Диссертация (Управляемое демпфирование колебаний высокодобротных механических резонаторов), страница 7

Электри­ческий заряд необходимо наносить в вакууме, поскольку при откачке ваку­умной камеры его величина уменьшается вследствие пашеновского пробоя.В экспериментах максимальная величина электрического заряда на поверх­ности нити достигалась после совершения около 50 касаний волосом.482.5.2. Электронная бомбардировкаВ рамках настоящей работы производилось исследование возможностейнанесения на кварцевую нить электрического заряда при помощи бомбарди­ровки поверхности нити пучком электронов, испускаемых термокатодом иускоряемых электрическим полем.Несмотря на то, что теоретическое описание процессов, происходящихпри бомбардировке диэлектриков (в частности, плавленого кварца), являет­ся существенно более полным, чем для явления контактной электризации, втеоретических разработках в основном рассматривается механизмы зарядкиплоских диэлектрических мишеней при их бомбардировке узкими (фокусиро­ванными) электронными пучками в электронной микроскопии.

Тем не менее,некоторые результаты возможно перенести и на рассматриваемую в настоя­щей работе конфигурацию.Как правило, в литературе рассматривается различные разновидностимодели динамического двойного слоя. Предполагается, что под воздействи­ем первичного пучка электронов тонкая приповерхностная область диэлек­трика заряжается положительно за счет вторичной эмиссии электронов споверхности, в то время как более глубоко расположенный слой заряжает­ся отрицательно за счет захвата электронов из падающего пучка. Величинакоэффициента полной эмиссии (суммы коэффициента вторичной эмиссии икоэффициента отражения) определяет направление электрической зарядкидиэлектрика: если в диэлектрик за единицу времени попадает больше элек­тронов, чем покидает его, то он заряжается отрицательно, в противном слу­чае — положительно. Этот принцип лежит в основе различных теоретическихмоделей [44–47] и методов численного моделирования [48–50].Для незаряженного плавленого кварца (и вообще большинства поликри­сталлических диэлектриков) значение коэффициента полной эмиссии больше49Рис.

2.10. Схема установки для нанесения на нить электрического заряда и измерения еговеличины.единицы (положительная зарядка) в диапазоне энергий первичного пучкаэлектронов, лежащем между двумя значениями энергии, называемыми крос­соверными, и меньше единицы для энергий, не входящих в этот диапазон.Для плавленого кварца значение первой кроссоверной энергии — около 50 эВ,второй — около 4,4 кэВ [45].

В экспериментах участок поверхности кварцевойнити заряжался положительно при облучении электронным пучком с энерги­ями от 100 эВ до 3,1 кэВ.Для реализации электронной бомбардировки поверхности кварцевой стру­ны в настоящей работе использовалась специальная экспериментальная уста­новка, в которой кварцевая нить3 натягивалась между двумя опорами, жест­ко прикрепленными к оптическому столику (см.

рис. 2.10). Оптический сто­лик мог совершать поступательное движение параллельно металлическомуоснованию, на котором он закреплялся, под действием моторизованного ак­тюатора Thorlabs, управление которым осуществлялось дистанционно с по­3В экспериментах по нанесению на нить электрического заряда использовалась вспомогательнаякварцевая нить, а не модель кварцевого подвеса, описанная в разд. 2.1 и использованная в экспериментах,описанных в остальных разделах настоящей главы.50мощью ПК. На этом же металлическом основании были жестко закрепле­ны термоэлектрический вольфрамовый катод и анод, на который подавалосьускоряющее электроны напряжение.

Кроме того, на этом же основании былзакреплен электрод из дюралюминия размерами (30 × 20 × 16) мм3 , в цилин­дрическое отверстие диаметром 3 мм внутри которого была продета кварце­вая нить. Этот электрод использовался в качестве чашки Фарадея при из­мерении величины электрического заряда на участке нити: под действиеммоторизованного актюатора облученный участок нити вдвигался в область,расположенную внутри электрода, создавая при этом ток в цепи электрода,измерение и последующее интегрирование которого позволяло установить ве­личину электрического заряда на кварцевой нити. Измерение тока в цепиэлектрода производилось пикоамперметрами Keithley 5487 и 6517A либо элек­трометром ВК2-16, соединенным через усилитель постоянного тока (В2-36) сплатой АЦП NI USB-6009, подключенной к ПК.Катод и анод закреплялись в плоскости, параллельной металлическомуоснованию и проходящей через кварцевую нить.

Анод, изготовленный из мо­либденовой проволоки диаметром 1 мм, располагался на расстоянии около1 мм от кварцевой нити, катод — на расстоянии около 12 мм (при болееблизком расположении катода становится затруднительно отделить эффектзарядки под действием электронной бомбардировки от температурных эф­фектов, поскольку нить нагревается под действием теплового излучения ка­тода — см. следующий раздел).Электрический заряд на кварцевой нити достигал наибольших величинпри длительном облучении электронами с энергией порядка 3,1 кэВ. На рис. 2.11представлена зависимость величины электрического заряда на нити от време­ни облучения при токе анода ≈ 1 мкА. Зависимость тока чашки Фарадея припомещении облученного участка кварцевой нити внутрь и наружу чашки длянаибольшего значения ≈ 7,9 × 10−12 Кл (время облучения 1800 c) приведена510500100015002000,8,6050100150,0,340,20,10,0-0,12-0,2-0,300500100015002000,Рис.

2.11. Зависимость величины электрического заряда на нити от времени облученияпучком электронов с энергией3,1кэВ при токе анода≈1мкА. Врезка: зависимость токачашки Фарадея при помещении облученного участка кварцевой нити внутрь и наружучашки для наибольшего значения ≈ 7,9 × 10−1252Кл (время облучения 1800 c)на врезке рис. 2.11.2.5.3. Перераспределение электрического заряда в кварцевой нитипод действием электрического поля при повышеннойтемпературеПоскольку удельное электрическое сопротивление плавленого кварца зна­чительно уменьшается с ростом температуры [51], возможно осуществлениезарядки участка кварцевой нити за счет термоэлектретного эффекта при на­греве и последующем охлаждении в сильном электростатическом поле.Для экспериментального изучения этого механизма использовалась таже установка, что и в предыдущем разделе.

В качестве нагревательного эле­мента использовался термоэлектрический катод, в качестве управляющегоэлектрода — «анод», на который в данном случае подавалось высокое постоян­ное напряжение (как правило, −3,7 кВ), отрицательное относительно катодадля исключения эффектов, связанных с электронным облучением кварцевойнити. При одновременно включенных нагревательном элементе и источни­ке высокого постоянного напряжения, подключенного к управляющему элек­троду, на кварцевой нити вблизи электрода индуцировался положительныйэлектрический заряд.На рис.

2.12 представлена характерная экспериментальная кривая вели­чины тока в цепи фарадеевского зонда при медленном вдвигании заряженно­го участка нити в его внутреннюю область. Величина полного электрическо­го заряда на кварцевой нити в этом эксперименте равна 4,8 × 10−11 Кл. Нарис. 2.13 штриховой линией показана соответствующая зависимость электри­ческого заряда на чашке Фарадея от взаимного расположения центра заря­женного участка кварцевой нити и края чашки Фарадея, полученная инте­грированием кривой на рис.

2.12; точками на том же рисунке показана анало­531,5,1,00,50,0-0,5-1,0-1,5050100150,Рис. 2.12. Экспериментальная кривая тока в цепи чашки Фарадея при перемещении заря­женного участка кварцевой нити внутрь и наружу чашки.1,00,80,60,40,20,0-10-5051015,Рис. 2.13. Зависимость величины электрического заряда на чашке Фарадея от положенияцентра заряженного участка кварцевой нити относительно чашки: результат численногомоделирования (точки) и экспериментальная кривая (штриховая линия).54гичная зависимость, полученная с помощью конечноэлементного численногомоделирования в два этапа: сначала моделировалось распределение поверх­ностного электрического заряда на нити в электростатическом поле управ­ляющего электрода, при этом предполагалось, что нить — проводящая (чтосоответствует случаю нагретой нити). Затем полученное распределение элек­трического заряда на нити фиксировалось и вычислялась полная величинаэлектрического заряда на чашке Фарадея для различных взаимных располо­жений чашки и заряженной нити.

Видно, что экспериментальная и расчетнаякривые совпадают с хорошей точностью.Максимальная величина электрического заряда, нанесенного на поверх­ность кварцевой нити указанным способом, равна 2,6 × 10−10 Кл. Следуетотметить, что эта величина была получена при использовании в качествеуправляющего электрода сравнительно тонкой (диаметром 1 мм) молибде­новой проволоки, расположенной перпендикулярно кварцевой нити. Соответ­ственно, электрический заряд был нанесен на сравнительно короткий участокнити длиной несколько миллиметров. Очевидно, использование вытянутыхвдоль нити электродов может позволить добиться больших величин полногонанесенного на поверхность нити электрического заряда.Этот метод также использовался для нейтрализации нанесенного на по­верхность кварцевой нити электрического заряда (при заземленном управля­ющем электроде).Преимуществом использования описанного метода нанесения электри­ческого заряда при работе с электростатическим актюатором, описанным вразделе 2.3.3, является также конструктивная простота: в качестве управляю­щих электродов возможно использовать электроды актюатора, конструкциюнеобходимо дополнить лишь нагревательным элементом.

Кроме того, величи­на электрического заряда, в широком диапазоне пропорциональна приклады­ваемому к электродам высокому напряжению и может быть легко рассчита­55на при помощи численного моделирования — чего нельзя сказать о величинеэлектрического заряда, наносимого с помощью электронной бомбардировкиили контактной электризации.2.6. ЗаключениеБыла разработана монолитная конструкция из плавленого кварца, моде­лирующая нить кварцевого подвеса интерферометрического детектора грави­тационных волн. Добротности основных струнных мод колебаний нити пре­вышали величину 107 . Для демпфирования струнных мод колебаний макетабыла использована система демпфирования, основанная на активной цепи об­ратной связи.