WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

На расстоянии 1 3 мм от кварцевого цилиндра был расположен планарный конденсатор с гребенчатыми электродами, который использовался как емкостной зонд для измерения электрического заряда пробной массы. Возбуждение колебаний маятника производилось за счет воздействия с резонансной частотой неоднородного электрического поля на диэлектрическую пробную массу. Для создания градиента электрического поля использовался тот же планарный конденсатор, на который подавалось постоянное напряжение U= = 300 В и переменное напряжение U~ = 100 В на частоте крутильной моды колебаний маятника f = 1,14 Гц. Планарный конденсатор являлся ближайшим к колеблющемуся маятнику объектом, с которым взаимодействовали находящиеся на теле маятника электрические заряды. Такая конструкция моделировала электростатический актюатор, который предполагается использовать для силового воздействия на пробные массы лазерного интерферометрического детектора гравитационных волн с целью настройки интерферометра.

В экспериментах использовалось различное расположение планарного конденсатора: он мог располагаться параллельно торцу цилиндра, как это изображено на Рис. 1, или под цилиндром параллельно его оси. Изменение величины электрического заряда, находящегося на пробной массе, осуществлялось Генератор переменного напряжения Источник постоянного напряжения Предусилитель Усилитель АЦП Компьютер Кварцевые нити Пластина с электродами Цилиндр Измеритель длительности импульсов Компьютер Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения величины электрического заряда, находящегося на макете пробной массы.

в вакууме посредством точечной контактной электризации поверхности кварцевого цилиндра заземленной нихромовой проволокой.

Сигналы с зонда и датчика, измеряющего амплитуду колебаний маятника, поступали на ЭВМ. Для сбора и обработки экспериментальных данных была разработана программа в рамках специализированной среды программирования LabView. Это позволило автоматически вычислять спектр сигнала и регистрировать электрическое напряжение на зонде, индуцированное различными модами колебаний маятника.

Расчет электрических шумов предусилителя дает оценку для минимальной различимой величины заряда qmin 310-16 Кл при полосе пропускания 1 Гц. Однако более существенным источником погрешностей являлась сейсмическая раскачка маятника, которая приводила к флуктуациям амплитуды колебаний.

Отметим ключевые особенности созданной экспериментальной установки:

1. Использование свободных колебаний высокодобротного маятника приводило к модуляции величины зазора между пробной массой и емкостным зондом на частоте крутильной моды маятника. Эта частота стабильна, и не требуется системы постоянного возбуждения колебаний, создающей дополнительные электрические помехи. Изменение амплитуды колебаний маятника составляло A/A 10% в месяц, что позволяло производить длительные измерения без дополнительной раскачки маятника.

2. Для уменьшения заряда пробной массы использовались в основном два метода. Электрический разряд при давлении 10-1 Торр, зажигаемый в камере, позволял уменьшить поверхностную плотность электрического заряда на пробной массе до уровня 10-13 10-12 Кл/см2. Нейтрализация электрических зарядов пробной массы ионами воздуха при атмосферном давлении, когда пробная масса более месяца висит без внешних воздействий, позволяла уменьшать поверхностную плотность заряда до 10-14 Кл/см2.

3. В экспериментах использовался бесконтактный метод раскачки маятника, что позволяло возбуждать его колебания, не меняя величины находящегося на нем заряда.

Для изучения влияния электрического заряда пробной массы на механические потери, заряд маятника по возможности уменьшался, и измерялась механическая добротность Q крутильной моды колебаний. Далее на маятник (в вакууме; при помощи манипулятора) наносился дополнительный заряд, и проводились измерения величины находящегося на пробной массе заряда и механической добротности маятника. Каждая серия измерений длилась около месяца, что позволяло обеспечить малую погрешность измерения добротности свободных колебаний маятника – менее 5% в каждой серии.

Величина поверхностной плотности электрического заряда на кварцевом цилиндре вблизи зонда изменялась приблизительно от 10-12 Кл/см2 до 10-10 Кл/см2.

Эксперименты показали, что в пределах ошибки измерений добротность оставалась на том же уровне Q 8107 и не зависела от величины нанесенного заряда (при обоих вариантах расположения пластины с электродами). Причем добротность маятника сохранялась все время после нанесения заряда, в том числе и во время его перераспределения по образцу. Можно утверждать, что дополнительное затухание Q-1 колебаний маятника, обусловленное взаимодействием находящегося на нем электрического заряда с макетом электростатического актюатора (кварцевая пластина с напыленными на нее золотыми электродами), не превышало 510-9. Расстояние от маятника до актюатора составляло не менее 1 мм. Расчет средне-квадратичного значения величины флуктуационной силы в полосе частот f = 100Гц дает F 0,510-7дин.

Эта величина существенно меньше, чем величина силы, которая может имитировать воздействие гравитационной волны в детекторе Advanced LIGO.

Следовательно, дополнительное затухание, вносимое электрическим зарядом пробной массы, не должно ухудшать чувствительность гравитационно-волнового детектора Advanced LIGO.

На этой установке были проведено 12 длительных (более месяца) серий по измерению электрического заряда пробной массы. Обычно наблюдалось относительно медленное изменение амплитуды индуцированного на зонде напряжения, характеризующего плотность электрического заряда на маятнике (Рис. 2). Это изменение не являлось монотонным, в течение суток заряд мог увеличиваться и уменьшаться, но в среднем пробная масса отрицательно заряжалось со скоростью около 10-14 Кл/см2 в месяц. Наблюдающееся в эксперименте изменение заряда пробной массы может быть объяснено 0.106 0.0.105 0.0.104 0.0.103 0.0.102 0.0.101 0.0 100 200 300 400 0 100 200 300 Time, hours Время, час Время, час Рис. 2. Зависимость амплитуды индуцированного на зонде напряжения от времени на длительных временных интервалах. а) Пробная масса заряжена положительно.

б) Пробная масса заряжена отрицательно.

прохождением высокоэнергетических частиц космических ливней сквозь рабочий объем вакуумной камеры [6].

В экспериментах наблюдались, хотя и крайне редко, относительно быстрые значительные изменения заряда пробной массы, которые могли происходить, если расстояние между актюатором и пробной массой составляло порядка 50 мкм. При зазоре 1 мм и более (как это планируется в детекторах LIGO), таких изменений заряда пробной массы не наблюдалось, поэтому влиянием этого эффекта в детекторах LIGO можно пренебречь.

Для исследования корреляций между значительными изменениями электрического заряда пробной массы и проходом через вакуумную камеру электронно-фотонных каскадов, вызванных космическими лучами, вокруг вакуумной камеры были размещены сцинтилляционные детекторы. Статистически значимой корреляции между изменениями электрического заряда q более 5·10-14 Кл и каскадами с большим суммарным сигналом на сцинтилляционных детекторах не обнаружено. Эксперимент показал, что необходимо улучшить чувствительность к вариациям электрического заряда на временах измерения менее 1 с и использовать схему детектирования электронно-фотонных каскадов, вызванных космическими лучами, позволяющую регистрировать прохождение каскада непосредственно через кварцевую пробную массу.

Voltage, V Напряжение на зонде, В Напряжение на зонде, В Диэлектрический образец Рис. 3. Схема экспериментальной установки для измерения распределения электрических зарядов.

Для дальнейшего исследования электрических зарядов на пробных массах было необходимо достигнуть более высокого разрешения по заряду и измерять распределение электрических зарядов по поверхности диэлектрического образца.

В Главе 3 описывается созданная экспериментальная установка – электрометр, предназначенный для бесконтактного измерения поверхностного распределения зарядов методом неподвижного емкостного зонда, находящегося под вращающимся диэлектрическим образцом (Рис. 3). Исследуемый образец (использовались плавленый кварц и сапфир) имел грибообразную форму и вращался вокруг собственной оси симметрии при помощи электродвигателя. На регулируемом расстоянии h = 0,20,5 мм под образцом находился зонд.

Чувствительная пластина зонда имела диаметр d' 2 мм и находилась в заземленном охранном кольце. Период вращения образца составлял T 0,5 c. Угол поворота образца измерялся при помощи теневого датчика.

Напряжение U(t) на чувствительной пластине зонда было непосредственно связано с изменением плотности электрического заряда () на образце над зондом вдоль полосы сканирования. Постоянная составляющая напряжения на выходе предусилителя могла быть обусловлена различными причинами – такими как контактная разность потенциалов, дрейфы усилителя, наличие зарядов на неподвижных частях установки, отличить которые от заряда на образце не представлялось возможным. Поэтому исследовалась только переменная составляющая выходного напряжения, модулированная частотой вращения образца. Она несла информацию о неравномерности распределения зарядов по поверхности образца, т.е. о вариациях плотности электрического заряда вдоль сканируемой полосы.

Полный заряд образца измерялся при отодвинутом зонде с помощью цилиндра Фарадея. Измерительная система была разработана так, чтобы измерения полного электрического заряда, находящегося на образце, могли чередоваться с измерениями вариаций распределения этого заряда.

Дополнительный заряд наносился на полосу сканирования на образце методом контактной электризации при помощи специального манипулятора. Все устройство находилось внутри металлического заземленного экрана.

Обработка сигнала с зонда и датчика координаты производилась на компьютере с использованием системы LabView. Схема обработки позволяла измерять распределение зарядов по образцу, усредненное за время. Рассмотрены источники погрешности измерения распределения заряда, такие как шумы дискретизации и квантования, а также неравномерность вращения образца.

Неравномерность вращения приводила к ошибке определения угла поворота образца, и, как следствие, ошибке в расчете напряжения в заданной точке образца, что ограничивало точность измерений.

Исследование зависимости коэффициента преобразования электрометра от величины зазора между зондом и образцом позволило выбрать оптимальный зазор h = 250 400 мкм и получить оценку величин емкостей Cp (емкость между областью образца, индуцирующей заряд, и зондом) и Cg (между той же областью образца и заземленным окружением).

Пиковое напряжение Um на зонде связано с величиной заряда q, индуцирующего напряжение: q = UmCm/K, где Cm 5 пФ – эквивалентная входная емкость предусилителя, K – коэффициент, зависящий от параметров зонда и входной цепи предусилителя, а также частоты вращения образца. Точность расчета величины K невелика из-за погрешностей при оценке величины емкостей Cg и Cp, необходимых при расчете. Поэтому, кроме проведения теоретических оценок, было необходимо провести калибровку электрометра. Для этого на полосу сканирования на образце наносился методом контактной электризации локальный электрический заряд. Измерения величины пикового напряжения на зонде, индуцированного этим зарядом, чередовались с измерением заряда при помощи цилиндра Фарадея. Такая калибровка была возможна благодаря тому, что время релаксации распределения зарядов было много больше, чем время измерений каждым из методов.

Измеренное значение коэффициента К составило 0,48 ± 0,09.

Расчет электрических шумов показывает близость экспериментальной и теоретической величин. Измеренное среднеквадратичное отклонение напряжения на зонде (при времени усреднения = 10 с) составило U, 3,4·10-6 В. При измерении плотности заряда на образце нас интересовала не столько величина плотности заряда в данной точке, сколько ее вариация, поэтому для оценки шумов использовалось среднеквадратичное отклонение x, вариаций напряжения x = U(t+)-U(t) (аналогично дисперсии 10-Аллана [9]). На Рис. 4 приведена Зонд экранирован, Зонд находится под вращающимся зависимость x, от времени усреднения образцом, в вакууме, измеренная на воздухе, когда зонд был экранирован от образца 10-металлическим экраном. Напряжение при этом определялось шумами электрометра, и эта кривая 10-10 100 характеризует предельную Интервал усреднения, сек.

чувствительность установки. Из Рис. 4. Зависимость x,, графика видно, что x,() ~ -1/2, что приведенного к напряжению на зонде, от времени усреднения.

совпадает с теоретической зависимостью. При времени Среднеквадратичное отклонение, мВ 0,0,0,10-0,0,10-0,0,0 0,1 0,2 0,3 0,Время, час 0,0,-0,0 Угол поворота образца, рад Рис. 5. Типичная зависимость индуцированного на зонде напряжения от угла поворота образца и ее изменение со временем.

На вставке – зависимость высоты пика от времени.

усреднения = 10 с среднеквадратичное отклонение вариации напряжения на зонде соответствовало изменению плотности заряда 5·10-16 Кл/см2.

Было проведено исследование различных факторов, влияющих на релаксацию распределения электрических зарядов на образце. Сначала электрический заряд по возможности снимался с образца. Потом на небольшую область образца при помощи контактной электризации (точечным касанием) локально наносился электрический заряд. Тем самым на образце формировалось гладкое распределение заряда с единственным пиком, соответствующим области нанесения заряда (Рис. 5). Зависимость высоты этого пика от времени (См. вставку на Рис. 5) несла информацию о перераспределении нанесенного заряда, и ее измерение позволяло оценить электрическое сопротивление кварца и изучать его зависимость от предварительной подготовки образца и условий эксперимента.

В Главе 4 приводятся результаты исследований пространственных и временных вариаций распределения электрического заряда на диэлектрических образцах и влияющих на них факторов. Часть измерений, относящаяся к изучению факторов, влияющих на эволюцию распределения электрических зарядов на диэлектрическом образце, проводилась на воздухе, так как характерное время Пиковое напряжение на зонде, В Напряжение на зонде, В релаксации распределения зарядов на образце на воздухе существенно меньше, чем в вакууме. Это позволяло проводить эксперименты за приемлемое время. Было обнаружено, что на распределение зарядов и его эволюцию на диэлектрических образцах влияют следующие факторы:

Pages:     | 1 || 3 |






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