Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электрические заряды на пробных массах интерферометрических гравитационно-волновых детекторов . 10
1.1. Гравитационно-волновые детекторы. 10
1.2. Флуктуационное влияние электрических зарядов, находящихся на пробных массах интерферометрических детекторов гравитационного излучения . 20
1.3. Методы измерения электрических зарядов, находящихся в диэлектриках и на их поверхности. 25
Глава 2. Электрические заряды на высокодобротных 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. Оценка 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
- Флуктуационное влияние электрических зарядов, находящихся на пробных массах интерферометрических детекторов гравитационного излучения
- Анализ чувствительности датчика электрического заряда
- Исследование зависимости коэффициента преобразования электрометра от величины зазора между зондом и образцом
- Факторы, влияющие на эволюцию распределения зарядов по диэлектрическому образцу
Введение к работе
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 - гравитационно-волновой 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 LIGO (США) [2]. Достигнутая на сегодняшний день чувствительность лазерных интерферометрических детекторов по вариации метрики составляет /г«3-10"23Гц"1/2 вблизи частоты наблюдения 120 Гц [3], что соответствует измерению смещения пробной массы Ах & 10" м.
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 LIGO выполнены из плавленого кварца 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 флуктуации 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
Целью настоящей работы являлось исследование эволюции распределения электрических зарядов, находящихся на диэлектрических 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 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 высокодобротного (Q — 8 IO) 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 Аа 1,5-10"15 Кл/слГ [Гц .
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 II 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 II 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 полей 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 // Вестн. Мое. 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. G., Khramchenkov P. Е., Mitrofanov V. P., Measurement of relaxation of electrical charge distribution on fused silica sample II 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.
Флуктуационное влияние электрических зарядов, находящихся на пробных массах интерферометрических детекторов гравитационного излучения
Пробные массы гравитационно-волновых детекторов представляют собой диэлектрические зеркала, подвешенные в вакууме. В рамках проекта LIGO пробные массы подвешиваются на металлических нитях, а в Advanced LIGO предполагается использовать для этого кварцевые нити. Это приведет к тому, что диэлектрические пробные массы будут хорошо электрически изолированы от окружения, и электрический заряд, находящийся на пробной массе или принесенный на нее вследствие каких-либо причин, останется на ней. Наличие электрического заряда на пробных массах гравитационно-волновых детекторов создает дополнительные силы взаимодействия пробной массы с различными элементами окружения, что может приводить к увеличению шумов.
Электрическое взаимодействие с окружением может ухудшать чувствительных разнообразных детекторов [36], в которых измеряется координата некоторой пробной массы или действующая на нее сила. Так, многочисленные исследования электрического заряда на пробных массах проводятся при создании спутников свободных от сноса [37]. К ним относится Gravity Probe В [38-40], в котором по смещению пробной массы предполагается проверить одно из следствий теории относительности. Активные исследования электрического заряжения проводятся и в рамках программы LISA, в которой предполагается создание интерферометрического детектора гравитационных волн на основе трех спутников, свободных от сноса [41-42].
На опасность дополнительных шумову возникающих в гравитационном детекторе LIGO из-за накопления электрических зарядов на пробной массе, впервые обратил внимание R. Weiss [43]. В непосредственной близости от диэлектрической пробной массы всегда находятся вспомогательные элементы установки - ограничители хода пробной массы, система позиционирования, элементы подвеса и другие. Взаимодействие с ними может происходить из-за электрических сил изображения. Электрические силы, действующие на расположенные на пробной массе электрические заряды, имеют как постоянную, так и флуктуационную составляющие. Изменение действующих на пробную массу электрических сил может происходить из-за перераспределения заряда по поверхности диэлектриков — в частности, при растекании по пробной массе заряда, нанесенного точечным касанием ограничителя хода.
Не имея экспериментальных данных о величине электрических зарядов и их флуктуациях на пробных массах гравитационных детекторов, можно сделать лишь общую оценку величины шумов, вносимых электрическими зарядами. Важной величиной является относительное изменение плотности электрического заряда Асг/ст, которое создаст изменение электрической силы AFei, равное полученной в (1.5) величине F — силе, которая может имитировать воздействие гравитационной волны в детекторе Advanced LIGO. 3-Ю"7дины«F = AFel AnScr Дст При использовании тех же параметров, что и ранее: 5« 100 см2, сг« 107 е/см2, получается значение критической величины относительного изменения плотности электрического заряда на поверхности пробной массы: Асг/сг к Ю"5. Изменение относительной плотности электрического заряда на эту величину может приводить к изменению силы, действующей на пробную массу, на F . Относительные флуктуации плотности электрического заряда Аа/ст, происходящие вследствие одного электронно-фотонного каскадного ливня с энергией Є — 2 ТэВ, оцениваются [5]: Асг/сг «Ю"6- -2-10 5. Как видно, этого изменения заряда достаточно, чтобы изменение кулоновской силы оказалось больше, чем F .
Другой механизм флуктуационного влияния электрических зарядов связан с дополнительными потерями, возникающими при электрическом взаимодействии пробной массы с окружением [4, 44-46]. Причем источником электрических полей может быть как окружение, так и находящиеся на пробной массе электрические заряды. В работе [4] наблюдалось уменьшение добротности маятниковых колебаний из-за наличия на кварцевом маятнике электрического заряда и его взаимодействия с элементами окружения. Согласно флуктуационно-диссипационной теореме при наличии дополнительного затухания, обусловленного электрическим зарядом пробной массы т, на нее воздействует дополнительная флуктуационная электрическая сила со спектральной плотностью мощности: SFM=4kT f, (1.10). где к — постоянная Больцмана, Т - температура, Qe ! — затухание, вносимое из-за действия электрических СИЛ: Теоретический расчет флуктуационных сил, вносимых из-за электрического взаимодействия пробной массы с окружением, затруднителен, и оценить их величину можно только исходя из экспериментальных данных. Величина вносимого затухания существенно зависит от материалов, из которых изготовлены окружающие пробную массу элементы установки. Так, в работе [47] электрическое поле создавалось за счет прикладывания напряжения к расположенному рядом с маятником планарному конденсатору с гребенчатыми электродами. Затухание в случае, когда электроды были выполнены из золота, было на порядок меньше, чем в случае алюминиевых электродов. При напряжении 400В величины обратной добротности составляли соответственно: QAu и 7-10" и QA{ «10" Исследование затухания, связанного с наличием заряда на пробной массе, описано в [4]. Оно показывает, что при нанесении на маятник относительно большого заряда 7«5-10 8Кл вносимое электрическими силами дополнительное затухание может составлять ?е"7 «4-Ю"5. Следует, однако, отметить, что параметры используемого в этих экспериментах маятника существенно отличаются от параметров LIGO, а его окружение описано не очень подробно. Поэтому представлялось важным проведение в настоящей работе экспериментов по изучению влияния заряда пробной массы на ее добротность при известной геометрии и материалах окружения. Для оценки величины флуктуационных сил, действующих на пробную массу гравитационного детектора из-за наличия на ней электрических зарядов, необходимо проведение следующих исследований: 1) Измерение плотности находящегося на пробной массе электрического заряда а после ее установки в вакуумную камеру и после длительного нахождения в вакууме. 2) Измерение вариаций плотности электрического заряда Дет на пробной массе гравитационного детектора с точностью не менее Аа& 10 е/см . 3) Изучение влияния электрического заряда пробной массы на механическую добротность системы при известной геометрии и материалах окружения. Крайне существенным является проведение этих исследований при тех же условиях, в которых находится пробная масса гравитационного детектора: высокий вакуум, отсутствие прямого контакта с окружением, малая проводимость между пробной массой и землей.
Анализ чувствительности датчика электрического заряда
Был проведен расчет коэффициента преобразования электростатического емкостного зонда и оценены минимальные вариации электрического заряда, которые могут быть измерены на используемой экспериментальной установке. Для оценки напряжения на входе электрометрического усилителя используем следующую модель (Рис. 12). Заряд предполагаем равномерно распределенным по торцу кварцевого цилиндра с поверхностной плотностью т, и считаем, что потенциал на этой поверхности одинаков, т.е. предполагаем, что заряд находится на проводящей пластине, которая образует емкость Су с заземленным электродом и емкость Сг с электродом, соединенным с входом усилителя. Суммарный заряд на торце цилиндра составляет q—oS, где - площадь торцевой поверхности. При колебаниях цилиндра емкости С; и С2 изменяются по гармоническому закону: Рис. 12. Модель, использованная для расчета коэффициента преобразования электростатического емкостного зонда. Сі = Сю(1 + /Uicosait) (2. La) С2 = С2о(1 + n2cos(ot) (2.1.6) Причем коэффициенты fj.i и ц2 пропорциональны амплитуде А крутильных колебаний маятника и могут быть выражены как: Hi = tjrA , /uj = ЦЇА (2.2)
Тогда эквивалентная электрическая схема имеет вид, изображенный на Рис. 12. Входное сопротивление усилителя обозначено Rin, емкость — С,„. Для простоты расчета предположим сначала что усилитель идеальный, т.е. его сопротивление Rin = х .
Ключевой особенностью использовавшейся в настоящей работе установки являлось использование в ее основе высокодобротного маятника. Это давало следующие преимущества. Индуцированное на емкостном зонде напряжение, характеризующее плотность заряда на пробной массе вблизи зонда, являлось модулированным с частотой механических колебаний. Добротность крутильной моды составляла Q &-10 , следовательно, флуктуации частоты этой моды были крайне малы. Кроме того, эта частота создавалась не внешним генератором, а маятником. В случае внешнего генератора из-за электрической связи между генератором и измерительным модулем установки может возникать электрический сигнал на частоте модуляции, являющийся помехой при измерении заряда. В использовавшейся установке электрический сигнал на частоте маятника создавался только индуцированным на зонде зарядом. Однако сейсмическая раскачка различных маятниковых мод могла приводить к дополнительным погрешностям измерения заряда. Любое касание цилиндра из плавленого кварца в процессе его установки приводит к появлению на цилиндре электрического заряда из-за явления контактной электризации. Перед началом эксперимента надо было по возможности уменьшить заряд пробной массы. Для этого может использоваться несколько способов.
1. Обдув поверхности ионизированным воздухом. Предполагается, что ионы, знак заряда которых противоположен знаку заряда, находящегося на цилиндре, осядут на поверхность цилиндра, нейтрализуя заряд на его поверхности. При этом использовался бытовой источник ионов «ВЭИ-1».
2. Освещение ультрафиолетовым излучением. Поток УФ-излучения может вызывать эмиссию электронов за счет фотоэффекта. При освещении поверхности пробной массы, с ее поверхности могут удаляться электроны, а освещение элементов окружения может приводить к осаждению электронов на пробную массу. Таким образом, меняя освещаемую область, можно регулировать величину и знак находящегося на пробной массе электрического заряда. Ширина запрещенной зоны у кварца достаточно велика: 9В [72], поэтому для эмиссии электронов с пробной массы необходимо использовать коротковолновое УФ излучение или наносить на ее поверхность специальное покрытие. Проводимые в других лабораториях исследования [73, 74] показывают, что ультрафиолетовое излучение может использоваться для изменения заряда пробной массы в вакууме. Этот метод предполагается использовать для снятия электрического заряда с пробной массы гравитационного детектора LIGO. Однако необходимо учитывать, что ультрафиолетовое излучение может создавать дефекты в пробных массах, ухудшая их оптические свойства [75]. Подробное исследование этого метода представляло собой отдельную трудоемкую задачу и не являлось целью настоящей работы. При использовании бытовых УФ-лампы и источника ионов, которые применялись в настоящей работе, два описанных метода были малоэффективны. 3. В случае нахождения кварцевого цилиндра при атмосферном давлении без внешних воздействий величина находящегося на маятнике электрического заряда уменьшалась за счет нейтрализации его ионами воздуха. Этот способ являлся самым надежным, но и самым медленным. Наименьший уровень поверхностной плотности заряда в начале эксперимента ст 10"14Кл/см2 был зафиксирован после того, как цилиндр около трех месяцев висел в закрытой камере, наполненной воздухом при атмосферном давлении.
4. При помощи электрического разряда в разреженной атмосфере. В отличие от предыдущих методов, которые применимы только при атмосферном давлении, четвертый метод используется уже после откачки вакуумной камеры. Для «снятия» заряда с кварцевого цилиндра давление в камере поднималось до 1-5 Торр и зажигался электрический разряд при подаче высокого напряжения на специальный электрод, установленный в камере. Ионы и свободные электроны, образующиеся в плазме разряда, нейтрализовали находящийся на маятнике заряд. Таким образом удавалось уменьшить поверхностную плотность электрического заряда, находящегося на кварцевом цилиндре до 10" - 10т Кл/см . Реально применимыми в экспериментах оказались только два последних способа.
Для раскачки маятника использовалось несколько методов. Самый простой и неудовлетворительный по ряду причин способ — механически толкнуть маятник. При этом за счет контактной электризации на маятник садится относительно большой заряд. Кроме того, в полученных колебаниях маятника будет присутствовать не только крутильная, но и другие моды. Возможность раскачать маятник, не привнося на него заряд, дает другой метод. На емкостной зонд подавалось переменное напряжение на частоте крутильной моды колебаний. При этом за счет втягивания диэлектрика в неоднородное электрическое поле создавалась электрическая сила, действующая на маятник на резонансной частоте. Щелевой оптический датчик позволял параллельно измерять амплитуду колебаний маятника. Постепенность раскачки с одновременным измерением амплитуды давали возможность возбудить колебания с максимальной амплитудой крутильной моды (около 0,07 рад) без касания цилиндром окружающих элементов (в частности, пластины конденсатора при ее вертикальном расположении). Именно этот метод был основным: к актюатору прикладывалось постоянное напряжение /= = 300 В и переменное Л.= 100В на частоте /= 1,14 Гц. Время раскачки в этом случае составляло порядка часа. Недостатком данного метода могло являться воздействие создаваемых для раскачки маятника электрических полей на распределение зарядов. В частности, при приложении напряжения к диэлектрику - он поляризуется, а после снятия напряжения процесс деполяризации происходит с некоторой задержкой. Причем процесс деполяризации будет происходить как в теле маятника, так, и на пластине с гребенчатыми электродами. Для того, чтобы по возможности избежать этого влияния, первые 30 часов после раскачки маятника. измерения заряда исключались из рассмотрения.
Исследование зависимости коэффициента преобразования электрометра от величины зазора между зондом и образцом
Весьма важным параметром являлся выбор расстояния между поверхностью образца и зондом. Для выбора оптимального расстояния между образцом и зондом было проведено экспериментальное исследование. Для этого на кварцевый образец был локально нанесен заряд методом контактной электризации. Это создало на образце распределение заряда с одним ярко выраженным пиком. Далее изменялось расстояние между емкостным зондом и образцом, и измерялась зависимость высоты пика распределения заряда от величины зазора. Под высотой пика здесь и далее подразумевается разность максимального напряжения в пике и усредненного напряжения до и после этого пика.
Необходимым условием для проведения такого эксперимента является стабильность распределения электрического заряда на образце в течении времени эксперимента. Иначе изменение величины сигнала может происходить вследствие изменения распределения заряда, а не изменения чувствительности. Изменение зазора производилось от минимального к максимальному и затем обратно к минимальному. Это позволило сравнить распределение электрических зарядов по образцу в начале и в конце эксперимента, измерив изменение распределения за время проведения эксперимента. Кроме того, для каждого значения зазора было получено две экспериментальные точки. За время измерений высота пика распределения заряда при одной и той же величине зазора изменилась не более чем на 3% , что позволяло не учитывать релаксацию распределения зарядов за время эксперимента.
Полученная зависимость величины напряжения на зонде в пике распределения заряда от расстояния между зондом и образцом приведена на Рис. 23. Видно, что приближение зонда к образцу увеличивает чувствительность, но выигрыш относительно невелик. Однако при уменьшении зазора менее 150 мкм наблюдались нерегулярные изменения распределения. По всей видимости, это связано с наличием в атмосфере частиц пыли. Попадая в зазор между образцом и зондом, такая частица могла приводить к контактной электризации образца.
Из полученных результатов видно, что оптимальная величина зазора между зондом и образцом обуславливается двумя факторами. С одной стороны, при уменьшении зазора растет коэффициент передачи зонда. Но при проведении экспериментов на воздухе слишком маленький зазор приводит к вероятности электризации образца из-за попадания пылевых частиц в промежуток между образцом и зондом. Исходя из этих данных, выбранная величина зазора между образцом и зондом составляла h = 250 -ь 400 мкм.
Оценка Cg из геометрических соображений сильно затруднена, так как вокруг заряженной области образца находятся такие заземленные элементы, как: экранирующее кольцо вокруг чувствительной пластины зонда, элементы закрепления образца, заземленный корпус усилителя и экранирование рабочего объема. Сложное взаиморасположение этих элементов и наличие диэлектрического образца с диэлектрической проницаемостью екварц=Ъ,15 приводит к существенным сложностям и погрешностям в расчетах. Для оценки этой емкости можно использовать экспериментальную зависимость индуцированного на зонде напряжения от величины зазора .
Из описанного выше эксперимента был получен и другой важный результат. При закреплении образца его рабочая поверхность не могла быть установлена абсолютно перпендикулярно к оси вращения, поэтому расстояние между зондом и образцом менялось в течение оборота. Разница максимального и минимального зазоров составляла при разных установках образца Ah = 25 -г 100 мкм при величине зазора h = 300 мкм и более. Представим, что на поверхности образца находился равномерно распределенный заряд. Тогда при вращении образца из-за модуляции расстояния от поверхности образца до зонда модулировался коэффициент передачи заряда, следовательно на выходе усилителя появлялся переменный сигнал.
Отсюда видно, что равномерное распределение заряда по образцу при модуляции зазора создает переменное напряжение на зонде, имитируя синусоидальное распределение заряда. Как уже обсуждалось, установка настроена таким образом, что отклик на постоянную составляющую минимален. Это сделано для исключения шумов, не связанных с образцом и соответственно не являющихся модулированными с частотой вращения. Кроме того, постоянная составляющая может быть обусловлена наличием зарядов на неподвижных частях установки и т.д. Поэтому выделение равномерного распределения зарядов по образцу с помощью емкостного зонда возможно только по синусоидальной составляющей напряжения, возникающей из-за модуляции зазора. Однако близким к синусоидальному может оказаться и реальное распределение зарядов по образцу. Еще одной отличительной особенностью напряжения на зонде, возникающего из-за модуляции зазора, является совпадение максимума и минимума сигнала с прохождением максимального и минимального зазора. Положению образца, при котором зазор максимален, соответствует минимальный коэффициент передачи по заряду К(ср).
Это позволяло отличить неоднородность распределения зарядов на образце от влияния равномерного распределения заряда на напряжение зонда, возникающего из-за модуляции зазора между зондом и образцом. Зная измеренные значения величины зазора и его модуляции, а также зависимость чувствительности установки от величины зазора, при помощи формулы (3.4) в различных экспериментах оценивалась средняя плотность заряда на поверхности исследуемого образца.
Факторы, влияющие на эволюцию распределения зарядов по диэлектрическому образцу
На проводимость диэлектрического образца может оказывать заметное влияние метод его приготовления. Так, внутренняя проводимость может зависеть от того, находятся ли электроны в глубоких энергетических ловушках или относительно мелких; на нее может влиять наличие электронов, инжектированных в образец из контакта металл-диэлектрик; температура образца и другие факторы. Поверхностная проводимость существенно зависит от состояния поверхности образца: дефекты поверхности могут создавать глубокие энергетические ловушки, поверхностные пленки (вода и углеводороды, осажденные из воздуха; продукты химических реакций, оставшиеся после очистки образца) существенно меняют электрическую проводимость поверхности. Многие из этих факторов плохо поддаются контролю, а теоретический расчет их влияния затруднен. Поэтому было необходимо экспериментально исследовать влияние метода приготовления кварцевого образца на его проводимость.
Измерения проводились на воздухе при влажности менее 25%. Результаты экспериментов показали существенное влияние способа приготовления образца плавленого кварца на последующую эволюцию распределения зарядов. Было проведено несколько опытов с существенно отличающимся способом подготовки образца перед экспериментом. Сравнивались следующие варианты: 1. Образец устанавливался сразу после очистки, последним этапом которой являлась промывка в этиловом спирте. Измеренное после такой обработки образца время релаксации заряда, нанесенного методом контактной электризации, составило т 40 минут. Это время релаксации сохранялось в течение длительного времени после приготовления, например в сериях, длительность которых составляла до несколько недель. 2. Непосредственно перед измерением обращенная к зонду поверхность образца прогревалась при помощи кислородной горелки. В этом случае перераспределение нанесенного электрического заряда происходило гораздо быстрее, с характерным временем т 1 минуты. Примерно через час время релаксации увеличилось до 2-3 минут, а через двое суток составило 40 минут. 3. Образец прогревался в печи в течение нескольких часов, находясь внутри экранированного от электрических полей объема при температуре Т = 300 С. В случае предварительной очистки образца ацетоном в ультразвуковой ванне и промывки спиртом - сразу после прогрева характерное время релаксации составляло несколько минут и увеличивалось по мере пребывания образца на воздухе.
Результаты этих экспериментов можно интерпретировать следующим образом. При прогреве образца может происходить испарение находящейся на поверхности влаги, таким образом, поверхностная проводимость должна уменьшаться. Также, .при прогреве может меняться состояние воды на поверхности, в том числе концентрация и подвижность носителей электрического заряда. Дополнительным фактором при прогреве образца кислородной горелкой может являться локальность нагрева и вода, которая является одним из продуктов реакции, в большом количестве находится вблизи образца и поэтому может оседать на его поверхность.
При прогреве образца внутри экранированного объема может оказаться существенным еще один эффект. Поскольку образец находится в экране и заземлен, электрические поля в образце обусловлены в основном находящимися на нем зарядами-. Следовательно, электрические силы приводят к сглаживанию распределения электрических зарядов и уменьшению суммарного электрического заряда на образце, а это означает уменьшение количества свободных носителей заряда. Таким образом, после прогрева внутри заземленного экрана распределение электрических зарядов по образцу станет более равномерным, а объемная проводимость кварцевого образца может уменьшиться.
Кроме того, прогревание влияет на поверхностную1 проводимость образца. С одной стороны, из-за удаления адсорбированной воды с образца происходит уменьшение поверхностной проводимости [90]. С другой стороны, при высокой температуре находящиеся на поверхности образца пленки углеводородов или жиров могут существенно изменить свою проводимость. Следует отметить, что это увеличение или уменьшение проводимости рассматривается относительно очищенного образца. Полученная в эксперименте зависимость времени релаксации распределения от времени, прошедшего после прогрева образца (см. Рис. 35) свидетельствует о наличии переходного процесса после прогрева» образца: характерное время релаксации нанесенного на образец локального распределения электрических зарядов увеличивается.
Таким образом, показано что метод приготовления образца перед экспериментом: способ очистки, прогрев, длительность пребывания образца1 на воздухе существенно влияют на эволюцию находящегося на нем распределения электрических зарядов при проведении экспериментов на воздухе.
