WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Прохоров Леонид Георгиевич ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОБНЫХ МАССАХ.

Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена на кафедре физики колебаний Физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова

Научный консультант:

Доктор физико-математических наук, профессор Митрофанов Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, Черныш Владимир Савельевич Кандидат физико-математических наук Коростин Сергей Владимирович

Ведущая организация:

Институт Ядерных Исследований РАН (г. Москва)

Защита состоится “10” апреля 2008 г. в 16.00 час. на заседании диссертационного совета 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 МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “_”_2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.66 А.П. Ершов 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время одной из наиболее интересных и актуальных научных задач является регистрация гравитационного излучения. С точки зрения современной физики, наибольшей интенсивностью гравитационного излучения сопровождаются такие астрофизические процессы, как слияние нейтронных звезд, черных дыр, несимметричный взрыв сверхновых звезд [1]. Регистрация гравитационных волн от таких астрофизических событий даст не только возможность проверки теории гравитации, но и новый способ получения информации о Вселенной. Развитие гравитационно-волновых детекторов предполагает создание новой ветви науки – гравитационно-волновой астрономии.

Однако интенсивность гравитационного излучения крайне мала, и его регистрация является сложнейшей экспериментальной задачей. В настоящее время в разных странах реализуется несколько проектов создания гравитационноволновых детекторов – LIGO (США) [2, 3], VIRGO (Италия-Франция), GEO (Германия). Достигнутая на сегодняшний день чувствительность лазерных интерферометрических детекторов по вариации метрики пространства составляет h 310-23Гц–1/2 вблизи частоты наблюдения 120 Гц, что соответствует измерению смещения пробной массы x 10-18 м [4].

Для улучшения чувствительности гравитационно-волновых детекторов необходимо всестороннее исследование тонких эффектов, создающих флуктуационные силы порядка или более, чем 10-7 дины. Такие воздействия на диэлектрические пробные массы детектора может оказывать, в частности, флуктуационная электрическая сила. Находящийся на пробной массе электрический заряд может вносить дополнительную диссипацию [5] (а следовательно, и дополнительные шумы) из-за электрического взаимодействия пробной массы с окружением.

Кроме того, дополнительные флуктуации могут создаваться при изменении заряда пробной массы или его распределения, т.к. при этом изменяется электрическая сила взаимодействия пробной массы и окружения. Величина флуктуационной силы зависит от плотности электрического заряда на пробной массе, которая определяется начальными условиями. Заряд пробной массы может изменяться из-за ряда причин, например, адсорбции и десорбции заряженных молекул с поверхности пробной массы; из-за каскадных процессов, развивающихся при пролете высокоэнергетических частиц космических лучей [6].

Отметим, что вызванные электрическими зарядами флуктуационные силы могут ухудшать чувствительность не только в наземных гравитационно-волновых детекторах, но и в других высокоточных экспериментах. Так, их влияние нужно учитывать 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 исследований Целью работы являлось исследование эволюции распределения электрических зарядов, находящихся на диэлектрических пробных массах, и изучение механизмов диссипации, обусловленных взаимодействием этих зарядов с окружающими телами. Для выполнения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи:

1) Разработка методики исследований и измерение дополнительных потерь, вносимых в моды колебаний пробных масс, возникающих из-за наличия на пробных массах электрических зарядов и их взаимодействия с окружающими телами.

2) Разработка методики исследований и проведение долговременных измерений электрического заряда, находящегося на макете пробной массы. Исследование причин изменения электрического заряда пробной массы.

3) Создание экспериментальной установки, разработка методики исследований и изучение эволюции распределения зарядов на поверхности диэлектрических образцов.

Научная новизна В представленной работе впервые:

1. Проведены длительные (месяцы) измерения величины электрического заряда, находящегося на макете пробной массы гравитационно-волнового детектора, изготовленном из плавленого кварца и подвешенном на тонких кварцевых нитях внутри металлической вакуумной камеры. Обнаружено, что пробная масса отрицательно заряжается со средним темпом около 10-14 Кл/см2 в месяц.

2. Проведено исследование диссипации в маятниковой моде колебаний, обусловленной взаимодействием находящихся на пробной массе электрических зарядов с окружением, в частности, с электростатическим актюатором. При использовании актюатора из плавленого кварца с напыленными на него золотыми электродами, величина дополнительных потерь не превышала Q -1 < 5·10-9, при увеличении заряда на пробной массе до q 5·10-9 Кл.

3. Создана экспериментальная установка и методика исследований, позволяющая измерять распределение электрического заряда на массивных диэлектрических образцах, находящихся в вакууме, с чувствительностью к плотности электрического заряда 1,5·10-15 Кл см2 Гц.

4. Прямыми измерениями было установлено, что время релаксации заряда, нанесенного в вакууме на образец плавленого кварца, составляет более 3-х лет. Эта величина получена для локально нанесенных методом контактной электризации зарядов обоих знаков, при величине электрического заряда q = 10-13 10-11 Кл.

Положения, выносимые на защиту 1. Экспериментальная методика, позволяющая проведение долговременных измерений электрического заряда, находящегося на теле высокодобротного (Q 8·107) маятника, изготовленного из плавленого кварца (являвшегося макетом пробной массы гравитационно-волнового детектора).

2. Результаты экспериментальных исследований временной зависимости величины электрического заряда, находящегося на макете пробной массы гравитационно-волнового детектора.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния электрического заряда, находящегося на теле маятника, на его добротность.

4. Экспериментальная установка и методика исследований, позволяющая измерять распределение электрического заряда на диэлектрическом образце с чувствительностью к плотности электрического заряда 1,5·10-15 Кл см2 Гц.

5. Результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие влияние предварительной подготовки и внешних условий на электрическую проводимость диэлектрических образцов сапфира и плавленого кварца, находящихся на воздухе.

6. Результаты экспериментального исследования релаксации распределения электрических зарядов на образце плавленого кварца, находящемся в высоком вакууме.

Достоверность полученных результатов Результаты, приведенные в диссертации, получены на основе тщательных многократно повторенных измерений, проведенных на современном научном оборудовании с использованием компьютерных методов обработки экспериментальных данных. Экспериментальные данные сопоставлены с теоретическими расчетами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, и с результатами других групп исследователей.

Они многократно обсуждались на конференциях участников проекта создания детектора гравитационных волн LIGO. Это позволяет считать все полученные результаты полностью обоснованными и достоверными.

Научная и практическая значимость работы 1. Созданные экспериментальные установки и разработанные методики измерений позволяют измерять проводимость диэлектриков на уровне -1 10-18 (Ом·м)-1 и исследовать изменение заряда диэлектрических масс, обусловленное, например, действием космических лучей 2. Результаты долговременных изменений пространственных и временных вариаций электрического заряда, находящегося на макетах пробных масс интерферометрических детекторов гравитационных волн, дают возможность рассчитывать флуктуационные силы, вызванные электрическим взаимодействием пробных масс с окружающими телами, а также разрабатывать методы их уменьшения в работающих в настоящее время детекторах LIGO, VIRGO, GEO.

3. Полученные данные о дополнительной диссипации и флуктуационных силах, вызванных взаимодействием электрических зарядов, находящихся на диэлектрических пробных массах, с элементами окружения, и о влиянии на них различных факторов могут быть использованы при создании прецизионных и высокостабильных измерительных устройств и приборов с механическими чувствительными элементами.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ, а также на следующих научных конференциях:

- Международная конференция научной коллаборации LIGO, (США, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007).

- Международная конференция по проблемам электризации пробных масс в экспериментальной гравитации (США, 2007) - Международная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2005, 2007).

- XI международная конференция им. Марселла Гроссмана по Общей Теории Относительности (Германия, Берлин, 2006).

- Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2005) Публикации По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 статей в реферируемых журналах и 4 – тезисы докладов на конференциях. Список работ приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора Определение цели работы, постановки задач и выбор методов исследования осуществлены автором совместно с д.ф.-м.н., профессором В.П. Митрофановым.

Автором разработана и создана установка для измерения распределения электрических зарядов на диэлектрических образцах, проведены эксперименты (на воздухе и в вакууме) по изучению факторов, влияющих на распределения зарядов и его эволюцию.

Автором разработана и осуществлена автоматизированная система сбора и обработки больших массивов данных для проведения долговременных измерений величины электрического заряда, находящегося на макете пробной массы, и диссипации в маятниковой моде колебаний.

Автором выполнены теоретические расчеты коэффициентов преобразования емкостных зондов, проведен анализ шумов в элементах измерительных установок, получены их численные оценки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 148 страницах, содержит 46 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 102 наименования.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, приводятся основные сведения о структуре диссертации, а также 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 детекторов гравитационных волн, их чувствительность, а также предполагаемые источники гравитационного излучения. Рассматриваются шумы, ограничивающие чувствительность интерферометрических гравитационно-волновых детекторов.

Одним из возможных источников флуктуационных сил могут быть электрические заряды, находящиеся на диэлектрических пробных массах таких детекторов.

Возможные механизмы флуктуационного влияния электрических зарядов описываются в разделе 1.2. Причиной дополнительных флуктуационных сил может быть изменение величины находящегося на пробной массе электрического заряда или его перераспределение, которые приводят к изменению силы электрического взаимодействия пробной массы с элементами ее окружения. Кроме того, дополнительное затухание в моды колебаний может вноситься из-за электрического взаимодействия пробных масс с окружением. Для оценки величины флуктуационных сил, действующих на пробную массу гравитационной антенны, было необходимо провести исследования поведения электрических зарядов на пробных массах. После рассмотрения современных бесконтактных методов измерения электрических зарядов был выбран метод емкостного зонда, как обеспечивающий максимальную чувствительность на объемных образцах при минимальном влиянии зонда на распределение заряда.

Глава 2 посвящена исследованию электрических зарядов и их влияния на диссипацию в механических осцилляторах из плавленого кварца. Ключевым элементом экспериментальной установки (см. Рис. 1) являлся высокодобротный (Q 8107) крутильный маятник (макет пробной массы), представляющий собой цилиндр из кварцевого стекла (диаметр цилиндра 6,5 см, длина 7,5 см, масса 0,5 кг), подвешенный на двух кварцевых нитях (длиной 25 см и диаметром ~200 м). Система находилась в вакуумной камере, откачиваемой турбомолекулярным насосом до остаточного давления ниже 3·10-8 Торр. Угловая амплитуда крутильных колебаний цилиндра измерялась оптическим датчиком, что позволяло минимизировать воздействие на маятник со стороны системы регистрации.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»