精密扭秤实验中的电荷管理研究

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自卡文迪许发明扭秤以来,扭秤由于其极高的弱力测量灵敏度,被广泛应用于各类精密引力实验。随着对引力测量精度要求的逐步提高,传统的钨丝扭秤因为热噪声的限制而不能满足更高精度的实验要求。石英扭丝由于具有极高的品质因数,在相同条件下其热噪声比钨丝低约一个量级,因而被越来越多的实验所采用。然而石英材料不导电,使得由其悬挂的扭秤在高真空环境下成为孤立导体,扭秤表面不断累积的电荷将给实验带来较大的静电干扰。若想利用石英丝扭秤的高灵敏度开展相关引力实验研究,必须对扭秤表面的残余电荷加以控制。本文主要论述了石英丝扭秤实验中的电荷管理研究。首先,本文调研了国内外电荷管理研究近况,阐述了各种实验方案的优缺点,并着重介绍了基于紫外放电技术的电荷管理研究。紫外放电利用光电效应激发出的光电子可以将检验质量表面电荷降至较低水平,具有非常广阔的应用前景,本实验即是采用紫外放电技术作为石英丝扭秤实验中的电荷管理方案。其次,我们搭建了一套实验装置研究石英丝扭秤表面电荷的积累以及紫外放电对扭秤表面电荷的控制效果。实验发现在离子泵的影响下,扭秤表面在一小时内即会积累约10-11C的负电荷,导致扭秤对地电势约为-6.8V;开启紫外放电后,通过调节紫外光功率可以将扭秤对地电势降低至约-0.2V,有效地降低了实验中的静电干扰。本实验为下一步开展的电荷管理实验奠定了基础。
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