《精密扭秤實驗中扭擺表面的電荷管理研究》是依託華中科技大學，由楊山清擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：精密扭秤實驗中扭擺表面的電荷管理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊山清
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
靜電效應直接影響了採用石英絲扭秤在更高精度上開展引力實驗的精度。由於石英絲為絕緣體，導致在其懸掛的扭擺表面因高能宇宙射線的輻射等原因而積累一些自由電荷，由此產生靜電力的作用嚴重限制了扭秤的測量精度。因此如何對扭擺表面的殘餘電荷進行有效地管理是提高其靈敏度的關鍵問題所在。本課題擬採用一定頻率的紫外光照射在扭擺表面上，利用光電效應的原理來改變扭擺表面的電荷數量及其分布規律。通過調整扭擺與其附近極板間偏置電壓的大小和方向來改變光電流的大小和流向，實現紫外放電速率達到10^5e/s，放電後扭擺（導體）表面的殘餘電勢差小於0.1mV，達到國際一流水平，並以此來解決我們採用石英絲扭秤在10^(-14)的高精度上檢驗等效原理實驗中的電荷影響問題。另外，紫外放電技術也是空間引力實驗中電荷管理的關鍵技術之一，本課題的開展將為我國可能進行的空間引力實驗奠定基礎，同時填補我國在該領域研究的空白。
結題摘要
扭秤由於其極高的弱力測量靈敏度，被廣泛套用於各類精密引力實驗中。隨著對引力測量精度要求的逐步提高，傳統的鎢絲扭秤因熱噪聲的限制已不能滿足實驗要求。石英扭絲由於具有極高的品質因數，在相同條件下其熱噪聲比鎢絲低約一個量級，因而被越來越多的實驗所採用。由於石英絲為絕緣體，導致在其懸掛的扭擺表面因高能宇宙射線的輻射等原因而積累一些自由電荷，由此產生靜電力的作用嚴重限制了扭秤的測量精度。因此如何對扭擺表面的殘餘電荷進行有效的管理是提高其靈敏度的關鍵因素所在。 本項目成功研製出了一套基於石英絲扭秤的紫外放電系統，並藉此研究了紫外放電技術對石英絲扭秤的放電效果。實驗中，通過對扭秤表面進行紫外光照射，並同步測量扭秤的自由振動周期來推算出處於電絕緣狀態下扭秤表面的對地電勢差，並由此來獲得扭秤表面的殘餘電荷量。從扭秤表面的電荷變化可以判斷紫外放電技術對扭秤表面電荷的控制效果。根據實際參數計算表明對於波長小於248nm的紫外光，在材料金表面上放電速率可達10^7e/s。放電實驗發現，在維持高真空所用離子泵的影響下，扭秤表面在一小時內即會積累約10^(-11)C的負電荷，導致扭秤對地電勢高達-6.8V；開啟紫外放電後，其不斷地從扭秤表面激發出光電子，將扭秤與真空容器（接地）間的電勢差降低至約-0.2V，比紫外放電前降低了約34倍，產生了非常明顯的效果，有效地降低了扭秤表面的殘餘電荷數量。該項技術的成功使用，極大地降低了扭秤表面靜電噪聲的干擾，使石英絲扭秤用於精密引力實驗成為可能。另外，在實驗探測靈敏度內，紫外放電並不影響扭秤的本底噪聲，這些研究結果為實驗室下一步將紫外放電用於石英絲扭秤檢驗等效原理實驗中奠定了堅實基礎，並為將來紫外放電在我國空間引力實驗中的可能套用提供一些參考。另外，實驗也發現了一些問題，如電荷的快速精確測量，離子泵對扭秤充電干擾的克服等問題有待進一步研究。
