Измерение малых вариаций электрического заряда на диэлектрических пробных массах

На правах рукописиПрохоров Леонид ГеоргиевичИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДАНА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОБНЫХ МАССАХ.Специальность01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре физики колебаний Физического факультетаМосковского Государственного Университета имени М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессорМитрофанов Валерий ПавловичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,Черныш Владимир СавельевичКандидат физико-математических наукКоростин Сергей ВладимировичВедущая организация:Институт Ядерных Исследований РАН (г. Москва)Защита состоится “10” апреля 2008 г. в 16.00 час.

на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва,Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “___”_______2008 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.66А.П. Ершов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время одной из наиболее интересных и актуальных научныхзадач является регистрация гравитационного излучения.

С точки зрениясовременной физики, наибольшей интенсивностью гравитационного излучениясопровождаются такие астрофизические процессы, как слияние нейтронных звезд,черныхдыр, несимметричныйвзрыв сверхновых звезд [1]. Регистрациягравитационных волн от таких астрофизических событий даст не тольковозможность проверки теории гравитации, но и новый способ полученияинформацииоВселенной.Развитиегравитационно-волновыхдетекторовпредполагает создание новой ветви науки – гравитационно-волновой астрономии.Однако интенсивность гравитационного излучения крайне мала, и егорегистрация является сложнейшей экспериментальной задачей.

В настоящее времяв разных странах реализуется несколько проектов создания гравитационноволновых детекторов – LIGO (США) [2, 3], VIRGO (Италия-Франция), GEO(Германия). Достигнутая на сегодняшний день чувствительность лазерныхинтерферометрических детекторов по вариации метрики пространства составляетh ≈ 3⋅10-23Гц–1/2 вблизи частоты наблюдения 120 Гц, что соответствует измерениюсмещения пробной массы Δx ≈ 10-18 м [4].Дляулучшениянеобходимочувствительностивсестороннеегравитационно-волновыхисследованиетонкихэффектов,детекторовсоздающихфлуктуационные силы порядка или более, чем 10-7 дины. Такие воздействия надиэлектрические пробные массы детектора может оказывать, в частности,флуктуационнаяэлектрическаясила.Находящийсянапробноймассеэлектрический заряд может вносить дополнительную диссипацию [5] (аследовательно, и дополнительные шумы) из-за электрического взаимодействияпробной массы с окружением.Кроме того, дополнительные флуктуации могут создаваться при изменениизаряда пробной массы или его распределения, т.к.

при этом изменяетсяэлектрическая сила взаимодействия пробной массы и окружения. Величинафлуктуационной силы зависит от плотности электрического заряда на пробной3массе, которая определяется начальными условиями. Заряд пробной массы можетизменяться из-за ряда причин, например, адсорбции и десорбции заряженныхмолекул с поверхности пробной массы; из-за каскадных процессов, развивающихсяпри пролете высокоэнергетических частиц космических лучей [6].Отметим, что вызванные электрическими зарядами флуктуационные силымогут ухудшать чувствительность не только в наземных гравитационно-волновыхдетекторах, но и в других высокоточных экспериментах. Так, их влияние нужноучитывать при создании космического детектора гравитационных волн LISA [7],при разработке спутников свободных от сноса, в частности Gravitational Probe B[8], и в других установках, связанных с измерением малых сил.Цель и задачи исследованийЦелью работы являлось исследование эволюции распределения электрическихзарядов, находящихся на диэлектрических пробных массах, и изучение механизмовдиссипации, обусловленных взаимодействием этих зарядов с окружающимителами.

Для выполнения поставленной цели было необходимо решить следующиеосновные задачи:1) Разработка методики исследований и измерение дополнительных потерь,вносимых в моды колебаний пробных масс, возникающих из-за наличия напробных массах электрических зарядов и их взаимодействия с окружающимителами.2) Разработка методики исследований и проведение долговременных измеренийэлектрического заряда, находящегося на макете пробной массы.

Исследованиепричин изменения электрического заряда пробной массы.3) Создание экспериментальной установки, разработка методики исследований иизучение эволюции распределения зарядов на поверхности диэлектрическихобразцов.Научная новизнаВ представленной работе впервые:1. Проведены длительные (месяцы) измерения величины электрическогозаряда, находящегося на макете пробной массы гравитационно-волновогодетектора, изготовленном из плавленого кварца и подвешенном на тонких4кварцевых нитях внутри металлической вакуумной камеры.

Обнаружено, чтопробнаямассаотрицательнозаряжаетсясосреднимтемпомоколо10-14 Кл/см2 в месяц.2. Проведено исследование диссипации в маятниковой моде колебаний,обусловленной взаимодействием находящихся на пробной массе электрическихзарядов с окружением, в частности, с электростатическим актюатором. Прииспользовании актюатора из плавленого кварца с напыленными на него золотымиэлектродами, величина дополнительных потерь не превышала δQ -1 < 5·10-9, приувеличении заряда на пробной массе до q ≈ 5·10-9 Кл.3. Созданаэкспериментальнаяустановкаиметодикаисследований,позволяющая измерять распределение электрического заряда на массивныхдиэлектрических образцах, находящихся в вакууме, с чувствительностью кплотности электрического заряда Δσ ≈ 1,5·10-15 Кл см 2 Гц .4.

Прямыми измерениями было установлено, что время релаксации заряда,нанесенного в вакууме на образец плавленого кварца, составляет более 3-х лет. Этавеличина получена для локально нанесенных методом контактной электризациизарядов обоих знаков, при величине электрического заряда q = 10-13 ÷ 10-11 Кл.Положения, выносимые на защиту1. Экспериментальная методика, позволяющая проведение долговременныхизмерений электрического заряда, находящегося на теле высокодобротного(Q ≈ 8·107) маятника, изготовленного из плавленого кварца (являвшегося макетомпробной массы гравитационно-волнового детектора).2.

Результаты экспериментальных исследований временной зависимостивеличины электрического заряда, находящегося на макете пробной массыгравитационно-волнового детектора.3. Результаты экспериментальных исследований влияния электрическогозаряда, находящегося на теле маятника, на его добротность.4. Экспериментальная установка и методика исследований, позволяющаяизмерять распределение электрического заряда на диэлектрическом образце счувствительностью к плотности электрического заряда Δσ ≈ 1,5·10-15 Кл см 2 Гц .55. Результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие влияниепредварительной подготовки и внешних условий на электрическую проводимостьдиэлектрических образцов сапфира и плавленого кварца, находящихся на воздухе.6.

Результаты экспериментального исследования релаксации распределенияэлектрических зарядов на образце плавленого кварца, находящемся в высокомвакууме.Достоверность полученных результатовРезультаты, приведенные в диссертации, получены на основе тщательныхмногократно повторенных измерений, проведенных на современном научномоборудованиисэкспериментальныхиспользованиемданных.компьютерныхЭкспериментальныеметодовданныеобработкисопоставленыстеоретическими расчетами, основанными на адекватно выбранных физическихмоделях анализируемых процессов, и с результатами других групп исследователей.Они многократно обсуждались на конференциях участников проекта созданиядетектора гравитационных волн LIGO.

Это позволяет считать все полученныерезультаты полностью обоснованными и достоверными.Научная и практическая значимость работы1. Созданные экспериментальные установки и разработанные методики измеренийпозволяютизмерятьпроводимостьдиэлектриковнауровнеρ-1 ≈ 10-18 (Ом·м)-1 и исследовать изменение заряда диэлектрических масс,обусловленное, например, действием космических лучей2. Результаты долговременных изменений пространственных и временныхвариаций электрического заряда, находящегося на макетах пробных массинтерферометрических детекторов гравитационных волн, дают возможностьрассчитыватьфлуктуационныесилы,вызванныеэлектрическимвзаимодействием пробных масс с окружающими телами, а также разрабатыватьметоды их уменьшения в работающих в настоящее время детекторах LIGO,VIRGO, GEO.3.

Полученные данные о дополнительной диссипации и флуктуационных силах,вызванныхвзаимодействиемэлектрических6зарядов,находящихсянадиэлектрических пробных массах, с элементами окружения, и о влиянии на нихразличных факторов могут быть использованы при создании прецизионных ивысокостабильных измерительных устройств и приборов с механическимичувствительными элементами.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждалисьна научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ, атакже на следующих научных конференциях:− Международная конференция научной коллаборации LIGO, (США, 2002, 2003,2005, 2006, 2007).− Международная конференция по проблемам электризации пробных масс вэкспериментальной гравитации (США, 2007)− Международнаяконференция«Действиеэлектромагнитныхполейнапластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2005, 2007).− XI международная конференция им.