角加速度法测量万有引力常数G的关键技术和实验装置研究

角加速度法测量万有引力常数G是利用转动吸引质量的引力力矩平衡转动扭秤的惯性力矩，使得扭摆相对于扭丝不发生偏转，因而可通过测量转动吸引质量的角加速度得到G值。本项目拟在实验室现有技术的基础上，设计并研制出用于角加速度法测G的关键技术和实验装置- - 高精度双回转台转动反馈控制系统。该系统通过同时分别转动扭秤和吸引质量，使扭摆相对与转动的真空容器处于准静止状态。该实验装置的关键参数包括：转动扭秤的角度测量分辨率达到1e-7rad，单个回转台转速稳定性达到1e-7rad/s，两个回转台角加速度差稳定性达到1e-12rad/s/s，吸引质量球位置测量精度达到5e-7m，从而满足测G的相对精度达到10ppm的实验要求。

万有引力常数G是一个与理论物理，天体物理和地球物理等密切相关的物理学基本常数，它的精确测量在引力实验乃至整个实验物理学中占据着特殊地位。角加速度法测G是利用扭秤在转动的转台中受到的惯性力矩平衡吸引质量产生的引力力矩，使扭秤相对转台静止，扭丝不扭转，通过测量转台的角加速度得到G值。本项目的主要任务是设计并研制出用于角加速度法测G的关键技术和实验装置——高精度双转台转动反馈控制系统，从而满足测G的相对精度达到10ppm的实验要求。经过三年的努力，本项目圆满完成实验技术指标，主要工作如下：（1）完成测G实验装置的设计，加工及调试；（2）完成精密扭秤系统的制作及扭秤偏转角度探测光路的安装及调试，角度测量分辨率为2.5E-8rad，达到预期目标；（3）利用旋转量块法对吸引质量球面间距进行精确测量，测量精度达到0.9微米，基本达到预期目标，考虑球直径和球圆度测量精度给出吸引质量球心间距测量精度为3.8微米，对G值误差贡献为17.7ppm；（4）完成了两转台转速稳定性闭环控制电路的设计、制作及调试，待测信号频率2mHz处悬点转台转速稳定性为2.8E-10rad/s，吸引质量转台转速稳定性为1.1E-10rad/s，达到预期目标；同时测量了悬点转台角加速度，测量结果显示待测信号频率2mHz处角加速度稳定性为1.0E-12rad/s^2，达到预期目标。