空间引力波探测中惯性传感器电荷测量与管理研究

High precision inertial sensor is one of the key components in space gravitational wave detection missions. The requirement of the residual acceleration noise acting on the test mass is about 10^(-15)m/s^2/Hz^(1/2) level and the electromagnetic disturbances are one of the important noise sources. The test mass may be charged by space high-energy plasma particles and the electric charge accumulating on the test mass will make the electromagnetic disturbances is larger than the requirement. So the charge measurement and management of the test mass is a key scientific problem. This project is to investigate charge measurement and management based on an electrostatic torsion pendulum and ultraviolet illumination technique. The electrostatic torsion pendulum is used to simulate the space inertial sensor and to verify the charge measurement scheme which can be suitable for space gravitational wave detection missions. The resolution of charge measurement is about 10^(-15) C level. A charge management scheme is also designed based on ultraviolet illumination and the target of the ultraviolet illumination rate is greater than 10^5e/s. The charge measurement and management target meets the requirement of space gravitational wave detection. Then the function and performance of the charge management will be tested and evaluated based on the electrostatic torsion pendulum. Meanwhile the theory relationship between the charge management performance and its main influence factors will be analyzed. Last the research results of this project may provide some references for charge measurement and management of the inertial sensor used in space gravitational wave detection missions.

高精度惯性传感器是空间引力波探测的关键载荷之一，其残余扰动噪声需达到10^(-15)m/s^2/Hz^(1/2)量级。空间高能宇宙射线的辐射会使得惯性传感器中检验质量不断积累电荷，导致作用在检验质量上的电磁干扰噪声大于科学需求指标，因此如何对检验质量表面电荷进行测量和管理是重要的科学问题。本项目拟构建一套静电扭摆系统来开展检验质量表面电荷的测量和管理研究；提出了空间惯性传感器检验质量的电荷测量方案，并通过静电扭摆系统实现检验质量的模拟和表面电荷的测量，等效电荷测量分辨率达到10^(-15) C量级；设计了基于紫外放电原理的检验质量电荷管理方案，其中紫外放电速率优于10^5e/s，电荷测量和管理技术指标满足科学需求；利用静电扭摆系统对检验质量电荷测量的结果实现电荷管理的功能和性能验证，理论总结出电荷管理性能与其主要影响因素的关系，为今后空间惯性传感器电荷测量和管理提供一定的理论和技术指导。

电荷管理系统是高精度惯性传感器的重要组成部分。由于空间高能宇宙射线的辐射会使得惯性传感器中的检验质量不断积累电荷，导致作用在检验质量上的电磁干扰噪声大于科学需求指标，因此研制电荷测量分辨率达到10-15C量级，紫外放电速率达到105e/s量级的电荷管理系统有重要应用意义。本项目完成的主要研究内容、重要成果和关键数据包括：（1）提出了基于高精度静电扭摆系统的电荷管理方案；（2）完成了高精度静电扭摆系统和电荷管理系统的搭建，并验证了扭摆系统的本底噪声和光学测量装置的本底噪声，结果满足电荷管理系统的需求；（3）对电荷测量和电荷控制进行了验证。研究结果表明，在测量频带内电荷测量精度能够达到10-15C/Hz1/2，另外还探究了基于光功率补偿原理的电荷控制方法并进行了实验验证，结果表明，通过调整两束入射光的功率之比，检验质量电势可控制在10 mV以内。本项目完成了预期研究目标，为未来研制和设计用于空间惯性传感器的电荷管理系统提供了指标需求及工程设计提供技术基础。