诊断手段1(a)电信号电压、电流(b)电荷分布测量光学信号基于雪崩光电二极管的光子计数法－闪络前的弱光检测PMTNios'IlICCDADERA高速分幅相机-16-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -16- (a) t (b) t △ t q诊断手段 电信号： 电压、电流 电荷分布测量 光学信号： 基于雪崩光电二极管的光子计数法－闪络前的弱光检测 PMT ICCD 高速分幅相机
直流电量放电充电表面电位测量与表面陷阱参数计算SurfaceConstanttemperatureboxPotential MeterRotating Rod(间多针－板电极Amplifier&A/Dbrace距~2 mm）ConductingNeedleSilica GreaseElectrodesSampleHVDC +/-1.5kV 电Probe晕放电~2minMetal PlateP.C.试品表面短路放电～1min，以去除表面自由电荷表面电位衰减的长时间记录-17-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -17- 直流电晕放电充电、表面电位测量与表面陷阱参数计算 Metal Plate HV Surface Potential Meter Amplifier &A/D P.C. Sample Probe Conducting Silica Grease brace Rotating Rod Constant temperature box Needle Electrodes 多针－板电极（间 距~2 mm ） HVDC +/-1.5kV 电 晕放电~2min 试品表面短路放电 ~1min，以去除表 面自由电荷 表面电位衰减的长 时间记录
表面带电过程针尖处发生电晕产生带电质点，在电场的作用下带电质点向绝缘材料表面运动，电荷首先积聚在绝缘材料表面，然后由表面向体内输运。图中考虑负尖电量时的情形随着充电过程的进展，注入电荷将进入绝缘材料的导带和价带参与导电，以及占据禁带中的陷阱形成空间电荷。理论分析和实验结果都表明，由电极发射注入介质中形成的空间电荷，几乎集中在试品表面1~2um的表层中。针尖电极d-i0一负空间电荷·电子dEp·空穴正离子+正空间电荷。负离子600(a)(b)图2-3绝缘材料充电过程分析的示意图(a)注入电荷的形成(b)陷阱电荷的分布-18-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -18- (a) (b) 图2-3 绝缘材料充电过程分析的示意图 (a) 注入电荷的形成 (b) 陷阱电荷的分布 针尖处发生电晕产生带电质点，在电场的作用下带电质点向绝缘材料表面运动，电荷 首先积聚在绝缘材料表面，然后由表面向体内输运。图中考虑负尖电晕时的情形。 随着充电过程的进展，注入电荷将进入绝缘材料的导带和价带参与导电，以及占据 禁带中的陷阱形成空间电荷。理论分析和实验结果都表明，由电极发射注入介质中形 成的空间电荷，几乎集中在试品表面1~2 m的表层中。 x d d- 0 ¦Î ¦Î + - + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 负空间电荷 + 正空间电荷 { { { - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + - 电子 空穴 负离子 + 正离子 l d + - - - - - - - - - - + - + + + + + + 0 针尖 电极 r s d V 0 表面带电过程
陷阱能级与陷阱密度当撤去外施电压后，介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释放：在恒温下热释放电流随时间而变化，这个电流反映了陷阱能级的分布规律。假设释放的载流子不再陷化，前人推导了陷阱能级E以及等温电流密度J与陷阱密度N,的关系E, = kTln(yt)J=qdkTf(E)N,(E)2t式中E,陷阱能级，eV;kBoltzmann常数,k=8.568x10-5eV/K;T绝对温度，K;电子振动频率，一般为1011~1012s-1；Y时间，S;td试品的厚度，m;陷阱初始占有率(一般取1/2)，(%);fo(E)N(E)陷阱能量分布函数，（eV)-1m-3。-19-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -19- 当撤去外施电压后，介质中处于浅陷阱的陷阱载流子先释放，而处于深陷阱的后释 放；在恒温下热释放电流随时间而变化，这个电流反映了陷阱能级的分布规律。假 设释放的载流子不再陷阱化，前人推导了陷阱能级Et以及等温电流密度J与陷阱密度 Nt的关系 ( ) ( ) 2 ln( ) 0 t t t t f E N E t qdkT J E kT t 陷阱能级与陷阱密度 式中 Et —— 陷阱能级，eV； k —— Boltzmann常数，k=8.56810 -5 eV/K； T —— 绝对温度，K； —— 电子振动频率，一般为10 11~10 12s -1； t —— 时间，s； d —— 试品的厚度，m； f0(Et) —— 陷阱初始占有率(一般取1/2)，(%)； Nt(Et) —— 陷阱能量分布函数，(eV) -1m-3
试品的表面特性分析红外吸表面成分分析：X射线收光谱(FTIR)真空TEk光电子能谱(XPS)X射线hvPspec偏光显分层形貌分析：sampEF微镜(便捷)Eb谱仪金属表面平面形貌分析：扫分析芯能级样品描电镜(SEM)表面三维形貌分析：原图2-1XPS分析原理的示意图子力显微镜(AFM)-20-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -20- 图2-1 XPS分析原理的示意图 }芯能级 φ spec φ samp 真空 谱仪金属 分析 样品 X射线 hν Ek Eb EF 试品的表面特性分析 表面成分分析：红外吸 收光谱(FTIR)、X射线 光电子能谱(XPS) 分层形貌分析：偏光显 微镜（便捷） 表面平面形貌分析：扫 描电镜（SEM） 表面三维形貌分析：原 子力显微镜（AFM）