利用静电扭摆测量导体表面电势分布及其影响

高精度的引力实验中主要开展物体之间的相互作用和相互规律的检验，实验中要求检验质量表面电势的涨落引入的扰动力必须小于实验的探测精度。因此研究和测量导体表面电势对于高精度的引力实验而言具有重要的意义。在本项目的资助下，我们开展了对导体表面电势测量的研究，取得了主要进展有：(1)完成了基于扭摆的测量导体表面电势的实验方案设计和误差分析；(2)完成了导体表面电势测量的整个实验系统，自由摆热噪声、电容位移传感和静电控制各环节指标满足预期要求，整个系统探测力矩达到7×10-14Nm/Hz1/2；（3）完成了静态测量，检验质量电荷分布测量精度已经达到15×10-6V/Hz1/2。我们将在此平台上进一步深入开展检验质量电荷分布及其影响研究。

非牛顿引力实验检验、引力波探测、高精度空间惯性传感器和弱力检测等都需要深入研究检验物体的扰动力来源。对于近距离高精度实验和空间引力实验研究而言，检验质量表面电势分布的影响是其主要限制之一，必须深入研究。表面电势分布称之为Patch效应，它是美国引力探针B卫星项目最终结果主要限制之一，也是空间引力波探测LISA和下一代地面引力波探测器的主要误差来源之一。因此，Patch效应研究具有重要科学意义和应用背景！项目组在已发展成熟的精密静电控制扭摆弱力传感研究基础上，利用电容位移传感和静电控制扭摆作为弱力探测器，利用源导体扫描方案精确测量检验质量表面电势的空间分布，预期测量空间分辨率达到0.1mm量级，测量精度达到10微伏/Hz^1/2，通过不同环境参量条件和不同材料的实验研究归纳和总结出Patch效应的物理机制以及对其抑制的解决方案，为高精度空间惯性传感器研制和引力实验研究提供提导!

本项目我们提出了一种静电扭摆方案来测量导体表面电势随时间的波动以及其空间分布。项目期间按照设计搭建了一套静电扭摆系统，并且基于该系统实现了弱力测量与执行机标定技术。目前本系统的导体表面电势测量精度为0.5mV/Hz^1/2，主要受限于自准直仪的分辨率水平。拟采用高精度的电容位移传感方式进一步提高电势测量精度。导体表面电势测量技术与高精度扫描技术仍在实验中。该系统实现了探针的悬挂，放宽了实现系统对待测样品的限制，为今后开展对Patch效应的研究提供了高效的平台。现在实验主要完成了原理性验证，为后续继续开展深入的研究奠定了基础。 2100433B

导体表面电势随时间的涨落变化和随空间的非均匀分布称之为Patch效应，该效应是地面和空间高精度引力实验中重要的误差源。在美国斯坦福大学的引力探针GP-B实验和空间引力波探测LISA计划中Patch效应都是最主要噪声来源之一，因此研究Patch效应的产生机理及其抑制方法具有重要的科学意义和应用背景。本项目提出了一种静电控制扭摆系统来研究导体表面的Patch效应。该方案将基于高精度静电控制扭摆系统，结合Kelvin探针方案扫描测量和传统扭秤方案高灵敏度的特点，来实现对导体表面电势分布的精确测量。该系统预计在空间分辨率0.1mm量级上测量精度达到10微伏/Hz^1/2。基于该系统我们可开展Patch效应物理机制的探索研究，为地面和空间的高精度引力实验研究提供指导。

静电亚导体Electrostatic sub-conductor是电阻率(或电导率)介于静电导体和静电非导体之间的材料。

亚导体在任何情况下，其体积电阻率1×10的6次方～1×10的10次方Ω·m。(即电导率小于1,000,000,000S/m而大于100,000S/m)，或其表面电阻率为10的7次方～10的11次方Ω·cm。

亚导体又称为静电耗散材料，它受摩擦时，在其表面产生的电荷可以较快地扩散和泄漏。因它有较高的电阻率，电荷在泄漏时，电流十分微弱，处于μA级，不会产生电击现象，避免因电火花引爆可燃性气体，从而达到导电防爆的目的。

亚导体更适用于易燃易爆等危险防爆区域，像石油库、炸药库、煤矿等对静电特别敏感的场所，还可以用作电子元器件的防护材料，如制成元件盒、周转箱，托盘工装架等。2100433B