Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 116
Скачиваний: 0
Для низких и сверхнизких температур может быть использо вано уплотнение (на основе фторопласта-4 [42]), общий вид кото рого приведен на рис. 54. Зажимные фланцы 1 и 2 изготавливаются из бронзы, причем радиальные зазоры между этими фланцами долж ны быть не более 0,05 мм, а поверхности, между которыми зажима ется фторопластовая плоская прокладка, обрабатываются по 7-му классу точности. Ввиду малой толщины фторопластовой прокладки (0,1—0,15 мм) герметичность при р~1,4-10-4 НІлі2 обеспечивает ся в широком диапазоне температур — от комнатной до 1,5° К, причем такое уплотнение не нуждается в дополнительной подтяжке болтов даже после десяти охлаждений.
Раздел четвертый
уИ//7’-ИЗМЕРЕНИЯ
В настоящем разделе будут рассмотрены некоторые специаль ные методы измерений малых изменений массы М (веса) тел, дли ны L и времени Т. Такие измерения широко применяются для обнаружения тонких гравитационных эффектов, например воз можной регистрации гравитационных волн,- а также в некоторых специальных магнитных измерениях, в частности, при определении восприимчивости диа- и парамагнетиков, измерении градиентов магнитного поля и др. Отметим, что измерения веса могут быть сведены к измерениям длины — перемещению коромысла весов, которое может быть зарегистрировано специальными методами, изложенными ниже.
Что касается временных измерений, то мы остановимся лишь на одном частном вопросе, а именно, на создании высокостабильных эталонов частоты (времени), которые могут быть использованы, на пример, при проверке некоторых выводов специальной и общей теории относительности, для построения высокочувствительных датчиков линейных смещений, стабильных радиоэлектронных схем и др.
Г л а в а 1
ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ РАЗНОСТЕЙ СИЛ И МАСС
§1. Высокочувствительные дифференциальные весы
срадиотехнической регистрирующей системой
Для повышения чувствительности весов произвольной конст рукции до ее предельного значения, которое определяется тепло выми флуктуациями — броуновским движением молекул, необ ходимо:
1) максимально уменьшить «сухое» трение (трение покоя) в системе подвеса коромысла и груза (пробных масс),
2)снизить до минимального значения различного рода внешние помехи — вибрации, акустические шумы, воздушные конвекцион ные потоки и т. д., т. е. все «внешние», нетепловые шумы (помехи),
3)максимально повысить чувствительность системы регистра ции амплитуды смещения коромысла весов от их начального (нуле вого) положения;
4)использовать (по возможности) резонансьые методы измере ний путем «раскачки» весов в резонанс при строгом соблюдении необходимых фазовых соотношений, что позволит, во-первых, уве личить чувствительность в Q раз (Q — механическая добротность колеблющейся системы весов) и, во-вторых, снизить влияние не стабильности и «сползания нуля», которые имеют место в «статиче ских» измерениях.
Для выполнения первого из этих требований идеальным подве сом коромысла весов является так называемый свободный подвес — магнитный подвес со следящей системой, который будет описан
ниже.
Более простым способом является замена обычных опорных призм тонкими металлическими (например, вольфрамовыми) нитя ми, на которых крепится коромысло. При работе «на скручивание» в области очень малых изменений узлов сухое трение практически не обнаруживается вплоть до значений АF< ІО-11 Я, что при весе образцов порядка 0,1 Я составляет относительную величину AF/F~ ~ 1 0 -10.
Снижение внешних вибраций достигается тем, что весы ставят на специальные резиновые амортизаторы, укрепленные либо на независимом фундаменте подвального помещения, либо на капи тальной стене здания, по возможности ближе к его фундаменту. Уменьшение конвекционных потоков воздуха достигают путем по мещения весов в вакуум порядка 10-г—-ІО-3 НІм2 (это к тому же увеличивает механическую добротность весов Q). Повышение чув ствительности системы регистрации достигается путем применения специальных радиотехнических и оптических методов, о которых пойдет речь в следующих параграфах.
153
Рис. 55. Дифференциальные весы В. Б. Брагинского с радиотехнической систе мой регистрации отклонений коромысла
1 . 2 — грузы; 3 — вольфрамовая нить подвеса коромысла; 4 — коромысло; 5 — емкост ной датчик; 6 — градуировочный конденсатор; 7. 8 — окна
Ниже описаны высокочувствительные дифференциальные весы, предложенные В. Б. Брагинским [1].
Весы состоят из разборного коромысла 4 (рис. 55), которое стя гивается болтами и зажимает молибденовую проволоку 3, служа щую в качестве системы подвеса, и упругого элемента — возврат ной пружины.
154
Жесткость Такой системы равйа —6,4 • ІО-4 Н/сМ для йертикйлЬ1 но приложенной к грузу 2 силы F. Коромысло 4 и грузы 1 и 2 — медные или латунные. При массе груза т = 500 г период колебаний весов т равен 25 с. Достаточно высокая механическая добротность (Q=120) обусловлена тем, что вся механическая система весов по мещена в вакуум ~ 1,9-10° НІм2, создаваемый диффузионным на сосом, в разборном кожухе из латуни и бронзы с окошками 7 и 8.
Система регистрации смещений (колебаний коромысла весов) состоит из емкостного датчика (емкости конденсатора), образован ного между изолированной пластиной 6 и нижней гранью груза 2,
и из |
специальной |
радиотехнической схемы (рис. 56) регистра |
ции |
малых колебаний. |
|
Имитация силы, действующей на систему, производится путем |
||
подачи напряжения |
на пластины конденсатора 1—5. Сила притя |
|
жения между пластинами для плоского конденсатора равна, как известно
Fk = Ulo(8nd*)-\ |
(4.1) |
где а — площадь пластины; d—расстояние между обкладками кон денсатора. Путем подачи серии последовательных импульсов извест ной амплитуды можно, например, «раскачать» весы и определить их динамическую и статическую чувствительности.
Емкостной датчик регистрации малых смещений работает сле дующим образом.
При изменении его емкости происходит расстройка колебатель ного контура LC (рис. 56), питаемого от генератора на лампе 2С14Б, в результате чего напряжение на контуре изменяется:
|
AUü~Q,5Q9nU0d r ' Adc, |
(4.2) |
|
(здесь |
U о — напряжение |
на контуре; dc — зазор |
между пласти |
нами |
емкостного датчика; |
Аdc — изменение этого |
зазора). Рабо |
чая точка при этом выбрана на склоне резонансной кривой конту
ра |
(оптимальная |
настройка), т. е. частота со генератора равна со0 ± |
± |
А®, где Асо ~ |
со 0/QaJI, Qan—добротность контура. |
После детектирования (диоды D2E) и усиления (лампа 1П4Б) результирующий сигнал поступает на катодный повторитель (6Н1П)
и далее — на самописец ПС101. |
Чувствительность датчика при |
||
Uо = 6 В, dc = |
2 мм составляет около 1500 В!см, что |
достаточно |
|
для регистрации |
смещений ~ 10 -6 |
см в динамическом |
режиме. |
Система калибровки весов проверяется по наличию квадратич ной зависимости выходного сигнала от величины калибровочного напряжения на конденсаторе 1—5. С целью уменьшения влияния паразитной индуктивности коромысла весов на калибровочные измерения используется делитель напряжения (рис. 56).
|
Нестабильность весов, обусловленная дрейфом рабочего зазо |
|
ра |
емкостного датчика dc, не превышает —0,1 йсС£л |
за время |
~ 8 |
час и устанавливается через 10—20 дней после их |
сборки и |
регулировки. Подстройка весов в дальнейшем может осуществлять-
\155
:-І І |
|
І |
І |
ск |
, |
|
5? |
S- |
£$ |
о? |
|
T^âJ |
^â |
Т |
ЙІГfJ |
3
— J 300 c K -
if
Рис. 57. Отрезок записи колебании коромысла весов
а — амплитуда колебаний; б (о)р — изменение амплитуды, разрешимое с достоверностью р
ся простой подстройкой высокочастотного генератора емкостного датчика путем установки его частоты в пределах «склона» резонан сной кривой измерительного контура.
На рис. 57 [1] приведен отрезок записи колебаний весов (уча сток 1—3), «нулевые колебания» (участок 2—3) и отклик весов на импульсное воздействие системы калибровки при длительности импульса А ^ т 0 = 25 с.
Масштаб колебаний весов определяется вычислением по из вестному моменту инерции коромысла с грузами и импульсу силы.
Величина различимых колебаний составляет около 6-10“ 8 см\ с применением статистической обработки (t — критерий Стьюдента) эта величина может быть уменьшена. Так, при достоверности 0,95 и времени наблюдения т = 700 с разрешимая величина ампли
туды колебаний |
б (а) 0 95 = 1,1 - 10- 8 см, а при достоверности |
0,999 б (а) = 1,9 |
-10"8 см. |
Обнаруживаемая величина амплитуды колебаний весов б (а) = = 1,1 ■ІО-8 см может быть получена, например, путем воздействия на систему весов цуга периодически меняющейся (с периодом т 0 =
=25 с) силы, при длительности цуга 700 с и амплитуде AF0l95 =
=5,6 -ІО-12 Н (для уровня достоверности б0і999 величина AFQ>909 должна равняться —9,6-ІО-12 Я при той же длительности цуга). Практически воздействие на систему периодической силы удобно проводить по измерению амплитуды колебаний весов, записывая ее среднее значение для двух случаев — в отсутствие и при наличии цуга (см. гл. 1). Относительная чувствительность таких весов
156
АF/F ~ 1 -10_І2 при времени наблюдения т = |
1,4 • 10й с в динами |
|
ческом режиме и ~ 2 -10 -9 с при статических |
измерениях измене |
|
ний. веса. |
|
|
Если использовать среднеквадратическую оценку флуктуацион- |
||
ных колебаний |
весов в спокойном состоянии (7/^2 = 1 • Ю~8-^ |
|
-=-1,5-10~в см) и |
ввести эффективную температуру, определяемую |
|
теоремой Найквиста, то эта температура будет равна Т ~ (5- ІО5
~ 10°) °К, что |
свидетельствует о преобладании нетеплового шу |
ма (вибрации, |
акустики и др.). Такое значение эквивалентной тем |
пературы вообще характерно для лабораторных условий, когда измерительная система не отделена от фундамента специальным ус тройством гашения сейсмических воздействий, для которой спект ральная плотность шума в области частот порядка десятых долей герца составляет около ІО- 8—ІО-9 см*/гц.
Эти сейсмические колебания раскачивают измерительную си стему весов, обусловливая их «нулевые колебания», поскольку они действуют главным образом в вертикальном направлении. Что же касается крутильных весов, на которых измерения сил проводятся в горизонтальной плоскости, то там действие «сейсми ки» на несколько порядков меньше.
Так, в некоторых случаях удается достигнуть чувствительности до (АF/F)0>as ~ 2 -10-14 при времени наблюдения т = ІО5 с [2, 3].
§2. Высокочувствительные крутильные весы
смагнитным подвесом
Одним из способов уменьшения влияния функций на измери тельную систему типа крутильных весов является снижение коэф фициента диссипативных потерь Я системы подвеса, что непосред ственно следует из формулы Найквиста.
Применяемые обычно тонкие вольфрамовые нити в системе под веса коромысла являются источником флуктуаций, ограничиваю щих предельную добротность Q величиной —10“1, поэтому исполь зование магнитного подвеса коромысла, добротность которого QraaX может превышать 1010, является весьма перспективным.
Необходимую колебательную жесткость системы можно осуще ствить, например, с помощью электрического поля дифференциаль ного конденсатора; при этом, очевидно, электрическая схема не должна вносить диссипативные потери, заметно уменьшающие величину Qmax.
Прежде чем переходить к описанию системы магнитного под веса, проанализируем те предельные возможности, которые могут быть получены в условиях, близких к идеальным, а именно, при наличии предельного вакуума, отсутствии влияния сейсмических; воздействий, тепловой конвекции и различных. электромагнитных помех на систему свободного подвешенного ротора коромысла кру тильных весов, находящегося в массивном металлическом экране.
157
