CN103105542B - 一种用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，属于用于电声脉冲法空间电荷测量技术领域。本装置中，绝缘支撑柱和上金属高压电极柱上下相对固定，并通过绝缘树脂封装件封装在金属屏蔽壳内。下金属高压电极柱置于上金属高压电极柱的下部。绝缘体连接环的上端插入上金属高压电极柱的空腔内，下端穿过绝缘垫环后插入下金属高压电极柱的空腔内。接地电极板置于金属屏蔽壳的下方，被测试样置于其间。本装置可以依据被测试样的厚度，调整绝缘体连接环内的电阻阻值，实现波阻抗匹配，提高电声脉冲法空间电荷测量系统的测量准确性，可以适应不同厚度试样的测量，用于研究金属表面电子发射对空间电荷产生、积聚的影响。

Description

一种用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置

技术领域

本发明涉及一种用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，属于电声脉冲法空间电荷测量技术领域。

背景技术

空间电荷测量技术是目前国内外应用最为广泛的一种固体电介质空间电荷测量技术，主要用于研究固体电介质内空间电荷的积聚、分布、迁移和衰减过程。但是该测量技术中的高压电极在长期的使用中由于机械磨损、击穿放电等原因，电极表面会逐渐变得凹凸不平，导致电场畸变，局部场强增大。一方面，加在试样上的电场分布不再均匀，不满足脉冲电声法测量方法的要求，影响空间电荷测量结果的准确性。另一方面，同样厚度的试样在外加较低电压时即发生击穿，不利于高场强下空间电荷特性的研究，降低了测量系统的整体性能。图1为高压电极装置的现有结构，包括金属屏蔽壳1，绝缘支撑柱2，金属电极柱3，绝缘树脂封装件4，试样5，接地电极板6。金属屏蔽壳1接地，起电场屏蔽和安全保护作用，绝缘支撑柱2上端固定在金属屏蔽壳1中心，用作高压电极的金属电极柱3固定在绝缘支撑柱2下端。为提高高压电极的绝缘性能，绝缘树脂封装件4填充于金属电极柱3周围，金属电极柱3和接地电极板6之间放置被测试样5。由于绝缘树脂封装件4的作用，各个部分被浇注为一个整体，金属电极柱3不能单独拆卸。

空间电荷的产生、积聚是研究的重点内容，金属表面电子发射引起的电荷注入对这一过程有着极为重要的影响。对于场致发射，利用福勒-诺德海姆方程计算发现，洁净的电极表面，电场强度大于10⁷V/cm时可以观察到明显的场致发射现象，当金属表面存在杂质时，所需的电场强度会降低100倍。在利用脉冲电声法空间电荷测量系统测量试样内部电荷时，电极表面的场强往往能达到10⁵V/cm到10⁶V/cm，由于电极表面不完全洁净，这时很有可能发生明显的场致发射现象。不同的金属材料，具有不同的势垒，由场致发射引起的电荷注入也会有很大不同。在高压电极装置的典型结构中，金属电极柱3不能单独拆卸，电极的材质无法改变。如果更换一个新的高压电极装置，则由于系统参数很难完全一致，存在系统自身引起的偏差，降低测量结果之间的可比性。另外制作一个新的高压电极装置需要投入较大的时间，经济成本，并且需要进行大量的调试校准工作。因此利用现有的结构，很难全面、系统地研究空间电荷的产生、积聚过程，特别是不同电极材料对这一过程的影响。

利用电声脉冲法空间电荷测量系统测量试样内部空间电荷时，在试样上会加一个纳秒级的脉冲信号，由于信号的波长和电路尺寸大小可比，需要考虑脉冲信号的波过程。为了在试样上得到尽可能高的脉冲信号幅值以及减小脉冲信号来回折反射带来的干扰，需要考虑阻抗匹配。不同厚度的试样，其等效的阻抗特性会有所不同，因此当试样厚度差别比较大时，有必要对高压电极装置的电路参数进行调整。但在典型结构中，电阻、隔离电容都被固定在绝缘树脂封装件4中，具体参数无法调整。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，改变已有高压电极装置的结构，以方便地更换高压电极的金属电极柱，解决因放电等原因导致的电极表面不平整，从而带来的电场畸变、局部场强增大、系统性能下降的问题，提高高压电极装置的准确性和实用性。

本发明提出的用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，包括金属屏蔽壳、绝缘支撑柱、绝缘树脂封装件和接地电极板，还包括上金属高压电极柱、绝缘体连接环、下金属高压电极柱和绝缘垫环；所述的绝缘支撑柱和上金属高压电极柱上下相对固定，并通过绝缘树脂封装件封装在金属屏蔽壳内；所述的下金属高压电极柱置于上金属高压电极柱的下部，上金属高压电极柱和下金属高压电极柱之间设有绝缘垫环；所述的绝缘体连接环的上端插入上金属高压电极柱的空腔内，绝缘体连接环的下端穿过绝缘垫环后插入下金属高压电极柱的空腔内；所述的接地电极板置于金属屏蔽壳的下方，被测试样置于接地电极板与下金属高压电极柱之间。

本发明提出的用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，其优点是：

本发明的高压电极装置对已有的高压电极装置的结构进行了改进，将原来固定的金属电极柱改为固定的上金属高压电极柱和可以更换的下金属高压电极柱，绝缘体垫环放置在上金属高压电极柱和下金属高压电极柱之间，利用绝缘体连接环将三者连接为一个整体，绝缘体连接环中可以放置不同阻值的电阻，实现不同厚度试样测量时的波阻抗匹配。本发明的高压电极装置，可以方便地更换金属电极柱，解决了由于高压电极装置中金属电极柱表面变得不平整而引起的电场畸变、局部场强增大的问题，有利于全面、系统地了解电介质内部空间电荷的产生和积聚过程。在本发明装置的使用过程中，可以依据被测试样的厚度，调整绝缘体连接环内的电阻阻值，实现波阻抗匹配，减小因来回折反射而引起的波形重叠对空间电荷测量结果产生的影响。提高了电声脉冲法空间电荷测量系统的测量准确性。本发明的高压电极装置，可以适应不同厚度试样的测量，用于研究金属表面电子发射对空间电荷产生、积聚的影响。

附图说明

图1为现有的高压电极结构剖面图。

图2为本发明提出的用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置的结构示意图。

图3为本发明高压电极装置中绝缘体连接环的剖面图。

图1中-图3中，1是金属屏蔽壳，2是绝缘支撑柱，3是金属电极柱，4是绝缘树脂封装件，5是被测试样，6是接地电极板，7是上金属高压电极柱，8是绝缘体连接环，9是绝缘垫环，10是下金属高压电极柱。

具体实施方式

本发明提出的用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，其结构如图2所示，包括金属屏蔽壳1、绝缘支撑柱2、绝缘树脂封装件4和接地电极板6，还包括上金属高压电极柱7、绝缘体连接环8、下金属高压电极柱10和绝缘垫环9。绝缘支撑柱2和上金属高压电极柱7上下相对固定，并通过绝缘树脂封装件4封装在金属屏蔽壳1内。下金属高压电极柱10置于上金属高压电极柱7的下部，上金属高压电极柱7和下金属高压电极柱10之间设有绝缘垫环9。绝缘体连接环8的上端插入上金属高压电极柱7的空腔内，绝缘体连接环8的下端穿过绝缘垫环9后插入下金属高压电极柱10的空腔内，绝缘体连接环8的结构如图3所示。接地电极板6置于金属屏蔽壳1的下方，被测试样5置于接地电极板6与下金属高压电极柱10之间。

本发明提出的用于电声脉冲法空间电荷测量系统的新型实用高压电极装置，其结构如图2所示，包括金属屏蔽壳，金属屏蔽壳中固定的绝缘体支撑柱，与该支撑柱的下端相连的上金属高压电极柱，上金属高压电极柱下面的绝缘体垫环，绝缘体垫环下面的下金属高压电极柱，用于连接上金属高压电极柱、绝缘垫环、下金属高压电极柱的绝缘体连接环，用于填充在上金属高压电极柱周围的绝缘树脂封装件，以及置于下金属高压电极柱下方的接地电极板。本发明装置将原来固定的金属电极柱分为固定的上金属电极柱和可以方便更换的下金属电极柱，同时采用绝缘垫环隔离上金属电极柱和下金属电极柱，利用绝缘体连接环将三者连接为一个整体，在绝缘体连接环中可以放置不同阻值的电阻。

以下结合附图，对本发明的高压电极装置的工作原理和工作过程进行详细说明：

本发明设计的用于电声脉冲法空间电荷测量系统的新型实用高压电极装置结构如图2所示，包括金属屏蔽壳1，金属屏蔽壳1中固定的绝缘支撑柱2，与该支撑柱下端相连的上金属高压电极柱7，上金属高压电极柱7下面的绝缘体垫环9，绝缘体垫环9下面的下金属高压电极柱10，用于连接上金属高压电极柱7、绝缘垫环9、下金属高压电极柱10的绝缘体连接环8，用于填充在上金属高压电极柱周围的绝缘树脂封装件4，以及置于下金属高压电极柱10下方的接地电极板6。

工作时先将试样放置在接地电极板上，依据试样的厚度通过仿真计算和实际测量给出高压电极装置的电路参数调整方案，在绝缘体连接环8中间放入合适阻值的电阻。然后利用绝缘体连接环8将绝缘体垫环9固定在上金属高压电极柱7上，再将下金属高压电极柱10旋接到绝缘体连接环8上。这样通过绝缘体连接环8的作用，上金属高压电极柱7、绝缘体垫环9，下金属高压电极柱10连接成了一个整体。

本发明可以非常方便地更换下金属高压电极柱10而不会改变高压电极装置的其他参数，确保了测量过程中与试样接触的金属电极表面是平整光滑的，使得测量结果更加准确可信，利于数据的对比分析，提高了高压电极装置的实用性。同时使得使用者可以方便、全面的研究金属表面发射对电介质空间电荷产生、积聚过程的影响。此外，依据试样厚度的变化，可以改变放置在绝缘体连接环8中的电阻阻值来实现波阻抗的最佳匹配，改善作用于试样上的高压脉冲，提高了脉冲电声法空间电荷测量系统的准确性和实用性。

Claims (1)

1.一种用于电声脉冲法空间电荷测量系统的高压电极装置，包括金属屏蔽壳、绝缘支撑柱、绝缘树脂封装件和接地电极板，其特征在于还包括上金属高压电极柱、绝缘体连接环、下金属高压电极柱和绝缘垫环；所述的绝缘支撑柱和上金属高压电极柱上下相对固定，并通过绝缘树脂封装件封装在金属屏蔽壳内；所述的下金属高压电极柱置于上金属高压电极柱的下部，上金属高压电极柱和下金属高压电极柱之间设有绝缘垫环；所述的绝缘体连接环的上端插入上金属高压电极柱的空腔内，绝缘体连接环的下端穿过绝缘垫环后插入下金属高压电极柱的空腔内；所述的接地电极板置于金属屏蔽壳的下方，被测试样置于接地电极板与下金属高压电极柱之间。