Лабораторная установка для исследования радиационной электропроводности и подвижности носителей заряда в полимерах

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА  ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛИМЕРАХ

 

Е.П. Грач, Г.А. Белик

Московский Государственный  институт электроники и математики (технический университет)

(109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., д. 3)

(e-mail: fit@miem.edu.ru)

 

По крайней мере, три  основных технических приложения стимулируют  развитие фундаментальных исследований в области генерации, инжекции, рекомбинации и транспорта избыточных носителей  заряда в полимерных диэлектриках.

Во-первых, это вопросы  стойкости полимерных диэлектриков к воздействию ионизирующих излучений, как в военной технике, так  и в ядерной энергетике.

Во-вторых, это проблема защиты космических аппаратов от поражающих факторов электризации.

И, наконец, в-третьих, это развитие техники и технологии процессов записи, хранения и считывания информации, включая тривиальный в настоящее время принтер или ксерокс.

Эти важнейшие технические  приложения предъявляют различные  требования к изменению электрофизических  характеристик полимерных диэлектриков при воздействии света или радиации. Так полимерная изоляция проводов и кабелей на объектах военной техники и ядерной энергетики не должна значительно увеличивать свою электропроводность при воздействии радиации. В противном случае возрастание токов утечки может превысить допустимый предел.

При проектировании защиты космических аппаратов от поражающих факторов электризации, напротив, требуется  повышенная электропроводность полимерных диэлектриков внешней поверхности  для обеспечения хорошего стока зарядов из объема диэлектрика на его поверхность без электростатических разрядов. Именно электростатические разряды оказывают негативное влияние на функционирование бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Разработка техники  и технологий записи, хранения и считывания информации требует от полимерных диэлектриков хорошей фотопроводимости. Часто это требование ужесточается применением света только видимого диапазона длин волн.  

Такие разнообразные, порой  взаимоисключающие требования к полимерным диэлектрикам  делают фундаментальные исследования в этой области весьма перспективными. Действительно, только глубинные знания электрофизических процессов протекающих в облучаемых полимерах, позволяют разрабатывать полимерные диэлектрики с заранее заданными свойствами.

Установка для изучения обратимых изменений электрофизических  свойств полимеров на базе источника низкоэнергетических (500 эВ…50 кэВ) электронов обладают целым рядом преимуществ перед установками на базе традиционных источников радиации: гамма-источников Со⁶⁰, ускорителей электронов до высоких энергий, гамма-нейтронных реакторов и т.п. Установка на низкоэнергетических электронах безопасна в радиационном отношении, не требуют больших и специально оборудованных помещений, менее энергоемка, не нуждается в многочисленном обслуживающем персонале, и при этом обладают целым рядом уникальных технических характеристик, которые, как правило, невозможно реализовать на установках, использующих традиционные источники радиации.

К таким характеристикам относятся:

¾ возможность изменения мощности поглощенной дозы в широких пределах;

¾ прямоугольный импульс излучения с легко изменяемой длительностью при работе в импульсном режиме и малое время нарастания при ступенчатом воздействии радиации;

¾ незначительный уровень электромагнитных помех;

¾ высокая точность определения мощности поглощенной дозы излучения;

¾ отсутствие требований к соблюдению условий электронного равновесия при исследованиях и расчете мощности поглощенной дозы.

Следует отметить, что материалы внешней поверхности КА подвергаются воздействию именно низкоэнергетических электронов. Поэтому для космического материаловедения использование установок на низкоэнергетических электронах это хорошее приближение к натурным условиям эксплуатации.

В настоящее время твердо установлено, что РЭ полимеров не зависит от энергии электронов в широких  пределах (30 кэВ…8 МэВ), от вида излучения (электронное или гамма- ), а для  нейтронов и тяжелых заряженных частиц теоретически определены и подтверждены экспериментально коэффициенты, позволяющие с высокой точностью пересчитать значения РЭ.

Экспериментальная установка для  исследования РЭ и подвижности носителей  заряда в полимерах создана на базе электронно-лучевого агрегата для  микросварки ЭЛА-50/5.Внешний вид установки представлен на рис.1.

Базовая модель ЭЛА-50/5 была подвергнута значительным переделкам,  в результате которых получилась исследовательская установка, обладающая следующими основными техническими характеристиками.

1. Энергия электронов пучка плавно регулируется от 500 эВ до 50 кэВ.
2. Длительность импульса электронного излучения плавно изменяется в диапазоне (10^-6…10^-3)с включая непрерывный режим облучения.
3. Мощность дозы электронного излучения может быть выбрана любой в диапазоне (0,1…10⁶)Гр/с.
4. Вакуум в рабочей камере, где расположена измерительная ячейка с образцом полимерного материала –2´10^-5 мм рт. ст.

Отличительной чертой разработанной  установки является наличие системы  компьютерного запуска пучка  электронов и компьютерной измерительной  системы для последующей регистрации полезного сигнала. Основу компьютерной измерительной системы составляет специальный внешний модуль.        Этот модуль является современным универсальным устройством для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации на  персональных IBM PC совместимых компьютерах.

 

Рис. 1. Внешний вид установки для измерения РЭ полимеров.

 

Ток, протекающий через образец во время эксперимента крайне мал. С другой стороны, неотъемлемые части исследовательской установки, а именно – форвакуумный насос, задающие генераторы, источник напряжения, вольтметры, осциллографы, а так же в меньшей степени вакуумметр, генерируют в процессе работы электромагнитные помехи, в том числе и сетевые, которые улавливаются соединительными проводами, идущими от рабочей камеры к измерительной части установки. Все это приводит к плохому соотношению сигнал/шум в сигнальных проводах. Частично эту проблему удалось решить использованием дифференциального предусилителя осциллографа С1-15 и использованием программного фильтра, написанного аспирантами кафедры ОФХ. Предпринятые меры позволили проводить исследования при напряжениях от 10^-3 В и выше..

Типичная экспериментальная кривая показана на рисунке 2.

Некоторые эксперименты требуют снижения тока через образец в 10 и более раз. Однако в этом случае соотношение сигнал/шум уже не позволяет оценивать поведение сигнала в области спада. Чтобы добиться более приемлемого соотношения сигнал/шум, можно либо увеличить сам сигнал, либо уменьшить шумы.

Уменьшение шумов можно достичь используя коаксиальные кабели с двойными или тройными экранами (каждый следующий экран снижает наводку на 20дБ – см.[1]), однако такие кабели слишком дорогие. С другой стороны, можно попытаться увеличить сигнал. Т.к. увеличить ток через нельзя, то нужно его усилить. Дифференциальный предусилитель осциллографа С1-15 имеет коэффициент усиления равный 10. Для удобства было решено Поскольку нет никакой возможности этот коэффициент увеличить,  то было решено заменить дифференциальный преусилитель на операционный.

 

     Рис. 2.   Ток через образец при облучении пучком электронов с энергией 6 КэВ.

 

В качестве операционного  усилителя выбран усилитель СР177. Коэффициент усиления задается отношением сопротивления обратной связи к сопротивлению инвертирующего входа и составляет 20 раз. Второй каскад используется для защиты АЦП.

Модуль представляет собой законченную измерительную  систему со встроенным сигнальным процессором  фирмы Analog Devises, Inc. Ниже приведены основные характеристики модуля:

¾ шина USB;

¾ процессор ADSP-2185 с тактовой частотой 48 МГц;

¾ частота работы 14-битногого АЦП – 400 кГц;

¾ выход для запуска электронной пушки;

¾ вход для внешней синхронизации при вводе аналогового измерительного сигнала;

 Модуль, как  и почти любую полупроводниковую схему, необходимо защищать от выхода из строя из-за возможных значительных перегрузок по напряжению (до 1 - 2 кВ), которые возникают при несанкционированных пробоях полимерных образцов. В качестве такой защиты в нашем измерительном тракте используется второй каскад операционного усилителя, включенный в режим повторителя.  

 

     Рис. 3.   Блок- схема установки для измерения РЭ полимеров: 1 – электронная пушка; 2 - высоковольтный источник питания электронной пушки; 3 – модулятор; 4 – задающий генератор Г5 – 35; 5 – осциллограф С1 –48 Б; 6 - вакуумные токовводы; 7 – диафрагма; 8 – заслонка; 9 – исследуемый образец с напыленными электродами; 10 – цилиндр Фарадея; 11 – вакуумные токовводы; 12 – рабочая камера; 13 – источник питания.

 

В некоторых случаях при проведении эксперимента образец пробивается. Пробой сопровождается сильным высокочастотным импульсом. Однако дифференциальный предусилитель не пропускает этот импульс в сторону АЦП в силу своей АЧХ. Операционный усилитель обладает гораздо более широкой АЧХ, поэтому для защиты дорогостоящего АЦП был использован второй каскад включенный в режиме повторения.

Использование операционного  усилителя позволило с одной  стороны, повысить уровень сигнала  за счет увеличения коэффициента усиления, а с другой стороны, позволило исключить сильношумящий осциллограф С1-15 из экспериментальной установки. Предпринятые меры позволили снизить ток через образец в 10 раз и снимать сигналы от 10^-4В и выше.

 

Использованные источники.

 

1. Knowles E. D., Olson L.W., “Cable Shielding Effectiveness Testing”, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. EMC-16, №1, February 1974