基于转台反馈控制技术的扭丝滞弹性效应研究

The anelasticity of torsion fiber is one of the largest systematic errors during the 20ppm high precision measurement of Newtonian gravitational constant G with time-of-swing method using metal wires. This kind of effect can introduce 160ppm to the value of G because of using tungsten fiber with Q factor of 2000. In order to obtain the accuracy value of G, it is very significant to do the systematic theoretical analysis and the high precision experiment of anelasticity effect. Base on the apparatus of G measurement with angular acceleration feedback method, this project intends to use the turntable feedback control system to change the amplitude and oscillation frequency of the torsion balance. And then measure the relationship between the spring constant of torsion fiber and the amplitude or the oscillation frequency. Finally, the model of anelasticity will be proved with relative uncertainty of 1%. Therefore, we can make the most accurate correction of this effect at 1ppm in G measurement with time-of-swing method. Meanwhile, it can achieve high precision measurement of the effect, and provide a new method for the anelasticity research field. Besides, the research is conducive to understand more properties of torsion fiber, and to guide the precision torsion balance experiment.

扭丝滞弹性效应是目前利用金属丝进行20ppm高精度扭秤周期法测G实验中已知的最大系统误差之一。对于Q值约2000的钨丝而言，滞弹性效应高达160ppm。为了得到高精度的G值测量结果，对滞弹性效应进行系统的理论分析和高精度的实验研究至关重要。本项目在角加速度法测G实验装置的基础上，拟利用双转台反馈控制技术，在mHz频段改变扭秤振幅或扭秤运动频率，测量扭丝扭转弹性系数与二者的依赖关系，在1%的相对测量精度水平上验证滞弹性模型的合理性，使周期法测G实验中滞弹性效应的修正精度达到1ppm，实现对该效应的高精度测量，为滞弹性研究领域提供一种新的研究方法。同时，可进一步增强对扭丝特性的理解与认识，为精密扭秤实验提供有效的指导与帮助。

扭丝滞弹性效应是目前万有引力常数G的精确测量实验中已知的最大的系统误差。本项目在角加速度法测G实验的基础上，对钨丝的滞弹性效应进行了进一步的研究。在实验装置方面，采用热膨胀系数极低的微晶玻璃材料取代合金铝材料作为吸引质量球体支架，使球心间距稳定性在4℃的温度调制实验中依然达到2um的水平。在反馈控制方面，实现了双转台的同步跟踪控制，保持两转台的转速差恒定，进而使得信号频率稳定，同时两转台的转速稳定性在信号频率处达到了1e-8rad/s/Hz^(1/2)的水平。本项目进而对扭丝弹性系数依赖关系进行了研究，通过分析角加速度振幅实验测量数据，得出角加速度振幅不随扭秤相对悬点转台偏转角度的变化而变化，同时不随待测信号频率的变化而变化。现阶段角加速度振幅测量精度约为1nrad/s2的水平，在此精度基础上，滞弹性效应对实验结果的影响小于0.01ppm。最后利用该系统进行角加速度法测G实验，得到G值测量结果的相对精度达到12ppm的水平。本项目的研究可应用于精密引力实验相关的基础应用领域，如高精度牛顿反平方定律的实验检验、高精度等效原理实验检验等，可为进一步加强我国在该研究领域的地位提供支撑。