[发明专利]基于精密扭秤周期法的微电量测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电量测量装置及方法，尤其是一种基于精密扭秤周期法的微电量测量装置及方法，属于微电量测量技术领域。

背景技术

微电量的测量使物理分析从定性跨越到定量计算和精密测量，而目前对微电量的测量，特别是元电荷e的检测一直是困扰实验物理学家的一个难题，直到1907-1913美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验才将这个问题解决。但随后实现微电量测量的方案不多，电子全息法实现约10^-16库仑的微电量测量，但需要特制检测样品；电解水法可测量电子电荷量；扭秤法一般用于验证库仑定律，根据同种电荷互相排斥，扭秤法通过测量扭丝的扭转角或摆幅获得电量的大小。但测量微电量时扭转角极小，受空气扰动及环境各种因素影响，扭秤平衡位置漂移不定，导致扭转角或摆幅测量准确度低。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种受环境影响的程度低，测量精度高的基于精密扭秤周期法的微电量测量装置。

本发明的另一目的在于提供一种基于精密扭秤周期法的微电量测量方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于精密扭秤周期法的微电量测量装置，其特征在于：包括精密扭秤、激光器、透镜、PSD光位移传感器、数字存储示波器和计算机；其中，

所述精密扭秤，包括两个金属小球、两端各粘贴一个金属小球的玻璃棒、与金属小球位于同一平面的平面反射镜，以及两块相互平行且正对、与玻璃棒和平面反射镜垂直、用于接通高压静电发生器在正对区域产生均匀电场的金属板；

所述激光器，用于向平面反射镜发射激光光束；

所述透镜，用于汇聚经过平面反射镜反射的激光光束；

所述PSD光位移传感器，用于接收经过平面反射镜反射和透镜汇聚的激光光源的激光信号，并转换为电压信号输出；

所述数字存储示波器，与PSD光位移传感器的输出端相连接，用于接收PSD光位移传感器输出的电压信号，并转换为数字信号进行存储；

所述计算机，与数字存储示波器连接，用于接收数字存储示波器存储的数字信号。

作为一种优选方案，所述精密扭秤还包括钨丝、夹具、套管、螺母、磁铁、底板以及玻璃罩体，所述钨丝的上、下两端分别通过夹具和套管固定，所述夹具固定在玻璃罩体的顶部，所述套管通过螺母固定在磁铁上，所述磁铁放置在底板上；所述玻璃棒系在钨丝上，所述平面反射镜粘贴在钨丝上，所述两块金属板位于玻璃罩体内且固定在底板上。

作为一种优选方案，所述玻璃棒的长度l为6cm，直径φ为50μm；所述钨丝的长度l为(260±1)mm，直径φ为25μm。

作为一种优选方案，所述底板由上层玻璃板和下层木板组成，所述金属板通过螺钉固定在上层玻璃板上。

作为一种优选方案，所述玻璃罩体由三块长度为350mm、宽度为350mm、厚度为4mm的玻璃板组成，其中一块玻璃板位于顶部，另外两块玻璃板位于两侧；所述顶部的玻璃板开有直径为80mm的圆孔，所述夹具放置在该圆孔上并由螺钉固定。

作为一种优选方案，所述两块金属板是长度为30cm、宽度为20cm的铁板，两块铁板之间的间距为10cm。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于精密扭秤周期法的微电量测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在精密扭秤中，对玻璃棒两端的金属小球充电，使金属小球形成带微电量的金属小球；

2）激光器向平面反射镜发射激光光束，光束经过平面反射镜反射后，由透镜汇聚在PSD光位移传感器的光敏面上形成光点；

3）带微电量的金属小球在均匀电场中受静电力作用后，玻璃棒在电场力矩和钨丝回复力矩的作用下，绕钨丝做周期性的往返摆动，使钨丝扭转，带动平面反射镜往返摆动，同时平面反射镜的往返摆动使光点在PSD光位移传感器的光敏面上做周期往返的简谐运动；

4）PSD光位移传感器将光点位移信号转换为连续的电压信号输出，由数字存储示波器接收，并转为数字信号进行存储；

5）计算机读取和处理数字存储示波器存储的数字信号，根据数字信号获得精密扭秤1的摆动周期，从而计算出金属小球的微电量。

作为一种优选方案，步骤2）中，玻璃棒绕钨丝摆动后，钨丝扭转产生的扭角θ与光点在光敏面上产生的位移Δx成线性比例关系，玻璃棒摆动的周期与光点简谐运动的周期相同。

作为一种优选方案，步骤5）所述计算机对数字信号的读取及处理采用MATLAB软件搭建的图形用户界面来实现。