Измерение малых вариаций электрического заряда на диэлектрических пробных массах (1102999), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Так, локальное влияние могут иметь механическиедефекты образца, следы от касаний или химических реакций. Из-за этого временарелаксации для зарядов, нанесенных на разные точки образца, могут отличаться.Для исследования эволюции распределения зарядов на кварце в условияхвакуума образец чистился, прогревался при T ≈ 300 C, после чего помещался ввакуумную камеру, и она откачивалась. При наличии на образце локализованногозарядадостаточнобольшойвеличины,наблюдалосьегоскачкообразноеуменьшение при откачке либо впуске воздуха в вакуумную камеру, что можетобъяснятьсяэлектрическимнаблюдалисьиболеепробоемпри низкоммедленныеизменениядавлении.
Кромераспределениятого,зарядов.Предположительно, они могли быть связаны с происходящей при откачкевакуумной камеры десорбцией заряженных молекул с поверхности образца.Отметим, что медленные изменения распределения электрических зарядовпроисходили в течение длительного времени после откачки.Былопроведенонесколько8-часовыхсерийизмеренийвариацийраспределения электрических зарядов на образце плавленого кварца в вакууме.Перед этими экспериментами заряд по возможности снимался с образца, иникакого распределения не наносилось. Полученные данные (см.
Рис. 4) позволяютутверждать, что стандартное отклонение вариаций напряжения на зонде σx,θопределялось шумами усилителя. Соответствующая этим шумам спектральнаяплотность флуктуаций заряда составлялаS Δσ ≈ 1,5·10-15 Кл/см2 Гц , а вариацийзаряда, превышающих эту величину, на временах θ = 10 ÷1000 с не обнаружено.Эксперименты по изучению релаксации электрических зарядов, нанесенныхна образец методом контактной электризации в вакууме, проводились снесколькими образцами плавленого кварца и различными методами их очистки.191000-14Заряд, 10 Кл1001010,11101001000Время, часРис.
7. Релаксация зарядов различной величины, нанесенных методомконтактной электризации на образец плавленого кварца, находящийся в вакууме.Перед нанесением заряда на образец проводилась продолжительная откачкакамеры. Релаксационные кривые, полученные для зарядов обоих знаков,представлены на Рис.
7 (на оси ординат отложен модуль величины посаженногозаряда). Оценка времени релаксации τ заряда, нанесенного на образец плавленогокварца, дает не менее 8000 часов для кварца марки «КВ» и более трех лет длякварца марки «Suprasil 312» (с предельно малым содержанием примесей).
Исходяиз этих времен релаксации, получаем оценку для удельного сопротивления кварцамарки«КВ»ρ > τ/εεo ≈ 1018 Ом·м,адлякварцамарки«Suprasil312»ρ > 3·1018 Ом · м. Расчет флуктуационных сил, создаваемых из-за релаксациинаходящегося на пробной массе заряда (согласно модели, описанной в [10]),показывает, что релаксация электрических зарядов, находящихся на пробныхмассах из плавленого кварца, не будет ограничивать чувствительность детекторовLIGO.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. Разработана методика, позволяющая проводить долговременные измеренияэлектрического заряда, находящегося на макете пробной массы (на телевысокодобротного маятника, изготовленного из плавленого кварца) в вакууме придавлении ≤3·10-8 Торр.
Обнаружено, что в среднем пробная масса отрицательно20заряжается со скоростью около Δσ ≈ 10-14 Кл/см2 в месяц. Это может бытьобъяснено прохождением сквозь пробную массу электронно-фотонных каскадов,вызванныхкосмическимилучами(BraginskyV.B.,Ryazhskaya O.G.,Vyatchanin S.P., Phys. Lett. A, 2006, 350, 1).2. Проведено исследование диссипации в маятниковой моде колебаний,обусловленной взаимодействием электрических зарядов, находящихся на пробноймассе, с окружением (ближайший элемент окружения – кварцевая пластина снапыленными на нее золотыми электродами). Величина дополнительных потерь непревышала δQ -1 < 5·10-9 при увеличении заряда на пробной массе до q ≈ 5·10–9 Кл.Этот результат означает, что для гравитационно-волновых детекторов LIGOтепловойшум,обусловленныйизбыточнойдиссипациейиз-заналичияэлектрических зарядов на кварцевых пробных массах, может быть сделан меньшешума, связанного с потерями энергии в подвесе пробных масс.
Для этогонеобходимо использовать окружение пробных масс, изготовленное из материалов смалыми электрическими потерями – кварц, золото.3. Разработана методика измерений и создана экспериментальная установка,позволяющая производить бесконтактное измерение вариаций распределенияэлектрическихзарядовнадиэлектрическихобразцахсразрешением:пространственным ~ 4 мм, временным ~ 10 с.
Достигнута чувствительность приS Δσ ≈ 1,5·10-15 Кл/см2 Гц .4. Выявлены основные факторы, влияющие на распределение зарядов поизмерениях вариаций плотности зарядаобразцу плавленого кварца на воздухе и его эволюцию. К ним относятся: методпредварительной подготовки образца, количество воды, адсорбированной наповерхности, влияние металлических элементов окружения образца за счетдействиясил изображения, и электрические поля (возникающие внутриэкранированного объема из-за разной работы выхода у металлических элементов,окружающихобразец).Установлено,чтопостояннонаходящийсявблизиэлектрически заряженной области образца неподвижный зонд может в несколькораз увеличить время релаксации этого заряда.
Режим сканирующего зондапозволяет существенно ослабить этот эффект.5. Прямымиизмерениямибылоустановлено,чтовремярелаксацииэлектрических зарядов, локально нанесенных методом контактной электризации наобразцы кварца и сапфира, находящиеся на воздухе, составляло от минут до21десятков часов в зависимости от метода подготовки образца. После длительноговыдерживания образца на воздухе время релаксации обычно составляло0,5 ÷ 3 часа как в случае кварцевого, так и сапфирового образцов. Предполагается,что релаксация обусловлена протонной проводимостью воды, адсорбированной наповерхности образца.6. Время релаксации заряда, нанесенного в вакууме на образец плавленогокварца, составило более 3-х лет. Эта величина получена для локально нанесенныхметодомконтактнойэлектрическогосоздаваемыхэлектризациизарядаиз-зазарядовq ≈ 10-13 ÷ 10-11 Кл.релаксацииобоихРасчетнаходящегосяназнаков,привеличинефлуктуационныхпробноймассесил,заряда(R.
Weiss [10]), показывает, что релаксация электрических зарядов, находящихся напробных массах из плавленого кварца, не будет ограничивать чувствительностьдетекторов LIGOОсновные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:1. Mitrofanov V.P., Prokhorov L.G., Tokmakov K.V., Variation of electric charge onprototype of fused silica test mass of gravitational antenna // Phys. Lett. A, 2002, 300,370-374.2. Mitrofanov V., Prokhorov L., Tokmakov K., and Willems P., Investigations of effectsassociated with variation of electric charge on a fused silica test mass // Class.Quantum Grav., 2004, 21, S1083-1089.3. Митрофанов В.П., Прохоров Л.Г., Исследование распределения электрическихзарядов на диэлектриках // Материалы VI международной конференции«Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов»– Воронеж, 2005, 69-71.4.
Митрофанов В.П., Прохоров Л.Г., Токмаков К.В., Влияние электрическихзарядов на диссипацию в механических осцилляторах из плавленого кварца //Материалы VI международной конференции «Действие электромагнитныхполей на пластичность и прочность материалов» – Воронеж, 2005, 74-76.5. Прохоров Л.Г., Распределение электрических зарядов на пробных массах изплавленого кварца // Материалы международной конференции студентов,аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», секция «физика» – Москва,2005, 20-21.226.
Прохоров Л.Г., Митрофанов В.П., Измерение вариаций распределенияэлектрических зарядов на диэлектриках // Вестн. Моск. Унив., сер. 3, 2006, № 3,75-77.7. Митрофанов В.П., Прохоров Л.Г., Токмаков К.В., Влияние электрическихзарядов на затухание колебаний высокодобротных маятников из плавленогокварца // Известия РАН, Физ., 2006, 70, №8, 1097-1099.8. Prokhorov L.G., Khramchenkov P.E., Mitrofanov V.P., Measurement of relaxation ofelectrical charge distribution on fused silica sample // Phys. Lett.
A, 2007, 366,Iss.1-2, 145-149.9. Митрофанов В.П., Прохоров Л.Г., Эволюция распределения электрическихзарядов на поверхности плавленого кварца // Материалы VII международнойконференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочностьматериалов» – Воронеж, 2007, 3-7.Цитируемая литература1.
Thorn K.S., Gravitational radiation // 300 years of gravitation. eds. S.W. Hawking andW. Israel – Cambridge univ. press, Cambridge, 1987, p. 330-458.2. Abramovichi A., et al. (LIGO Scientific collaboration), LIGO: The laserinterferometer gravitational-wave observatory // Science, 1992, 256, p.325-333.3. http://www.ligo.caltech.edu4. Abbot B., et al. (LIGO Scientific collaboration), Search for gravitational waves fromgalactic and extra-galactic binary neutron stars. // Phys. Rev. D, 2005, 72, 082001.5. Rowan S. et al., Investigations into the effects of electrostatic charge on the Q factorof a prototype fused silica suspension for use in gravitational wave detectors.
// Class.Quantum. Grav., 1997, 14, p. 1537-1541.6. Braginsky V.B., Ryazhskaya O.G., Vyatchanin S.P., Notes about noise ingravitational wave antennas created by cosmic rays // Phys. lett. A, 2006, 350, p. 1-4.7. Sumner T., et al., Description of charging/discharging processes of the LISA sensors// Class. Quantum Grav., 2004, 21, № 5, S597-S602.8. Buchman S., et al., Charge measurement and control for the Gravity Probe Bgyroscopes // Rev. Sci. Instr., 1995, 66, p. 120.9.
Allan D.W., Statistics of Atomic Frequency Standard // Proc. IEEE, 1996, 54, №2,p. 221-231.10. R. Weiss. LIGO document T960137-00-E. 1996. http://admdbsrv.ligo.caltech.edu/dcc/ .23.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
