Измерение малых вариаций электрического заряда на диэлектрических пробных массах, страница 3

2). Это изменение не являлось монотонным, в течение суток заряд могувеличиваться и уменьшаться, но в среднем пробная масса отрицательнозаряжалось со скоростью около 10-14 Кл/см2 в месяц. Наблюдающееся вэкспериментеизменениезарядапробной12массыможетбытьобъяснено0.38Напряжение на зонде, ВНапряжениеVoltage,наV зонде, В0.1060.1050.1040.1030.1020.370.360.350.340.330.10101002003000400100200300400Время, часВремя, часTime, hoursРис. 2. Зависимость амплитуды индуцированного на зонде напряжения от временина длительных временных интервалах. а) Пробная масса заряжена положительно.б) Пробная масса заряжена отрицательно.прохождением высокоэнергетических частиц космических ливней сквозь рабочийобъем вакуумной камеры [6].В экспериментах наблюдались, хотя и крайне редко, относительно быстрыезначительные изменения заряда пробной массы, которые могли происходить, еслирасстояние между актюатором и пробной массой составляло порядка 50 мкм.

Призазоре 1 мм и более (как это планируется в детекторах LIGO), таких измененийзаряда пробной массы не наблюдалось, поэтому влиянием этого эффекта вдетекторах LIGO можно пренебречь.Дляисследованиякорреляциймеждузначительнымиизменениямиэлектрического заряда пробной массы и проходом через вакуумную камеруэлектронно-фотонныхкаскадов,вызванныхкосмическимилучами,вокругвакуумной камеры были размещены сцинтилляционные детекторы. Статистическизначимой корреляции между изменениями электрического заряда Δq более5·10-14 Кл и каскадами с большим суммарным сигналом на сцинтилляционныхдетекторах не обнаружено. Эксперимент показал, что необходимо улучшитьчувствительность к вариациям электрического заряда на временах измеренияменее 1 с и использовать схему детектирования электронно-фотонных каскадов,вызванных космическими лучами, позволяющую регистрировать прохождениекаскада непосредственно через кварцевую пробную массу.13ДиэлектрическийобразецРис.

3. Схема экспериментальной установки для измеренияраспределения электрических зарядов.Для дальнейшего исследования электрических зарядов на пробных массахбыло необходимо достигнуть более высокого разрешения по заряду и измерятьраспределение электрических зарядов по поверхности диэлектрического образца.В Главе 3описываетсясозданнаяэкспериментальнаяустановка–электрометр, предназначенный для бесконтактного измерения поверхностногораспределения зарядов методом неподвижного емкостного зонда, находящегосяпод вращающимся диэлектрическим образцом (Рис. 3).

Исследуемый образец(использовались плавленый кварц и сапфир) имел грибообразную форму ивращался вокруг собственной оси симметрии при помощи электродвигателя. Нарегулируемомрасстоянииh = 0,2÷0,5 ммподобразцомнаходилсязонд.Чувствительная пластина зонда имела диаметр d' ≈ 2 мм и находилась взаземленном охранном кольце. Период вращения образца составлял T ≈ 0,5 c. Уголповорота образца φ измерялся при помощи теневого датчика.14Напряжение U(t) на чувствительной пластине зонда было непосредственносвязано с изменением плотности электрического заряда σ(φ) на образце над зондомвдоль полосы сканирования.

Постоянная составляющая напряжения на выходепредусилителя могла быть обусловлена различными причинами – такими какконтактная разность потенциалов, дрейфы усилителя, наличие зарядов нанеподвижных частях установки, отличить которые от заряда на образце непредставлялосьвозможным.Поэтомуисследоваласьтолькопеременнаясоставляющая выходного напряжения, модулированная частотой вращенияобразца. Она несла информацию о неравномерности распределения зарядов поповерхности образца, т.е.

о вариациях плотности электрического заряда вдольсканируемой полосы.Полный заряд образца измерялся при отодвинутом зонде с помощьюцилиндра Фарадея. Измерительная система была разработана так, чтобы измеренияполного электрического заряда, находящегося на образце, могли чередоваться сизмерениями вариаций распределения этого заряда.Дополнительный заряд наносился на полосу сканирования на образце методомконтактной электризации при помощи специального манипулятора.

Все устройствонаходилось внутри металлического заземленного экрана.Обработка сигнала с зонда и датчика координаты производилась накомпьютере с использованием системы LabView. Схема обработки позволялаизмерять распределение зарядов по образцу, усредненное за время θ. Рассмотреныисточники погрешности измерения распределения заряда, такие как шумыдискретизации и квантования, а также неравномерность вращения образца.Неравномерность вращения приводила к ошибке Δφ определения угла поворотаобразца, и, как следствие, ошибке в расчете напряжения в заданной точке образца,что ограничивало точность измерений.Исследование зависимости коэффициента преобразования электрометра отвеличины зазора между зондом и образцом позволило выбрать оптимальный зазорh = 250 ÷ 400 мкм и получить оценку величин емкостей Cp (емкость междуобластью образца, индуцирующей заряд, и зондом) и Cg (между той же областьюобразца и заземленным окружением).15Пиковое напряжение Um на зонде связано с величиной заряда q,индуцирующего напряжение: q = UmCm/K, где Cm ≈ 5 пФ – эквивалентная входнаяемкость предусилителя, K – коэффициент, зависящий от параметров зонда ивходной цепи предусилителя, а также частоты вращения образца.

Точность расчетавеличины K невелика из-за погрешностей при оценке величины емкостей Cg и Cp,необходимых при расчете. Поэтому, кроме проведения теоретических оценок, былонеобходимо провести калибровку электрометра. Для этого на полосу сканированияна образце наносился методом контактной электризации локальный электрическийзаряд. Измерения величины пикового напряжения на зонде, индуцированного этимзарядом, чередовались с измерением заряда при помощи цилиндра Фарадея. Такаякалибровка была возможна благодаря тому, что время релаксации распределениязарядов τ было много больше, чем время измерений каждым из методов.Измеренное значение коэффициента К составило 0,48 ± 0,09.Расчет электрических шумов показывает близость экспериментальной итеоретической величин. Измеренное среднеквадратичное отклонение напряженияна зонде (при времени усреднения θ = 10 с) составило σU,θ ≈ 3,4·10-6 В.

Приизмерении плотности заряда на образце нас интересовала не столько величинаплотности заряда в данной точке, сколько ее вариация Δσ, поэтому для оценкишумов использовалось среднеквадратичное отклонение σx,θ вариаций напряженияx = U(t+θ)-U(t) (аналогично дисперсии[9]).На Рис. 4приведенаСреднеквадратичное отклонение, мВАлланазависимость σx,θ от времени усредненияθ, измеренная на воздухе, когда зондбылэкранированотобразцаметаллическим экраном. Напряжениеприэтомопределялосьэлектрометра,ишумамиэтахарактеризуеткриваяпредельнуючувствительностьустановки.зависимостью.с10-310-4Зонд экранирован,Зонд находится под вращающимсяобразцом, в вакууме101001000Рис. 4.

Зависимость σx,θ ,приведенного к напряжению на зонде,от времени усреднения θ.теоретическойПри-2Интервал усреднения, сек.Изграфика видно, что σx,θ(θ) ~ θ-1/2, чтосовпадает10времени160,7Пиковое напряжение на зонде, В10,6Напряжение на зонде, В0,50,40,30,2-110-2100,00,10,20,30,4Время, час0,10,0-0,1π02πУгол поворота образца, радРис. 5. Типичная зависимость индуцированного на зонде напряженияот угла поворота образца и ее изменение со временем.На вставке – зависимость высоты пика от времени.усреднения θ = 10 с среднеквадратичное отклонение вариации напряжения назонде соответствовало изменению плотности заряда δσ ≈ 5·10-16 Кл/см2.Было проведено исследование различных факторов, влияющих на релаксациюраспределения электрических зарядов на образце. Сначала электрический заряд повозможности снимался с образца.

Потом на небольшую область образца припомощи контактной электризации (точечным касанием) локально наносилсяэлектрический заряд. Тем самым на образце формировалось гладкое распределениезаряда с единственным пиком, соответствующим области нанесения заряда(Рис. 5). Зависимость высоты этого пика от времени (См. вставку на Рис. 5) неслаинформацию о перераспределении нанесенного заряда, и ее измерение позволялооценить электрическое сопротивление кварца и изучать его зависимость отпредварительной подготовки образца и условий эксперимента.В Главе 4 приводятся результаты исследований пространственных ивременных вариаций распределения электрического заряда на диэлектрическихобразцах и влияющих на них факторов.

Часть измерений, относящаяся к изучениюфакторов, влияющих на эволюцию распределения электрических зарядов надиэлектрическом образце, проводилась на воздухе, так как характерное время17релаксации τ распределения зарядов на образце на воздухе существенно меньше,чем в вакууме. Это позволяло проводить эксперименты за приемлемое время. Былообнаружено, что на распределение зарядов и его эволюцию на диэлектрическихобразцах влияют следующие факторы:1.

Метод подготовки образца. Объемная проводимость диэлектриков зависитот содержащихся примесей, от того, находятся ли электроны в глубокихэнергетических ловушках или относительно мелких; на нее может влиять наличиеэлектронов,инжектированныхвобразецизконтактаметалл-диэлектрик;температура образца и другие факторы. Поверхностная проводимость существеннозависит от состояния поверхности образца: дефекты поверхности могут создаватьглубокиеэнергетическиеловушки,находящиесянаповерхностивода,углеводороды и продукты химических реакций, оставшиеся после очистки образцасущественно меняют электрическую проводимость поверхности.

Многие из этихфакторов плохо поддаются контролю, а расчет их влияния затруднен. Приэкспериментах на воздухе, время релаксации заряда, нанесенного на образецплавленого кварца, зависело в первую очередь от воды, адсорбированной на егоповерхности, и составляло от минут до нескольких часов. На время релаксациинанесенного заряда в вакууме существенно влиял способ очистки образца. Вэкспериментах использовалась очистка ацетоном в ультразвуковой ванне споследующей промывкой образца метанолом, после чего образец прогревался притемпературе 300°С в течение 3-х часов.2. Элементы установки, находящиеся вблизи исследуемого образца, влияютна распределение на нем электрических зарядов из-за электрических силизображения.

Так, время релаксации пика распределения заряда, посаженногометодом контактной электризации, увеличивалось в десятки раз, когда вблизи негопостоянно находился какой-либо металлический элемент установки – например,электрометрический зонд. Кроме того, из-за сил изображения, распределенные пообразцу заряды притягивались к неподвижным заземленным элементам установки,создавая вблизи них пики распределения заряда. Вращение образца в режимесканирующего зонда существенно снижало влияние сил изображения.3.

Еще одним фактором, влияющим на распределение зарядов по образцу,являлись электрические поля внутри экранированного объема рабочей камеры,18возникающие из-за контактной разности потенциалов (КРП) между различнымиметаллическими поверхностями или сидящего на диэлектрических частяхустановки электрического заряда. Свободные заряды в диэлектрическом образцеперераспределялись таким образом, чтобы скомпенсировать электрическое полевнутри него. Для уменьшения влияния этих электрических полей использовалосьдлительное (несколько времен релаксации τ) вращение образца.Отметим, что существуют факторы, влияющие не на проводимость образца вцелом, а на какую-то его часть.