驻极体表面电位测量仪的研制

0　引言

目前,驻极体表面电位的测量都基于感应[1]、去极化[2]、偏转[3]等三种基本原理。基于这些原理的测量仪器虽然较多[4~6],但大多结构复杂,且对加工工艺要求较高,实现起来有一定困难。本工作根据驻极体测氡仪的要求研制了一种通过手动改变驻极体与测量电极之间距离的方法测量驻极体表面电位的仪器,其结构和加工工艺简单,易于实现。

1　仪器结构和工作原理

该测量仪由测量头、电子学线路、直流供电电路以及用于电位仪刻度校准的刻度电极等几部分组成。

1.1　测量头结构和测量原理

该电位仪的测量头由一个带保护环的测量电极和支撑驻极体的可动支架组成。其结构如图1所示,测量时将驻极体放在支架上,驻极体的背电极接地,这时在测量电极与驻极体表面之间形成一较规范的稳定电场。该装置可等效为两个电容的并联,如图2a所示,其中C1是驻极体,C2是极间距离可变的测量电容。进一步简化可把驻极体用一电压源E1代替,如图2a所示,当电路稳定后,将C2的极间距手动改变一确定值,从而引入一电容C2的变化量ΔC2,由于C2的变化产生充放电过程,用积分器测出充电或放电量ΔQ,由下式即可确定所测驻极体上的电压值VE。

其中,VE为驻极体的电压值,V;Cf为反馈电容,F;ΔV为电位仪的电压指示值,V。对于确定的测量仪,ΔC2和Cf都是确定的,因此测出积分器输出电压,就可以确定所测驻极体上的电压。驻极体表面与测量电极间距离的改变量由驻极体支架与测量头之间的可调定位栓控制,以保证此改变量每次相同。

1.2　测量电路

该测量仪的测量电路是以MOS场效应管作为输入级的运算放大器加电容负反馈组成的电荷积分器,其原理如图3所示。作为输入级的MOS型场效应管具有极低的漏电流。输入端即MOSFET的栅极是地电位,源极为正电压,漏极为负电压。源和漏对栅极的总漏电流小于1fA。反馈电容Cf采用聚苯乙烯电容,绝缘电阻在PΩ级以上。常闭短路按钮开关也是一个很重要的器件,一方面要有相当高的绝缘电阻 (PΩ级以上),另一方面在断开时希望打出的电荷尽量少,后一要求对一般按钮不易达到,好在它只影响断开后零点稳定时间的长短,并不影响测量结果。

2　驻极体表面电位测量仪的刻度

该电位仪的刻度用专门制作的刻度电极加标准直流电源进行。直流电源采用北京核仪器厂生产的FH1015A 2 kV电源,刻度时先仔细调节刻度电极与测量电极之间的距离,使之和实际测量时驻极体表面与测量电极之间的距离相同。然后在刻度电极和测量电极间加上不同电压,手动改变刻度电极和测量电极之间的距离某一固定值(该值应和实际测量时的改变量相同),计下电位仪的相应读数。用标准电压值和测量值作图,所得的刻度曲线如图4所示。用所得的数据进行线性拟合,其线性相关系为:0.999997。