[发明专利]一种不依赖测量的孤立导体电荷控制方法

说明书

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。

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E_k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；