Тепловые и избыточные механические шумы в экспериментах с пробными телами
Описание файла
PDF-файл из архива "Тепловые и избыточные механические шумы в экспериментах с пробными телами", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физико-математические науки" из Аспирантура и докторантура, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. , а ещё этот архив представляет собой докторскую диссертацию, поэтому ещё представлен в разделе всех диссертаций на соискание учёной степени доктора физико-математических наук.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
Íà ïðàâàõ ðóêîïèñèÁèëåíêî Èãîðü Àíòîíîâè÷Òåïëîâûå è èçáûòî÷íûå ìåõàíè÷åñêèå øóìûâ ýêñïåðèìåíòàõ ñ ïðîáíûìè òåëàìèÑïåöèàëüíîñòü 01.04.01 ïðèáîðû è ìåòîäû ýêñïåðèìåíòàëüíîé ôèçèêèÀâòîðåôåðàòäèññåðòàöèè íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíèäîêòîðà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóêÌîñêâà 2008 ã.Ðàáîòà âûïîëíåíà íà êàôåäðå ôèçèêè êîëåáàíèéôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòàÌîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòàèìåíè Ì.Â. Ëîìîíîñîâà.Íàó÷íûé êîíñóëüòàíò:äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê,÷ëåí-êîðð. ÐÀÍ, ïðîôåññîðÁðàãèíñêèé Âëàäèìèð Áîðèñîâè÷Îôèöèàëüíûå îïïîíåíòû:äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê,ïðîôåññîðÏàíîâ Âëàäèìèð Èâàíîâè÷äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê,ïðîôåññîðÌàíóêèí Àíàòîëèé Áîðèñîâè÷äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê,ãëàâíûé íàó÷íûé ñîòðóäíèêÁàãàåâ Âèêòîð Ñåðãååâè÷Âåäóùàÿ îðãàíèçàöèÿ:Âñåðîññèéñêèéíàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóòîïòèêî-ôèçè÷åñêèõ èçìåðåíèé (ã.
Ìîñêâà)Çàùèòà ñîñòîèòñÿ 09 àïðåëÿ 2009 ã. â 16-00 íà çàñåäàíèè Äèññåðòàöèîííîãîñîâåòà Ä 501.001.66. â ÌÃÓ èì. Ì.Â. Ëîìîíîñîâà ïî àäðåñó: 119991, Ìîñêâà,ÃÑÏ-1, Ëåíèíñêèå ãîðû, ÌÃÓ, ôèçè÷åñêèé ôàêóëüòåò, àóäèòîðèÿ 5-19.Ñ äèññåðòàöèåé ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â áèáëèîòåêå ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòàÌÃÓ èì. Ì.Â. Ëîìîíîñîâà.Àâòîðåôåðàò ðàçîñëàí2009 ã.Ó÷åíûé ñåêðåòàðüÄèññåðòàöèîííîãî ñîâåòà Ä 501.001.66.À. Ï. ÅðøîâÎáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðàáîòûÀêòóàëüíîñòü ïðîáëåìûÏðè èçìåðåíèè ìàëûõ ñèë ðàçëè÷íîé ïðèðîäû â ôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ è òåõíè÷åñêèõ ïðèëîæåíèÿõ ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ïðîáíûå òåëà. Îíè ìîãóòïðåäñòàâëÿòü ñîáîé ñâîáîäíûå ìàññû èëè âõîäèòü â ñîñòàâ ìåõàíè÷åñêèõ îñöèëëÿòîðîâ.
Ñâîáîäíûå ìàññû èñïîëüçóþòñÿ â ëàçåðíûõ èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõäåòåêòîðàõ, ñîçäàâàåìûõ äëÿ ïîèñêà ãðàâèòàöèîííûõ âîëí îäíîé èç èíòåðåñíåéøèõ çàäà÷ ñîâðåìåííîé ýêñïåðèìåíòàëüíîé ôèçèêè, à ìåõàíè÷åñêèå ìèêðîîñöèëëÿòîðû ÿâëÿþòñÿ êëþ÷åâûì ýëåìåíòîì àòîìíî-ñèëîâûõ ìèêðîñêîïîâ âàæíåéøåãî èíñòðóìåíòà äëÿ èçó÷åíèÿ ìèêðî è íàíîñèñòåì.Ïðåäåëüíî äîñòèæèìàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü â òàêèõ èçìåðåíèÿõ çàâèñèò îòñòåïåíè èçîëÿöèè ïðîáíûõ òåë îò ðàçëè÷íûõ ôëóêòóàöèîííûõ âîçäåéñòâèé.Òàê, óìåíüøåíèå äèññèïàòèâíîé ñâÿçè ñ òåðìîñòàòîì ïîçâîëÿåò, ñîãëàñíî ôëóêòóàöèîííî-äèññèïàöèîííîé òåîðåìå, ñíèçèòü âëèÿíèå òåïëîâûõ ôëóêòóàöèé (íàçûâàåìûõ îáû÷íî, ïî àíàëîãèè ñ ðàäèîôèçè÷åñêèìè ñèñòåìàìè, "òåïëîâûìèøóìàìè").  ýêñïåðèìåíòàõ ñ ïðîáíûìè òåëàìè äëÿ óìåíüøåíèÿ äèññèïàòèâíîé ñâÿçè íåîáõîäèìî ïîâûøàòü äîáðîòíîñòü âñåõ ìîä êîëåáàíèé, êàê ñîáñòâåííî ïðîáíîãî òåëà, òàê è åãî îïîðû (ïîäâåñà). òâåðäûõ òåëàõ òåïëîâûå êîëåáàíèÿ íå ÿâëÿþòñÿ åäèíñòâåííûì èñòî÷íèêîì ýíåðãèè, ñïîñîáíûì îêàçûâàòü ôëóêòóàöèîííîå âîçäåéñòâèå.
Óïðóãàÿýíåðãèÿ ìèêðîòðåùèí, äèñëîêàöèé è äðóãèõ ñòðóêòóðíûõ äåôåêòîâ òàêæå ìîæåò, ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ, òðàíñôîðìèðîâàòüñÿ â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþïðîáíîãî òåëà. Ôëóêòóàöèè, âûçûâàåìûå òàêèìè ïðîöåññàìè, ìîæíî íàçâàòüìåõàíè÷åñêèìè èçáûòî÷íûìè øóìàìè.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ íå ñóùåñòâóåò óíèâåðñàëüíîé òåîðèè äëÿ ïðåäñêàçàíèÿ õàðàêòåðèñòèê òàêèõ øóìîâ. Äëÿ îöåíêèèõ âëèÿíèÿ â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå íåîáõîäèìû ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ.Ïðè èññëåäîâàíèè ìåõàíè÷åñêèõ èçáûòî÷íûõ øóìîâ îñîáûé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò òîíêèå íèòè èç ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ. Òàêèå íèòè äàâíî ïðèìåíÿþòñÿ â êà÷åñòâå ïîäâåñîâ ïðîáíûõ òåë. Íàïðèìåð, òîíêàÿ ñòåêëÿííàÿ íèòü èñïîëüçîâàëàñü Ï.Í.Ëåáåäåâûì â åãî îïûòàõ ïî èçìåðåíèþ ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ.Ôëóêòóàöèè, âîçíèêàþùèå â íèòÿõ ïîäâåñà, ïðèâîäÿò ê íåïîñðåäñòâåííîìó ñèëîâîìó âîçäåéñòâèþ íà ïðîáíîå òåëî.
Åñëè óìåíüøèòü ìàññó ïðîáíîãî òåëà, òî1îòêëèê íà ýòî âîçäåéñòâèå áóäåò áîëüøå. Ìîæíî äàæå ïåðåéòè îò íàáëþäåíèéçà äâèæåíèåì ïðîáíîãî òåëà ê ðåãèñòðàöèè êîëåáàíèé ñàìîé íèòè. Àìïëèòóäà êîëåáàíèé âûñîêîäîáðîòíûõ ñòðóííûõ ìîä áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïîä âëèÿíèåìâíóòðåííèõ ôëóêòóàöèé â íèòè.Âî ìíîãèõ ýêñïåðèìåíòàõ íåîáõîäèìî, ÷òîáû ìàññà ïðîáíîãî òåëà áûëà êàêìîæíî ìåíüøå.
 ÷àñòíîñòè, èñïîëüçîâàíèå âûñîêîäîáðîòíûõ ìèêðîîñöèëëÿòîðîâ ìîæåò ïîçâîëèòü ïðîäåìîíñòðèðîâàòü êâàíòîâîå ïîâåäåíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ îáúåêòîâ è ïðèìåíèòü ìåòîäû êâàíòîâûõ íåâîçìóùàþùèõ èçìåðåíèé.Äëÿ ìàÿòíèêîâ íà íèòÿõ èç âûñîêî÷èñòîãî ïëàâëåíîãî êâàðöà äèàìåòðîì ïîðÿäêà 100 ìêì áûëà äîñòèãíóòà äîáðîòíîñòü ' 2 · 108 , íî âîïðîñ î ìàêñèìàëüíîäîñòèæèìîé äîáðîòíîñòè è, ñîîòâåòñòâåííî, ïðèìåíèìîñòè íèòåé ìàëûõ (ìåíåå10 ìêì) äèàìåòðîâ îñòàâàëñÿ îòêðûòûì.Äîïîëíèòåëüíûì èñòî÷íèêîì ìåõàíè÷åñêèõ ôëóêòóàöèé ìîãóò áûòü ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå â òâåðäîì òåëå ïîä âîçäåéñòâèåì ñèëüíûõâíåøíèõ ïîëåé. Òàê, íà çåðêàëàõ ëàçåðíûõ ãðàâèòàöèîííî-âîëíîâûõ äåòåêòîðîâ âòîðîãî ïîêîëåíèÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ñîñòàâèò ' 10 êÂò/ñì2 .
Ó÷èòûâàÿâûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü òàêèõ äåòåêòîðîâ, äàæå íåçíà÷èòåëüíûå ëîêàëüíûåñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â çåðêàëàõ, âûçâàííûå, íàïðèìåð, âçàèìîäåéñòâèåì èçëó÷åíèÿ è íåîäíîðîäíîñòåé ñòðóêòóðû çåðêàë, ìîãóò ñòàòü èñòî÷íèêîì äîïîëíèòåëüíîãî øóìà â âûõîäíîì ñèãíàëå äåòåêòîðà.Îáúåêò èññëåäîâàíèÿÂûñîêîäîáðîòíûå ìåõàíè÷åñêèå ìîäû êîëåáàíèé â ïîäâåñàõ ïðîáíûõ òåë,èñïîëüçóåìûõ â ïðåöèçèîííûõ ýêñïåðèìåíòàõ, ìåõàíè÷åñêèå îñöèëëÿòîðû, äèýëåêòðè÷åñêèå çåðêàëà.Ïðåäìåò èññëåäîâàíèÿÌåõàíè÷åñêèå ôëóêòóàöèè â âûñîêîäîáðîòíûõ ìîäàõ êîëåáàíèé ïîäâåñîâïðîáíûõ òåë, ïîòåðè â ìåõàíè÷åñêèõ îñöèëëÿòîðàõ, íåîäíîðîäíîñòè â äèýëåêòðè÷åñêèõ çåðêàëàõ.Öåëü ðàáîòûÖåëÿìè äàííîé äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû áûëè ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå òåïëîâûõ è èçáûòî÷íûõ ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ â íèòÿõ ïîäâåñîâ ïðîáíûõòåë, îïðåäåëåíèå îãðàíè÷åíèé, íàêëàäûâàåìûõ ýòèìè øóìàìè íà ïðåäåëüíóþ÷óâñòâèòåëüíîñòü ýêñïåðèìåíòîâ ñ ïðîáíûìè òåëàìè; èçìåðåíèå ïðåäåëüíîé2äîáðîòíîñòè ìåõàíè÷åñêèõ ìèêðîîñöèëëÿòîðîâ; èçó÷åíèå äåôåêòîâ â ìíîãîñëîéíûõ äèýëåêòðè÷åñêèõ çåðêàëàõ è âçàèìîäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñíèìè.Çàäà÷è èññëåäîâàíèÿÄîñòèæåíèå ïîñòàâëåííûõ öåëåé îñóùåñòâëÿëîñü ïóòåì ðåøåíèÿ ñëåäóþùèõ îñíîâíûõ çàäà÷:− òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà ìåõàíèçìîâ âîçíèêíîâåíèÿ èçáûòî÷íûõ øóìîâ;− ðàçðàáîòêè ìåòîäèê è ñîçäàíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óñòàíîâîê äëÿ èçìåðåíèÿ àìïëèòóäíûõ è âðåìåííûõ õàðàêòåðèñòèê ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ;− ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ çàâèñèìîñòè õàðàêòåðèñòèê ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ îò ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ, òàêèõ êàê âåëè÷èíà ïðèëîæåííîãîíàòÿæåíèÿ, ðàçìåðû, ïðåäûñòîðèÿ îáðàçöà;− ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ âûñîêîäîáðîòíûõ ìåõàíè÷åñêèõ îñöèëëÿòîðîâ;− ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èçìåðåíèÿ âðåìåí ðåëàêñàöèè äëÿ ðàçëè÷íûõ ìîä âûñîêîäîáðîòíûõ ìèêðîîñöèëëÿòîðîâ;− ðàçðàáîòêè è ñîçäàíèÿ àâòîìàòèçèðîâàííîãî êîìïëåêñà äëÿ äèàãíîñòèêèîòðàæàþùèõ ïîêðûòèé;Íàó÷íàÿ íîâèçíà1.
Ðàçðàáîòàíû è àïðîáèðîâàíû íîâûå ìåòîäû èçìåðåíèé, ïîçâîëÿþùèå èññëåäîâàòü òåïëîâûå è èçáûòî÷íûå (íå òåïëîâîãî ïðîèñõîæäåíèÿ) ìåõàíè÷åñêèå ôëóêòóàöèè â âûñîêîäîáðîòíûõ (Q = 104 ÷ 107 ) ìîäàõ êîëåáàíèéíèòåé è ïðîâîëîê â äèàïàçîíå ÷àñòîò îò 100 Ãö äî 3 êÃö ñ ðàçðåøåíèåì√ïî àìïëèòóäå îò 10−10 äî 10−13 ñì/ Ãö.2. Îáíàðóæåí íîâûé âèä ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ â ñòðóííûõ ìîäàõ êîëåáàíèéìåòàëëè÷åñêèõ íèòåé - èçáûòî÷íûé ìåõàíè÷åñêèé øóì, îïðåäåëåíû óñëîâèÿ åãî âîçíèêíîâåíèÿ è ñòàòèñòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè.33. Ïðåäëîæåí è ðåàëèçîâàí íîâûé òèï äàò÷èêîâ íàòÿæåíèÿ êâàðöåâûõ íèòåé íà îñíîâå äåôîðìèðóåìîãî îïòè÷åñêîãî äèýëåêòðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðàñ ìîäàìè òèïà "øåï÷óùåé ãàëåðåè".
Äîñòèãíóòàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê îò√íîñèòåëüíûì âàðèàöèÿì íàòÿæåíèÿ ñîñòàâèëà δσ/σ ' 1 · 10−11 1/ Ãö âäèàïàçîíå ÷àñòîò îò 10 äî 100 êÃö äëÿ íèòåé òîëùèíîé îò 10 äî 200 ìêì.4. Ðàçðàáîòàíà îðèãèíàëüíàÿ òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ îñöèëëÿòîðîâ èç ïëàâëåíîãî êâàðöà ñ äèýëåêòðè÷åñêèìè çåðêàëàìè, ïîçâîëÿþùàÿ ñîõðàíÿòü êàê âûñîêóþ (äî 107 ) äîáðîòíîñòü ìåõàíè÷åñêèõ ìîä, òàêè áîëüøóþ îòðàæàþùóþ ñïîñîáíîñòü (1 − R ≤ 10−2 ) çåðêàë.5.
Âïåðâûå äîñòèãíóòû çíà÷åíèÿ äîáðîòíîñòè îñíîâíîé ñòðóííîé ìîäû êîëåáàíèé (9.2 ± 0.9) · 106 (äèàìåòð 2.5 ± 0.5 ìêì) è ìàÿòíèêîâîé ìîäû(1.9 ± 0.2) · 107 (äèàìåòð 1.7 ± 0.2 ìêì) äëÿ îñöèëëÿòîðîâ, ïðåäñòàâëÿþùèõñîáîé ãðóç ïîäâåøåííûé íà êâàðöåâîé íèòè äèàìåòðîì 1.5 - 2.5 ìêì.Íàó÷íî-ïðàêòè÷åñêàÿ öåííîñòü ðàáîòûÏîëó÷åííûå äàííûå îá èçáûòî÷íûõ øóìàõ â ñòàëüíûõ íèòÿõ áûëè èñïîëüçîâàíû ïðè ðåàëèçàöèè ìåæäóíàðîäíîãî ïðîåêòà ïî ñîçäàíèþ ëàçåðíûõ èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõ äåòåêòîðîâ ãðàâèòàöèîííûõ âîëí ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ (LIGO-I).Èíôîðìàöèÿ î íàëè÷èè è óðîâíå èçáûòî÷íûõ øóìîâ â êâàðöåâûõ íèòÿõïîçâîëÿåò îöåíèòü ìàêñèìàëüíî äîñòèæèìûé óðîâåíü ÷óâñòâèòåëüíîñòè èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõ äåòåêòîðîâ. Ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî èçáûòî÷íûå øóìû, ñâÿçàííûå ñ ïðîöåññàìè â íèòÿõ ïîäâåñà, íå äîëæíû ïðåïÿòñòâîâàòü äîñòèæåíèþçàïëàíèðîâàííîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè â äåòåêòîðàõ âòîðîãî ïîêîëåíèÿ (LIGO-II).Ïðåäëîæåííûé íîâûé òèï äàò÷èêîâ íàòÿæåíèÿ êâàðöåâûõ íèòåé íà îñíîâå äåôîðìèðóåìîãî îïòè÷åñêîãî äèýëåêòðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà ñ ìîäàìè òèïà"øåï÷óùåé ãàëåðåè" ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí äëÿ ñîçäàíèÿ îïòèêî-ìåõàíè÷åñêèõñåíñîðîâ è íåðàçðóøàþùåãî êîíòðîëÿ êà÷åñòâà îïòè÷åñêèõ âîëîêîí.Ìèêðîîñöèëëÿòîðû ñ âûñîêîé ìåõàíè÷åñêîé äîáðîòíîñòüþ ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû ïðè ïîñòàíîâêå íîâûõ ýêñïåðèìåíòîâ, â òîì ÷èñëå ïî ðåàëèçàöèèêâàíòîâî-íåâîçìóùàþùèõ èçìåðåíèé ìåõàíè÷åñêèõ âåëè÷èí.4Ðåçóëüòàòû è ïîëîæåíèÿ, âûíîñèìûå íà çàùèòó1.
Ðàçðàáîòàííûé è ðåàëèçîâàííûé êîìïëåêñ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ìåòîäîâäëÿ èçìåðåíèÿ àìïëèòóäû ìåõàíè÷åñêèõ êîëåáàíèé â ïîäâåñàõ ñ íèòÿìèäèàìåòðîì îò 20 äî 100 ìêì, ïîçâîëÿþùèé:− ïîëó÷àòü ÷óâñòâèòåëüíîñòü, äîñòàòî÷íóþ äëÿ ðåãèñòðèðàöèè èçìåíåíèé àìïëèòóäû, ñîñòàâëÿþùèõ ïîðÿäêà ∼ 1% îò ñðåäíåêâàäðàòè÷íîéàìïëèòóäû ðàâíîâåñíûõ òåïëîâûõ êîëåáàíèé− îñóùåñòâëÿòü îáíàðóæåíèå èçáûòî÷íûõ ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ− îïðåäåëÿòü óñëîâèÿ èñïîëüçîâàíèÿ òàêèõ íèòåé â êà÷åñòâå ïîäâåñîâ ïðîáíûõ òåë â ëàçåðíûõ èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõ ãðàâèòàöèîííîâîëíîâûõ àíòåííàõ è â äðóãèõ ïðåöèçèîííûõ ïðèáîðàõ.2.
