ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. 4
Глава 1. Электрические заряды на пробных массах интерферометрических
гравитационно-волновых детекторов (литературный обзор). 10
1.1. Гравитационно-волновые детекторы. 10
1.2. Флуктуационное влияние электрических зарядов, находящихся на
• » I
пробных массах интерфсрометрических детекторов гравитационного излучения. 20
1.3. Методы измерения электрических зарядов, находящихся в диэлектриках и на их поверхности. 25
Глава 2. Электрические заряды на высоко добротных механических осцилляторах из плавленого кварца и вносимая ими диссипация. 35
2.1. Установка для изучения электрических зарядов на макете пробной массы гравитационно-волнового детектора. 36
2.1.1. Описание установки. 36
2.1.2. Анализ чувствительности датчика электрического заряда. 44
2.1.3. Особенности экспериментальной установки. 48
2.2. Влияние электрического заряда, находящегося на кварцевом маятнике,
на его добротность. 52
2.3. Результаты длительных измерений заряда на макете пробной массы и их обсуждение. 55
2.4. Исследование корреляции между изменениями заряда, находящегося на макете пробной массы, и каскадами частиц. 61
2.5. Выводы Главы 2. 65
Глава 3. Измерение пространственных вариаций плотности заряда на диэлектрических образцах. 69
3.1. Описание экспериментальной установки для измерения
пространственных вариаций плотности электрического заряда. 69
3.2. Метод обработки экспериментальных данных. 74
3.3. Исследование зависимости коэффициента преобразования электрометра от величины зазора между зондом и образцом. 78
3.4.0ценка величины электрического заряда, равномерно распределенного по образцу. 82
3.5. Коэффициент преобразования электрометра с вращающимся диэлектрическим образцом. 84
3.6. Спектральная плотность шумов усилителя. 92
3.7. Методика исследований. 99
3.8. Выводы Главы 3. 103
Глава 4. Пространственные и временные вариации электрического заряда на диэлектрических образцах и влияющие на них Факторы. 104
4.1. Электрическая проводимость диэлектриков. 104
4.2. Факторы, влияющие на эволюцию распределения зарядов по диэлектрическому образцу. 107
4.2.1. Метод подготовки образца. 107
4.2.2. Силы изображения. 111
4.2.3. Электрические поля внутри рабочей камеры. 115
4.2.4. Локальные особенности образца. 121
4.3. Длительные измерения релаксации распределения электрических зарядов на диэлектрическом образце. 123
4.3.1. Результаты исследований поведения электрических зарядов на образце плавленого кварца, проведенных на воздухе. 123
4.3.2. Эффекты, связанные с откачкой вакуумной камеры. 127
4.3.3. Релаксация распределения электрических зарядов на образце, находящемся в вакууме. 130
4.4. Выводы Главы 4. 134
Заключение. Основные результаты и выводы. 137
Литература.
140
4
Введение
В настоящее время одной из наиболее интересных и актуальных научных задач является регистрация гравитационного излучения. С точки зрения современной физики, наибольшей интенсивностью гравитационного излучения сопровождаются такие астрофизические процессы, как слияние нейтронных звезд, черных дыр, несимметричный взрыв сверхновых звезд [1]. Регистрация гравитационных волн от таких астрофизических событий даст не только возможность проверки теории гравитации, но и новый канал получения информации о Вселенной. Развитие гравитационно-волновых детекторов предполагает создание новой ветви науки - гравитационноволновой астрономии.
Интенсивность гравитационного излучения крайне мала, поэтому его регистрация является сложнейшей экспериментальной задачей. В настоящее время в разных странах реализуется несколько проектов создания гравитационно-волновых детекторов, крупнейшим из которых является программа ЬЮО (США) [2]. Достигнутая на сегодняшний день чувствительность лазерных интерферометрических детекторов по вариации метрики составляет /?«3-10‘ Гц “ вблизи частоты наблюдения 120 Гц [3], ЧТО соответствует измерению смещения Пробной массы Ах А' 10'18м.
Для улучшения чувствительности необходимо всестороннее исследование тонких эффектов, влияющих на положение пробных масс силой порядка или более, чем 10‘7 дины. Такие воздействия может оказывать, в частности, флуктуационная электрическая сила, связанная с наличием на пробных массах электрического заряда [4]. Находящийся на пробной массе электрический заряд может вносить дополнительную диссипацию (а следовательно, и дополнительные шумы) из-за электрического взаимодействия пробной массы с окружением. Пробные массы гравитационно-волнового детектора ЬЮО выполнены из плавленого кварца
5
и подвешены в вакууме на тонких нитях, которые на втором этапе (Advanced LIGO) предполагается также сделать кварцевыми. Заряд пробной массы определяется начальными условиями (например, наличием на ней заряда из-за контактной электризации на этапе подвешивания) и может изменяться из-за ряда причин. Так, с переносом заряда происходят процессы адсорбции и десорбции заряженных молекул с поверхности пробной массы, возможно изменение заряда из-за каскадных процессов, развивающихся при пролете высокоэнергетических частиц космических лучей [5]. При изменении заряда пробной массы или его распределения, изменяется электрическая сила взаимодействия пробной массы и окружения. Величина флуктуационной силы зависит от плотности электрического заряда на пробной массе и от величины флуктуаций этой плотности.
В случае использования электрической системы позиционирования пробной массы, корректирование ее положения производится за счет втягивания диэлектрика в неоднородное электрическое поле. При этом изменение заряда пробной массы в электрическом поле приведет к изменению действующей на нее силы, а следовательно, и к дополнительному флуктуационному воздействию.
Отметим, что вызванные электрическими зарядами флуктуационные силы могут ухудшать чувствительность не только в наземных гравитационно-волновых детекторах, но и в других высокоточных экспериментах, связанных с измерением малых сил.
На физическом факультете МГУ накоплен значительный опыт как по измерению электрических зарядов на диэлектрических образцах [6], так и по созданию высокодобротных механических маятников, выполненных из плавленого кварца. Достигнутые рекордные значения добротности [7] позволяют создавать макеты пробных масс и исследовать малые изменения диссипации, вызванные, в частности, электрическими эффектами
Целыо настоящей работы являлось исследование эволюции распределения электрических зарядов, находящихся на диэлектрических
6
пробных массах, и изучение механизмов диссипации, обусловленных взаимодействием этих зарядов с окружающими телами. Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1) Разработка методики исследований и измерение дополнительных потерь, вносимых в моды колебаний пробных масс, возникающих из-за наличия на пробных массах электрических зарядов и их взаимодействия с окружающими телами.
2) Разработка методики исследований и проведение долговременных измерений электрического заряда, находящегося на макете пробной массы. Исследование причин изменения электрического заряда пробной массы.
3) Создание экспериментальной установки, разработка методики исследований и изучение эволюции распределения зарядов на поверхности диэлектрических образцов
Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Первая глава носит обзорный характер. В ней рассматриваются проблемы, связанные с детектированием гравитационных волн, и современные установки, создаваемые для решения этой задачи. Отдельно обсуждаются шумы гравитационных детекторов, возникающие из-за наличия электрических зарядов на пробных массах лазерно-интерферометрических детекторов гравитационных волн. В этой же главе рассматриваются бесконтактные методы измерения электрического заряда.
Вторая глава посвящена серии экспериментов, в которых изучалось влияние электрического заряда, находящегося на теле маятника (макета пробной массы), изготовленного полностью из плавленого кварца, на добротность этого маятника. Рассматривается устройство экспериментальной установки. Исследуется влияние находящегося на маятнике электрического заряда на добротность, при величине добротности крутильной моды колебаний 0-8*107. Приводятся результаты длительных измерений электрического заряда, находящегося на хорошо электрически изолированном теле маятника, в которых обнаружено изменение
7
находящегося на маятнике заряда. Обсуждается один из механизмов изменения электрического заряда, находящегося на пробной массе, связанный с пролетом высокоэнергетических частиц космических лучей сквозь кварцевую пробную массу и ее окружение. Приводятся результаты экспериментального исследования этого механизма.
В третьей главе описана созданная экспериментальная установка для измерения вариаций распределения заряда на диэлектрических образцах, использующая метод неподвижного емкостного зонда, находящегося под вращающимся образцом. Сделан расчет коэффициента преобразования установки, получена теоретически и экспериментально величина погрешностей при измерении распределения зарядов. Приведен метод компьютерной обработки получаемых данных.
В четвертой главе рассматриваются факторы, влияющие на эволюцию распределения электрических зарядов по диэлектрическому образцу, находящемуся на воздухе. Описываются переходные процессы, происходящие при откачке либо впуске воздуха в вакуумную камеру. Приводятся результаты измерения малых пространственных и временных вариаций распределения зарядов в вакууме и измерения релаксации распределения зарядов, нанесенного в вакууме методом контактной электризации.
В заключении приводятся основные результаты и выводы работы.
На защиту выносятся следующие положения и методики:
1. Экспериментальная методика, позволяющая проведение долговременных измерений электрического заряда, находящегося на теле
п
высокодобротного (2~8*10) маятника, изготовленного из плавленого кварца (являвшегося макетом пробной массы гравитационно-волнового детектора).
2. Результаты экспериментальных исследований временной зависимости величины электрического заряда, находящегося на макете пробной массы гравитационно-волнового детектора.
3. Результаты экспериментальных исследований влияния электрического заряда, находящегося на теле маятника, на его добротность.
4. Экспериментальная установка и методика исследований, позволяющая измерять распределение электрического заряда на диэлектрическом образце с чувствительностью к плотности электрического заряда Ао~ 1,5 • 10'15 Кл/см2-Jrij.
5. Результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие влияние предварительной подготовки и внешних условий на электрическую проводимость диэлектрических образцов сапфира и плавленого кварца, находящихся на воздухе.
6. Результаты экспериментального исследования релаксации распределения электрических зарядов на образце плавленого кварца, находящемся в высоком вакууме.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных 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, p. 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, SI083-1089.
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, с. 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 нолей на пластичность и прочность материалов» -Воронеж, 2005, с. 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, с. 20-21.
6. Прохоров Л.Г., Митрофанов В.П., Измерение вариаций распределения электрических зарядов на диэлектриках // Вести. Мос. Унив., сер. 3, 2006, № 3, с. 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, т.70, №8, с. 1097-1099.
8. Prokhorov L. О., Khramchenkov Р. Е., Mitrofanov V. P., Measurement of relaxation of electrical charge distribution on fused silica sample // Phys. Lett. A, 2007, 366, Iss.1-2, p. 145-149.
9. Прохоров Л. Г., Митрофанов В. П., Эволюция распределения электрических зарядов на поверхности плавленого кварца // Материалы VII международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» — Воронеж, 2007, с. 3-7.
10
Глава 1.
Электрические заряды на пробных массах интсрферометрических гравитационно-волновых детекторов (литературный обзор).
1.1. Гравитационно-волновые детекторы.
В настоящее время одной из наиболее интересных и актуальных задач является регистрация гравитационного излучения от космических источников. Гравитационные волны, предсказанные в общей теории относительности, представляют собой возмущения кривизны пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света [8J. Вдали от источника гравитационные волны будут малым возмущением h пространства Минковского. Возмущение, создаваемое гравитационной волной, перпендикулярно направлению ее распространения и может иметь две поляризации, отличающиеся друг от друга на 45°. Излучаемое поле деформирует пространство и приводит к небольшим квадрупольным деформациям структуры пробных масс. Относительное изменение расстояния L между пробными массами AL/L связано с возмущением метрики h как h = 2 AL/L. Амплитуда возмущения метрики hMVi производимая гравитационной волной, пропорциональна второй производной но времени от квадруполыюго момента движения гравитационного источника QMV [8]:
(1.1)
где G — гравитационная константа, с — скорость света, г - расстояние до источника. Стоящий в этой формуле параметр О/с4 крайне мал, поэтому только астрофизические источники могут создавать гравитационные волны, которые возможно зарегистрировать на современном уровне техники. Например, пара нейтронных звезд каждая массой M-J.4MQ на круговой орбите радиусом 20 км и частотой вращения друг вокруг друга 400 Гц
генерируют на частоте 800 Гц гравитационную волну амплитудой Л » Ю"21 на расстоянии 15 Мпк. Косвенное доказательство существования 1равитационного излучения было получено из наблюдений за двойной системой пульсаров (РБК 1913+16). Исследования показали уменьшение периода обращений двойной звезды, совпадающее по величине с предсказываемым уменьшением периода из-за излучения этой системой гравитационных волн [9].
Большинство используемых гравитационных детекторов можно разделить на два типа. Антенны первого типа представляют собой твердые тела — резонаторы, в которых под воздействием гравитационных волн возбуждаются упругие колебания [1, 10]. Второй тип - лазерно-
интерферометрические антенны, состоящие из двух пар свободных масс, расстояние между которыми непрерывно измеряется [11].
Принцип антенны первого типа, предложенный Дж. Вебером в
1961 г.[ 10], заключается в следующем: упругое тело - резонатор (обычно изготовляется в виде цилиндра) имеет такие размеры, что частота его собственных механических колебаний о)т приблизительно равна ожидаемой частоте гравитационного излучения со^. Всплеск гравитационного излучения
ударно возбудит колебания в таком механическом резонаторе. Ударное возбуждение резонатор будет помнить тем дольше, чем больше его
добротность Ом. Механические резонаторы длиной Ь ~ 0,5 + 5 м
ориентированы на ожидаемое время воздействия 1равитациопной волны
10'3 + 10"’ с, то есть на относительно высокие частоты.
Именно такие цилиндрические резонаторы из алюминия были использованы в качестве основного элемента при разработке первых гравитационных антенн в конце 60-х - начале 70-х годов. Для изоляции от акустических и сейсмических возмущений цилиндры помещались в вакуум на специальные антисейсмические платформы.
Преимуществами гравитационного детектора такого типа являются относительная компактность установки и возможность экранирования от
12
внешних шумов. В то же время, величина полезного сигнала оказывается чрезвычайно малой. Среди факторов, ограничивающих чувствительность таких установок, основную роль играют шумы резонатора и его подвеса, а также необходимость измерения чрезвычайно малых амплитуд колебаний. Как показали многочисленные эксперименты [I, 11, 12], предельная
чувствительность резонансных гравитационных детекторов соответствует вариации метрики пространства h»(2 * 4)* 10"19. В соответствии с представлениями современной астрофизики, для регистрации излучения от предполагаемых источников требуется более высокое разрешение.
Принцип гравитационного детектора второго типа (на свободных массах) предложен М. Гернштейном и В. Пустовойтом [13]. Благодаря использованию двух пар пробных тел, подвешенных как маятники, можно, значительно увеличив расстояние L между ними, получить существенно больший отклик AL от воздействия гравитационной волны. Тем самым повышается чувствительность и резко ослабляются требования к изоляции системы от внешних шумов.
Существующие проекты интерферометрических детекторов предусматривают различные длины плеч интерферометра: в проекте ТАМА [14] (Япония) - 300 м, GEO [15] (Германия) - 600 м, VIRGO [16, 17] (Италия, Франция) - 3 км, LIGO [2, 18, 19] (США) - 4 км. Наиболее крупным и многообещающим является проект LIGO, разрабатываемый в Калифорнийском технологическом институте и объединяющий ряд ведущих научно-исследовательских групп из разных стран.
На Рис. 1 изображена схема лазерно-интерферометрического детектора гравитационных волн. Он представляет собой интерферометр Майкельсона, в плечах которого расположены оптические резонаторы Фабри-Перо. Пробными массами гравитационного детектора являются зеркала интерферометра, подвешенные и тщательно изолированные от внешних флуктуационных сил. Свет лазера делится на два луча и поступает в равных долях на оба плеча интерферометра. На фотодетектор поступает комбинация
- Київ+380960830922