引力参考传感器检测质量块电荷UV光调控技术研究

康伟东，李得天，李 刚，韩晓东

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

引力是自然界中四种基本相互作用力之一[1]。1916年爱因斯坦根据广义相对论预言了引力波的存在[2]。引力参考传感器是空间引力波探测卫星的主要载荷，传感器内的检测质量块是为激光干涉测量提供惯性基准的。必须保持检测质量块在空间中的自由落体状态，才能确保测量的精确性。但是，空间中的高能粒子穿透到含有检测质量块的航天器内部，会使检测质量块积累电荷，累积的电荷与周围的电场、磁场发生作用，引起相关干扰噪声。检测质量块与航天器之间没有直接的机械连接，为了将积累的电荷控制在要求之内，可行的方法是利用光电效应原理，例如LISA[3]、GP-B[4]等任务通过UV灯照射检测质量块或者电极笼，将检测质量块上积累的电荷转移。

本文采用255 nm UV LED光源对检测质量块进行电荷控制，设计电荷控制实验，分析光强、入射角度、压力以及偏置电压等因素对电荷控制的影响，验证电荷控制方法的合理性，为国内空间惯性传感器的研制提供技术基础。

1 电荷控制实验

实验开始前，用万用表测试实验线路，同时对光源进行测试，确认各元器件完好之后，开始对真空室抽气，维持真空室的温度不变（室温），进行实验。

电荷控制实验分为直流电荷控制实验及交流电荷控制实验。直流电荷控制实验结构如图1所示。检测质量块放置在具有高绝缘性能材料PEI（聚醚酰亚胺）支撑底座上，使用波长255 nm UV光直接照射在金属Al检测质量块或电极笼表面，在检测质量块和电极笼之间施加偏压，通过与检测质量块连接的皮安计测量激发的光电流。

图1 直流电荷控制实验结构图Fig.1 DC charge controlexperimentstructure diagram

图2为交流电荷控制实验装置结构图。实验开始时，LED光源与偏置电压同相调制，打开LED光源，对偏置电极施加正偏压，此时产生的光电子受到偏置电极吸引，流向偏置电极，检测质量块积累正电荷；当检测质量块积累电荷达到限制时，LED光源与偏置电压反相调制，打开LED光源，对偏置电极施加负偏压，此时产生的电子受到偏置电极排斥，流向检测质量块，检测质量块积累负电荷。

图2 交流电荷控制实验装置结构图Fig.2 AC charge controlexperimentstructure diagram

2 实验结果与讨论

2.1 直流控制模式

直流电荷控制实验结果如图3所示，其中（a）、（b）、（c）为光源驱动电压7 V，驱动电流20～90 mA，压力10-5～103Pa下分别用255 nm UV光垂直照射检测质量块、照射电极笼以及同时照射检测质量块和电极笼三种情况下，对检测质量块电荷进行控制的结果。

图3 直流电荷控制实验结果Fig.3 Experimental resultsof DC charge control

由图3可知，光电流随光源驱动电流的升高逐渐增大，在一定入射角度和压力下，饱和光电流随驱动电流呈线性变化，与理论相符合。通过比较发现，材料吸收的光能量和光强影响饱和光电流，垂直照射检测质量块时，检测质量块吸收的光能量最大，发射出的光电流最大。检测质量块和电极笼表面均为光滑的金属表面，光在其上的反射可以看作为镜面反射。设入射光强为I0，反射光强为I1，折射光强为I2，光线照射表面面积为S，入射角为α，折射角为β。按能量守恒有[5-6]：

可得到入射光强为：

由式（1）、式（2）可以看出，反射、折射后的光能量和光强与入射角等有关。从图3（a）、（b）、（c）还可以看出，随着压力逐渐降低，光电流逐渐增大，在10-4～10-3Pa之间达到峰值，随后略有降低。

在10-3～103Pa压力之间，由于检测质量块与电极笼之间的气体过于稠密，UV光在传播时，光线中的部分光子会被气体分子所吸收[7]。此外，产生的光电子在检测质量块与电极笼之间的碰撞次数较多，电子易被气体分子捕获，因此饱和光电流较小，但是随着压力逐渐降低，饱和光电流逐渐增大。

一定压力下单位体积内的分子数可用式（3）进行计算。

式中：p为压力；n为单位体积内的分子数；k为玻耳兹曼常数1.380 662×10-23J/K，T为温度（室温：298.15 K），电子平均自由程λe由式（4）给出。

式中：λm为分子平均自由程；dm为分子直径。以298 K的空气为例，10-5Pa压力时，不加外电场下λe为6.65×104cm；1 kPa压力时，λe为6.65×10-4cm。本研究实验设计的检测质量块与电极笼之间的距离为10 cm，当λe为10 cm时，计算压力大约为10-2Pa。当压力大于10-2Pa时，λe小于10 cm，电子与空间分子的碰撞次数较多，饱和光电流较小，且随压力变化明显；当压力小于10-2Pa时，λe大于10 cm，大部分电子在不发生碰撞的情况下就被吸收，在此阶段饱和光电流随压力变化缓慢。

当压力低于10-3Pa时，随着压力的降低，金属表面吸附的气体分子减少，表面污染降低，表面功函数升高，因此在该压力范围内光电流随压力的继续降低而缓慢减小。

同时，光电发射效率与材料表面状态关系密切，当压力较高时，金属表面吸附的电子使得材料功函数降低，有利于提升光电发射效率，相反，压力较低时，表面相对清洁，光电发射效率较低，光电流降低。调节偏压是调节光电流的主要方式之一，图4是光电响应随偏置电压的变化关系。由图4可知，当光源驱动电流分别为40 m L、50 m L、60 mL，偏置电压约为0.75 V时，产生的光电流均为0 pA。光电子最大初动能计算式如下：

图4 光电子发射随偏置电压变化曲线Fig.4 Curve of photoelectron em issionw ith bias voltage

将电子质量m=9.11×10-31kg，普朗克常数h=6.626×10-34J·s，入射光频率υ=1.176×1015Hz，金属（Al）的功函数W=4.2 eV带入式（6），计算得到光电子最大初动能约为0.67 eV，计算结果与实验测得的光电子初动能基本吻合。

由图4可知，当偏压为0 V时，测量所得的光电流为负值，当偏压分别达到+2 V、-5 V时，光电流基本饱和。说明不施加偏压时，产生的净光电子（流向检测质量块与流向电极笼的光电子之差）流向检测质量块。当施加的偏压为正时，在电场力的作用下，净光电子流向电极笼；当施加的偏压为负时，净光电子流向检测质量块。但随着正、负偏压的继续增大，可以看出光电流也在缓慢地增大。这是因为当金属表面存在加速电场时，随着电压的增大，电场中的电子获得的动能增加，当电子的动能高于气体分子的电离能时，与气体分子碰撞电离，产生二次电子。

2.2 交流控制模式

交流电荷控制实验结果如图5所示，当气压为10-5Pa，偏压为±5 V，光源驱动电流为40 mA、60%占空比、1 kHz时，进行交流电荷控制，根据测量的光电流计算检测质量块上的电荷（Q=It）。在图5（a）中，当交流偏置电压在正半周期时，UV灯被打开，短时间内产生的光电子受到吸引，流向电极笼，使检测质量块电荷为正；在图5（b）中，UV灯的控制电源相位被反转180°，导致光电子被排斥向检测质量块，检测质量块积累电荷为负。

图5 交流电荷控制实验结果Fig.5 AC charge controlexperiment results

放电速率可通过调节光源的占空比进行控制，采用调节UV灯和偏置电压相位相同或相反来调节光电流的方向。在一定占空比之下，调节偏置电压和LED灯之间的相位，也能起到调节光电流大小和方向的作用。本论文研究了偏压为±5 V，光源驱动电流为40 mA、60%占空比、1 kHz下，光电流随偏置电压和光源相位差的变化，结果如图6所示。由图可知，调节偏置电压和光源相位差在0°～360°之间时，光电流变化在-3～+3 pA之间，当相位差分别为25°和195°左右时，光电流为0；当相位差为120°和300°时，光电流达到正负峰值。由此可见，调节相位差能够在一定范围内连续调节光电流，这种调节机制可以作为一种辅助机制对检测质量块进行电荷控制。

图6 光电流随光源相位差的变化曲线Fig.6 Change of photocurrentw ith phase

3 总结

使用255 nm UV LED对引力参考传感器检测质量块的电荷控制进行了设计和实验，直流和交流两种方式均可实现电流调控。

在直流电荷控制实验中，测试三种情况下的光电响应，垂直入射检测质量块所得到的光电流最大，照射电极笼和同时照射检测质量块和电极笼所获得的控制效果相近。在用20～90 mA驱动光源时，光电流在0～10 pA之间变化，光电流随光源驱动电流的增大而增大，随压力的降低而增大。光电子发射出来时具有初动能，施加外电场能够抵消或者加速光电子的初动能，根据电场的方向能够控制光电流的方向。

在交流电荷控制实验中，调节光源的占空比和相位均能控制光电流的大小，调节偏置电压和光源的相位可以控制电荷转移的方向，交流电荷可以将光电流变化控制在-3～+3 pA之间。相较于直流控制，交流控制引入的干扰更小，能够在测量频带之外进行电荷控制，同时更加方便快捷，能够对检测质量块电荷进行跟随控制。