本發明屬于電介質耐輻照劑量計算領域,更具體地,涉及一種基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法。
背景技術:
1、隨著空間技術和核技術的發展,高聚物材料越來越多地作為電介質應用在輻照環境中,而整個電氣系統的使用壽命通常取決于電介質的耐久極限。高聚物電介質在接受輻照后,大分子結構甚至原子結構改變,產生化學變化和結構變化,即發生輻照老化,輻照老化直接影響電介質的陷阱密度。
2、目前,在聚合物的耐輻照劑量和耐輻照壽命方面,多采用材料的物理性能和機械性能的劣化進行表征,包括密度、熔點、斷裂伸長率、抗拉強度等。此外,輻照效應對于不同聚合物材料通常具有不同的評判標準,一般將材料的某種特定性能劣化25%時的輻照劑量定義為材料的耐輻照劑量。為了得到材料的耐輻照劑量,通常需要先對樣品進行大劑量輻照,再測量其物理和機械性能,實驗周期長且工作量大。
3、對于電介質,需要重點考慮其電氣性能。在電介質的耐輻照性能方面,多以宏觀電氣性能參數作為電介質劣化的表征,包括電導率、介質損耗角正切值、擊穿場強等。這些參數一方面與輻照后電介質材料的本征特性有關,另一方面易受到測試條件如外加電壓、溫度等的影響。因此,基于宏觀電氣性能參數測得的電介質耐輻照劑量不夠準確。
4、綜上,目前對聚合物材料耐輻照劑量和壽命的研究通常需要經過大量的實驗,工作量大且繁瑣,并且基于宏觀電氣性能參數測得的電介質耐輻照劑量還存在不夠準確的問題。
技術實現思路
1、針對現有技術的缺陷和改進需求,本發明提供了一種基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其目的在于解決現有方法需要對電介質進行長期的大劑量輻照才能得到其耐輻照劑量,存在工作量大、測試復雜的問題,以及基于宏觀電氣性能參數測量電介質耐輻照劑量存在不準確的問題。
2、為實現上述目的,本發明提供了一種基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,包括:準備未被輻照的電介質樣品,以及若干個分別被不同輻照劑量輻照的電介質樣品,各電介質樣品厚度相同;對于各所述電介質樣品:對其進行熱刺激去極化電流的測量,根據其熱刺激去極化電流隨時間的變化曲線,計算其陷阱密度;根據輻照陷阱產生模型,結合不同輻照劑量下電介質樣品的陷阱密度,計算電介質的輻照陷阱產生系數β和電介質受輻照后可產生的極限陷阱密度nte,所述輻照陷阱產生模型用于表征任一輻照劑量下電介質的陷阱密度ntd與輻照劑量d、未被輻照電介質的陷阱密度nt0、β和nte之間的函數關系;根據β、nt0和nte計算電介質的耐輻照劑量。
3、更進一步地,所述輻照陷阱產生模型為:
4、ntd=nte(1-e-βd)+nt0
5、其中,ntd為輻照劑量d下電介質的陷阱密度,e為自然常數。
6、更進一步地,電介質的耐輻照劑量為:
7、
8、其中,dresist為電介質的耐輻照劑量。
9、更進一步地,準備的分別被不同輻照劑量輻照的電介質樣品的數量不少于3個。
10、更進一步地,輻照電介質樣品的輻照劑量不高于0.5dmax,其中,dmax為導致電介質材料的物理或機械性能下降設定程度的輻照劑量閾值。
11、更進一步地,對電介質樣品進行熱刺激去極化電流的測量,具體包括:將電介質樣品放置在上下金屬電極之間,將電介質樣品和上下金屬電極放置在控溫腔內;將電介質樣品的溫度升高至tp后,給電介質樣品施加電壓vp并保持時間tp,其中,tp為極化溫度,vp為極化電壓,tp為極化時間;保持vp,將電介質樣品的溫度降低至t0并維持延遲時間,以使電介質樣品溫度穩定,其中,t0為最低測量溫度,t0低于電介質材料玻璃化溫度;延遲時間內撤掉施加在電介質樣品上的電壓,將電介質樣品兩端短路;延遲時間過后,以恒定升溫速率將電介質樣品升溫至tmax,升溫過程中測量電介質樣品的熱刺激去極化電流,直至電介質樣品的溫度穩定,其中,tmax為最高測量溫度。
12、更進一步地,所述陷阱密度為:
13、
14、其中,nt為陷阱密度,e′為元電荷,d為電介質樣品厚度,s為上下金屬電極中與電介質樣品接觸面的面積,t0、tmax分別為升溫過程中測量電介質樣品的熱刺激去極化電流的起始時刻、終止時刻,i(t)為t時刻電介質樣品的熱刺激去極化電流。
15、總體而言,通過本發明所構思的以上技術方案,能夠取得以下有益效果:
16、提供了一種基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,提出基于電介質的陷阱密度去計算其耐輻照劑量,相較于電介質的宏觀性能,電介質的本征微觀性能參數陷阱密度可以更準確地反映其劣化程度和老化狀態,從而可以提高電介質耐輻照劑量計算準確度;
17、只需對樣品進行小劑量輻照后,對樣品進行熱刺激去極化電流測試以計算其陷阱密度,進一步根據陷阱密度計算出其耐輻照劑量;相較于現有對電介質持續進行輻照直至達到其電介質性能劣化25%,方能得到電介質耐輻照劑量的方法,本方法不需要對電介質進行長期的大劑量輻照,減少了實驗工作量,所需樣品量小,測試方便快捷,計算方法簡單。
18、本方法有助于預測輻照環境中電介質的整體電氣性能狀態和使用壽命,防止電介質輻照劣化導致的電氣系統故障,對于電介質在輻照環境中的應用具有重要參考意義。
1.一種基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,包括:
2.如權利要求1所述的基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,所述輻照陷阱產生模型為:
3.如權利要求1所述的基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,電介質的耐輻照劑量為:
4.如權利要求1-3任一項所述的基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,準備的分別被不同輻照劑量輻照的電介質樣品的數量不少于3個。
5.如權利要求1-3任一項所述的基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,輻照電介質樣品的輻照劑量不高于0.5dmax,其中,dmax為導致電介質材料的物理或機械性能下降設定程度的輻照劑量閾值。
6.如權利要求1所述的基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,對電介質樣品進行熱刺激去極化電流的測量,具體包括:
7.如權利要求6所述的基于陷阱密度的電介質耐輻照劑量計算方法,其特征在于,所述陷阱密度為: