Введение к работе
Актуальность темы.
Низкочастотные механические колебательные системы широко применяются в различных фундаментальных физических исследованиях по измерению малых сил. В современной физике одной из актуальный задач является проблема регистрации гравитационного излучения от космических источников при помощи лазерных интерферометрических детекторов. Основным чувствительным элементом гравитационного детектора являются пробные массы, подвешенные как маятники. Согласно флуктуационно-диссипационной теореме, для увеличения чувствительности детектора необходимо максимально уменьшить потери механической энергии колебаний маятников, что стимулировало.создание кварцевых механических осцилляторов маятникового типа с добротностью Q « 108. На таком уровне затухания сказываются весьма тонкие механизмы диссипации. К их числу относятся, например, потери, обусловленные влиянием окружающих электрических полей.
В гравитационном детекторе положение пробных масс изменяется вследствие ряда внешних причин, таких как низкочастотный сейсмический шум, температурный дрейф. Для обеспечения рабочего режима интерферометра используют систему позиционирования пробных масс, компенсирующую эти воздействия. При этом система не должна вносить существенные потери в колебания пробной массы и, следовательно, ограничивать чувствительность детектора. В настоящее время в системе позиционирования пробных масс предполагается использовать электрические поля.
Влияние электрических полей на добротность и шумы маятниковых систем также является важной проблемой при разработке акселерометров и гироскопов, использующих электростатический подвес. Такие приборы предполагается применять в космических исследованиях, требующих высокоточной измерительной аппаратуры. Проводимые в настоящее время наземные эксперименты показали, что один из источников шумов маятниковых систем на электростатических подвесах связан с процессами на поверхности пробной массы, вызванными электрическим полем подвеса.
С увеличением чувствительности маятниковых систем, в ряде современных фундаментальных исследований флуктуационное и диссипацион-ное влияние электрических полей может ограничивать точность экспери-
мента. В связи с этим, становится актуальной общая задача изучения механизмов диссипации энергии низкочастотных колебательных систем, связанной как с воздействием внешних электрических полей, так и с электростатическим заряжением маятниковой системы.
Цель и задачи работы.
Целью работы являлось изучение механизмов диссипации, вносимой электрическим полем в колебания механического осциллятора. Для выполнения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
провести теоретический анализ возможных механизмов диссипации энергии в механических осцилляторах, вызванной внешними электрическими полями;
-
разработать методику и создать экспериментальную установку для исследования потерь, вносимых электрическим полем в колебания механических осцилляторов;
3. провести экспериментальное исследование затухания колебаний
механических осцилляторов во внешнем электрическом поле и выявить
основные факторы, определяющие диссипацию энергии колебаний маят
ника, с целью создания моделей физических процессов, определяющих
вносимые электрическим полем потери.
Научная новизна.
В настоящей работе впервые:
— разработана и реализована экспериментальная методика исследования затухания, вносимого внешним электрическим полем в колебания механического осциллятора на уровне Q~l ~ Ю-8;
— обнаружено, что при приложении электрического напряжения
между металлизированной поверхностью тела маятника и расположен
ным рядом электродом, наблюдается значимое увеличение затухания ко
лебаний маятника, причем величина вносимых потерь Q~l существенно
зависит от свойств поверхности электродов, между которыми создано
поле;
экспериментально продемонстрировано влияние воды, адсорбированной на поверхности электрода, на диссипацию энергии маятника в электрическом поле;
установлено, что потери Qj1, вносимые электрическим полем в колебания механических осцилляторов, уменьшаются с увеличением частоты приложенного электрического напряжения /, зависимость Q~l
от / близка к обратно пропорциональной.
Практическая ценность работы.
Предложен новый метод исследования электронных процессов на поверхности твердых тел, основанный на использовании высокодобротных низкочастотных колебательных систем. Результаты проведенных исследований играют важную роль при решении проблем, связанных с флук-туациоЕшым и диссипационным влиянием электрических полей на механические колебательные системы, используемые в качестве чувствительных элементов в фундаментальных физических экспериментах, а также в прецизионных приборах, таких как гравиметры, акселерометры и т.д. В частности, на основе полученных в настоящей диссертационной работе результатов могут быть созданы системы позиционирования пробных масс лазерных интерферометрических гравитационных детекторов, не снижающие чувствительность детекторов.
Результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальная методика, позволяющая исследовать потери, вносимые электрическим полем в колебания низкочастотных механических осцилляторов, на уровне затухания Q~l « 10~8.
-
Результаты теоретического анализа физических процессов, определяющих добротность крутильной моды колебаний монолитного кварцевого маятника на трифилярном подвесе.
-
Результаты экспериментальных исследований затухания, вносимого электрическим полем, созданным между металлизированными поверхностями тела маятника и электрода. Было установлено, что величина потерь существенно зависит от свойств поверхности электродов.
-
Результаты экспериментальных исследований зависимости величины вносимых полем потерь Q~l от частоты приложенного поля /, показавших, что зависимость Q~l от / близка к обратно пропорциональной.
-
Результаты экспериментов, проведенных с использованием кремниевого электрода, продемонстрировавших влияние воды, адсорбированной на поверхности электрода, на диссипацию энергии маятника в электрическом поле.
6. Принципиальная возможность использования электрической системы позиционирования пробных масс в лазерных интерферометри-ческих гравитационных антеннах: полученные результаты показывают, что применение переменного электрического поля для осуществления силового воздействия на пробную массу не ограничивает чувствительность гравитационного детектора.
Апробация работы.
Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:
-
Ломоносовские чтения в МГУ, Москва, 1997;
-
Научные семинары кафедры молекулярной физики и физических измерений физического факультета МГУ, 1998 - 2000 гг.;
-
Научные семинары факультета физики и астрофизики Калифорнийского технологического института (США), 1998 - 2000 гг.;
-
Научные семинары на физическом факультете университета г.Глазго (Шотландия), 1998, 1999 гг.
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в четырех печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 100 страниц, включая 20 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 95 наименований.
