基于静电控制扭摆方案的导体表面电势测量研究

摘要

导体表面电势随时间和空间的变化通常被称Patch效应，该效应会导致各个导体间的静电力和静电力梯度发生变化，是地面和空间高精度引力实验中的重要误差来源。在斯坦福大学的引力探针GP-B计划中，实验的精度主要受限于陀螺仪中镀铌的熔凝石英球表面非均匀分布的电荷。在引力波探测的LISA计划中，检验质量与电极框架间随时间变化的电势差也是影响实验精度的主要噪声之一。另外，地面近距离验证牛顿反平方定律的实验中主要的扰动影响来源于相互靠近的检验质量与源质量之间的静电相互作用，这就使得实验中很难通过减小检验质量与源质量之间的间距来提高实验的灵敏度。虽然如今越来越多的人关注Patch效应，但是对该效应的研究和认识并不充分，相关的理论和检测手段并不完善。因此，为了深入研究Patch效应的物理机理并找到有效抑制该效应的方法，我们亟需要发展一种高精度的测量导体表面电势随时间和空间变化的技术。
　　目前人们主要利用Kelvin探针和扭秤的方法来测量导体表面电势的变化。Kelvin探针具备测量导体表面电势分布的能力，但电势测量精度较低，通常为毫伏量级。扭秤方案具备更高的电势测量分辨率，但现有的扭秤方案只能测量导体表面电势的平均效应。因此我们提出了一种带扫描探针的静电控制扭摆方案来测量导体表面电势的变化及其空间分布。该方案兼顾了Kelvin探针扫描测量和扭秤方案高测量精度的优点。本文中详述了与静电扭摆测量方案相关理论的分析、实验装置的搭建以及在静态模式和动态模式下测量表面电势的过程。静态测量结果显示在0.03Hz频率附近，检验质量表面电势的测量分辨率可达到15μV/Hz1/2，比国际最好水平提升约2倍。扭摆装置扫描测量模式测量了导体表面电势的分布，在0.125mm的空间尺度上电势测量的精度可达0.33mV。针对相同的空间尺度，静电扭摆方案的测量精度比斯坦福大学的Kelvin探针方案提升了约6倍。另外，为了方便日后对Patch效应机理的研究，我们也提出一些改进方案以提高测量的效率和应用范围。

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1. 引言

1.1 课题背景

1.2 导体表面电势研究的现状

1.3 研究的动机和目的

1.4 论文主要研究内容

2. 导体表面电势测量方案设计

2.1导体表面电势测量的实验原理以及系统描述

2.2 实验方案建模

2.3 实验可行性分析

2.4 实验部件加工以及安装需求分析

2.5 本章小结

3. 实验装置的搭建和检测

3.1 扭摆系统的搭建

3.2 电路单元测试

3.3 静电扭摆与传感电路联合调试

3.4 温度效应的影响

3.5 本章小结

4. 导体表面电势测量

4.1 导体表面电势测量理论模型

4.2 静态测量

4.3 扫描测量检验质量表面电势分布

4.4 本章小结

5. 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 博士期间发表的论文