Измерение малых вариаций электрического заряда на диэлектрических пробных массах (1102999), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Марселла Гроссмана по Общей ТеорииОтносительности (Германия, Берлин, 2006).− Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых«Ломоносов» (Москва, 2005)ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 статей в реферируемыхжурналах и 4 – тезисы докладов на конференциях. Список работ приводится вконце автореферата.Личный вклад автораОпределение цели работы, постановки задач и выбор методов исследованияосуществлены автором совместно с д.ф.-м.н., профессором В.П. Митрофановым.Автором разработана и создана установка для измерения распределенияэлектрических зарядов на диэлектрических образцах, проведены эксперименты (навоздухе и в вакууме) по изучению факторов, влияющих на распределения зарядов иего эволюцию.7Автором разработана и осуществлена автоматизированная система сбора иобработки больших массивов данных для проведения долговременных измеренийвеличины электрического заряда, находящегося на макете пробной массы, идиссипации в маятниковой моде колебаний.Автором выполнены теоретические расчеты коэффициентов преобразованияемкостных зондов, проведен анализ шумов в элементах измерительных установок,получены их численные оценки.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения,изложена на 148 страницах, содержит 46 рисунков и 2 таблицы.
Список литературывключает 102 наименования.Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель изадачи исследования, приводятся основные сведения о структуре диссертации, атакже представлены основные положения, выносимые на защиту.В первой главе сделан литературный обзор по теме диссертационной работы.В разделе 1.1 описаны принцип действия и устройство современных детекторовгравитационных волн, их чувствительность, а также предполагаемые источникигравитационногоизлучения.Рассматриваютсяшумы,ограничивающиечувствительность интерферометрических гравитационно-волновых детекторов.Одним из возможных источников флуктуационных сил могут быть электрическиезаряды, находящиеся на диэлектрических пробных массах таких детекторов.Возможныемеханизмыфлуктуационноговлиянияэлектрическихзарядовописываются в разделе 1.2.
Причиной дополнительных флуктуационных сил можетбыть изменение величины находящегося на пробной массе электрического зарядаили его перераспределение, которые приводят к изменению силы электрическоговзаимодействия пробной массы с элементами ее окружения. Кроме того,дополнительноезатуханиевмодыколебанийможетвноситьсяиз-заэлектрического взаимодействия пробных масс с окружением. Для оценки величиныфлуктуационных сил, действующих на пробную массу гравитационной антенны,было необходимо провести исследования поведения электрических зарядов напробных массах. После рассмотрения современных бесконтактных методов8измерения электрических зарядов был выбран метод емкостного зонда, какобеспечивающий максимальную чувствительность на объемных образцах приминимальном влиянии зонда на распределение заряда.Глава 2 посвящена исследованию электрических зарядов и их влияния надиссипацию в механических осцилляторах из плавленого кварца.
Ключевымэлементом экспериментальной установки (см. Рис. 1) являлся высокодобротный(Q ≈ 8×107) крутильный маятник (макет пробной массы), представляющий собойцилиндризмасса 0,5 кг),кварцевогостеклаподвешенныйна(диаметрдвухцилиндракварцевых6,5 см,нитяхдлина 7,5 см,(длиной 25 смидиаметром ~200 μм). Система находилась в вакуумной камере, откачиваемойтурбомолекулярным насосом до остаточного давления ниже 3·10-8 Торр.
Угловаяамплитуда крутильных колебаний цилиндра измерялась оптическим датчиком, чтопозволяло минимизировать воздействие на маятник со стороны системырегистрации.На расстоянии 1 ÷ 3 мм от кварцевого цилиндра был расположен планарныйконденсатор с гребенчатыми электродами, который использовался как емкостнойзонд для измерения электрического заряда пробной массы.
Возбуждение колебаниймаятникапроизводилосьзасчетвоздействиясрезонанснойчастотойнеоднородного электрического поля на диэлектрическую пробную массу. Длясоздания градиента электрического поля использовался тот же планарныйконденсатор, на который подавалось постоянное напряжение U= = 300 В ипеременное напряжение U~ = 100 В на частоте крутильной моды колебаниймаятникаf = 1,14 Гц.Планарныйконденсаторявлялсяближайшимкколеблющемуся маятнику объектом, с которым взаимодействовали находящиесяна теле маятника электрические заряды.
Такая конструкция моделировалаэлектростатический актюатор, который предполагается использовать для силовоговоздействия на пробные массы лазерного интерферометрического детекторагравитационных волн с целью настройки интерферометра.В экспериментах использовалось различное расположение планарногоконденсатора: он мог располагаться параллельно торцу цилиндра, как этоизображено на Рис.
1, или под цилиндром параллельно его оси. Изменениевеличины электрического заряда, находящегося на пробной массе, осуществлялось9Генератор переменного напряженияИсточник постоянного напряженияПредусилительУсилительАЦПКомпьютерКварцевыенитиПластина с электродамиЦилиндрИзмерительдлительностиимпульсовКомпьютерРис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения величиныэлектрического заряда, находящегося на макете пробной массы.10в вакууме посредством точечной контактной электризации поверхности кварцевогоцилиндра заземленной нихромовой проволокой.Сигналы с зонда и датчика, измеряющего амплитуду колебаний маятника,поступали на ЭВМ.
Для сбора и обработки экспериментальных данных быларазработана программа в рамках специализированной среды программированияLabView.Этопозволилоавтоматическивычислятьспектрсигналаирегистрировать электрическое напряжение на зонде, индуцированное различнымимодами колебаний маятника.Расчет электрических шумов предусилителя дает оценку для минимальнойразличимой величины заряда qmin ≈ 3⋅10-16 Кл при полосе пропускания 1 Гц. Однакоболее существенным источником погрешностей являлась сейсмическая раскачкамаятника, которая приводила к флуктуациям амплитуды колебаний.Отметим ключевые особенности созданной экспериментальной установки:1.Использованиесвободныхколебанийвысокодобротногомаятникаприводило к модуляции величины зазора между пробной массой и емкостнымзондом на частоте крутильной моды маятника. Эта частота стабильна, и нетребуетсясистемыдополнительныепостоянногоэлектрическиевозбужденияпомехи.Изменениеколебаний,амплитудысоздающейколебаниймаятника составляло δA/A ≈ 10% в месяц, что позволяло производить длительныеизмерения без дополнительной раскачки маятника.2.
Для уменьшения заряда пробной массы использовались в основном дваметода. Электрический разряд при давлении 10-1 Торр, зажигаемый в камере,позволял уменьшить поверхностную плотность электрического заряда на пробноймассе до уровня 10-13 ÷ 10-12 Кл/см2. Нейтрализация электрических зарядов пробноймассы ионами воздуха при атмосферном давлении, когда пробная масса болеемесяца висит без внешних воздействий, позволяла уменьшать поверхностнуюплотность заряда до σ ≈ 10-14 Кл/см2.3. В экспериментах использовался бесконтактный метод раскачки маятника,что позволяло возбуждать его колебания, не меняя величины находящегося на немзаряда.Для изучения влияния электрического заряда пробной массы на механическиепотери, заряд маятника по возможности уменьшался, и измерялась механическая11добротность Q крутильной моды колебаний.
Далее на маятник (в вакууме; припомощиманипулятора)наносилсядополнительныйзаряд, и проводилисьизмерения величины находящегося на пробной массе заряда и механическойдобротности маятника. Каждая серия измерений длилась около месяца, чтопозволяло обеспечить малую погрешность измерения добротности свободныхколебаний маятника – менее 5% в каждой серии.Величина поверхностной плотности электрического заряда на кварцевомцилиндре вблизи зонда изменялась приблизительно от 10-12 Кл/см2 до 10-10 Кл/см2.Эксперименты показали, что в пределах ошибки измерений добротностьоставалась на том же уровне Q ≈ 8×107 и не зависела от величины нанесенногозаряда (при обоих вариантах расположения пластины с электродами). Причемдобротность маятника сохранялась все время после нанесения заряда, в том числе ивовремяегодополнительноеперераспределениязатуханиеQ-1пообразцу.колебанийМожноутверждать,маятника,чтообусловленноевзаимодействием находящегося на нем электрического заряда с макетомэлектростатического актюатора (кварцевая пластина с напыленными на неезолотыми электродами), не превышало 5×10-9.
Расстояние от маятника доактюатора составляло не менее 1 мм. Расчет средне-квадратичного значениявеличины флуктуационной силы в полосе частот Δf = 100Гц дает σF ≈ 0,5⋅10-7дин.Эта величина существенно меньше, чем величина силы, которая можетимитировать воздействие гравитационной волны в детекторе Advanced LIGO.Следовательно, дополнительное затухание, вносимое электрическим зарядомпробной массы, не должно ухудшать чувствительность гравитационно-волновогодетектора Advanced LIGO.На этой установке были проведено 12 длительных (более месяца) серий поизмерениюэлектрическогозарядапробноймассы.Обычнонаблюдалосьотносительно медленное изменение амплитуды индуцированного на зонденапряжения, характеризующего плотность электрического заряда на маятнике(Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
