CN111427403A - 一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法及装置，在孤立导体的正对面放置金属极板；所述金属极板的电势为目标电势；向所述孤立导体投射第一光束，向所述金属极板投射第二光束；所述第一光束的频率大于所述孤立导体的极限频率，所述第二光束的频率大于所述金属极板的极限频率，所述极限频率为能使物体表面逸出光电子的频率；所述第一光束会反射到所述金属极板，所述第二光束会反射到所述孤立导体；通过控制所述第一光束的功率和第二光束的功率，使得孤立导体与金属极板的电势差为零，进而使得孤立导体的电势达到所述目标电势。本发明通过调节两束光束的功率，可实现不加测量即对孤立导体表面电势的控制。

Description

一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法及装置

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的电势控制方法及装置。

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导致电荷的积累，从而使得孤立导体具有一定的电势。随着电荷的积累，孤立导体上电势会逐渐升高。由此孤立导体与周围器件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势进行控制。

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，由光电效应导致电子进入或逸出敏感探头从而使敏感探头电势降至期望以下。由于在LISA Pathfinder中，敏感探头的电势与电荷成正比，系数为周围总电容的倒数，因此对于LISA Pathfinder而言，对孤立导体电荷的控制即对电势的控制。这种方案在实施光照前需要对导体的电荷量进行精确的测量，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，本发明的目的在于解决现有孤立导体的电势控制方法操作复杂的技术问题，如精密测量中孤立导体的累积电荷所造成的干扰问题，实现了不需对孤立导体上电势的测量即可进行控制。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法，包括：

在孤立导体的正对面放置金属极板；所述金属极板的电势为目标电势；

向所述孤立导体投射第一光束，向所述金属极板投射第二光束；所述第一光束的频率大于所述孤立导体的极限频率，所述第二光束的频率大于所述金属极板的极限频率，所述极限频率为能使物体表面逸出光电子的频率；所述第一光束会反射到所述金属极板，所述第二光束会反射到所述孤立导体；

通过控制所述第一光束的功率和第二光束的功率，使得孤立导体与金属极板的电势差为零，进而使得孤立导体的电势达到所述目标电势。

可选地，所述孤立导体上产生的光电子数N_{pe_iso}为：

其中，λ为入射光的波长，c为光速，h为普朗克常数，e为单个电子的电荷量，α为光照的入射角，

为光束照在孤立导体上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_iso_i}为孤立导体上第i个区域的内量子产率，β_{iso_i}(V_d,φ_{iso_i})为由孤立导体产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{iso_i}为孤立导体的逸出功，P_iso为照射到孤立导体表面的光束功率，k_{iso_i}为与孤立导体有关的系数。

可选地，所述金属极板上产生的光电子数N_{pe_ele}为：

其中，

为光束照在金属极板上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_ele_i}为金属极板上第i个区域的内量子产率，β_{ele_i}(V_d,φ_{ele_i})为由金属极板产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{ele_i}为金属极板的逸出功，P_ele为照射到金属极板表面的光束功率，k_{ele_i}为与金属极板相关的系数。

可选地，所述目标电势为任一电势。

第二方面，本发明提供一种不依赖测量的孤立导体的电势控制装置，包括：金属极板；

所述金属极板放置在孤立导体的正对面；所述金属极板的电势为目标电势；

向所述孤立导体投射第一光束，向所述金属极板投射第二光束；所述第一光束的频率大于所述孤立导体的极限频率，所述第二光束的频率大于所述金属极板的极限频率，所述极限频率为能使物体表面逸出光电子的频率；所述第一光束会反射到所述金属极板，所述第二光束会反射到所述孤立导体；

通过控制所述第一光束的功率和第二光束的功率，使得孤立导体与金属极板的电势差为零，进而使得孤立导体的电势达到所述目标电势。

可选地，所述孤立导体上产生的光电子数N_{pe_iso}为：

其中，λ为入射光的波长，c为光速，h为普朗克常数，e为单个电子的电荷量，α为光照的入射角，

为光束照在孤立导体上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_iso_i}为孤立导体上第i个区域的内量子产率，β_{iso_i}(V_d,φ_{iso_i})为由孤立导体产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{iso_i}为孤立导体的逸出功，P_iso为照射到孤立导体表面的光束功率，k_{iso_i}为与孤立导体有关的系数。

可选地，所述金属极板上产生的光电子数N_{pe_ele}为：

其中，

为光束照在金属极板上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_ele_i}为金属极板上第i个区域的内量子产率，β_{ele_i}(V_d,φ_{ele_i})为由金属极板产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{ele_i}为金属极板的逸出功，P_ele为照射到金属极板表面的光束功率，k_{ele_i}为与金属极板相关的系数。

可选地，所述目标电势为任一电势。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法及装置，分别向孤立导体和金属极板照射频率足够高的光束，孤立导体和金属极板激发出电荷，根据导体表面光电流的特性，通过调整两束光照的功率，可使孤立导体与金属极板逸出的光电子数量相同，最终在电场的作用下孤立导体与金属极板能够实现等电位。本发明通过调节两束光束的功率，可实现不加测量即对孤立导体表面电势的控制。

(2)本发明提供一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法及装置，此方法对孤立导体无任何机械连接，在控制过程中不引入机械热噪声等外部干扰。

(3)本发明提供一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法及装置，结构简单，操作简单，只需额外一块金属极板和两束分别高于金属极板和孤立导体极限频率的光照即可。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于光功率补偿控制孤立导体表面电势方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的基于光功率补偿控制孤立导体表面电势方法的基本原理示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1表示为孤立导体，2表示为金属极板，3和4分别表示为照向金属极板和孤立导体的光束。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有孤立导体的电势控制方法操作复杂的技术问题，具体如精密测量中孤立导体的累积电荷所造成的干扰问题，实现了不需对孤立导体上电荷的测量即可进行控制。

由外光电效应可知，当一束能量高于金属材料逸出功的光照在金属材料上时，金属原子会吸收光子并发射出电子。将一块金属板放置于被控孤立导体旁，并使金属极板连接到目标电势(如接地)，分别向孤立导体和金属极板照射频率足够高的光束，孤立导体和金属极板激发出电荷，根据导体表面光电流的特性，通过调整两束光照的功率，可使孤立导体与金属极板逸出的光电子数量相同，最终在电场的作用下孤立导体与金属极板能够实现等电位，因此达到了控制孤立导体电势的目的。

图1是本发明实施例提供的基于光功率补偿控制孤立导体表面电势方法的实现流程图，如图1所示，此方法具体包括下述步骤：

(1)在被控孤立导体旁放置一块极限频率合适的金属极板，并使金属极板连接到目标电势(如接地)，准备两束频率足够高的光束A和B；

(2)使光束A照向金属极板表面，光束B照向孤立导体表面；

(3)调节光束A和光束B的功率，使金属极板与孤立导体逸出的光电子数量相同；

(4)由于电场与光电流的共同作用，经过一段时间两者就能实现等电位状态，即实现了控制孤立导体表面电势的目的。

为使问题描述更加清晰，下面给出数学表达：

考虑在入射时被能量hν的光子照亮的表面的区域dxdy，其产生的光电流dI_pe为：

dI_pe＝kN_v(x,y,α)(hv-φ(x,y))²(1-R(v,α))p_esc(α)dvdαdxdy (1)

其中，k为常数，h为普朗克常数，ν为入射光的频率，α为光照的入射角，x为单位区域的横坐标，y为单位区域的纵坐标，N_v(x,y,α)为入射光子光谱数密度，φ(x,y)为金属表面逸出功函数，R(v,α)为入射反射率，p_esc(α)为光电子逃脱系数。

则总的光电流I_pe为：

I_pe＝∫dI_pe (2)

那么外量子产率QY_ext为：

QY_ext＝I_pe/∫N_v(x,y,α)dαdxdy (3)

其中，QY是量子产率quantum yield的缩写。

假设所有的光都照射在即使表面，则有：

其中P为入射光的功率，λ为入射光的波长，c为光速。

由于金属表面存在反射，则内量子产率QY_int为：

其中L_a(α)为与入射角度α相关的反射效率。

那么在单位时间dt内第i个区域产生的光电子数N_{pe_i}为：

其中e为单个光电子的电荷量。

另外考虑到孤立导体与金属极板之间的电势差对光电子数的影响，实际在单位时间dt内产生的光电子数N_{pe_i}为：

其中V_d为二者之间的电势差，β_i(V_d,φ_i)为能够跨越电场V_d的光电子比例，L_{a i}(α)为第i个区域与入射角度α相关的反射效率，QY_{int_i}为第i个区域的外量子产率，φ_i为第i个区域的金属表面逸出功。

则对应于孤立导体上产生的光电子数N_{pe_iso}为：

金属极板上产生的光电子数N_{pe_ele}为：

其中P_iso和P_ele分别为照射到孤立导体和金属极板表面的光束功率。

为了使孤立导体光电子数与金属极板保持一致，则需要：

∫N_{pe_iso_i}＝∫N_{pe_ele_i} (10)

也即：

∫k_{iso_i}P_iso＝∫k_{ele_i}P_ele (11)

因此可以通过控制两束光照之间的功率差异使孤立导体与金属极板的光电子数保持一致，由于电场与光电流的共同作用，经过一段时间两者就能实现等电位状态，这样便可以控制孤立导体的表面电势。

如图2所示，在被控孤立导体1旁放置一块金属极板2，使金属极板2连接到目标电势(如接地)，向金属极板2照射频率高于极板极限频率的光束3，使极板激发出光电子；向孤立导体照射频率高于孤立导体极限频率的光束4，使孤立导体也激发出光电子，根据(11)式，通过调整两束光照的功率，使孤立导体的光电子数与金属极板保持一致，由于电场与光电流的共同作用，经过一段时间两者就能实现等电位状态，这样便实现了孤立导体的电势控制。

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 (8)

1.一种不依赖测量的孤立导体的电势控制方法，其特征在于，包括：

在孤立导体的正对面放置金属极板；所述金属极板的电势为目标电势；

向所述孤立导体投射第一光束，向所述金属极板投射第二光束；所述第一光束的频率大于所述孤立导体的极限频率，所述第二光束的频率大于所述金属极板的极限频率，所述极限频率为能使物体表面逸出光电子的频率；所述第一光束会反射到所述金属极板，所述第二光束会反射到所述孤立导体；

通过控制所述第一光束的功率和第二光束的功率，使得孤立导体与金属极板的电势差为零，进而使得孤立导体的电势达到所述目标电势。

2.根据权利要求1所述的不依赖测量的孤立导体的电势控制方法，其特征在于，所述孤立导体上产生的光电子数N_{pe_iso}为：

其中，λ为入射光的波长，c为光速，h为普朗克常数，e为单个电子的电荷量，α为光照的入射角，

为光束照在孤立导体上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_iso_i}为孤立导体上第i个区域的内量子产率，β_{iso_i}(V_d,φ_{iso_i})为由孤立导体产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{iso_i}为孤立导体的逸出功，P_iso为照射到孤立导体表面的光束功率，k_{iso_i}为与孤立导体有关的系数。

3.根据权利要求1所述的不依赖测量的孤立导体的电势控制方法，其特征在于，所述金属极板上产生的光电子数N_{pe_ele}为：

其中，

为光束照在金属极板上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_ele_i}为金属极板上第i个区域的内量子产率，β_{ele_i}(V_d,φ_{ele_i})为由金属极板产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{ele_i}为金属极板的逸出功，P_ele为照射到金属极板表面的光束功率，k_{ele_i}为与金属极板相关的系数。

4.根据权利要求1至3任一项所述的不依赖测量的孤立导体的电势控制方法，其特征在于，所述目标电势为任一电势。

5.一种不依赖测量的孤立导体的电势控制装置，其特征在于，包括：金属极板；

所述金属极板放置在孤立导体的正对面；所述金属极板的电势为目标电势；

向所述孤立导体投射第一光束，向所述金属极板投射第二光束；所述第一光束的频率大于所述孤立导体的极限频率，所述第二光束的频率大于所述金属极板的极限频率，所述极限频率为能使物体表面逸出光电子的频率；所述第一光束会反射到所述金属极板，所述第二光束会反射到所述孤立导体；

通过控制所述第一光束的功率和第二光束的功率，使得孤立导体与金属极板的电势差为零，进而使得孤立导体的电势达到所述目标电势。

6.根据权利要求5所述的不依赖测量的孤立导体的电势控制装置，其特征在于，所述孤立导体上产生的光电子数N_{pe_iso}为：

其中，λ为入射光的波长，c为光速，h为普朗克常数，e为单个电子的电荷量，α为光照的入射角，

为光束照在孤立导体上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_iso_i}为孤立导体上第i个区域的内量子产率，β_{iso_i}(V_d,φ_{iso_i})为由孤立导体产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{iso_i}为孤立导体的逸出功，P_iso为照射到孤立导体表面的光束功率，k_{iso_i}为与孤立导体有关的系数。

7.根据权利要求5所述的不依赖测量的孤立导体的电势控制装置，其特征在于，所述金属极板上产生的光电子数N_{pe_ele}为：

其中，

为光束照在金属极板上与入射角α相关的反射效率，QY_{int_ele_i}为金属极板上第i个区域的内量子产率，β_{ele_i}(V_d,φ_{ele_i})为由金属极板产生的能跨越电场V_d的光电子的比例，V_d为孤立导体和金属极板之间的电势差，φ_{ele_i}为金属极板的逸出功，P_ele为照射到金属极板表面的光束功率，k_{ele_i}为与金属极板相关的系数。

8.根据权利要求5至7任一项所述的不依赖测量的孤立导体的电势控制装置，其特征在于，所述目标电势为任一电势。

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