CN110927472B - 一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法 - Google Patents

一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法，包括：(1)在被控孤立导体两侧放置两块相互平行的极板，通过在两块极板上加载电压使得极板与孤立导体之间分别形成两个电场，且孤立导体上的电荷数量分布会随着极板和孤立导体之间的电势差变化而变化；(2)通过向其中一块极板照射第一光束使一侧达到光电饱和状态从而控制孤立导体这一侧的电荷量达到预设值；(3)当达到光电饱和状态后关闭第一光束，并通过向导体另一侧照射第二光束使孤立导体的另一侧也达到光电饱和状态；(4)通过两次光电饱和状态将孤立导体上的电荷钳位到所期望的电荷量上。本发明对孤立导体无任何机械连接，在控制过程不引入机械热噪声等外部干扰。

Description

一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法
技术领域
本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法。
背景技术
在精密测量领域，通常需要将敏感单元进行绝缘处理，从而实现电气、热噪声等外部干扰的隔离。例如，欧空局主导的LISA空间引力波探测计划中，惯性传感器的敏感探头就是典型的孤立导体。然而由于孤立导体与周围物体无任何电气连接，空间中自由电荷会附着于孤立导体上从而导致电荷的积累。虽然积累电荷的量级很小，但是积累电荷所产生的静电力作用会干扰仪器的测量结果，因此需要对孤立导体上的电荷进行控制。
以LISA Pathfinder中所采用的电荷管理方案为例，其过程涉及电荷测量和控制两个环节。电荷测量环节是对敏感探头(孤立导体)施加主动激励，通过电容位移传感检测敏感探头的运动从而估计导体上的电荷数目；然后在控制环节中通过向敏感探头或极板进行光照，使电子进入或逸出敏感探头从而达到电荷控制的目的。这种方案既需要对导体的电荷量进行测量同时又要精确的控制光照，这给实际应用带来了巨大的挑战。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法，旨在解决精密测量中孤立导体的累积电荷所造成的干扰问题。
本发明提供了一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法，包括下述步骤：
(1)在被控孤立导体两侧放置两块相互平行的极板，通过在两块极板上加载电压使得极板与孤立导体之间分别形成两个电场，且孤立导体上的电荷数量分布会随着极板和孤立导体之间的电势差变化而变化；
(2)通过向其中一块极板照射第一光束使其一侧达到光电饱和状态从而控制孤立导体这一侧的电荷量达到预设值；
(3)当达到光电饱和状态后关闭所述第一光束，并通过向导体另一侧的极板照射第二光束使孤立导体的另一侧也达到光电饱和状态；
(4)通过两次光电饱和状态将孤立导体上的电荷钳位到所期望的电荷量上。
更进一步地，在步骤(2)中，当所述第一光束的频率v超过某一临界值时，电子会溢出金属极板的表面，逸出电子的初始动能
Figure BDA0002258937920000021
m为电子的质量，v为电子的逸出速度。
更进一步地，当所述初始动能Ek大于等于克服电场力所做的功W时，电子进入孤立导体导致导体积累更多的电子，使得电场强度不断增强直至电子无法再跨越电场，进而达到了光电饱和状态。
更进一步地，当达到饱和状态时，孤立导体上带有与极板等量的异种电荷，且所述异种电荷的电荷量
Figure BDA0002258937920000022
其中，Q为极板上的电荷量，k为玻尔兹曼常数，d为孤立导体表面到极板表面的距离，S为孤立导体与极板之间的有效正对面积。
更进一步地，根据以下公式控制两块极板的电势差将导体上的电荷钳位至期望值，实现对孤立导体电荷的控制；
Figure BDA0002258937920000023
其中，C1为导体与一侧极板形成的电容，C2为导体与另一侧极板形成的电容，U1为一侧极板的电势，U2为另一侧极板的电势，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，v2为第二次光照时第二光束的频率，w2为另一侧金属极板的逸出功，d2为导体与另一侧极板形成电容的有效距离，S2为导体与另一侧极板形成电容的有效面积。
本发明提供的方法具有如下优势：
(1)在光电饱和状态下，通过调节孤立导体两侧极板的电压，可以实现不加测量即对孤立导体电荷的控制；
(2)此方法对孤立导体无任何机械连接，在控制过程不引入机械热噪声等外部干扰；
(3)结构简单，只需两块金属极板和两束频率高于金属极板极限频率的光照即可，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于光电饱和效应控制孤立导体表面电荷方法的实现流程图。
图2是本发明实施例提供的基于光电饱和效应控制孤立导体表面电荷方法的基本原理示意图。
在图2中，1为孤立导体，2和3为导体两侧的极板，4为照向一侧极板的第一光束，5为在另一侧照向孤立导体的第二光束。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于光电饱和原理实现不依赖测量的孤立导体电荷控制方法，由外光电效应可知，当一束频率高于某一临界值的光照在金属材料上时，金属原子会吸收光子并发射电子，发射出的电子具有确定的最大初始动能。将金属板放置于带有电荷的孤立导体旁，由于电荷的作用二者之间会形成一个电场。当向极板照射一定频率的光束使得电子逸出极板表面进入孤立导体，由于电子的不断进入会导致电场不断增强直至电子不能再跨越电场进入孤立导体中，即达到了光电饱和状态。利用这一饱和原理，我们可以将孤立的电荷控制到一个确定值。
此方法具体包括下述步骤：
(1)在被控孤立导体两侧放置两块极板，当在两块极板上加载电压时，极板与孤立导体之间会形成了两个电场，并且孤立导体上的电荷数量分布会随着极板和孤立导体之间的电势差变化而变化；
(2)在一定极板电压下，向其中一块极板照射频率高于金属材料极限频率的光束使一侧达到光电饱和状态从而控制孤立导体这一侧的电荷量达到一个确定值；
(3)关闭光束调节极板电压，再向导体另一侧照射频率高于金属材料极限频率的光束，使孤立导体的另一侧也达到光电饱和状态；
(4)由此通过两次光电饱和状态可以将孤立导体上的电荷钳位到所期望的电荷量上。
为使问题描述更加清晰，下面给出数学表达：
根据外光电效应，当照在金属材料上的光束的频率v超过某一临界值，即光子的能量hv大于金属表面逸出功w时，电子会溢出金属表面。由光电效应方程可知：
Figure BDA0002258937920000041
其中，m是电子的质量，v是电子的逸出速度。也就是说，逸出的电子存在一个初始动能
Figure BDA0002258937920000042
在电场中单个电子受到的电场力为：
Figure BDA0002258937920000051
其中，q为电子的电荷量，
Figure BDA0002258937920000052
为孤立导体与极板之间的电场强度。
单个电子从极板到孤立导体表面克服电场力所做的功为：
Figure BDA0002258937920000053
其中，d为孤立导体表面到极板表面的距离。
当发射出的电子的初始动能Ek大于等于克服电场力所做的功W时，即Ek≥W，电子会进入孤立导体导致导体积累更多的电子，从而使得电场强度不断增强直至电子无法再跨越电场，进而达到了光电饱和状态。
对于临界饱和状态有
Figure BDA0002258937920000054
此时电场强度为：
Figure BDA0002258937920000055
而平行板电容器间的场强为：
Figure BDA0002258937920000056
其中，Q为极板上的电荷量，k为玻尔兹曼常数，S为孤立导体与极板之间的有效正对面积。
结合(4)(5)式可得，达到饱和状态时，由静电平衡原理可知，孤立导体上也带有与极板等量的异种电荷，其电荷量为：
Figure BDA0002258937920000057
假设导体左端分布的电荷为Q1，则
Q1＝C1(UC-U1) (7)
其中，C1为导体左端与一侧极板形成的电容，UC为导体的电势，U1为一侧极板的电势。
同样，导体右端分布的电荷Q2为：
Q2＝C2(UC-U2) (8)
其中C2为导体右端与另一侧极板形成的电容，U2为另一侧极板的电势。
总电荷QC则为导体两端的电荷之和，即
QC＝Q1+Q2 (9)
通过(1)(6)(7)(8)(9)式，可以得到：
Figure BDA0002258937920000061
一旦结构确定，C1，C2均为常数。光照达到饱和后，Q1和Q2的值也可确定，因此可以根据(10)式，通过控制两块金属板的电势差来控制导体上的电荷。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的不依赖测量的孤立导体电荷控制方法，现参照附图并结合具体实例详述如下：
如图2所示，在被控导体两侧放置两块平行极板，在两块极板上加载电压时，由于导体上电荷的作用，两块极板分别与导体两端形成两个电场E1和E2。形成电场的强度与孤立导体上的电荷数量相关，电荷数量越大，场强就越强，反之亦然。孤立导体上的电荷依据静电平衡原理分布在导体两端，并且随两块极板之间电势差的变化而变化，我们将其分别定义为Q1和Q2。
向一侧极板照射频率合适的第一光束，逸出的电子具有向右的初速度v1，受到相反方向的静电力F1，若逸出电子能够跨越孤立导体与极板之间形成的电场E1，即逸出电子的初始动能大于克服电场所做的功(Ek≥W)，则电子会逐渐累积到孤立导体表面，这使电场E1逐渐增强，导致电子跨越电场所需要做的功也随之增多，最终使所需要做的功大于电子的初始动能(Ek＜W)，从而导致逸出的电子不能再跨越电场，而在静电力的作用下返回到极板上，因此极板与导体之间的电场和导体上的电荷数量到达了稳定，即饱和状态，一侧极板或导体右侧的电荷数量可根据(6)式确定。最终可根据(10)式调整两块极板的电势差来控制孤立导体上的总电荷Qc。
进一步考虑，若孤立导体表面电荷超过某一边界值，导体与极板形成的电场过强，导致从极板逸出的电子一开始就不能跨越二者之间形成的电场，即电子的初始动能小于克服电场所做的功(Ek＜W)时，我们在右侧向孤立导体表面照射频率合适的光束使其发射出电子，同样，逸出的电子初速度v2与右侧电场E2的方向相同，与所受到的静电力F2的方向相反，经过一段时间也将达到上述的饱和状态，即可根据(10)式调整两块极板的电势差来控制孤立导体上的总电荷Qc。
因此为了避免孤立导体上电荷数量过多而导致不可控的情况，我们会先后进行上述两个步骤，通过两次光电饱和，根据(10)式，通过调整两块极板的电势差将导体上的电荷钳位至期望值，从而实现对孤立导体电荷的控制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)在被控孤立导体两侧放置两块相互平行的极板，通过在两块极板上加载电压使得极板与孤立导体之间分别形成两个电场，且孤立导体上的电荷数量分布会随着极板和孤立导体之间的电势差变化而变化；
(2)通过向其中一块极板照射第一光束使其一侧达到光电饱和状态从而控制孤立导体这一侧的电荷量达到预设值；
(3)当达到光电饱和状态后关闭所述第一光束，并通过向导体另一侧的极板照射第二光束使孤立导体的另一侧也达到光电饱和状态；
(4)根据加载在两块极板上的电压大小，通过两次光电饱和状态将孤立导体上的电荷钳位到所期望的电荷量上；
其中，在步骤(2)中，当所述第一光束的频率ν超过某一临界值时，电子会溢出金属极板的表面，逸出电子的初始动能
Figure FDA0003085111440000011
m为电子的质量，v为电子的逸出速度；当所述初始动能Ek大于等于克服电场力所做的功W时，电子进入孤立导体导致导体积累更多的电子，使得电场强度不断增强直至电子无法再跨越电场，进而达到了光电饱和状态；
在被控孤立导体与其两侧的极板的位置关系确定后，导体分别与两侧极板形成的电容确定，通过控制两侧极板的电势差实现所述被控孤立导体的电荷控制。
2.如权利要求1所述的孤立导体电荷控制方法，其特征在于，当达到饱和状态时，孤立导体上带有与极板等量的异种电荷，且所述异种电荷的电荷量
Figure FDA0003085111440000012
其中，Q为极板上的电荷量，k为玻尔兹曼常数，d为孤立导体表面到极板表面的距离，S为孤立导体与极板之间的有效正对面积。
3.如权利要求1-2任一项所述的孤立导体电荷控制方法，其特征在于，根据以下公式控制两块极板的电势差将导体上的电荷钳位至期望值，实现对孤立导体电荷的控制；
Figure FDA0003085111440000021
其中，C1为导体与一侧极板形成的电容，C2为导体与另一侧极板形成的电容，U1为一侧极板的电势，U2为另一侧极板的电势，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，ν2为第二次光照时光束的频率，w2为另一侧金属极板的逸出功，d2为导体与另一侧极板形成电容的有效距离，S2为导体与另一侧极板形成电容的有效面积。
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