空间电荷

空间电荷效应

半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。

（1）空间电荷：

存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。

空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。一般，空间电荷密度ρ为ρ= q(p-n+Nd-Na) 。

（2）空间电荷效应：

在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有np

此外，如果空间电荷区中存在复合中心的话，那么，当正偏时，np>nopo=ni2，则将发生载流子复合现象，就会增加一部分正向复合电流；当反偏时，np

当注入到空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的这些载流子即成为了空间电荷的主要成分，于是整个空间电荷及其产生的电场分布即由载流子来控制，这就是空间电荷效应。在轻掺杂半导体中，因为电离杂质中心浓度很小，则更容易出现空间电荷效应，甚至在耗尽区以外也可以出现这种效应。

（3）空间电荷限制电流：

在空间电荷效应起作用的情况下，通过空间电荷区的电流也就以载流子的漂移电流为主，而决定此漂移电流的电场又主要是由载流子电荷所产生的，所以，这时的载流子电荷、电场和电流，它们之间是相互制约着的；即通过空间电荷区的载流子漂移电流要受到相应空间电荷的限制，因此称这时的电流为空间电荷限制电流。

在空间电荷效应下，若是电子注入，则空间电荷密度ρ=qn（电子浓度为n），相应的漂移电流密度J决定于空间电荷（设电子漂移速度为v）：J=qnv 。

这就是说，空间电荷限制电流决定于空间电荷；而空间电荷区中的电场也决定于空间电荷（即电子电荷qn）：d2ψ/dx2 = qn/εs 。

可见，在这种情况下载流子的空间电荷起着决定性的作用。

在较低电场E时，漂移速度还与迁移率μ有关（v=μE），这时，当空间电荷区宽度为L、外加电压V时，可以求得漂移电流与电压的平方成正比（莫特-格尼定律）：J = q εs μV2/(8L3) 。

在强电场时，漂移速度与电场无关——速度饱和（v=vsat），则可求得漂移电流与电压成正比：

J = 2q εs vsat V/L2 。

进而，在速度饱和的弹道输运情况下，可求得漂移电流与电压的二分之三次方成正比（采尔德-朗缪尔定律）：J = (4 εs /9L) (2q/m*)1/2 V3/2 。

空间电荷

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 摘要 纳米聚合物复合材料作为一种新材料，已经引起了越来越多的关注。通过向聚合物中填加少量的纳米填料，原有的性能将会被改善。纳米氧化镁交联聚乙烯复合介质已经被成功应用于高压直流输电系统中，这种新材料可以提升直流电压下的击穿电压。 在本论文中，将会对外国学者近年来对纳米聚合物复合材料电特性所做的研究和实验结果做总结。它们包括电导率，介电特性，局部放电，电树及空间电荷特性。还会对Toshikatsu Tanaka所提出的用于解释纳米复合材料各种性能的多核模型做介绍。 在实验部分，首先，用电声脉冲法对加入纳米MgO的复合介质做空间电荷测试。发现加入纳米粒子后，空间电荷降低。当填量大于0.5phr时，对空间电荷的抑制作用就会非常明显。 然后，通过光刺激电流法测量了XLPE和MgO/XLPE的陷阱能级。结果发现MgO/XLPE拥有更深的陷阱。 最后，对XLPE和MgO/XLPE的电致发光起始电压及发光光谱进行了测量。结果表明，复合介质提升了EL的起始电压并且降低了发光量。并且XLPE与MgO/XLPE的光谱存在很大的区别。 关键词纳米复合材料，交联聚乙烯，空间电荷，陷阱 - I -

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 Abstract Polymer nanocomposite materials have been attracting much attention as a new material because the properties of the original material can be drastically improved by adding a few percent of nano-sized filler. It has been found that nano-sized MgO-filler added into XLPE (crosslink polyethylene), which had been developed for HVDC cable insulation, improved the dc breakdown property of conventional XLPE cable. In this paper, recent topics and their important results will be reviewed on electrical properties of polymer nanocomposite materials. They include characteristics associated with electrical conduction, dielectric properties, partial discharge, electrical treeing and space charge formation. A multi-core model proposed by Toshikatsu Tanaka is discussed to understand various properties and phenomena in nanocomposite. At first, to investigate the influence of MgO nano-filler on space charge properties, we measured the space charge distributions using PEA (pulsed electro-acoustic method) system under DC electric field. In the case of LDPE with nano-filler, there is less space charge injection than LDPE. It is thought that space charge injection is drastically prevented by adding only more than 0.5phr of MgO to LDPE. Also, we measured the trap depth of conventional XLPE and MgO/XLPE by using a photo-stimulated discharge system. We found that the trap depth in MgO/XLPE is deeper than in XLPE. Space charge is expected to be closely related to the nature of carrier traps. Finally, electric field dependence, time variations and the spectra of EL - II -

【CN110003505A】一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改性方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910144430.3 (22)申请日 2019.02.27 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 杜伯学　侯兆豪　李忠磊　许然然　 韩晨磊　 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 程小艳 (51)Int.Cl. C08J 3/24(2006.01) C08L 23/12(2006.01) C08L 83/07(2006.01) C08K 5/14(2006.01) B01J 19/18(2006.01) (54)发明名称 一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改 性方法 (57)摘要 本发明公开一种高压直流电缆用聚丙烯基 绝缘材料改性方法,将聚丙烯复合基料、有机溶 剂、交联剂在具有耐压、加热、搅拌功能的反应釜 中充分混合、反应得到纳米改性的聚丙烯基复合 绝缘材料。首先将聚丙烯复合基料和有机溶剂投 入到反应釜中；打开加热装置使反应釜中聚丙烯 复合基料和有机溶剂升温并保持；搅拌；将占聚 丙烯和八乙烯基POSS总质量的1％～3％的交联 剂，投入到反应釜中，搅拌5～10min后，停止搅拌 和加热装置；降温回收。本发明有机溶剂毒性低， 密闭生产，而且可回收循环使用，经济及环境效 益优异。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 110003505 A 2019.07.12 C N 110003505 A

权　利　要　求　书1/1页CN 110003505 A 1.一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改性方法,其特征在于,将聚丙烯复合基料、有机溶剂、交联剂在具有耐压、加热、搅拌功能的反应釜中充分混合、反应得到纳米改性的聚丙烯基复合绝缘材料,具体包括如下步骤: (1)投料：首先将聚丙烯复合基料和有机溶剂投入到反应釜中； 所述聚丙烯复合基料，由聚丙烯、八乙烯基POSS、抗氧剂混合而成，其中聚丙烯和八乙烯基POSS质量比例为4:1～5:1，抗氧剂占聚丙烯和八乙烯基POSS总质量的1％～5％； (2)加热：打开加热装置使反应釜中聚丙烯复合基料和有机溶剂升温并保持； 所述升温温度选择低于所用有机溶剂的沸点5～10摄氏度； (3)搅拌：打开搅拌装置使反应釜中聚丙烯复合基料充分溶解在有机溶剂中，搅拌速度恒定并保持； (4)接枝反应：将占聚丙烯和八乙烯基POSS总质量的1％～3％的交联剂，投入到反应釜中，搅拌5～10min后，停止搅拌和加热装置； (5)降温回收：反应釜内温度降温后，打开抽滤回收装置将反应釜内的有机溶剂抽滤、气化、冷凝回收后，分别得到纯净的有机溶剂和改性的聚丙烯基复合绝缘材料； 所述降温温度为低于所用有机溶剂的沸点20～30摄氏度。 2.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改性方法,其特征在于,所述步骤(1)中聚丙烯包括等规聚丙烯、间规聚丙烯或两者共混物； 八乙烯基-POSS； 抗氧剂，包括抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂618、抗氧剂626、抗氧剂300、抗氧剂1035及其混合物。 3.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改性方法,其特征在于,所述步骤(2)中有机溶剂，包括甲苯、二甲苯、乙酸异戊酯(CAS号为123-92-2，分子式为C7H14O2)、十氢化萘，其投入的体积比例(按L计)为聚丙烯复合基料质量(按kg计)的5～6倍。 4.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改性方法,其特征在于,所述步骤(3)中搅拌速度，设定在30-50r/min。 5.根据权利要求1所述的一种高压直流电缆用聚丙烯基绝缘材料改性方法,其特征在于,所述步骤(4)中交联剂包括过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、硫化剂双25。 2

空间电荷引起的非线性共振与束晕形成

收稿日期:1999203226;修回日期:1999211210 基金项目:国家自然科学基金资助项目(19775069);核工业基金资助项目(H7196D0121) 作者简介:陈银宝(1940—),女,浙江嘉兴人,研究员,加速器物理专业　第34卷第4期 原子能科学技术Vol.34,No.4　2000年7月Atomic Energy Science and Technology J uly 2000 空间电荷引起的非线性共振与束晕形成 陈银宝,黄志斌 (中国原子能科学研究院核技术和计算机应用研究所,北京　102413) 摘要:采用束核2单粒子模型研究强流束中由空间电荷引起的非线性共振与束晕形成的关系。借助Poincare 截面技术,对粒子在相空间的运动进行数值分析。从束核包络振荡的两个本征模出发,推导得到强流束中非线性共振范围随束流空间电荷效应变化的表达式,以及由非线性共振而激发的束晕形成的空间电荷极限的表达式,并给出相应的结果。 关键词:非线性共振;束晕形成;Poincare 截面;空间电荷极限 中图分类号:TL50115 文献标识码:A 文章编号:100026931(2000)0420289207 束晕形成机理的研究已有不少报道[1～10],并且得到一些共识。对于空间电荷占主导地位的束流,在均匀聚焦的传输管道里,初始束流的root 2mean 2square (rms )失配是束晕形成的一个重要原因;在周期性聚焦的传输系统中,rms 匹配束的电荷密度涨落也会引起束晕;混沌粒子运动和发生在束核粒子所占有的相空间边界附近的非线性共振,更是匹配束产生束晕的重要机制。不变的KAM (K olomogorov 2Arnold 2Morse )表面在约束与传播方向垂直的方向上的束晕粒子起重要作用。rms 匹配束的束晕比失配束相对要微弱些。根据Fedotov 和G lucksturn 等[6]对计入束流横向(r )和纵向(z )耦合效应的研究,以及32D 的数值模拟计算,发现两个方向的耦合效应对束晕形成有明显的影响。即使对于非常小的失配(如10%)也会引起束晕,特别是对于短束团(z /r <2),横向和纵向耦合效应更明显。 1　运动方程 采用束核2单粒子模型,首先研究束核包络在聚焦管道里的演变规律,然后再分析注入束核附近的试验粒子的行为。该模型中,束核的空间电荷效应为单粒子运动提供微扰力,并假设单粒子的运动不对束核运动产生影响。 111　束核运动方程 以X —和Y — 分别表示x 和y 方向的包络函数,它们不同于匹配半径R ,是z 的函数,束核运动满足包络方程[11]: X —″+k 20X —-2K X —+Y —-ε2X —3=0(1)

第二章重要术语解释：雪崩击穿：电子和空穴穿越空间电荷区时,与空间

第二章 重要术语解释： 雪崩击穿：电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷去内的电子发生碰撞产生电子-空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。 载流子注入：外加偏压时，pn结体内的载流子穿过空间电荷区进入p区或者n区的过程。 临界电场：发生击穿时，pn结空间电荷去的最大电流密度。 扩散电容：正偏pn结内由于少子的存储效应而形成的电容。 扩散电导：正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值。 扩散电阻：扩散电导的倒数。 正偏：p区相对于n区加正电压。此时结两侧的电势差要低于热平衡的值。 产生电流：pn结空间电荷区内由于-空穴对热产生效应形成的反偏电流。 长二极管：电中性p区与n区的长度大于少子扩散长度的二极管。 复合电流：穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流。 反向饱和电流：pn结体内的理想反向电流。 短二极管：电中性p区与n区中至少有一个区的长度小于少子扩散长度的pn结二极管。 存储时间：当pn结二极管由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳态值变成零所用的时间。 知识点： 学完本章后，读者应具备如下能力： 描述外加正偏电压的pn结内电荷穿过空间电荷区流动的机制。 说出空间电荷区边缘少子浓度的边界条件。 推出pn结内稳态少子浓度的表达式 推出理想pn结的电流-电压关系。 描述短二极管的特点。 描述什么是扩散电阻和电容。 描述pn结内的产生和复合电流。

描述pn结的雪崩击穿机制。 描述pn结的关瞬态。 习题 1.(a)正偏工作的pn结二极管，其环境温度为T=300K。计算电流变为原来的 10倍时，电压的改变。 (b)计算电流变为原来的100倍时，电压的改变 2.计算使pn结理想反偏电流时反向饱和电流大小90%的反偏电流值，T=300K。 3.T=300K时，V D=0.65V时，硅pn结二极管的电流I=10mA。空间电荷区内电 子电流与总电流的比值为0.1，且最大电流密度不大于20A/cm2.设计满足上述条件的二极管。 4.考虑T=300K时的硅p+n结。其扩散内容-正偏电流曲线的斜率为2.5*10-6F/A。 确定空穴的寿命以及正偏电流为1mA时的扩散电容值。 (a)解释为什么在反偏时扩散电容不重要。 (b)假如正偏下Si，Ge，GaAs pn结的总电流密度相同，讨论电子与空穴电流 密度的相对值

空间电荷限制电流

空间电荷限制电流 半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。 （1）空间电荷： 存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。 空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。一般，空间电荷密度ρ为ρ= q(p-n+Nd-Na) 。 （2）空间电荷效应： 在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有npnopo=ni2，则将发生载流子复合现象，就会增加一部分正向复合电流；当反偏时， np

纳米复合介质中的陷阱分布与空间电荷机理

低密度聚乙烯纳米复合介质中电荷输运的实验研究和数值模拟吴建东 纳米复合介质中的陷阱分布 从早期的固态介质电导和介质击穿机理研究至今已经过了近五六十年，然而对固态介质的介电响应特性仍然很难进行定量的分析。在这期间内，当半导体物理的理论基础——能带理论刚被提出后不久，其众多概念和理论即被很快引入到固态介质研究中，特别是聚合物中与电荷输运相关的导电、击穿等领域，这在一定程度上推进了固态介质研究的发展[48,49]。载流子的局域化是基于能带理论的关键概念之一，电子和空穴在聚合物内部的局域化将直接影响载流子在聚合物内部的输运，并相应地改变聚合物的其它介电性能。能使载流子局域化的结构称为局域态中心，在众多文献中常被称为陷阱，因此，下文中用陷阱代表局域态中心[50]。描述陷阱特征的重要参数是陷阱深度和陷阱密度，对于有序结构的介质，陷阱深度可利用能带理论进行直接定义：俘获电子的局域能级（电子陷阱）与导带边沿的能级差，或俘获空穴的局域能级（空穴陷阱）与价带边沿的能级差。在内部无序的聚合物材料中，陷阱深度的定义相对复杂些，基于实际的应用，陷阱深度一般定义为载流子从局域态激发到导带能级所需的能量，需要特别指出的是导带能级并不一定与能带边沿一致[51]。 一般聚合物是由大量的分子链组成，一部分规则叠加形成晶区，另一部分无规则随机堆积形成无定形区，因此，聚合物内部结构本质上是无序的。图1-1为基于能带理论得出的无序聚合物的准能带模型[53]。以聚乙烯为例，通过对LDPE分子结构的模拟计算可知，其内部的禁带宽度约为8eV以上，无定形中的无序结构将在能带结构的边沿附近形成离散的局域态，能级差约在0.15~0.3eV[54]，这些局域态称为物理陷阱，由于能级差较低，又可称为浅陷阱。载流子在这类浅陷阱中受陷的时间数量级约为10-12s，因此，这些局域能级可认为具有局域传导性，并不对载流子产生长期的陷阱作用，文献[55]中也将这类靠近导带和价带的离散局域态称为准导带和准价带。另一种类型的陷阱为化学陷阱，主要由分子结构中的羟基、酮结构、双键和晶区内分子链错位或引入的杂质等形成。化学陷阱引入的陷阱能级范围在0.04~1.5eV[56]，这些化学陷阱中的高能级深陷阱可以长时间限制载流子，是形成空间电荷积累主要原因之一。 纳米颗粒引入到聚合物内部后，陷阱深度和陷阱密度分布都将发生明显变化，从而影响

聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响

聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响 王云杉1,周远翔1,王宁华2,孙清华1 (1.清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 北京100084; 2.中国电力科学研究院,北京100085) 摘要:随着空间电荷测量技术在最近三十年的巨大进步,固体电介质空间电荷研究成为研究热点。聚乙烯的热压冷却条件会显著影响聚乙烯的形态结构。而聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料而形成不同的附生结晶层,从而具有不同的表面形貌。此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响。通过研究聚乙烯不同表面形貌的形成过程及其显微特征,并结合微观形态对不同表面形貌的聚乙烯进行了空间电荷测量分析,发现不同表面形貌的聚乙烯试样具有不同的空间电荷积聚特性。 关键词:空间电荷;聚乙烯;表面形貌;微观形态;P EA 中图分类号:TM201.4;TQ325.12文献标志码:A文章编号:1009-9239(2008)04-0042-04 Eff ect of Surface To p o g ra p h y on S p ace Char g e Characteristic in Pol y eth y lene WAN G Yun-s ha n1,ZHOU Yua n-xia n g1,WAN G Ni n g-hua2,SUN Qi n g-hua1 (1.S t ate Ke y L aborator y o f Cont rol an d S i m ul ation o f Pow er S y stem an d Generation E q ui p ment, De p art ment o f Elect rical En g i neeri n g,Tsi n g hua U ni versit y,Bei j i n g100084,Chi na; 2.Chi na Elect ric Pow er Research I nstit ute,Hai di an Dist rict,Bei j i n g100085,Chi na) Abstract:Wit h g r eat p r o g r ess es of s p ace cha r g e meas ur e me nt t echnolo g ies i n t he las t t hr ee decades, lots of r es ea rches we r e f ocus e d on s p ace cha r g es i n s olid dielect rics.The heat p r essi n g a nd a nneali n g condition of p ol y et h y le ne(P E)aff ect its mor p holo gy obviousl y.Duri n g t he heat p r essi n g,t he s urf ace of P E f or ms diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies becaus e of diff e r e nt s ubs t rat e mat e rials.Surf ace t o p o g ra p h y has g r eat r elation t o t he e p it axial c r y s t allization la y e r a nd i nfl ue nces t he s p ace cha r g e cha ract e ris tic of P E dra maticall y.The f or mation p r ocess of diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies a nd t hei r mic r o g ra p hic cha r2 act e rs i n low de nsit y p ol y et h y le ne(L D P E)was s t udie d i n t his p a p e r.P EA met hod was us e d t o mea2 s ur e t he s p ace cha r g e dis t ribution of s a m p les wit h diff e r e nt s urf ace t o p o g ra p hies a nd mor p holo g ies i n L D P E.It’s f ound out t hat t he va rie d s urf ace t o p o g ra p hies have diff e r e nt accumulation cha ract e ris tics of s p ace cha r g e. K e y words:s p ace cha r g e;p ol y et h y le ne;s urf ace t o p o g ra p h y;mic r o-mor p holo gy;p uls e d elect r o-acous tic (P EA) 1前言 聚乙烯由于其优异的绝缘性能和力学性能而在电气绝缘领域被广泛应用。聚乙烯材料的研究目前非常关注空间电荷问题,空间电荷问题已经成为制约高压电介质材料发展的重要问题。电介质材料中的空间电荷分布可以改变介质内部的局部电场分布,从而影响介质材料的电导和击穿等过程[1～3],影响材料的性能和寿命[4]。 聚乙烯的热压冷却条件显著影响聚乙烯的形态结构[5]。事实上,聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料,而形成不同的附生结晶(E p itaxial cr y stallization)层[6～8],而此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响。 附生结晶是一种物质在另一种物质(基底,Sub2 st rate)上的取向生长,实际上是一种表面诱导的取向结晶现象。研究聚合物在无机盐类离子上的附生结晶始于20世纪50年代后期,聚合物-聚合物间附生结 收稿日期:2008-06-25 基金项目:国家自然科学基金项目(NSFC50437030、NSFC50277023、NSFC50347010) 作者简介:王云杉(1983-),男,陕西人,博士研究生,研究方向为固体电介质的空间电荷特性及测量技术;周远翔(1966-),男,福建蒲田人,教授,博士生导师,从事高电压与绝缘技术的教学与科研工作,(电子信箱)zhou-y x@t sin g https://www.doczj.com/doc/3c18028550.html,。

绝缘材料知识剖析

第一章绪论 一、绝缘材料在电机中的应用 1.绝缘材料：能够阻止电流通过的材料，体积电阻率通常大于109 Ω 2. 绝缘材料的作用：将带电的部分与不带电的部分或带不同电位的部分相互隔离开来，使电流能够按照一定的路径流动。 3.电机：进行能量转换的电磁机械设备 4.电机分类：变压器、直流电机、交流电机、控制电机、脉流电机 5、电机的基本结构：静止部分（定子）：产生磁场，构成磁路，机械支撑。间隙（空气隙）：保证电机安全运行磁路的重要组成部分、旋转部分（转子）：感应电势，产生电磁转矩，实现能量转换。 定子的结构：机座、主磁极、换向极、端盖、电刷装置。转子的结构：转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器。 5、电枢绕组：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成；是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分 6.、制造电机使用的主要材料：导电材料（绕组、换向器、电刷）、绝缘材料（将带电部分与铁心、机座等接地部件以及电位不同的带电部分在电气上分离）、导磁材料（制造磁系统的各个部件如铁心、机座等）。 7、电机绝缘结构：匝间绝缘、层间绝缘、对地绝缘、外包绝缘。还有三个，填充绝缘、衬垫绝缘、换向器绝缘。

匝间绝缘：主极线圈和换向极线圈的匝间绝缘、电枢线圈的匝间绝缘、换向片、片间绝缘、同一线圈的各个线匝之间的绝缘 层间绝缘；分层平绕的主极线圈各层间的绝缘、电枢绕组前后端节部分、槽内部分上、下层之间的绝缘、线圈上、下层之间的绝缘 对地绝缘：是指电机各绕组对机座和其他不带电部件之间的绝缘、主极线圈换向极线圈的对地绝缘、电枢绕组的对地绝缘、换向器的对地绝缘，把电机中带电部件和机座、铁心等不带电部件隔离，以免发生对地击穿。 外包绝缘：包在对地绝缘外面的绝缘，主要是保护对地绝缘免受机械损伤并使整个线圈结实平整，也起到了对地绝缘的补强作用 填充绝缘：填充线圈的空隙，使整个线圈牢固地形成一个整体，减少振动，也使线圈成型规矩、平整，以利于包扎对地绝缘，也有利于散热 衬垫绝缘：保护绝缘结构在工艺操作时免受机械损伤 换向器绝缘：换向片片间绝缘换、向片组对地绝缘、换向片组和压圈间的V形云母环及云母套筒、多层优质虫胶塑性云母 8、定子线棒导线绝缘：排间绝缘、换位绝缘、换位填充。 9、水轮发电机转子绝缘：匝间绝缘、磁极托板、极身绝缘。二、绝缘材料的耐热等级根据耐热性，划分耐热等级 温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素

空间电荷

空间电荷效应 半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。 （1）空间电荷： 存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。 空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。一般，空间电荷密度ρ为ρ= q(p-n+Nd-Na) 。 （2）空间电荷效应： 在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有npnopo=ni2，则将发生载流子复合现象，就会增加一部分正向复合电流；当反偏时，np

空间电荷区

空间电荷区 编辑 空间电荷区 也称耗尽层.在PN结中,由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动,使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区,它就是空间电荷区. （1）当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来的电中性条件破坏了。P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结。 （2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。 （3）P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。 （4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。 （5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结处于动态平衡 这是PN结的特性 在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导性

固体电介质空间电荷研究进展

2008年9月电工技术学报Vol.23 No. 9 第23卷第9期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2008 固体电介质空间电荷研究进展 周远翔王宁华王云杉孙清华梁曦东关志成 （清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京 100084） 摘要随着空间电荷测量技术在近30年的巨大进步，固体电介质空间电荷研究成为国际研究热点。本文论述了固体电介质空间电荷检测技术从有损发展到无损的过程，分析对比了目前应用较普遍的压力波法和电声脉冲法的原理及特点，介绍了国内空间电荷测量技术研究的发展特点。 在此基础上，从预电压效应、形态效应、空间电荷包现象、空间电荷的动态测量等方面论述了空间电荷效应对电介质电气性能的综合影响，对利用空间电荷进行固体电介质陷阱深度等性能参数的研究进行了探讨，强调了空间电荷在电介质材料的开发和评估中的重要作用以及不同应用领域对空间电荷特性的不同要求。指出空间电荷测量技术的进步为固体电介质的研究提供了新的有力手段，但仍需更多的深入研究，以完善电介质理论和促进空间电荷的工程应用。 关键词：空间电荷固体电介质预电压形态陷阱深度 中图分类号：TM215 Review of Research on Space Charge in Solid Dielectrics Zhou Yuanxiang Wang Ninghua Wang Yunshan Sun Qinghua Liang Xidong Guan Zhicheng （The State Key Laboratory of Power System Tsinghua University Beijing 100084 China） Abstract With great progress of space charge measurement technologies in the last three decades, lots of researches are focused on space charge in solid dielectrics. The space charge measurement technology for solid dielectrics has developed from destructive ways to non-destructive ways. Pressure wave propagation method and pulsed electro-acoustic method are two kinds of most popular methods nowadays. Theories and features of these two methods are compared and analyzed. Development of space charge measurement technologies in China is introduced. Based on above reviews, the influences of space charge effects on electrical properties are reviewed by prestressing effects, morphology effects, space charge phenomena and space charge dynamics, etc. Studies of some features of solid dielectrics by using space charge, such as trap depth, are discussed. The important role of space charge in developments and evaluations is emphasized. It’s also emphasized that different space charge characteristics are needed for applications in different areas. Progresss of space charge measurement technology provide new powerful ways for researches on solid dielectrics. However, more detail work should be carried out to improve dielectric theories and industrial applications of space charges. Keywords：Space charge, solid dielectrics, prestressing, morphology, trap depth 1引言 宏观固体物质通常可划分为一些相同的结构单元，一般来讲，每个结构单元应该是电中性的，如果在一个或多个这样的结构单元内正负电荷不能互相抵消，则多余的电荷称为相应位置上的空间电荷[1]。 空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质内部的局部电场起 教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0095），国家自然科学基金（NSFC50437030、NSFC50277023、NSFC50347010）资助项目。收稿日期 2007-05-16 改稿日期 2007-11-29

电声脉冲法空间电荷测量方法

电声脉冲法 （ｐｕｌｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ，ＰＥＡ）NOMEX合成纤维绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性_廖瑞金1.1空间电荷密度分布测量系统 测量时，脉冲源向试样施加一个高压窄脉冲，引起介质中的空间电荷产生微小位移，并以声波形式传播至压电传感器，再转换为电信号后即可获取空间电荷密度分布特性。本试验中脉冲源（加拿大ＡＶＴＥＣＨ公司产ＡＶＩＲ１Ｃ型号）脉冲宽度为２～５ｎｓ，脉冲电压幅值２００Ｖ，高压直流源（日本ＭＡＴＳＵＳＡＤＡ公司产ＡＵ２０Ｒ３ＬＣ型号）为０～±２０ｋＶ可调。试验声耦合剂为硅油，测量环境温度为（２５±１）°Ｃ，相对湿度为（４０±２）％。 试验中外施电压采用梯级升压方式施加，本文对试样施加负极性直流高压，场强分别为５、１５、２５、５０ｋＶ／ｍｍ。对每个试样测量加压３０ｍｉｎ内和去压短路３０ｍｉｎ内的空间电荷密度分布。每个测量时间点进行１０００次测量，取其平均值作为该时间点测量结果，以消除噪声影响。 1.2空间电荷密度分布波形的数据恢复 声波在固体介质中传播时会发生衰减和色散，在多层复合介质中传播时会在两种介质的界面处发生折反射现象，这些因素都将导致波形失真。本文从以下两方面入手，对失真后的波形进行恢复重建，尽可能消除上述影响因素，以得到真实的空间电荷密度分布波形［２８］。 软件方面。本文通过软件修正测量信号，以尽量减小声波信号在介质中的色散和衰减所产生的信号畸变。基本原理如下：因空间电荷密度分布的理想波形ρｉ（ｔ）与测量得到的衰减后波形ρａ（ｔ）在时域存在卷积关系为 ρａ（ｔ）＝ｇ（ｔ，ｚ）ｉ（ｔ）。（１） 式中，ｇ（ｔ，ｚ）是介质衰减与传递时间ｔ和位置ｚ的衰减传递函数。所以，通过对衰减后的波形ρａ（ｔ）进行反卷积，可求得介质中的真实波形。 在ＰＥＡ的数据处理程序中，通过求出介质中每个基本点的衰减传递函数ｇ（ｔ，ｚ），即可求得介质中的衰减传递矩阵Ｇ（ｔ，ｚ），通过恢复方程 ρｉ（ｚ）＝Ｇ－１（ｔ，ｚ）ａ（ｚ），（２） 从而重建整个介质中的真实空间电荷密度分布波形。 硬件方面。本文在ＰＥＡ测量系统中采用可与传感器进行较好匹配的铝电极作为下电极，在电极与绝缘介质间使用硅油作为声耦合剂，以尽可能弥补声波在被测绝缘纸中传播时的色散与衰减。

CSNS 直线加速器空间电荷效应的模拟研究

第４８卷第５期 原子能科学技术Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．５　２０１４年５月ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ２０１４ ＣＳＮＳ直线加速器空间电荷效应的模拟研究 袁　月１，２，王　生２，倡，彭　军２，苑尧硕２，姚泽恩１ （１．兰州大学核科学与技术学院，甘肃兰州　７３００００； ２．中国科学院高能物理研究所，北京　１０００４９） 摘要：本文利用三维空间电荷效应程序ＩＭＰＡＣＴ‐Ｚ对直线加速器中的空间电荷效应进行了模拟研究，从单粒子动力学和多粒子动力学角度分析了束流在不同峰值流强下的发射度变化。在１５ｍＡ流强下，比较了束流初始失配对束流发射度的影响，结果显示横向失配对发射度束流品质影响更大，实际调束过程中应保证束流失配因子不超过１畅４。 关键词：空间电荷效应；失配因子；误差效应；直线加速器 中图分类号：Ｏ５７２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００‐６９３１（２０１４）０５‐０７７３‐０８ 收稿日期：２０１３‐０４‐２２；修回日期：２０１３‐０９‐１１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１７５１９３） 作者简介：袁　月（１９８８—），男，湖北仙桃人，硕士研究生，粒子物理与原子核物理专业 倡通信作者：王　生，Ｅ‐ｍａｉｌ：ｗａｎｇｓ＠ｉｈｅｐ．ａｃ．ｃｎｄｏｉ：１０．７５３８／ｙｚｋ．２０１４．４８．０５．０７７３ ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＳｐａｃｅＣｈａｒｇｅＥｆｆｅｃｔｆｏｒＣＳＮＳＬＩＮＡＣ ＹＵＡＮＹｕｅ１，２，ＷＡＮＧＳｈｅｎｇ２，倡，ＰＥＮＧＪｕｎ２，ＹＵＡＮＹａｏ‐ｓｈｕｏ２，ＹＡＯＺｅ‐ｅｎ１ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｉｇｈＥｎｅｒｇｙＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｐａｃｅｃｈａｒｇｅｅｆｆｅｃｔｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄａｔｔｈｅＬＩＮＡＣｂｙｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅ‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｃｏｄｅＩＭＰＡＣＴ‐Ｚ．Ｔｈｅｅｍｉｔｔａｎｃｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｉｎｇｅ‐ｐａｒｔｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｍｕｌｔｉ‐ｐａｒｔｉｃｌｅｄｙｎａｍｉｃｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅａｋｂｅａｍｃｕｒｒｅｎｔｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｉｓｍａｔｃｈｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｅｍｉｔｔａｎｃｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｂｅａｍｌｏｓｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｓｍａｔｃｈｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｃｈａｒｇｅｅｆｆｅｃｔ；ｍｉｓｍａｔｃｈｆａｃｔｏｒ；ｅｒｒｏｒｅｆｆｅｃｔ；ＬＩＮＡＣ 中国散裂中子源（ＣＳＮＳ）是基于强流质子加 速器的大型多学科实验装置，由一台８１ＭｅＶ的 Ｈ－注入器通过剥离注入为１畅６ＧｅＶ的快循环 质子同步加速器提供注入束流，该注入器由前端 加速器和漂移管型直线加速器（ＤＴＬ）组成。前 端加速器包括５０ｋｅＶ潘宁Ｈ－离子源、低能束 流输运线（ＬＥＢＴ）、３ＭｅＶ射频四极加速器（ＲＦＱ）、中能束流输运线（ＭＥＢＴ），漂移管型直线加速器将束流从３ＭｅＶ加速到８１ＭｅＶ［１］。ＣＳＮＳ一期的设计束流功率为１００ｋＷ，并保留未来升级到５００ｋＷ束流功率的能力，与之相对应的直线加速器（ＬＩＮＡＣ）的设计峰值流强分别为１５ｍＡ和３０ｍＡ。在强流直线加速器中，束流的空间电荷效应是一非常重要的研究课题，其不仅