康偉東，李得天，李 剛，韓曉東

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

引力是自然界中四種基本相互作用力之一[1]。1916年愛因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在[2]。引力參考傳感器是空間引力波探測(cè)衛(wèi)星的主要載荷，傳感器內(nèi)的檢測(cè)質(zhì)量塊是為激光干涉測(cè)量提供慣性基準(zhǔn)的。必須保持檢測(cè)質(zhì)量塊在空間中的自由落體狀態(tài)，才能確保測(cè)量的精確性。但是，空間中的高能粒子穿透到含有檢測(cè)質(zhì)量塊的航天器內(nèi)部，會(huì)使檢測(cè)質(zhì)量塊積累電荷，累積的電荷與周圍的電場(chǎng)、磁場(chǎng)發(fā)生作用，引起相關(guān)干擾噪聲。檢測(cè)質(zhì)量塊與航天器之間沒有直接的機(jī)械連接，為了將積累的電荷控制在要求之內(nèi)，可行的方法是利用光電效應(yīng)原理，例如LISA[3]、GP-B[4]等任務(wù)通過UV燈照射檢測(cè)質(zhì)量塊或者電極籠，將檢測(cè)質(zhì)量塊上積累的電荷轉(zhuǎn)移。

本文采用255 nm UV LED光源對(duì)檢測(cè)質(zhì)量塊進(jìn)行電荷控制，設(shè)計(jì)電荷控制實(shí)驗(yàn)，分析光強(qiáng)、入射角度、壓力以及偏置電壓等因素對(duì)電荷控制的影響，驗(yàn)證電荷控制方法的合理性，為國(guó)內(nèi)空間慣性傳感器的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 電荷控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開始前，用萬用表測(cè)試實(shí)驗(yàn)線路，同時(shí)對(duì)光源進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)各元器件完好之后，開始對(duì)真空室抽氣，維持真空室的溫度不變（室溫），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

電荷控制實(shí)驗(yàn)分為直流電荷控制實(shí)驗(yàn)及交流電荷控制實(shí)驗(yàn)。直流電荷控制實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)質(zhì)量塊放置在具有高絕緣性能材料PEI（聚醚酰亞胺）支撐底座上，使用波長(zhǎng)255 nm UV光直接照射在金屬Al檢測(cè)質(zhì)量塊或電極籠表面，在檢測(cè)質(zhì)量塊和電極籠之間施加偏壓，通過與檢測(cè)質(zhì)量塊連接的皮安計(jì)測(cè)量激發(fā)的光電流。

圖1 直流電荷控制實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 DC charge controlexperimentstructure diagram

圖2為交流電荷控制實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，LED光源與偏置電壓同相調(diào)制，打開LED光源，對(duì)偏置電極施加正偏壓，此時(shí)產(chǎn)生的光電子受到偏置電極吸引，流向偏置電極，檢測(cè)質(zhì)量塊積累正電荷；當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊積累電荷達(dá)到限制時(shí)，LED光源與偏置電壓反相調(diào)制，打開LED光源，對(duì)偏置電極施加負(fù)偏壓，此時(shí)產(chǎn)生的電子受到偏置電極排斥，流向檢測(cè)質(zhì)量塊，檢測(cè)質(zhì)量塊積累負(fù)電荷。

圖2 交流電荷控制實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 AC charge controlexperimentstructure diagram

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 直流控制模式

直流電荷控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其中（a）、（b）、（c）為光源驅(qū)動(dòng)電壓7 V，驅(qū)動(dòng)電流20～90 mA，壓力10-5～103Pa下分別用255 nm UV光垂直照射檢測(cè)質(zhì)量塊、照射電極籠以及同時(shí)照射檢測(cè)質(zhì)量塊和電極籠三種情況下，對(duì)檢測(cè)質(zhì)量塊電荷進(jìn)行控制的結(jié)果。

圖3 直流電荷控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental resultsof DC charge control

由圖3可知，光電流隨光源驅(qū)動(dòng)電流的升高逐漸增大，在一定入射角度和壓力下，飽和光電流隨驅(qū)動(dòng)電流呈線性變化，與理論相符合。通過比較發(fā)現(xiàn)，材料吸收的光能量和光強(qiáng)影響飽和光電流，垂直照射檢測(cè)質(zhì)量塊時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊吸收的光能量最大，發(fā)射出的光電流最大。檢測(cè)質(zhì)量塊和電極籠表面均為光滑的金屬表面，光在其上的反射可以看作為鏡面反射。設(shè)入射光強(qiáng)為I0，反射光強(qiáng)為I1，折射光強(qiáng)為I2，光線照射表面面積為S，入射角為α，折射角為β。按能量守恒有[5-6]：

可得到入射光強(qiáng)為：

由式（1）、式（2）可以看出，反射、折射后的光能量和光強(qiáng)與入射角等有關(guān)。從圖3（a）、（b）、（c）還可以看出，隨著壓力逐漸降低，光電流逐漸增大，在10-4～10-3Pa之間達(dá)到峰值，隨后略有降低。

在10-3～103Pa壓力之間，由于檢測(cè)質(zhì)量塊與電極籠之間的氣體過于稠密，UV光在傳播時(shí)，光線中的部分光子會(huì)被氣體分子所吸收[7]。此外，產(chǎn)生的光電子在檢測(cè)質(zhì)量塊與電極籠之間的碰撞次數(shù)較多，電子易被氣體分子捕獲，因此飽和光電流較小，但是隨著壓力逐漸降低，飽和光電流逐漸增大。

一定壓力下單位體積內(nèi)的分子數(shù)可用式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：p為壓力；n為單位體積內(nèi)的分子數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)1.380 662×10-23J/K，T為溫度（室溫：298.15 K），電子平均自由程λe由式（4）給出。

式中：λm為分子平均自由程；dm為分子直徑。以298 K的空氣為例，10-5Pa壓力時(shí)，不加外電場(chǎng)下λe為6.65×104cm；1 kPa壓力時(shí)，λe為6.65×10-4cm。本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢測(cè)質(zhì)量塊與電極籠之間的距離為10 cm，當(dāng)λe為10 cm時(shí)，計(jì)算壓力大約為10-2Pa。當(dāng)壓力大于10-2Pa時(shí)，λe小于10 cm，電子與空間分子的碰撞次數(shù)較多，飽和光電流較小，且隨壓力變化明顯；當(dāng)壓力小于10-2Pa時(shí)，λe大于10 cm，大部分電子在不發(fā)生碰撞的情況下就被吸收，在此階段飽和光電流隨壓力變化緩慢。

當(dāng)壓力低于10-3Pa時(shí)，隨著壓力的降低，金屬表面吸附的氣體分子減少，表面污染降低，表面功函數(shù)升高，因此在該壓力范圍內(nèi)光電流隨壓力的繼續(xù)降低而緩慢減小。

同時(shí)，光電發(fā)射效率與材料表面狀態(tài)關(guān)系密切，當(dāng)壓力較高時(shí)，金屬表面吸附的電子使得材料功函數(shù)降低，有利于提升光電發(fā)射效率，相反，壓力較低時(shí)，表面相對(duì)清潔，光電發(fā)射效率較低，光電流降低。調(diào)節(jié)偏壓是調(diào)節(jié)光電流的主要方式之一，圖4是光電響應(yīng)隨偏置電壓的變化關(guān)系。由圖4可知，當(dāng)光源驅(qū)動(dòng)電流分別為40 m L、50 m L、60 mL，偏置電壓約為0.75 V時(shí)，產(chǎn)生的光電流均為0 pA。光電子最大初動(dòng)能計(jì)算式如下：

圖4 光電子發(fā)射隨偏置電壓變化曲線Fig.4 Curve of photoelectron em issionw ith bias voltage

將電子質(zhì)量m=9.11×10-31kg，普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·s，入射光頻率υ=1.176×1015Hz，金屬（Al）的功函數(shù)W=4.2 eV帶入式（6），計(jì)算得到光電子最大初動(dòng)能約為0.67 eV，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光電子初動(dòng)能基本吻合。

由圖4可知，當(dāng)偏壓為0 V時(shí)，測(cè)量所得的光電流為負(fù)值，當(dāng)偏壓分別達(dá)到+2 V、-5 V時(shí)，光電流基本飽和。說明不施加偏壓時(shí)，產(chǎn)生的凈光電子（流向檢測(cè)質(zhì)量塊與流向電極籠的光電子之差）流向檢測(cè)質(zhì)量塊。當(dāng)施加的偏壓為正時(shí)，在電場(chǎng)力的作用下，凈光電子流向電極籠；當(dāng)施加的偏壓為負(fù)時(shí)，凈光電子流向檢測(cè)質(zhì)量塊。但隨著正、負(fù)偏壓的繼續(xù)增大，可以看出光電流也在緩慢地增大。這是因?yàn)楫?dāng)金屬表面存在加速電場(chǎng)時(shí)，隨著電壓的增大，電場(chǎng)中的電子獲得的動(dòng)能增加，當(dāng)電子的動(dòng)能高于氣體分子的電離能時(shí)，與氣體分子碰撞電離，產(chǎn)生二次電子。

2.2 交流控制模式

交流電荷控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，當(dāng)氣壓為10-5Pa，偏壓為±5 V，光源驅(qū)動(dòng)電流為40 mA、60%占空比、1 kHz時(shí)，進(jìn)行交流電荷控制，根據(jù)測(cè)量的光電流計(jì)算檢測(cè)質(zhì)量塊上的電荷（Q=It）。在圖5（a）中，當(dāng)交流偏置電壓在正半周期時(shí)，UV燈被打開，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子受到吸引，流向電極籠，使檢測(cè)質(zhì)量塊電荷為正；在圖5（b）中，UV燈的控制電源相位被反轉(zhuǎn)180°，導(dǎo)致光電子被排斥向檢測(cè)質(zhì)量塊，檢測(cè)質(zhì)量塊積累電荷為負(fù)。

圖5 交流電荷控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 AC charge controlexperiment results

放電速率可通過調(diào)節(jié)光源的占空比進(jìn)行控制，采用調(diào)節(jié)UV燈和偏置電壓相位相同或相反來調(diào)節(jié)光電流的方向。在一定占空比之下，調(diào)節(jié)偏置電壓和LED燈之間的相位，也能起到調(diào)節(jié)光電流大小和方向的作用。本論文研究了偏壓為±5 V，光源驅(qū)動(dòng)電流為40 mA、60%占空比、1 kHz下，光電流隨偏置電壓和光源相位差的變化，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，調(diào)節(jié)偏置電壓和光源相位差在0°～360°之間時(shí)，光電流變化在-3～+3 pA之間，當(dāng)相位差分別為25°和195°左右時(shí)，光電流為0；當(dāng)相位差為120°和300°時(shí)，光電流達(dá)到正負(fù)峰值。由此可見，調(diào)節(jié)相位差能夠在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)光電流，這種調(diào)節(jié)機(jī)制可以作為一種輔助機(jī)制對(duì)檢測(cè)質(zhì)量塊進(jìn)行電荷控制。

圖6 光電流隨光源相位差的變化曲線Fig.6 Change of photocurrentw ith phase

3 總結(jié)

使用255 nm UV LED對(duì)引力參考傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊的電荷控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，直流和交流兩種方式均可實(shí)現(xiàn)電流調(diào)控。

在直流電荷控制實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試三種情況下的光電響應(yīng)，垂直入射檢測(cè)質(zhì)量塊所得到的光電流最大，照射電極籠和同時(shí)照射檢測(cè)質(zhì)量塊和電極籠所獲得的控制效果相近。在用20～90 mA驅(qū)動(dòng)光源時(shí)，光電流在0～10 pA之間變化，光電流隨光源驅(qū)動(dòng)電流的增大而增大，隨壓力的降低而增大。光電子發(fā)射出來時(shí)具有初動(dòng)能，施加外電場(chǎng)能夠抵消或者加速光電子的初動(dòng)能，根據(jù)電場(chǎng)的方向能夠控制光電流的方向。

在交流電荷控制實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)光源的占空比和相位均能控制光電流的大小，調(diào)節(jié)偏置電壓和光源的相位可以控制電荷轉(zhuǎn)移的方向，交流電荷可以將光電流變化控制在-3～+3 pA之間。相較于直流控制，交流控制引入的干擾更小，能夠在測(cè)量頻帶之外進(jìn)行電荷控制，同時(shí)更加方便快捷，能夠?qū)z測(cè)質(zhì)量塊電荷進(jìn)行跟隨控制。