的空间电荷包现象进行了研究，将传导电流从外电流中分离开来，证实了负微分迁移率是产生空间电荷包迁移的原因；对聚乙烯材料在低温下的空间电荷特性进行了研究，通过与常温以及高于室温情况下材料内部的空间电荷特性比较研究获得若干结论；进行基于偏压热刺激电流的陷阱性质辨识实验；对交联聚乙烯材料进行了空间电荷与热刺激电流的联合测量，分析了热刺激电流和空间电荷的相关性，为聚合物固体介质的电荷输运特性研究提供了有力的支持。