扭秤周期法测G实验中的系统误差研究

摘要

从1798年Cavendish的扭秤实验给出万有引力常数G的第一个值以来,过去两百多年里国际上测量出了三百多个G值,但精度仅提高不到两个数量级。国际科技数据委员会给出G的最新推荐值CODATA2010为6.67384(80)×1011m3kg1s2,相对不确定度为120ppm。在CODATA2010推荐值收录的11个G值中声称精度小于50ppm的有6个,而它们之中最大值和最小值的差别达到了487ppm。测G的这种现状反应了对这个基本物理学常数进行精确测量的困难,以及在各种不同的测G方法中可能存在着不同的系统误差。
　　在我们实验室2009年测G实验(HUST-09)的基础上,通过一系列的改进措施,我们开展了新一轮基于高Q值石英丝的周期法测G实验。主要改进措施有:1、采用Q值约为5.00×104的石英丝取代钨丝来降低滞弹性效应和提高扭秤周期的稳定性。在HUST-09实验中,Q值约为1.7×103的涂钍钨丝贡献的滞弹性效应为-211.80(18.69)ppm。采用石英扭丝之后滞弹性效应降低至-6.37(0.50)ppm,这说明滞弹性不再是周期法测G中的主要系统误差来源;2、为了解决由于石英丝不导电带来的静电问题,我们在石英丝表面依次镀了厚度为8nm的锗和8nm的铋膜。目前三天扭秤数据的周期稳定性约为0.05ms,这比HUST-09实验中的周期稳定性提高了约4倍;3、对测G实验环境的背景引力场采用偶极对称扭秤进行了测量并用约800kg铅块进行了补偿。补偿之后,背景引力场对扭秤周期的影响降低了约5倍,同时扭秤的平衡位置处在背景场最平坦的地方,这使得背景场对扭秤周期的影响极大地降低。在72天的近、远程数据中,背景场贡献的效应只有0.38ppm;4、在扭丝周围安装了导热性良好的紫铜管用于均热,实验中铜管上、下端的温度差异小于0.02C,由它引起的热弹性效应贡献给G值的不确定度小于5ppm;5、优化磁阻尼单元。在保持磁阻尼单元对单摆运动模式的抑制能力前提下,将悬挂磁阻尼的钨丝直径和长度进行相应的优化之后,整个磁阻尼贡献给G值的效应从17.54(0.31)ppm减小至0.13(0.01)ppm;6、为了减小扭秤表面镀层对测G的贡献,镀层的材料选用密度更小的铝取代HUST-09中的铜和金之后,整个镀层贡献的效应从-24.28(4.33)ppm降低至-1.81(0.91)ppm。
　　目前我们已经完成了初步的测G实验,给出的G值相对不确定度为16.95ppm。其中两项主要的误差来源于Cg/I和ω2的测量精度,它们分别为9.56ppm和13.22ppm。为了使测量结果更加可靠,我们将进行重复的测G工作,因此目前暂不公布G值的测量结果。
　　本课题得到973计划课题“基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究”的子课题:万有引力常数G的精确测量(2010CB832801)的资助。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

插图索引

表格索引

1 绪论

1.1 万有引力定律

1.2 测G的课题背景

1.3 选题背景和主要研究内容

2 实验原理与设计

2.1 实验原理

2.2 实验设计与误差表

3 实验装置与单元准备

3.1 实验装置

3.2 石英丝制作和特性测试

3.3 二级摆扭秤系统制作及其测量

3.4 吸引质量球及其测量

3.5 扭秤与吸引质量的相对位置调节与测量

3.6 计算?Cg/I

3.7 信号及背景参数采集系统

4 系统效应研究

4.1 热噪声限制

4.2 石英丝热弹性测量

4.3 石英丝滞弹性分析

4.4 背景引力场测量及其补偿

4.5 系统非线性效应研究

4.6 背景电磁场测量

5 数据积累与实验结果

5.1 数据采集流程

5.2 周期处理方法和流程

5.3 ?ω2处理结果及“A?B?A”方法

5.4 实验结果

5.5 总结及展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 石英丝与套管连接流程

附录3 石英丝镀膜流程