Тепловые и избыточные механические шумы в экспериментах с пробными телами, страница 3

 âàêóóìíîé êàìåðå (ñì. ðèñ. 1) áûë ðàñïîëîæåí ìîäèôèöèðîâàííûéèíòåðôåðîìåòð òèïà Ìàéêåëüñîíà è ôîòîäåòåêòîðû. Èíòåðôåðîìåòð ñîñòîÿë èçñâåòîäåëèòåëåé, ñèñòåìû ëèíç, çàêðåïëåííîãî íà ïüåçîïîäà÷å äîïîëíèòåëüíîãîçåðêàëà, îïîðíîãî çåðêàëà è îòðàæàþùåé ëàçåðíûé ñâåò ïîâåðõíîñòè îáðàçöà.Îäíèì ïëå÷îì èíòåðôåðîìåòðà ÿâëÿëñÿ ïðîìåæóòîê ìåæäó ñâåòîäåëèòåëåì èïîâåðõíîñòüþ ïðîâîëîêè, à âòîðûì - ìåæäó ñâåòîäåëèòåì è îïîðíûì çåðêàëîì.

 èçìåðåíèÿõ èñïîëüçîâàëñÿ ãåëèé-íåîíîâûé ëàçåð, ñòàáèëèçèðîâàííûéïî ÷àñòîòå, èìåþùèé ìîùíîñòü 0.9 mW.Äîñòîèíñòâîì ïðåäëîæåííîãî âàðèàíòà èíòåðôåðîìåòðè÷åñêîãî ìåòîäà èçìåðåíèé ÿâëÿëîñü òî, ÷òî îáà ïó÷êà (îñíîâíîé è îïîðíûé) ïðîõîäèëè ÷åðåç îäíè è òå æå îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû, à îáðàçåö è îïîðíîå çåðêàëî, îò êîòîðûõ îíèoòðàæàëèñü, áûëè çàêðåïëåíû íà îáùåì æåñòêîì îñíîâàíèè íåäàëåêî äðóã îòäðóãà. Ýòî ïîçâîëÿëî ñóùåñòâåííî óìåíüøèòü âëèÿíèå äåôîðìàöèé è âèáðàöèéýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè èíòåðôåðîìåòðà.1038971245465101011111110Ðèñ. 1: Áëîê-ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ èññëåäîâàíèÿ øóìîâ â ñòðóííûõ ìîäàõ êî-ëåáàíèé âîëüôðàìîâûõ íèòåé. 1-He-Ne ëàçåð, 2- ýëåêòðîîïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð, 3-âàêóóìíàÿ êàìåðà, 4-ñâåòîäåëèòåëè, 5-ôîòîäåòåêòîðû, 6-çåðêàëî íàïüåçîïîäà÷å, 7-ëèíçà, 8-èññëåäóåìàÿ íèòü, 9-îïîðíîå çåðêàëî, 10-ôèëüòðû, 11óñèëèòåëè.Âåëè÷èíà äîñòèãíóòîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè èíòåðôåðîìåòðà ðàâíÿëàñüñìSxmin = 2 · 10−10 √.Ãö(1)Îãðàíè÷èâàþùèìè ôàêòîðàìè ÿâëÿëèñü øóìû äåòåêòîðà è ôëóêòóàöèè àìïëèòóäû ëàçåðà.

Ýòî ïîçâîëèëî èçìåðÿòü àìïëèòóäó êîëåáàíèé ïðîâîëîêè íàîñíîâíîé ñòðóííîé ìîäå ñ òî÷íîñòüþ îêîëî 10% ïðè ýôôåêòèâíîé øèðèíå ïîëîñû â 1 Ãö.  ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííûõ èçìåðåíèé áûëè îáíàðóæåíû áîëüøèå (ïîñðàâíåíèþ ñî ñðåäíèì çíà÷åíèåì) èçîëèðîâàííûå âûáðîñû àìïëèòóäû (ñðåäíåå çíà÷åíèå àìïëèòóäû øóìà íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå îñíîâíîé ñòðóííîé ìîäû ñîâïàäàëî ñ ðàñ÷åòíîé ñðåäíåé àìïëèòóäîé òåïëîâûõ êîëåáàíèé â ïðåäåëàõòî÷íîñòè èçìåðåíèé). Òàêèå âûáðîñû (ñì. ðèñ. 2) íàáëþäàëèñü ïðè íàòÿæåíèÿõ,ïðåâûøàþùèõ ïðèìåðíî 20% îò ðàçðûâíîãî.

Ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî ÷àñòîòà èõïîÿâëåíèÿ çíà÷èìî ïðåâûøàåò îöåíêè, ñäåëàííûå â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî íàáëþ11A, cm 1E-8A,8E-96E-94E-92E-9AmA00.0010.0020.0030.00t, t, minÐèñ. 2: Òèïè÷íûé ôðàãìåíò çàïèñè àìïëèòóäû äëÿ ñòðóííîé ìîäû âîëüôðà-ìîâîé ïðîâîëîêèäàåìûé øóì áðîóíîâñêèé.Ïðèâîäÿòñÿ äàííûå äëÿ äåâÿòè îáðàçöîâ ïðè íàòÿæåíèÿõ îò 18% äî 85% îòðàçðûâíîãî, âðåìÿ íàáëþäåíèÿ 20 ÷àñ.  êà÷åñòâå ìîäåëè äëÿ íàáëþäàåìîãî èçáûòî÷íîãî øóìà ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà êîíöåïöèÿ ñëó÷àéíîãî îáðàçîâàíèÿäèëàòîíîâ, ïðåäëîæåííàÿ Æóðêîâûì.Îñíîâíûì ðåçóëüòàòîì èçìåðåíèé ÿâèëîñü ïåðâîå ýêñïåðèìåíòàëüíîå îáíàðóæåíèå èçáûòî÷íûõ ïî îòíîøåíèþ ê òåïëîâûì êîëåáàíèÿì øóìîâ â ñòðóííîéìîäå êîëåáàíèé òîíêèõ ïðîâîëîê.Òðåòüÿ ãëàâàñîäåðæèò îïèñàíèå èññëåäîâàíèé ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ âñòðóííûõ ìîäàõ ñòàëüíûõ íèòåé.

Óñòàíîâêà, èñïîëüçîâàííàÿ â ýêñïåðèìåíòàõñ âîëüôðàìîâûìè ïðîâîëîêàìè, áûëà ñóùåñòâåííî ìîäèôèöèðîâàíà, ÷òî ïîç-12âîëèëî íà ïîðÿäîê ïîäíÿòü åå ÷óâñòâèòåëüíîñòü. Ýòî äàëî âîçìîæíîñòü ðåãèñòðèðîâàòü èçìåíåíèÿ àìïëèòóäû êîëåáàíèé âåëè÷èíîé ïîðÿäêà 10% îò ñðåäíåêâàäðàòè÷íîé àìïëèòóäû ðàâíîâåñíûõ òåïëîâûõ êîëåáàíèé.Áûëè ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ äâóõ âèäîâ îáðàçöîâ, îäèí èç êîòîðûõ - ïðîâîëîêè äèàìåòðîì 90 ìêì èç ðîÿëüíîé ñòàëè, ïðåäîñòàâëåííûå LIGO lab. Èìåííî òàêàÿ ïðîâîëîêà èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ïîäâåñà çåðêàë ãðàâèòàöèîííî-âîëíîâûõäåòåêòîðîâ LIGO-I.×óâñòâèòåëüíîñòü ìîäèôèöèðîâàííîé óñòàíîâêè áûëà ñîñòàâèëàpSxmin ' 2 · 10−11 ñì/ Ãö .(2)Êðîìå òîãî, óëó÷øåííàÿ ñõåìà àâòîïîäñòðîéêè ïîçâîëÿëà ïðîèçâîäèòü íåïðåðûâíûå çàïèñè äàííûõ ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ äî 10 ÷àñîâ â ïîëíîñòüþ àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå.

Óïðîùåííàÿ ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè ïðåäîñòàâëåíà íà ðèñ. 3. Âàæíûì óñîâåðøåíñòâîâàíèåì ÿâëÿëîñü îäíîâðåìåííîå íàáëþäåíèå çà äâóìÿ îáðàçöàìè, íàõîäÿùèìèñÿ â äâóõ ïëå÷àõ èíòåðôåðîìåòðà.Òàêèì îáðàçîì, áûëà ðåàëèçîâàíà ñõåìà àíòèñîâïàäåíèé, êîòîðàÿ ïîçâîëèëàèñêëþ÷èòü ïðè îáðàáîòêå ðåçóëüòàòîâ âëèÿíèå òàêèõ âíåøíèõ ôàêòîðîâ, êàêîñòàòî÷íàÿ ìèêðîñåéñìèêà è âîçìîæíûå ôëóêòóàöèè ìîùíîñòè ëàçåðà.  äîïîëíåíèå áûë èñïîëüçîâàí íîâûé ìåòîä êàëèáðîâêè, çàêëþ÷àâøèéñÿ â ïðèâÿçêåâåëè÷èíû èçìåðÿåìûõ ñìåùåíèé ê äëèíå âîëíû ëàçåðà.

Ðàçäåëåíèå ñïåêòðàëüíûõ êîìïîíåíò, ñîîòâåòñòâóþùèõ êîëåáàíèÿì ïåðâîãî è âòîðîãî îáðàçöîâ îñóùåñòâëÿëîñü ïîñðåäñòâîì áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå â ðåàëüíîì âðåìåíè.Âðåìÿ èçìåðåíèÿ äëÿ êàæäîãî çíà÷åíèÿ àìïëèòóäû ñîñòàâëÿëî 0.2 ñ. Ýôôåêòèâíàÿ øèðèíà ïîëîñû, çàäàâàåìàÿ ïðåîáðàçîâàíèåì Ôóðüå, ñîñòàâëÿëà 5Ãö, ÷òî ýêâèâàëåíòíî óñðåäíåíèþ çà 180 - 380 ïåðèîäîâ êîëåáàíèé äëÿ ÷àñòîò1.2 - 2.25 êÃö. Äëÿ èññëåäóåìûõ ïðîâîëîê ÷àñòîòà îñíîâíîé ñòðóííîé ìîäûëåæèò â ýòîì äèàïàçîíå äëÿ íàãðóçîê 0.36 - 0.95 îò ðàçðûâíîãî íàòÿæåíèÿ.Îòíîøåíèå ñèãíàë/øóì â ïîëîñå 5 Ãö ñîñòàâëÿëî îò 10 äî 30 äëÿ ðàçëè÷íûõîáðàçöîâ è íàòÿæåíèé, ÷òî ïîçâîëèëî íàáëþäàòü âàðèàöèè àìïëèòóäû òåïëîâûõ êîëåáàíèé çà âðåìÿ, ìàëîå ïî ñðàâíåíèþ ñî âðåìåíåì ðåëàêñàöèè. Ïðèàíàëèçå äàííûõ ðàññìàòðèâàëèñü âàðèàöèè àìïëèòóäû çà âðåìÿ t = 0.2 ñ.

Äëÿòåïëîâîãî øóìà âàðèàöèè àìïëèòóäû ÿâëÿþòñÿ íåçàâèñèìûìè ñîáûòèÿìè, àèõ ðàñïðåäåëåíèå áëèçêî ê íîðìàëüíîìó ðàñïðåäåëåíèþ.  ïðîâåäåííûõ èçìåðåíèÿõ äëÿ áîëüøèíñòâà îáðàçöîâ ïðè íàãðóçêàõ, ïðåâûøàþùèõ ïðèìåðíî131294526109431078Ðèñ. 3: Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ èññëåäîâàíèÿ èçáûòî÷íûõ øóìîâ â ñòðóííûõ ìî-äàõ ñòàëüíûõ ïðîâîëîê. 1 - Âàêóóìíàÿ êàìåðà ñ àíòèñåéñìè÷åñêîé èçîëÿöèåé,2 - èññëåäóåìûå îáðàçöû, 3 - ñâåòîäåëèòåëü ñ ïüåçîêåðàìè÷åñêîé ïîäà÷åé, 4 àñôåðè÷åñêèå ëèíçû, 5 - He-Ne ñòàáèëèçèðîâàííûé ëàçåð, 6 - îïòè÷åñêèé èçîëÿòîð, 7 - óñèëèòåëü öåïè îáðàòíîé ñâÿçè, 8 - ìàëîøóìÿùèé ïðåäóñèëèòåëü,9 - ðàìà äëÿ êðåïëåíèÿ îáðàçöîâ, 10 - ãðóç.50% îò ðàçðûâíîé, íàáëþäàëèñü çíà÷èìûå ïðåâûøåíèÿ ñòàòèñòèêè, ðàññ÷èòàííîé äëÿ íîðìàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ.

Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû äëÿ øåñòè îáðàçöîâ, îáùàÿ äëèòåëüíîñòü çàïèñåé - 120 ÷àñîâ. Äëÿ âûÿâëåíèÿ âñïëåñêîâ,âûçâàííûõ ôëóêòóàöèÿìè àìïëèòóäû ëàçåðà, ñåéñìè÷åñêèìè âèáðàöèÿìè èëèäðóãèìè âíåøíèìè ôàêòîðàìè âû÷èñëÿëèñü êðîññêîðåëÿöèîííûå ôóíêöèè èñòðîèëèñü ãðàôèêè êðîññêîððåëÿöèé äëÿ ïàð îáðàçöîâ. Äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ èçáûòî÷íûõ øóìîâ óäîáíî òàê æå èñïîëüçîâàòü ãèñòîãðàììû. Äëÿ òåïëîâûõ êîëåáàíèé â âûñîêîäîáðîòíîì îñöèëëÿòîðå íà ãèñòîãðàììå N = f (X) ïîñòðîåííîéâ ëîãàðèôìè÷åñêîì ìàñøòàáå äîëæíà íàáëþäàòüñÿ ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü.

Îòêëîíåíèÿ îò ëèíåéíîé çàâèñèìîñòè â îáëàñòè áîëüøèõ çíà÷åíèé X ( ñì. ðèñ. 4)14NN100010001001001010102040502t2tA20406AAt2At2Ðèñ. 4: Ãèñòîãðàììû äëÿ ôðàãìåíòîâ èçìåðåíèé (îáðàçöû ïðè íàòÿæåíèè>80% îò ðàçðûâíîãî.)ñîîòâåòñòâóþò èçáûòî÷íûì øóìàì. Ñäåëàííûå îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî íàáëþäàåìûé èçáûòî÷íûé øóì íå äîëæåí ñêàçûâàòüñÿ íà ðàáîòå äåòåêòîðîâ LIGO-I,èñïîëüçóþùèõ ñõåìó ñîâïàäåíèÿ, íî ìîæåò ñòàòü ïðîáëåìîé ïðè ðàçðàáîòêåïîñëåäóþùèõ âàðèàíòîâ äåòåêòîðîâ ñ ïîâûøåííîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ.15PFLaserFD2BSFIPZTAC+DCSMFD1AMPSAPCÐèñ.

5: Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè. FI - èçîëÿòîð Ôàðàäåÿ, BS - ñâå-òîäåëèòåëü, PF - ïîëÿðèçàöèîííûé ñâåòîôèëüòð, FD1, FD2 - ôîòîäåòåêòîðû, PZT - ïüåçîýëåêòðè÷åñêèé ïðåîáðàçîâàòåëü, SM - ìàñêà, SA - àíàëèçàòîðñïåêòðà. ÷åòâåðòîé ãëàâåïðèâîäèòñÿ îïèñàíèå èçìåðåíèé ýôôåêòèâíîé øóìî-âîé òåìïåðàòóðû äëÿ ñòðóííûõ ìîä êâàðöåâûõ íèòåé. Èñïîëüçîâàíèå ìîäèôèöèðîâàííîãî òåíåâîãî äàò÷èêà ïîçâîëèëî ïîêàçàòü, ÷òî ïðè âðåìåíàõ óñðåäíåíèÿ áîëüøèõ âðåìåíè ðåëàêñàöèè (êîòîðîå äëÿ èññëåäîâàííûõ íèòåé äîñòèãàëî103 c), ýôôåêòèâíàÿ øóìîâàÿ òåìïåðàòóðà äëÿ ðàâíîâåñíûõ êîëåáàíèé òàêèõìîä íå îòëè÷àåòñÿ çíà÷èìî îò ôèçè÷åñêîé òåìïåðàòóðû T ∼= 280K .  ïðîâåäåííîì ýêñïåðèìåíòàëüíîì èññëåäîâàíèè ýôôåêòèâíàÿ øóìîâàÿ òåìïåðàòóðàîïðåäåëÿëàñü ïîñðåäñòâîì èçìåðåíèÿ äèñïåðñèè àìïëèòóäû ñòðóííîé ìîäû êîëåáàíèé êâàðöåâîé íèòè â óçêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò âáëèçè ðåçîíàíñà.

Áûëè èñïîëüçîâàíû íèòè äèàìåòðîì îò 80 äî 130 ìêì èç ïëàâëåíîãî êâàðöà âûñîêîéñòåïåíè î÷èñòêè (KS4V). Ðàçðàáîòàííàÿ ìîíîëèòíàÿ êîíñòðóêöèÿ êðåïëåíèÿïîçâîëèëà ñîõðàíèòü äîáðîòíîñòü ñòðóííîé ìîäû íà óðîâíå 107 è îáåñïå÷èòüïîñòîÿííîå íàòÿæåíèå íèòè. Äëÿ èçìåðåíèÿ àìïëèòóäû êîëåáàíèé íà îñíîâíîé164450Эффективная температура, K39534529524519514595450204060Натяжение, в % от натяжения разрыва80Ðèñ.

6: Ýôôåêòèâíàÿ òåìïåðàòóðà êàê ôóíêöèÿ íàòÿæåíèÿ.ñòðóííîé ìîäå áûë èñïîëüçîâàí ìîäèôèöèðîâàííûé òåíåâîé ìåòîä ("íîæà èùåëè"). Ëó÷ ëàçåðà ôîêóñèðîâàëñÿ ñ ïîìîùüþ àñôåðè÷åñêîé ëèíçû â ñåðåäèíó (ïî äëèíå) íèòè ñ íåáîëüøèì ñìåùåíèåì îòíîñèòåëüíî åå îñè â ïîïåðå÷íîìíàïðàâëåíèè.  ðåçóëüòàòå ïðåëîìëåíèÿ è äèôðàêöèè â ïó÷êå ôîðìèðîâàëñÿíàáîð ìàêñèìóìîâ, êîòîðûå ïðîõîäèëè ÷åðåç ñïåöèàëüíóþ òåíåâóþ ìàñêó è ñîáèðàëèñü íà ôîòîäåòåêòîð (ñì. ðèñ.

5).Ìàêñèìàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü äàííîé óñòàíîâêè ñîñòàâëÿëàñìSx ≈ 2 · 10−11 √Ãö(3)íà ÷àñòîòàõ îò 200 Ãö äî 2 êÃö. Äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè øóìà èñïîëüçîâàëñÿ àíàëèçàòîð ñïåêòðà SR785 (Stanford Research). Âðåìÿ íàêîïëåíèÿ ñîñòàâëÿëî 100 − 400 c.  ñëó÷àå, êîãäà âðåìÿ ðåëàêñàöèè áûëî îäíîãî ïîðÿäêà èëè ïðåâûøàëî âðåìÿ íàêîïëåíèÿ, èñïîëüçîâàëîñü óñðåäíåíèå ïîíåñêîëüêèì èçìåðåíèÿì. Áûëè ïðîâåäåíû èçìåðåíèÿ äëÿ ÷åòûðåõ îáðàçöîâ ïðèðàçëè÷íûõ íàòÿæåíèÿõ (ñì.

ðèñ. 6). Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè âðåìåíàõ óñðåäíåíèÿ,áîëüøèõ ïî ñðàâíåíèþ ñî âðåìåíåì ðåëàêñàöèè (äëÿ ìîä, èìåþùèõ äîáðîòíîñòü Q ≈ 107 âðåìÿ ðåëàêñàöèè τ ∗ ' 103 c) ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå Týôôåêòèâíàÿ øóìîâàÿ òåìïåðàòóðà íå îòëè÷àåòñÿ îò T â ïðåäåëàõ ïîãðåøíîñòè ýêñïåðèìåíòà (<40%).17Ïÿòàÿ ãëàâàïîñâÿùåíà îïèñàíèþ ýêñïåðèìåíòîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì îðèãè-íàëüíîãî äàò÷èêà íàòÿæåíèÿ êâàðöåâûõ íèòåé íà îñíîâå äåôîðìèðóåìîãî îïòè÷åñêîãî äèýëåêòðè÷åñêîãî ìèêðîðåçîíàòîðà (ÎÄÌÐ) ñ ìîäàìè òèïà "øåï÷óùåéãàëåðåè". Ðàçðàáîòàííàÿ òåõíîëîãèÿ ïîçâîëÿåò èçãîòàâëèâàòü ìèêðîðåçîíàòîðè íèòü êàê îäíî öåëîå, ÷òî äàåò âîçìîæíîñòü èññëåäîâàòü ôëóêòóàöèè íàòÿæåíèÿ áåñêîíòàêòíûì îáðàçîì â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò.

Ìèêðîðåçîíàòîðïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êâàðöåâûé øàðèê äèàìåòðîì ∼ 500 ìêì.  ýêâàòîðèàëüíîéîáëàñòè òàêîãî øàðèêà çà ñ÷åò ýôôåêòà ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ ìîãóòðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû. Êîãäà òðàåêòîðèÿ âîëíû çàìûêàåòñÿ, âîçíèêàåò ðåçîíàíñ. Òàêèå ðåçîíàíñíûå ìîäû è íàçûâàþòñÿ ìîäàìè òèïà"øåï÷óùåé ãàëåðåè". Ìàêñèìàëüíàÿ äîáðîòíîñòü òàêèõ ìîä äëÿ ðåçîíàòîðîâ èçâûñîêî÷èñòîãî ïëàâëåíîãî êâàðöà íà äëèíå âîëíû 0.63 ìêì äîñòèãàåò Q ∼ 1010 ,÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü èõ â âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ ýêñïåðèìåíòàõ. Ìåòîäèçìåðåíèÿ îñíîâàí íà òîì, ÷òî ïðè èçìåíåíèè íàòÿæåíèÿ íèòè áóäåò ïðîèñõîäèòü ðàñòÿãèâàíèå (èëè ñæàòèå) ñàìîãî øàðèêà, ÷òî ïðèâåäåò ê èçìåíåíèþäëèíû åãî ýêâàòîðà è, ñëåäîâàòåëüíî, ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû.