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摘要：电荷存贮和输运过程的研究一直是电介质材料领域的一个热点，热刺激电流（TSC）技术是进行这一研究最常用也是最有效的工具之一，本文介绍了传统TSC 的基本原理和理论，讨论了这些理论所对应的物理模型、分析方法，在了解试验系统各个系统的组成及功能的基础上，设计搭建了此热刺激电流测量实验平台，同时阐述了进行热刺激电流测量实验的基本程序流程，针对热刺激电流测量研究的现状及存在的问题对本课题的研究做了展望。
关键字：热刺激电流；活化能；松弛时间；极化；陷阱能
1 引言
热刺激理论是在介质物理的基础上发展起来的，研究这一理论的方法即热刺激法比较简单实用而且又能较准确地测量出某些物质（如电介质、绝缘材料、半导体、驻极体等）的微观参数，热刺激法是一面对材料升温一面进行测量，即非等温测量。由于材料（例如介电材料）中的荷电粒子的微观参数（如活化能H、松弛时间τ等）不同，用热刺激法就很容易将材料中的各种不同H或τ的荷电粒子分离开来，从而求出各自的参数。因为热刺激电流与材料的这些参数（如H与τ）密切相关，故它是一种研究介电材料、绝缘材料、半导体材料等的有效手段[1][2]。
TSC是指当样品受到电场极化后，去掉
电场，热激时，样品从极化态转变到平衡态的过程中，在外电路中得到的电流，称为热激退极化电流（Thermally Stimulated Depolarization Current-TSDC或TSD）。当然，热激电流也可以是热激极化电流，即样品在同时加电场及线性升温时，从平衡态转变到极化态过程中的电流[3][4]。
2热刺激电流的基本理论
热刺激电流法(TSC:thermally Stimulated Current)是在研究介质物理的基础上建立并发展起来的，可用于研究介质的微观分子运动。通过TSC曲线可以比较方便地研究介质材料中陷阱、偶极子和可动离子的性质，准确地测量介质材料的活化能E(或陷阱深度)、以及弛豫时间:等微观参数，近年来得到了广泛的重视。根据热刺激电流的测试阶段，热刺激电流法(TSC)具体可分为热刺激极化电流(TSPC:thermally Stimulated plarization Currents)法和热刺激去极化电流(TSDC:thermallystimulateddeplarization Currents)法两种[5]。
3 热刺激电流TSC实验系统
我们所研制的TSC 试验系统主要分为五部分：①直流加压系统；②电流的测量系统；③温度控制系统；④真空环境控制系统；⑤电流和温度的实时记录数据采集系统。如图一所示：
图1
加压部分选用了天津东文高压电源厂DW-P503-1ACDF型高压直流电源，输出电压0-+50000V（DC）电位器调节，输出电流1mA,时漂稳定度≤0.1%/小时,负载调整率≤0.5%。电极装置是用黄铜做一罐体，用以注入液氮实现对试样的迅速冷却，罐体的底座安装加热电阻膜，电阻膜上覆盖紫铜作为下电极（接地），压注入时采用电缆将高电压引到真空腔体中的电极上。用环氧树脂板开凹槽将试品固定在紫铜电极（地电极）上。高压电极由样品操作架控制它和样品的接触，旋动操作架的螺旋结构可以移动加压电极顶住试品[6]。
电流的测量采用美国Keithley公司的6517B型静电计。该仪器测量电压时的输入阻抗大于2×1014，最小可测电流为1×10-16A。它采用IEEE488接口和计算机连接，实现了对微电流值的实时测量和记录。
温度控制系统选用北京汉晟普源科技有限公司的Hspy60-05可编程直流稳压电源，输出电范围围：0-60V（连续可调）；输出电流范围：0-5A（连续可调）；负载调整率：电压0.02%+ 2mV,电流0.02%+ 2mA；纹波及噪声：电压≤2mVrms，电流≤2mArms；设定值分辨率：电压10mV,电流1mA。将铂电阻紧贴在紫铜下电极表面，以便跟好的实时测量试样的温度，通过多次重复测量确定能够实现实验正常进行的各个阶段所需要的电压电流，然后编制程序，如此可以通过程控电源实现对温度的自动控制，同时实验还会有很好的重复性。
本试验以及沿面闪络试验对真空系统的主要性能要求是它必须能够提供足够高的真空环境，使得对试品施加足够高的电压而不发生沿面闪络现象。同时，真空环境还可以排除因空气流动等因素对微电流测量的影响。根据实际情况，选用直联旋片式真空泵和涡轮分子泵组成的真空机组抽真空。我们选用中科科仪的FJ-620真空泵机组，，它是由前级抽气泵，隔断放气阀，前级管路，断水保护器，分子泵电源，控制电源等组装于机架上而成的超高真空获得设备。抽气速率为600L/s，能抽到的极限真空为6×10-6pa。真空度的测量仪器采用的是北京恒信久科技发展有限公司研制的DL-9型复合真空计，测量量程为1Pa~1×10-5Pa。采用ZJ-27B型真空电离玻璃规管测量，热刺激电流试验装置置入真空腔内。通常情况下，TSC试验时真空腔内的真空度保持在1.0×10-3Pa左右。真空腔由不锈钢制成，营造了良好的电磁屏蔽环境，信号引出线采用双屏蔽低噪声电缆线，以保证微电流测量的顺利进行[7][8]。
4 总结与展望
热刺激电流(TSC)法是一种运用宏观的物理方法来研究介质内部微观特性的重要实验手段。热激电流方法是用来研究高聚物内偶极松弛、陷阱参数、空间电荷的贮存和输运以及聚合物结构松弛与转变、分子运动特征等的有效方法。近年来，TSC方法在研究固体材料陷阱和它所控制电荷的贮存及输运中获得了广泛的应用，并已经发展成为研究固体材料的陷阱和它所控制电荷的贮存及输运的重要实验工具[9] [10]。
参考文献：
[1]杨春.TSC测量装置的改进及聚酰亚胺薄膜TSC的测量[D].哈尔滨理工大学，2007.
[2]段宝兴．无机纳米复合聚酰亚胺热刺激电流研究[D]．哈尔濱理工大学，2004．
[3]周泽存，高电压技术[M].北京：中国电力出版社.
[4]A.Bognar, P.Szaplonczay, Sz.Pinter, G.Banheyyi,“Investigation on a 20 Years Old CompositeInsulator”, 10th ISH, Montreal, 1997, pp:325-328.
[5]王力衡. 介质的热刺激理论及其应用[Ｍ]. 北京：科学出版社.
[6]王金巧，雷清泉.电老化聚乙烯的热激电流和热发光研究.哈尔滨理工大学学报，2001,(6):1~4
[7]吕金壮，氧化铝陶瓷的陷阱分布对其真空中沿面闪络特性的影响[博士学位论文]：华北电力大学，2003
[8]梁英，李成榕，丁立健，屠幼萍.合成绝缘子材料的TSC试验研究[J].电工技术学报，2006,21(2):13-26
[9]吴建东，吴广宁，周 凯.绝缘材料TSC测试方法的研究[J].电工电能新技术，2007,26（3）：77-80.
[10] 田富强，雷清泉，卜文斌.TSC 测量技术中存在的若干问题的探讨[J].电工技术学报，2010， 25（11）：21-28.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键字：热刺激电流；活化能；松弛时间；极化；陷阱能
1 引言
热刺激理论是在介质物理的基础上发展起来的，研究这一理论的方法即热刺激法比较简单实用而且又能较准确地测量出某些物质（如电介质、绝缘材料、半导体、驻极体等）的微观参数，热刺激法是一面对材料升温一面进行测量，即非等温测量。由于材料（例如介电材料）中的荷电粒子的微观参数（如活化能H、松弛时间τ等）不同，用热刺激法就很容易将材料中的各种不同H或τ的荷电粒子分离开来，从而求出各自的参数。因为热刺激电流与材料的这些参数（如H与τ）密切相关，故它是一种研究介电材料、绝缘材料、半导体材料等的有效手段[1][2]。
TSC是指当样品受到电场极化后，去掉
电场，热激时，样品从极化态转变到平衡态的过程中，在外电路中得到的电流，称为热激退极化电流（Thermally Stimulated Depolarization Current-TSDC或TSD）。当然，热激电流也可以是热激极化电流，即样品在同时加电场及线性升温时，从平衡态转变到极化态过程中的电流[3][4]。
2热刺激电流的基本理论
热刺激电流法(TSC:thermally Stimulated Current)是在研究介质物理的基础上建立并发展起来的，可用于研究介质的微观分子运动。通过TSC曲线可以比较方便地研究介质材料中陷阱、偶极子和可动离子的性质，准确地测量介质材料的活化能E(或陷阱深度)、以及弛豫时间:等微观参数，近年来得到了广泛的重视。根据热刺激电流的测试阶段，热刺激电流法(TSC)具体可分为热刺激极化电流(TSPC:thermally Stimulated plarization Currents)法和热刺激去极化电流(TSDC:thermallystimulateddeplarization Currents)法两种[5]。
3 热刺激电流TSC实验系统
我们所研制的TSC 试验系统主要分为五部分：①直流加压系统；②电流的测量系统；③温度控制系统；④真空环境控制系统；⑤电流和温度的实时记录数据采集系统。如图一所示：
图1
加压部分选用了天津东文高压电源厂DW-P503-1ACDF型高压直流电源，输出电压0-+50000V（DC）电位器调节，输出电流1mA,时漂稳定度≤0.1%/小时,负载调整率≤0.5%。电极装置是用黄铜做一罐体，用以注入液氮实现对试样的迅速冷却，罐体的底座安装加热电阻膜，电阻膜上覆盖紫铜作为下电极（接地），压注入时采用电缆将高电压引到真空腔体中的电极上。用环氧树脂板开凹槽将试品固定在紫铜电极（地电极）上。高压电极由样品操作架控制它和样品的接触，旋动操作架的螺旋结构可以移动加压电极顶住试品[6]。
电流的测量采用美国Keithley公司的6517B型静电计。该仪器测量电压时的输入阻抗大于2×1014，最小可测电流为1×10-16A。它采用IEEE488接口和计算机连接，实现了对微电流值的实时测量和记录。
温度控制系统选用北京汉晟普源科技有限公司的Hspy60-05可编程直流稳压电源，输出电范围围：0-60V（连续可调）；输出电流范围：0-5A（连续可调）；负载调整率：电压0.02%+ 2mV,电流0.02%+ 2mA；纹波及噪声：电压≤2mVrms，电流≤2mArms；设定值分辨率：电压10mV,电流1mA。将铂电阻紧贴在紫铜下电极表面，以便跟好的实时测量试样的温度，通过多次重复测量确定能够实现实验正常进行的各个阶段所需要的电压电流，然后编制程序，如此可以通过程控电源实现对温度的自动控制，同时实验还会有很好的重复性。
本试验以及沿面闪络试验对真空系统的主要性能要求是它必须能够提供足够高的真空环境，使得对试品施加足够高的电压而不发生沿面闪络现象。同时，真空环境还可以排除因空气流动等因素对微电流测量的影响。根据实际情况，选用直联旋片式真空泵和涡轮分子泵组成的真空机组抽真空。我们选用中科科仪的FJ-620真空泵机组，，它是由前级抽气泵，隔断放气阀，前级管路，断水保护器，分子泵电源，控制电源等组装于机架上而成的超高真空获得设备。抽气速率为600L/s，能抽到的极限真空为6×10-6pa。真空度的测量仪器采用的是北京恒信久科技发展有限公司研制的DL-9型复合真空计，测量量程为1Pa~1×10-5Pa。采用ZJ-27B型真空电离玻璃规管测量，热刺激电流试验装置置入真空腔内。通常情况下，TSC试验时真空腔内的真空度保持在1.0×10-3Pa左右。真空腔由不锈钢制成，营造了良好的电磁屏蔽环境，信号引出线采用双屏蔽低噪声电缆线，以保证微电流测量的顺利进行[7][8]。
4 总结与展望
热刺激电流(TSC)法是一种运用宏观的物理方法来研究介质内部微观特性的重要实验手段。热激电流方法是用来研究高聚物内偶极松弛、陷阱参数、空间电荷的贮存和输运以及聚合物结构松弛与转变、分子运动特征等的有效方法。近年来，TSC方法在研究固体材料陷阱和它所控制电荷的贮存及输运中获得了广泛的应用，并已经发展成为研究固体材料的陷阱和它所控制电荷的贮存及输运的重要实验工具[9] [10]。
参考文献：
[1]杨春.TSC测量装置的改进及聚酰亚胺薄膜TSC的测量[D].哈尔滨理工大学，2007.
[2]段宝兴．无机纳米复合聚酰亚胺热刺激电流研究[D]．哈尔濱理工大学，2004．
[3]周泽存，高电压技术[M].北京：中国电力出版社.
[4]A.Bognar, P.Szaplonczay, Sz.Pinter, G.Banheyyi,“Investigation on a 20 Years Old CompositeInsulator”, 10th ISH, Montreal, 1997, pp:325-328.
[5]王力衡. 介质的热刺激理论及其应用[Ｍ]. 北京：科学出版社.
[6]王金巧，雷清泉.电老化聚乙烯的热激电流和热发光研究.哈尔滨理工大学学报，2001,(6):1~4
[7]吕金壮，氧化铝陶瓷的陷阱分布对其真空中沿面闪络特性的影响[博士学位论文]：华北电力大学，2003
[8]梁英，李成榕，丁立健，屠幼萍.合成绝缘子材料的TSC试验研究[J].电工技术学报，2006,21(2):13-26
[9]吴建东，吴广宁，周 凯.绝缘材料TSC测试方法的研究[J].电工电能新技术，2007,26（3）：77-80.
[10] 田富强，雷清泉，卜文斌.TSC 测量技术中存在的若干问题的探讨[J].电工技术学报，2010， 25（11）：21-28.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。