(57)【要約】本発明は、２つの電極（３，４）間に挟まれた絶縁体（２）から形成された構造（１）を充電する充電方法に関する。前記方法は以下の工程、すなわち、ファラデーケージ（９）を前記構造（１）の前記電極の一方（３）と接触して置き、他方の電極（４）は基準電位に導かれ、制御された電子放出装置（６）から発生する電子を前記ファラデーケージ（９）に導入し、電子が、前記構造（１）を充電するように、それと接触する前記電極（３）に達する工程を含んでいる。本発明は、絶縁材料の特性を決定するのにとくに有用である。
2004521357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電極（３，４）間に挟まれた絶縁体（２）から形成された構造（１）を充電する充電方法において、以下の工程、すなわち、
−ファラデーケージ（９）が前記構造（１）の前記電極の一方（３）と接触して置かれ、他方の電極（４）の電位が基準電位と等しくなされ、
−制御された電子放出装置（６）から発生する電子が前記ファラデーケージ（９）に導入され、電子が、前記構造（１）を充電するために、それと接触する前記電極（３）に達する工程を含むことを特徴とする絶縁体を含んでいる構造の充電方法。
【請求項２】
前記構造（１）と前記ファラデーケージ（９）が真空室（５）内に置かれることを特徴とする請求項１記載の充電方法。
【請求項３】
充電の間中、前記ファラデーケージ（９）と接触している前記電極（３）の電位が測定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の充電方法。
【請求項４】
前記ファラデーケージ（９）に近接して電子の二次放出があるならば測定されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の充電方法。
【請求項５】
前記ファラデーケージ（９）と接触している前記電極（３）の電位が異なる時間で測定され、この電位変化が電位減少を示していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の充電方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の充電方法によって前もって充電された２つの電極（３，４）間に挟まれた絶縁体（２）から形成された構造（１）を放電する方法において、前記構造（１）を短絡する工程を含むことを特徴とする放電方法。
【請求項７】
前記ファラデーケージ（９）が前記制御された電子放出装置（６）の電位に導かれ、前記基準電位が前記制御された電子放出装置（６）の電位にほぼ等しいことを特徴とする請求項６記載の放電方法。
【請求項８】
前記構造（１）が短絡されるとき前記放電によって発生される電流が測定されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の放電方法。
【請求項９】
前記ファラデーケージ（９）と接触している前記電極（３）の電位が、前記構造（１）が完全に放電された後に異なる時間で測定されることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項記載の放電方法。
【請求項１０】
２つの電極（３，４）間に挟まれた絶縁体（２）から形成された構造（１）を充電する充電装置において、前記構造の前記電極の一方（３）と接触しているファラデーケージ（９）に電子を注入するための制御された電子放出装置（６）を含み、他方の電極（４）が基準電位に上昇されることを特徴とする充電装置。
【請求項１１】
前記構造（１）と前記ファラデーケージ（９）が真空室（５）内に置かれることを特徴とする請求項１０記載の充電装置。
【請求項１２】
前記制御された電子放出装置（６）が前記真空室（５）の外に置かれることを特徴とする請求項１１記載の充電装置。
【請求項１３】
前記装置が前記ファラデーケージ（９）と接触している前記電極（３）の電位の接触なしの測定を行うための電位プローブ（１１）を含むことを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項１４】
前記ファラデーケージ（９）が堅固な側壁（９−１）、前記構造（１）の前記電極（３）と接触する堅固な底壁（９−２）、および前記底壁（９−２）と対向する端部で、電子が貫通し得る開口（９−４）があるカバー（９−３）を含んでいることを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項１５】
前記開口（９−４）を通って前記ファラデーケージを出るあらゆる二次電子を検出するために二次電子検出装置（１３）を含むことを特徴とする請求項１４記載の充電装置。
【請求項１６】
前記底壁（９−２）から前記カバー（９−３）への前記ファラデーケージ（９）の高さ（Ｈ）がその他の寸法の各々よりも大きいことを特徴とする請求項１４または請求項１５のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項１７】
前記電極（３）上の前記ファラデーケージ（９）によって占有される面積が前記電極（３）の面積より小さいことを特徴とする請求項１０項ないし請求項１６のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項１８】
前記ファラデーケージ（９）と接触している前記電極（３）がガード電極（１２）と結合される構造（１）を充電するのに適し、前記ファラデーケージ（９）と接触している前記電極（３）と同一の電位にまで前記ガード電極を導く手段（１５）を含むことを特徴とする請求項１０ないし請求項１７のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項１９】
前記構造（１）の近傍の温度を調整するために加熱および／または冷却装置（１４）を含んでいることを特徴とする請求項１０ないし請求項１８のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項２０】
前記充電装置が前記構造（１）を放電するようになされ、かつ前記構造（１）を短絡する手段（１６）を含んでいることを特徴とする請求項１０ないし請求項１９のいずれか１項記載の充電装置。
【請求項２１】
前記短絡手段（１６）が前記ファラデーケージ（９）と前記基準電位に対応する前記制御された電子放出装置（６）の接地との間の電気的接続（１６−１）を行うことを特徴とする請求項２０記載の充電装置。
【請求項２２】
前記構造を放電することによって発生される電流を測定するための装置（１６）を含むことを特徴とする請求項２０または請求項２１のいずれか１項記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、絶縁体を含んでいる構造を充電するための充電方法およびかかる構造用の充電装置に関する。絶縁体を充電するための条件の制御、言い換えれば、充電の量および充電の分布の知識は、開始時からの電位減少の現象、および構造が放電した後による電位復帰の研究を可能にする。これらの研究は、その場合に、絶縁材料の電子移動度、その導電率およびその誘電率のごとき絶縁体の電気的特性を決定する。これらの特性の知識は、工業的な使用、例えばコンデンサ、電気ケーブル、半導体、電子管における新規な絶縁材料の性質を決定するのに必須である。
【０００２】
（背景技術）
従来技術はこの明細書の終わりに掲記される文献［１］ないし［１２］によって示される。
【０００３】
強電界で受ける絶縁材料の作用を研究するために、材料の容積内の電荷注入現象および関連の搬送メカニズムの理解は必須である。これらの遷移特性を特徴づけるために、多数の論文が、絶縁体のサンプルの１面が付与された電位に充電されることができかつ装置の場合においてこの電位の変化が時間により監視され得ることを示唆している。「電位減少」と呼ばれる、観察された減少（ディケイ）は、文献［１］および［２］に記載されるような、容積中の電荷の注入、分極化または伝導のごとき幾つかの物理的特性を含んでいる自然現象である。この場合に、電荷の注入および移動度を正しく決定するように減少の初期の状態（電荷の量および性質、空間分布）を完全に制御するような方法を使用できることがとくに重要である。
【０００４】
サンプルは電位減少実験が実施され得る前に前もって充電されなければならない。この電荷は最初サンプルの表面に近接すると通常仮定される。その開始点からの、言い換えれば、最大電界に関する、電位の減少を研究するためにこの条件を考慮することが非常に重要である。結果として、充電時間は減少時間に比べて実際に瞬時でなければならない。電位は通常、従属の電位プローブ（接触なしの測定）を使用して測定される。文献［３］に例えば記載されるコロナ効果を使用し、文献［４］に例えば記載される電子ビームを使用し、または文献［５］に例えば記載される接点による、種々の充電技術が過去において使用された。
【０００５】
コロナ放電から出発して実施される研究は、文献［６］におけるイエダ等にかつ次いで、例えば文献［７］における他の著者に後で、間接的な作用によって高い電界を有する容積への電荷注入の存在を確認することを可能にした。しかしながら、コロナ作用の使用は、これがサンプルの表面上に多数のガスイオン化およびイオン堆積方法を使用するので困難である。堆積された電荷およびその分布の性質はその場合に制御が困難である。精密に課せられ得るすべては、電荷の性質および分布についてどのような保証もなしに、表面電位である。これらのパラメータの異なる組み合わせは同一の表面電位を付与することができる。さらに、実験はしばしば周囲雰囲気において行われるので、空気中のイオンによる表面電荷の再結合は、実験の応用を複雑にする、減少に寄与する。
【０００６】
電荷は高エネルギ電子ビームを使用することによって直接注入され得る。この型の技術により、ワトソンは注入された電荷が位置決めされるトラップのエネルギレベルを、文献［４］において、特徴づけた。より最近、クルホ等は、絶縁材料に注入された電荷の移動度を測定するために特許文献［８］における装置を開発した。
【０００７】
この技術はサンプルを充電するために電子顕微鏡ビームの使用に基づいている。文献［９］において、クルホは、また、数十マイクロメータの厚さのフィルム上の電位減少の局部的な研究に特許文献［１０］に記載された静電ミラーを使用することを提案した。
【０００８】
電子ビームの使用は、含まれるキャリヤの量および型を実際に制御する。しかしながら、電荷は実際に表面上にはなく、しかも電子注入条件（エネルギ、電流、焦点等）に非常に依存する厚さにわたって分布される。この厚さは制御が難しい。
【０００９】
そのうえ、電子の貫通は電子停止深さより厚いサンプルの使用を強いる。結果として、この技術は薄い層を研究するのに適用されることができない。
【００１０】
最後に、過度に高い二次電子放出が正のおよび負の電荷の間の複雑な分布を作り出すことができる。この技術の使用は、理解するのが常に容易でない、絶縁材料中の電荷トラッピング現象の申し分の無い知識を必要とする。
【００１１】
電子貫通の問題を克服するために、電荷は充電された電極（電子ビームまたは電圧発生器を使用する）との接触によって注入されることができる。この場合に、電荷は材料に通る前にエネルギバリヤを克服しなければならない。その結果は、文献［６］に記載されるようなより遅い電位減少である。文献［１１］において、クルホはこの現象を説明するためのモデルを示唆した。この技術は注入過程において絶縁材料／電極中間面の影響を考慮する利点を有している。この形状は電気技術用途をより示している。また、薄い層を研究するのに使用され得る。
【００１２】
しかしながら、電子ビームが電極上に直接向けられるとき、ビームの有効なエネルギは電極の電位の増加の結果として減少する。しかしながら、電極上に実際に残っている電荷の数はビームエネルギに直接依存する。結果として電子ビームの流れはもはや一定であると見なされることはできずそして無効にされるまで注入の間中かなり変化し得る。初期の電位減少条件（電荷の量および分布）はその場合において精密には知られていない。
【００１３】
それゆえ、充電に使用される方法に関係なく、堆積された電荷の量および性質は申し分なく制御するのは困難である。これは電位減少の解釈かつ結果として関連の搬送モデルの有効性を歪める。
【００１４】
（発明の開示）
本発明による充電方法の目的は、充電の終わりでのかつしたがって電位減少の始めでの電荷の量および分布を制御するために上述した欠点を克服することにある。
【００１５】
より精密には、本発明による方法は、２つの電極間に挟まれた絶縁体から形成された構造を充電する充電方法である。この充電方法は、以下の工程、すなわち、
−ファラデーケージが前記構造の前記電極の一方と接触して置かれ、他方の電極の電位が基準電位と等しくなされ、
−制御された電子放出装置から発生する電子が前記ファラデーケージに導入され、電子が、前記構造を充電するために、それと接触する前記電極に達する工程を含んでいる。
【００１６】
前記構造と前記ファラデーケージは、前記構造のまわりの雰囲気内でのイオンとの、充電に関与している電子の再結合をとくに阻止するために真空室内に置かれることができる。
【００１７】
充電の間中、ファラデーケージと接触している電極の電位が測定されることができる。
【００１８】
制御された放出装置によって放出されたすべての電子が実際に充電に関与することを保証するために、ファラデーケージに近接して、もしあるならば、電子の二次放出を測定するのが好ましい。
【００１９】
充電の終わりで、ファラデーケージと接触している電極の電位が異なる時間で測定されることができ、この電位変化は電位減少を示している。
【００２０】
本発明は、また、前記の充電方法によって前もって充電された２つの電極間に挟まれた絶縁体から形成された構造を放電する放電方法に関し、この放電方法は前記構造を短絡する工程を含んでいる。
【００２１】
放電は、ファラデーケージを制御された電子放出装置の電位に導くことによって得られることができ、基準電位は前記制御された電子放出装置の電位にほぼ等しい。
【００２２】
構造が短絡されるとき電荷によって発生される電流は測定されることができる。
【００２３】
ファラデーケージと接触している電極の電位は、構造が完全に放電された後に異なる時間で測定されることができる。
【００２４】
本発明は、また、２つの電極間に挟まれた絶縁体から形成された構造を充電する充電装置に関し、前記構造の前記電極の一方と接触しているファラデーケージに電子を注入するための制御された電子放出装置を含み、他方の電極が基準電位に上昇されることを特徴としている。
【００２５】
真空室内に構造とファラデーケージを配置するのが好ましい。
【００２６】
制御された電子放出装置は真空室の外に置かれることもできる。
【００２７】
前記装置はファラデーケージと接触している電極の電位の接触なしの測定を行うための電位プローブを含むことができる。
【００２８】
ファラデーケージは堅固な側壁、構造の電極と接触する堅固な底壁、および前記底壁と対向する端部で、前記制御された電子放出装置からの電子がそれを通って到達し得る開口があるカバーを含むことができる。
【００２９】
開口を通ってファラデーケージを出るあらゆる二次電子を検出するために二次電子検出装置を設けるのが好ましい。
【００３０】
底壁からカバーへのファラデーケージの高さは、好都合には、ダイアフラムに電子が上昇するのを阻止するためにその他の寸法の各々よりも大きい。これはしたがってファラデーケージのトラッピング効率を改善する。
【００３１】
電極上のファラデーケージによって占有される面積は、好都合には前記電極の面積より小さい。
【００３２】
充電装置はファラデーケージと接触している電極が円弧状ホーンまたは電極電界と結合される構造を充電することができ、かつこの構成において、好ましくは、前記ファラデーケージと接触している前記電極と同一の電位にまでガード電極を導く手段を含んでいる。
【００３３】
加熱および／または冷却装置が構造の近傍の温度を調整するために設けられることができる。
【００３４】
充電装置は構造を放電するようになされ、かつこの構成において、前記構造を短絡する手段を含むことができる。
【００３５】
短絡手段はファラデーケージと基準電位に対応する制御された電子放出装置の接地との間の電気的接続を行うことができる。
【００３６】
前記装置はその場合に構造を放電することによって発生される電流を測定するための装置を含むことができる。
【００３７】
本発明は、添付図面を参照して、純粋に手引きの目的で付与されかつ限定する方法でない、実施の形態の説明を読んだ後より良好に理解される。
【００３８】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は第１の電極３と第２の電極４との間に挟まれた絶縁体２から形成された構造１を充電する充電装置１０を示している。前記絶縁体２が作られる材料は、ポリマ、例えば、酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物、またはガラスを基礎にしたセラミックスから選ばれることができ、これらの材料は単独でまたは組み合わせて使用される。絶縁体２は、厚いブロック、またはフィルムまたは薄い層の形状にすることができ、そしてその厚さは絶縁体に電荷を注入するための十分に強力な電界を得るように選ばれる。電極３，４は金属または半導体であってもよい。
【００３９】
構造は公知の技術を使用して作られることができ、例えば、絶縁体はペレットを成形し、機械加工しまたはプレスすることによって得られることができ、電極はプレス、膠着、塗装、化学的気相堆積、物理的気相堆積または他の方法によって作られることができる。
【００４０】
図１に示した構造１は平面コンデンサを示すが、より複雑なジオメトリ、例えば、ワウンドコンデンサを使用することができる。平面コンデンサは電極の１つに結合されるガード電極と呼ばれる追加の電極１７を含むことができる。追加の電極は結合される電極と同一の絶縁体２の面上に配置される。この場合に、ガード電極は第１の電極３を取り囲んでいる。このガード電極１７はエッジ効果を制限する。
【００４１】
構造１の第１の電極３は図２に関連して後でより詳細に説明されるファラデーケージ９と接触している。
【００４２】
記載された例において構造１とファラデーケージ９は室５の内部に置かれる。構造１は室５内のサンプル支持体８上に位置決めされる。第２の電極４はサンプル支持体８上に支持され、そしてその電位は基準電位、通常室５の電位（接地）に増加される。
【００４３】
電位測定装置１１は第１の電極３の電位を測定するために設けられる。この装置１１はその場合において第１の電極３の表面において電位の接触なしの測定を行う電位プローブの形状にすることもできる。電位プローブ１１は第１の電極３に近接している。振動コンデンサ型の電位プローブが適当である。
【００４４】
ファラデーケージ９は制御された電子放出装置６と協働する。この制御された電子放出装置６はファラデーケージ９の内部に制御された電子ビーム７を発生するのに有用である。実施の形態において、制御された電子放出装置６は室５の外部に位置決めされる。制御された電子放出装置６は室５に固定される。電子ビーム７はファラデーケージ９に達する前に室５に注入される。好ましくは、電子ビーム７は電子によって衝撃を与えられる領域の寸法を制御するように焦点合わせされかつその強度は調整可能である。
【００４５】
ファラデーケージ９に進入する電子７は在来の放出によるとそれを出ることができない。電子７はファラデーケージ９と接触している第１の電極３に向かってファラデーケージ９の導電材料によって導かれかつしたがって第１の電極３の表面全体にわたって分布されることができ、そして構造１を充電する。ファラデーケージ９は電子をトラップしかつ構造１にほとんどすべての電子を伝達する。その場合、電子ビーム７の電流の値およびファラデーケージ９内の注入時間を使用して、第１の電極３上に堆積された電荷の量を明らかにし易い。電子が電極３に直接衝撃を付与したならば、その無視できない比率が室５内に再び放出され、かつそれゆえこの比率は構造１を充電するのに関与しなかった。
【００４６】
この制御された電子放出装置６は走査電子顕微鏡、キャステイングマイクロプローブまたは電子銃を備えた他のあらゆる構体によって作られ得る。また、電流較正装置および室５内の電子放出時間を制御するための装置を設けるのが好ましいが、これらの装置は図示してない。
【００４７】
最大充電電位は電子ビーム７の最大エネルギおよび電位プローブ１１の最大読み取り電圧によってのみ制限される。
【００４８】
充電は瞬時に、連続してまたは繰り返し周波数および充電量が変化され得る充電パケットの形で行われることができる。
【００４９】
室５は真空室であり、この真空室は、とくに充電がいったん終了されると、室５内に置かれる電子とイオンの間の結合をとくに阻止する。
【００５０】
我々は今や図２に関連してファラデーケージ９の構造を見る。
【００５１】
ファラデーケージ９は、第１に第１の電極３と電気的に接触する堅固な底壁９−２、および第２に電子をファラデーケージに貫通させるための開口９−４があるカバー９−３を有する、堅固な側壁９−１、例えば筒状壁を含んでいる。開口はファラデーケージに貫通する電子がそれを出るのを阻止するように小さい。ファラデーケージは金属であり、そして例えば非磁性のステンレス鋼から作られてもよい。
【００５２】
好ましくは、ファラデーケージの高さＨは他の寸法、すなわち、図２に示されたような筒状形状の場合において長さ、幅または直径Ｄの各々より大きい。
【００５３】
第１の電極３上のファラデーケージ９によって占有される面積は第１の電極３によって占有される面積より著しく小さく、その結果それは無視し得る。
【００５４】
室５内で、もしもあるならば、二次放出を検出するための装置１３を設けるのが好ましい。この二次放出は、電子ビーム７が十分に焦点合わせされないとき、開口９−４でカバーに衝撃を与えている電子によって引き起こされ得る。検出装置１３は導電材料から作られる穿孔されたプレート１３−１およびこのプレート１３−１中の電流を測定する手段（１３−２）を含むことができる。プレート１３−１は、電子ビーム７がそれを貫通するように室５内に置かれかつ制御された電子放出装置６とファラデーケージ９との間に位置決めされる。
【００５５】
加熱および／または冷却装置１４が構造１に近接して温度を調整するために設けられ得る。測定はその場合に制御された温度で行われ得る。
【００５６】
ガード電極１７が使用されているとき、その電位はそれに結合される電極と同一の電位にあるまで調整され、この場合に第１の電極３はファラデーケージと接触している。ゼロ電界がそれらの間に設定される。手段１２はそれらが同一の電位を有することを保証するように設けられる。電圧発生器１２は電位プローブ１１によって記録された電位と同一の電位をガード電極１７へ出力し、そしてガード電極１７に接続されかつプローブ１１によって測定された電位に従属される。
【００５７】
第１の電極３での電位の変化の測定はかくして充電されるコンデンサの静電容量、本体２の絶縁材料の誘電率、および注入領域を決定するのに使用される。
【００５８】
充電の終わりにおいて、電位減少は電位プローブ１１を使用する時間の関数として測定されることができる。
【００５９】
これらの測定は、従わされる電界の関数として誘電体２中の電荷の移動度および誘電材料の固有の導電性の決定を導くことができる。
【００６０】
かかる構造の電気的特性の研究の間中、前もって充電されかつ次いで短絡された構造上の電位の再出現を観察するのが普通である。この現象は「電位復帰」と呼ばれる。誘電体２中の電荷の強度および電荷の深さを決定するために構造１を放電することが必要かもしれない。
【００６１】
放電は第１の電極３上の電位がもはや変化しないとき開始し得る。構造はそれを短絡することによって放電される。これはファラデーケージを室５の接地または同等である、制御された電子放出装置６と接触させることによって行われる。構造１の２つの電極はその場合にほぼ同一電位にある。充電装置は構造を放電する手段１６を備えることができる。電気的接続１６−１は制御された電子放出装置６の接地とファラデーケージ９を電気的に接続するためのスイッチ１６−２を備えて作られることができる。このスイッチ１６−２は充電の間中開放位置にかつ放電の間中閉止位置にある。抵抗Ｒおよび電流測定装置１６−３が、この短絡回路が設定されるとき、抵抗Ｒを通る放電電流を測定するためにスイッチ１６−２と直列に置かれることができる。
【００６２】
構造１が完全に放電された後、第１の電極３での時間による電位の変化が電位プローブ１１を使用して測定され、この変化は構造１からの電位復帰を示している。
【００６３】
我々は今や本発明による方法を使用して充電される３つのサンプルについて研究する。
【００６４】
例１：ポリエチレンフィルムを充電しかつ静的誘電率および注入領域を計算。
４６マイクロメータの厚さのポリエチレンフィルムがモールド内に置かれたペレットを使用して得られかつ第２の電極として使用される８０ｍｍの直径の導電プレートを使用してホットプレスされた。このプレートは次いでサンプルホルダと接触して置かれている。カプトンシートがフィルムの分離を容易にするためにモールドの底部に置かれた。フィルムの他の面はファラデーケージを支持する第１の電極を形成するために５０ミリメートルの直径にわたって金で金属化された。ガード電極は作られなかった。かくして金属化されたフィルムは図１に示した室と同様な室内に置かれた。電子は５ｎＣパケット内に堆積された。
【００６５】
図３は第１の電極上に堆積された電荷の量Ｑｄの関数として電位変化Ｖを示す。
【００６６】
この測定を解釈するために、第１の電極の表面はファラデーケージの表面より非常に大きくかつこれら２つの要素が等電位であると仮定される。ファラデーケージ内に堆積された電子が第１の電極と同一レベルで残ると見なされるならば、堆積された電子の量Ｑｄの関数として電位プローブによって測定されたその電位Ｖは容量式
Ｖ＝Ｑｄ／Ｃ                                      ｛２｝
を考慮する。
【００６７】
それゆえ、本発明による充電装置は、堆積された電子の量Ｑｄが精密に知られるので、式｛２｝を使用してコンデンサの静電容量を決定するのに使用されることができる。この例において、最初のスロープから出発している測定された容量の値は２．３１の静的誘電率に対応する、８７１ｐＦである。スロープは点線で示される一方、変化曲線は図３に実線で示される。
【００６８】
電界が強力になるとき、電子の割合Ｑｐは失われる。電位Ｖはその場合に迅速により少なく増加する。電子は第１の電極誘電フィルムを通って中に有されると見なされることができる。Ｑｐはその場合に以下の式を使用して決定され得る。
Ｑｐ＝Ｑｄ−Ｑｃ                                  ｛３｝
ここで、Ｑｄ＝堆積された電子の量、
Ｑｃ＝式｛２｝から出発している電位Ｖを得るのに必要な電子の量である。結果として、
Ｑｃ＝Ｃ・Ｖ                                      ｛４｝
【００６９】
注入電位ＶｉはＱｐがもはやゼロでない電位から出発している電位に対応する。平面コンデンサが使用されるならば、以下の式を使用して注入領域Ｅｉの値を推定し易い。
Ｅｉ＝Ｖｉ／ｈ                                    ｛５｝
ここで、ｈはポリエチレンフィルムの厚さである。
【００７０】
図４は第１の電極の電位Ｖの関数として失われた電子の量Ｑｐの変化を示す。注入電位Ｖｉは２６ｋＶ／ｍｍの注入領域Ｅｉに対応するおよそ１２００Ｖである。それゆえ、本発明による充電装置は注入領域の値を決定するのに使用されることができ、かつこの大きさは第１の電極および絶縁体の性質に依存する。
【００７１】
例２：電位減少の測定および領域の関数としての電荷の移動度および導電率の計算。
我々は例１において説明された手順にしたがって得られた１１４マイクロメータの厚さのポリエチレンフィルムを使用する。１マイクロクーロンの電荷が例１におけるように第１の電極上に堆積された。注入段階の終わりにおいて、電極の表面に残っている電荷の量および注入の間に誘導作用によって失われた電荷の量は完全に知られる。時間の関数としての第１の電極の電位減少が次いで測定される。
【００７２】
図５は減少時間ｔの関数として電位Ｖの変化を示す。減少率ｄＶ／ｄｔは、とくに第１の電極から第２の電極への注入された電荷の遷移時間Ｔｔを決定するのに使用され得るため、通常時間ｔの関数として測定される。ｄＶ／ｄｔは、図６に見られ得るように、遷移の間中一定であると見なされる。Ｔｔを超えて、減少率は急速に低下する。次いで遷移の間中注入された電荷の平均速度Ｖ’を以下の式、
Ｖ’＝ｈ／Ｔｔ                                    ｛６｝
を使用して計算することができる。
【００７３】
しかしながら、電荷の移動度μは式、
Ｖ＝μ・Ｅ                                        ｛７｝
によって定義される。
【００７４】
それゆえ、遷移の間中平均速度Ｖ’および平均電界Ｅ’から出発している平均移動度μ’を推定し易い。
μ’＝ｈ／（Ｔｔ・Ｅ’）                          ｛８｝
【００７５】
例２において、遷移中の平均電界Ｅ’は２０ｋＶ／ｍｍでありかつ遷移時間Ｔｔは２３００秒である。式｛８｝から計算される平均移動度μ’はその場合に２．５×１０−１６ｍ２／Ｖ・ｓである。
【００７６】
電界の関数として固有の導電率にアクセスするために、我々は、その漏洩抵抗に放電するコンデンサであるような構造を考慮することからなる解決を提案する。
【００７７】
緩和時間τ＝ε／σと見なし、ここでεは絶縁フィルムの誘電率そしてσはその導電率である。τが一定であるならば、減少は幾何級数的であるが、導電率σは電界により変化するので、τは放電の間中、増加する。第１の電極の電位Ｖは以下の微分式、絶縁材料の固有の導電率を表すのに使用される、
ｄＶ／ｄｔ＝−Ｖ／τ                              ｛９｝
すなわち、σ＝−ε／Ｖ・（ｄＶ／ｄｔ）              ｛１０｝
を満足する。
【００７８】
電圧の関数としての導電率の変化がプロットされ、それは、減少の記録が、得ることがかなり難しい、通常の電圧の関数として電流曲線と同一の情報を含んでいることを示している。
【００７９】
しかしながら、質問がこのアプローチが有効であるかどうかについて尋ねられてもよい。例えば、実験の導電率がプール−フレンケルモデル：
σ＝σ０ｅｘｐ｛（βＰＦ／ｋＴ）（Ｖ／ｈ）１／２｝        ｛１１｝
を使用して予測された値と比較される。ここでｈはポリエチレンフィルムの厚さであり、σ０はゼロ電界での固有の導電率であり、βＰＦはプール−フレンケル定数であり、ｋはボルツマン定数であり、そしてＴはケルビン度で表される構造の温度である。
【００８０】
相対的な誘電率が２．３である、ポリエチレンの場合に、以前の式は、
Ｌｏｇ１０σ（Ｖ）＝Ａ＋０．８（Ｖ／ｈ）１／２        ｛１２｝
に変換される。ここでＡは定数であり、かつｈはマイクロメータで表されるポリエチレンフィルムの厚さである。
【００８１】
モデルは、半対数の座標において電位Ｖの平方根の関数として曲線σ（Ｖ）が０．８／ｈ１／２にほぼ等しいスロープを有する直線区域を含むならば、確認される。この曲線は図７に示される。我々の例において、この理論的スロープは０．０７５に等しい。
【００８２】
フィルム上の絶縁材料の導電率は式｛１０｝を使用して評価された。理解され得るのは、プール−フレンケル式は図７の曲線の大きい部分（実験スロープは０．０７に等しい）にわたって著しく良好に満足されるということである。かくして、この区域において、絶縁材料の固有の導電率の変化は構造に印加される電界の関数として得られる。
【００８３】
例３：電位復帰の測定。
図８は例１において説明された方法により得られた１２０マイクロメータのポリエチレンフィルム上で測定された電位復帰を示す。このフィルムを使用して作られた構造の電位は例１において説明された充電方法を使用して２０８４ボルトに最初上昇された。構造の電位が１５６５ボルト（例２参照）に充電した付与された電位減少時間の後、構造は頂部電極の電位を除去するように短絡され、かつ次いで電位プローブが時間の関数としてこの電位の新たな変化を測定するために使用された。
【００８４】
この電位復帰現象に関する理論的なアプローチの詳細は文献［１２］に記載されている。電荷が初期深さλで平面に分布されると仮定すると、以下の式を使用して電荷量ｑおよび電荷の初期深さλを計算することが提案される。
ｑ＝ε（Ｖ０＋Ｖ∞）／ｈ                            ｛１３｝
λ＝｛Ｖ∞／（Ｖ０＋Ｖ∞）｝ｈ                        ｛１４｝
ここで、ｈは絶縁フィルムの厚さ、εは絶縁フィルムの誘電率、Ｖ０は短絡前の電位、Ｖ∞は無限の復帰時間後の安定電位である。
【００８５】
例３の場合における結果は：
ｑ＝０．０００２６Ｃ・ｍ−２そしてλ＝０．６×１０６ｍである。
【００８６】
かくして説明された充電および放電方法の利点は、単一の試験から出発して、電荷の注入領域および電荷の移動度を決定するのに使用され得るということである。そのうえ、初期の減少パラメータ、言い換えれば、電荷の量および分布は減少および電位復帰測定が正しく使用され得るように完全に制御される。最後に、電荷は電極を通って注入されるので、絶縁体の非常に薄い層を研究することもできる。
【００８７】
本発明の１つの実施の形態が詳細に説明されかつ示されたけれども、種々の変化および変更が本発明の範囲外にあることなくなされることは容易に理解し得る。
【００８８】
参考文献
［１］−ピー・モリーネ、「絶縁フィルム上の電位減少解釈：電荷注入と遅い容量分極化方法を組み合わせる必要性」、１９９６年９月、ＤＭＭＡ（ＩＥＥＥ）の第７回国際会議。
［２］−エー・クリスチ等、「表面誘導作用による表面電位減少」、１９９８年、Ｅｕｒ．Ｐｈｙｓ．Ｊ．ＡＰ，４，１０７−１１６。
［３］−ジェイ・キョーカネ、「ポリマ表面の蓄積された電荷の減少過程の考察」、１９８２年、日本における電気技術、１０２，１，８９−９５。
［４］−ピー・ケイ・ワトソン、「一定温度の放電測定に基づく、ポリスチレン中の局部化状態のエネルギ分布」、１９９０年、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２３，１４７９−１４８４。
［５］−ディー・ケイ・ダス・ギュプタ、「絶縁フィルム上の表面電荷減少」、１９８８年、マサチュセッツ州ボストン、電気絶縁に関するＩＥＥＥ国際シンポジウム。
［６］−エム・イエダ等、「重合フィルム上の電荷の減少」、１９６８年、日本における電気技術、８８，６。
［７］−ティー・ジェイ・ソノンスタイン等、「電界依存の移動度および注入効率による絶縁体における表面電位減少」、１９７５年、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４６，９，３９７５−３９８１。
［８］−欧州特許ＥＰ−Ａ−０７１０８４８。
［９］−アール・クルホ等、「静電ミラー技術によって調査されたポリエチレンの高電界搬送特性」、２０００年、ＤＭＭＡ（ＩＥＥＥ）に関する国際会議。
［１０］−欧州特許ＥＰ−Ａ−０４７０９１０。
［１１］−アール・クルホ等、「絶縁体における電荷減少測定および注入」、１９８９年、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２２，１４０６−１４０９。
［１２］−アール・クルホ等、「絶縁材料における復帰電圧発生について」、１９８７年、電気絶縁に関するＩＥＥ議事録、２２，６，６８３−６９０。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による２つの電極間に挟まれた絶縁体から形成された構造を充電する充電装置を示す図である。
【図２】
図１の装置に使用されるファラデーケージを示す断面図である。
【図３】
電極上に堆積された電荷の量の関数として第１の電極の電位の変化を示す図である。
【図４】
第１の電極の電位の関数として失われた電子の量の変化を示す図である。
【図５】
減少時間の関数として第１の電極の電位の変化を示す図である。
【図６】
減少時間の関数として減少率の変化を示す図である。
【図７】
半対数目盛りによる、第１の電極の電位の平方根の関数として構造の絶縁材料の導電率を示す図である。
【図８】
構造を短絡した後の電位の変化を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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