WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

1. Метод подготовки образца. Объемная проводимость диэлектриков зависит от содержащихся примесей, от того, находятся ли электроны в глубоких энергетических ловушках или относительно мелких; на нее может влиять наличие электронов, инжектированных в образец из контакта металл-диэлектрик;

температура образца и другие факторы. Поверхностная проводимость существенно зависит от состояния поверхности образца: дефекты поверхности могут создавать глубокие энергетические ловушки, находящиеся на поверхности вода, углеводороды и продукты химических реакций, оставшиеся после очистки образца существенно меняют электрическую проводимость поверхности. Многие из этих факторов плохо поддаются контролю, а расчет их влияния затруднен. При экспериментах на воздухе, время релаксации заряда, нанесенного на образец плавленого кварца, зависело в первую очередь от воды, адсорбированной на его поверхности, и составляло от минут до нескольких часов. На время релаксации нанесенного заряда в вакууме существенно влиял способ очистки образца. В экспериментах использовалась очистка ацетоном в ультразвуковой ванне с последующей промывкой образца метанолом, после чего образец прогревался при температуре 300°С в течение 3-х часов.

2. Элементы установки, находящиеся вблизи исследуемого образца, влияют на распределение на нем электрических зарядов из-за электрических сил изображения. Так, время релаксации пика распределения заряда, посаженного методом контактной электризации, увеличивалось в десятки раз, когда вблизи него постоянно находился какой-либо металлический элемент установки – например, электрометрический зонд. Кроме того, из-за сил изображения, распределенные по образцу заряды притягивались к неподвижным заземленным элементам установки, создавая вблизи них пики распределения заряда. Вращение образца в режиме сканирующего зонда существенно снижало влияние сил изображения.

3. Еще одним фактором, влияющим на распределение зарядов по образцу, являлись электрические поля внутри экранированного объема рабочей камеры, возникающие из-за контактной разности потенциалов (КРП) между различными металлическими поверхностями или сидящего на диэлектрических частях установки электрического заряда. Свободные заряды в диэлектрическом образце перераспределялись таким образом, чтобы скомпенсировать электрическое поле внутри него. Для уменьшения влияния этих электрических полей использовалось длительное (несколько времен релаксации ) вращение образца.

Отметим, что существуют факторы, влияющие не на проводимость образца в целом, а на какую-то его часть. Так, локальное влияние могут иметь механические дефекты образца, следы от касаний или химических реакций. Из-за этого времена релаксации для зарядов, нанесенных на разные точки образца, могут отличаться.

Для исследования эволюции распределения зарядов на кварце в условиях вакуума образец чистился, прогревался при T 300 C, после чего помещался в вакуумную камеру, и она откачивалась. При наличии на образце локализованного заряда достаточно большой величины, наблюдалось его скачкообразное уменьшение при откачке либо впуске воздуха в вакуумную камеру, что может объясняться электрическим пробоем при низком давлении. Кроме того, наблюдались и более медленные изменения распределения зарядов.

Предположительно, они могли быть связаны с происходящей при откачке вакуумной камеры десорбцией заряженных молекул с поверхности образца.

Отметим, что медленные изменения распределения электрических зарядов происходили в течение длительного времени после откачки.

Было проведено несколько 8-часовых серий измерений вариаций распределения электрических зарядов на образце плавленого кварца в вакууме.

Перед этими экспериментами заряд по возможности снимался с образца, и никакого распределения не наносилось. Полученные данные (см. Рис. 4) позволяют утверждать, что стандартное отклонение вариаций напряжения на зонде x, определялось шумами усилителя. Соответствующая этим шумам спектральная S Гц плотность флуктуаций заряда составляла 1,5·10-15 Кл/см2, а вариаций заряда, превышающих эту величину, на временах = 10 1000 с не обнаружено.

Эксперименты по изучению релаксации электрических зарядов, нанесенных на образец методом контактной электризации в вакууме, проводились с несколькими образцами плавленого кварца и различными методами их очистки.

0,1 1 10 100 Время, час Рис. 7. Релаксация зарядов различной величины, нанесенных методом контактной электризации на образец плавленого кварца, находящийся в вакууме.

Перед нанесением заряда на образец проводилась продолжительная откачка камеры. Релаксационные кривые, полученные для зарядов обоих знаков, представлены на Рис. 7 (на оси ординат отложен модуль величины посаженного заряда). Оценка времени релаксации заряда, нанесенного на образец плавленого кварца, дает не менее 8000 часов для кварца марки «КВ» и более трех лет для кварца марки «Suprasil 312» (с предельно малым содержанием примесей). Исходя из этих времен релаксации, получаем оценку для удельного сопротивления кварца марки «КВ» > /o 1018 Ом·м, а для кварца марки «Suprasil 312» > 3·1018 Ом · м. Расчет флуктуационных сил, создаваемых из-за релаксации находящегося на пробной массе заряда (согласно модели, описанной в [10]), показывает, что релаксация электрических зарядов, находящихся на пробных массах из плавленого кварца, не будет ограничивать чувствительность детекторов LIGO.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана методика, позволяющая проводить долговременные измерения электрического заряда, находящегося на макете пробной массы (на теле высокодобротного маятника, изготовленного из плавленого кварца) в вакууме при давлении 3·10-8 Торр. Обнаружено, что в среднем пробная масса отрицательно -Заряд, Кл заряжается со скоростью около 10-14 Кл/см2 в месяц. Это может быть объяснено прохождением сквозь пробную массу электронно-фотонных каскадов, вызванных космическими лучами (Braginsky V.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 пробной массе, с окружением (ближайший элемент окружения – кварцевая пластина с напыленными на нее золотыми электродами). Величина дополнительных потерь не превышала Q -1 < 5·10-9 при увеличении заряда на пробной массе до q 5·10–9 Кл.

Этот результат означает, что для гравитационно-волновых детекторов LIGO тепловой шум, обусловленный избыточной диссипацией из-за наличия электрических зарядов на кварцевых пробных массах, может быть сделан меньше шума, связанного с потерями энергии в подвесе пробных масс. Для этого необходимо использовать окружение пробных масс, изготовленное из материалов с малыми электрическими потерями – кварц, золото.

3. Разработана методика измерений и создана экспериментальная установка, позволяющая производить бесконтактное измерение вариаций распределения электрических зарядов на диэлектрических образцах с разрешением:

пространственным ~ 4 мм, временным ~ 10 с. Достигнута чувствительность при измерениях вариаций плотности заряда 1,5·10-15 Кл/см2 Гц.

S 4. Выявлены основные факторы, влияющие на распределение зарядов по образцу плавленого кварца на воздухе и его эволюцию. К ним относятся: метод предварительной подготовки образца, количество воды, адсорбированной на поверхности, влияние металлических элементов окружения образца за счет действия сил изображения, и электрические поля (возникающие внутри экранированного объема из-за разной работы выхода у металлических элементов, окружающих образец). Установлено, что постоянно находящийся вблизи электрически заряженной области образца неподвижный зонд может в несколько раз увеличить время релаксации этого заряда. Режим сканирующего зонда позволяет существенно ослабить этот эффект.

5. Прямыми измерениями было установлено, что время релаксации электрических зарядов, локально нанесенных методом контактной электризации на образцы кварца и сапфира, находящиеся на воздухе, составляло от минут до десятков часов в зависимости от метода подготовки образца. После длительного выдерживания образца на воздухе время релаксации обычно составляло 0,5 3 часа как в случае кварцевого, так и сапфирового образцов. Предполагается, что релаксация обусловлена протонной проводимостью воды, адсорбированной на поверхности образца.

6. Время релаксации заряда, нанесенного в вакууме на образец плавленого кварца, составило 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. Расчет флуктуационных сил, создаваемых из-за релаксации находящегося на пробной массе заряда (R. Weiss [10]), показывает, что релаксация электрических зарядов, находящихся на пробных массах из плавленого кварца, не будет ограничивать чувствительность детекторов LIGO Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Mitrofanov V.P., Prokhorov L.G., Tokmakov K.V., Variation of electric charge on prototype 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 effects associated 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 электрических зарядов 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 электрических зарядов на диссипацию в механических осцилляторах из плавленого кварца // Материалы VI международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» – Воронеж, 2005, 74-76.

5. Прохоров Л.Г., Распределение электрических зарядов на пробных массах из плавленого кварца // Материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», секция «физика» – Москва, 2005, 20-21.

6. Прохоров Л.Г., Митрофанов В.П., Измерение вариаций распределения электрических зарядов на диэлектриках // Вестн. Моск. Унив., сер. 3, 2006, № 3, 75-77.

7. Митрофанов В.П., Прохоров Л.Г., Токмаков К.В., Влияние электрических зарядов на затухание колебаний высокодобротных маятников из плавленого кварца // Известия РАН, Физ., 2006, 70, №8, 1097-1099.

8. Prokhorov L.G., Khramchenkov P.E., Mitrofanov V.P., Measurement of relaxation of electrical 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 электрических зарядов на поверхности плавленого кварца // Материалы VII международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» – Воронеж, 2007, 3-7.

Цитируемая литература 1. Thorn K.S., Gravitational radiation // 300 years of gravitation. eds. S.W. Hawking and W. Israel – Cambridge univ. press, Cambridge, 1987, p. 330-458.

2. Abramovichi A., et al. (LIGO Scientific collaboration), LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory // Science, 1992, 256, p.325-333.

3. http://www.ligo.caltech.edu 4. Abbot B., et al. (LIGO Scientific collaboration), Search for gravitational waves from galactic 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 factor of 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 in gravitational 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 B gyroscopes // 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/.

Pages:     | 1 | 2 ||






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