Тепловые и избыточные механические шумы в экспериментах с пробными телами (1097893), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé, ïîêàçàâøèå, ÷òî â ñòðóííûõ ìîäàõ êîëåáàíèé íèòåé èç âîëüôðàìà è ñòàëè ìîãóò âîçíèêàòü íåñòàöèîíàðíûå èçáûòî÷íûåìåõàíè÷åñêèå øóìû, ïðåâûøàþùèå ðàâíîâåñíûå òåïëîâûå ôëóêòóàöèè.Ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåííàÿ ñâÿçü ïîðîãà âîçíèêíîâåíèÿ è èíòåíñèâíîñòè ýòèõ øóìîâ ñ âåëè÷èíîé ïðèëîæåííîãî íàòÿæåíèÿ.3. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé, ïîêàçàâøèå, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå âàðèàöèé àìïëèòóäû äëÿ ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ â âûñîêîäîáðîòíûõ ìîäàõ ïîäâåñîâ çåðêàë íà íèòÿõ èç ïëàâëåíîãî êâàðöà ñîîòâåòñòâóåò ðàâíîâåñíûì òåïëîâûìôëóêòóàöèÿì (ïðè âðåìåíàõ óñðåäíåíèÿ 10−4 è áîëåå îò âðåìåíè ðåëàêñàöèè).4. Ïðåäëîæåííûé è ðåàëèçîâàííûé ìåòîä èçìåðåíèÿ íàòÿæåíèÿ íà îñíîâå èñïîëüçîâàíèÿ äåôîðìèðóåìîãî îïòè÷åñêîãî äèýëåêòðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà ñ ìîäàìè òèïà "øåï÷óùåé ãàëåðåè", ïîçâîëÿþùèé ðåãèñòðèðîâàòü√ôëóêòóàöèè íàòÿæåíèÿ êâàðöåâûõ íèòåé íà óðîâíå ∆σ/σ ' 1·10−11 1/ Ãöâ äèàïàçîíå ÷àñòîò îò 10 äî 100 êÃö.5.
Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé, ïîêàçàâøèå, ÷òî ðåêîðäíûå çíà÷åíèÿ äîáðîòíîñòè ìèêðîìàÿòíèêîâ ñîñòàâëÿþò (1.9 ± 0.2) · 107 äëÿ ìàÿòíèêîâîé ìîäû,5(9.2 ± 0.9) · 106 äëÿ îñíîâíîé ñòðóííîé ìîäû êîëåáàíèé ìàÿòíèêîâ íà êâàðöåâûõ íèòÿõ äèàìåòðîì ' 2 ìêì è ÷òî îíè îïðåäåëÿþòñÿ ïîâåðõíîñòíûìèïîòåðÿìè.6. Ðàçðàáîòàííûé è ðåàëèçîâàííûé ìåòîä äèàãíîñòèêè íåîäíîðîäíîñòåé ìíîãîñëîéíûõ îòðàæàþùèõ äèýëåêòðè÷åñêèõ ïîêðûòèé ñ ïðîñòðàíñòâåííûìðàçðåøåíèåì ïîðÿäêà äëèíû âîëíû (1 ìêì), ïîçâîëÿþùèé ðåãèñòðèðîâàòü îòêëîíåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ ïðîïóñêàíèÿ è ðàññåÿíèÿ ñ îòíîñèòåëüíîé ïîãðåøíîñòüþ ∼ 0.5%. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ïîêðûòèé íà îñíîâåT a2 O5 /SiO2 , ïîëó÷åííûå ñ åãî ïîìîùüþ.Àïðîáàöèÿ ðàáîòûÎñíîâíûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé, ïðåäñòàâëåííûå â äèññåðòàöèè, äîêëàäûâàëèñü íà ñëåäóþùèõ ìåæäóíàðîäíûõ êîíôåðåíöèÿõ è ñåìèíàðàõ:− Ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè ïî îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè è ãðàâèòàöèè (9th Marsel Grossmann meeting on General Relativity and Gravitation,Èåðóñàëèì, 1997).− Ìåæäóíàðîäíûõ êîíôåðåíöèÿõ ïî ãðàâèòàöèîííûì âîëíàì (Edoardo Amaldiconferences on gravitational waves: Ïåðò, 2001; Ïèçà 2003).− Ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè ïî ëàçåðíîé îïòèêå è ôîòîíèêå (LASE 2002Symposium: Photonics West, Ñàí-Õîñå, 2002).− Ìåæäóíàðîäíûõ êîíôåðåíöèÿõ ïî ëàçåðíûì äåòåêòîðàì ãðàâèòàöèîííûõâîëí (LSC meetings: Õàíôîðä, 2004; Ëèâèíãñòîí, 2005; Õàíôîðä, 2006;Áàòîí Ðóæ, 2007; Ïàñàäåíà, 2008).− Íàó÷íûõ ñåìèíàðàõ ôàêóëüòåòà ôèçèêè è àñòðîôèçèêè Êàëèôîðíèéñêîãîòåõíîëîãè÷åñêîãî èíñòèòóòà (Ïàñàäåíà: 2004, 2005, 2006, 2007).− Ëîìîíîñîâñêèõ ÷òåíèÿõ (Ìîñêâà, 2005).ÏóáëèêàöèèÍàó÷íûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé èçëîæåíû â 33 ïå÷àòíûõ ðàáîòàõ, ñïèñîêêîòîðûõ ïðèâåäåí â êîíöå àâòîðåôåðàòà.6Ëè÷íûé âêëàä àâòîðàÀâòîðîì îñóùåñòâëÿëñÿ âûáîð íàïðàâëåíèé, îáúåêòîâ è ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ.
Âñå èñïîëüçîâàííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå óñòàíîâêè áûëè ïðåäëîæåíû èñïðîåêòèðîâàíû àâòîðîì, ñîáðàíû è îòëàæåíû ïîä åãî ðóêîâîäñòâîì. Èçëîæåííûå â äèññåðòàöèè îðèãèíàëüíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷åíû àâòîðîì ëè÷íî, ëèáîïðè åãî íåïîñðåäñòâåííîì ó÷àñòèè.Ñòðóêòóðà ðàáîòûÄèññåðòàöèÿ ñîñòîèò èç ââåäåíèÿ, âîñüìè ãëàâ, ñïèñêà îñíîâíûõ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ, ñïèñêà ëèòåðàòóðû è çàêëþ÷åíèÿ. Ðàáîòà èçëîæåíà íà 188ñòðàíèöàõ, âêëþ÷àåò 58 ðèñóíêîâ, 10 òàáëèö è ñïèñîê ëèòåðàòóðû èç 151 íàèìåíîâàíèÿ.Ñîäåðæàíèå ðàáîòûÂî ââåäåíèèîáîñíîâûâàåòñÿ àêòóàëüíîñòü òåìû, ôîðìóëèðóåòñÿ öåëü èçàäà÷è ðàáîòû, äàåòñÿ êðàòêàÿ àííîòàöèÿ ðåçóëüòàòîâ, èçëîæåííûõ â ïîñëåäóþùèõ ãëàâàõ, ïðèâîäÿòñÿ îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ äèññåðòàöèè, âûíîñèìûå íàçàùèòó. ïåðâîé ãëàâåïðèâîäèòñÿ êðàòêèé îáçîð ïîñëåäíèõ äîñòèæåíèé â ýêñ-ïåðèìåíòàõ ñ ïðîáíûìè òåëàìè è àíàëèç ñóùåñòâóþùèõ ïðîáëåì, ñâÿçàííûõ ñìåõàíè÷åñêèìè øóìàìè.Ê ýêñïåðèìåíòàì ñ ïðîáíûìè òåëàìè ìîæíî îòíåñòè èññëåäîâàíèÿ, â êîòîðûõ èçìåðåíèå êàêîé-ëèáî âåëè÷èíû èëè îáíàðóæåíèå ôèçè÷åñêîãî ýôôåêòàñâîäèòñÿ ê ðåãèñòðàöèè ìàëîé ñèëû èëè ìîìåíòà ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ìàêðîñêîïè÷åñêîå òåëî.
Ïðèìåðàìè ÿâëÿþòñÿ êëàññè÷åñêèå îïûòû Ìèëëèêåíà, Ýéíøòåéíà è äå Ãààçà, ýêñïåðèìåíòû ïî ïðîâåðêå ïðèíöèïà ýêâèâàëåíòíîñòè èìíîãèå äðóãèå. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ìíîãèõ èçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ, íàïðèìåð,ãðàâèìåòðîâ è àòîìíî-ñèëîâûõ ìèêðîñêîïîâ, òàêæå îñíîâàí íà èçìåðåíèè îòêëèêà ïðîáíîãî òåëà íà âíåøíåå ñèëîâîå âîçäåéñòâèå. Ïðåäåë ÷óâñòâèòåëüíîñòè(èëè ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòè) â òàêèõ ýêñïåðèìåíòàõ îïðåäåëÿåòñÿ ôëóêòóàöèîííûìè ñèëàìè, äåéñòâóþùèìè íà ïðîáíîå òåëî. Ôëóêòóàöèè ìîæíî ðàçäåëèòü íà òåõíè÷åñêèå, ñâÿçàííûå ñ íåñîâåðøåíñòâîì èñïîëüçóåìîãî îáîðóäîâàíèÿ è òåõíîëîãèé, è ôóíäàìåíòàëüíûå, êîòîðûå ìîãóò íîñèòü ïðèíöèïèàëüíîíåóñòðàíèìûé õàðàêòåð. Èñòî÷íèêàìè ôóíäàìåíòàëüíûõ ôëóêòóàöèîííûõ ñèëÿâëÿþòñÿ, â ÷àñòíîñòè, òåïëîâûå ïðîöåññû (áðîóíîâñêîå äâèæåíèå, òåðìîäèíà7ìè÷åñêèå ýôôåêòû), à òàêæå âûñâîáîæäåíèå ñâîáîäíîé ýíåðãèè, çàïàñåííîé âïðîáíîì òåëå (àêóñòè÷åñêàÿ ýìèññèÿ, èçáûòî÷íûå ìåõàíè÷åñêèå øóìû).
Èìåííî òàêèå ôëóêòóàöèîííûå ñèëû ëåæàò â îñíîâå ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé, èññëåäîâàííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíî â ðàìêàõ íàñòîÿùåé äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû. Äàëåå,ðàññìàòðèâàþòñÿ ìåòîäû àíàëèçà áðîóíîâñêèõ øóìîâ. Äëÿ ñíèæåíèÿ óðîâíÿòàêèõ øóìîâ íåîáõîäèìî ïîâûøàòü äîáðîòíîñòü âñåõ ìåõàíè÷åñêèõ ìîä êîëåáàíèé ïðîáíîãî òåëà è åãî ïîäâåñà. Ñëîæíûé õàðàêòåð ïîòåðü ìåõàíè÷åñêîéýíåðãèè â òâåðäûõ òåëàõ è êîíñòðóêòèâíûõ ýëåìåíòàõ òðåáóåò ïðÿìûõ èçìåðåíèé â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå. Ïðèâîäÿòñÿ íàèëó÷øèå ðåçóëüòàòû äîñòèãíóòûå ðàíåå. Äëÿ ïëàâëåíîãî êâàðöà âûñîêîé î÷èñòêè óãîë ìåõàíè÷åñêèõïîòåðü ìîæåò ñîñòàâëÿòü îò 1.4 · 10−7 íà ÷àñòîòå 0.1 Ãö äî 5 · 10−8 íà ÷àñòîòàõïîðÿäêà íåñêîëüêèõ êÃö.
Èñïîëüçîâàíèå íèòåé äèàìåòðîì ïîðÿäêà 100 ìêì èçòàêîãî ìàòåðèàëà ïîçâîëèëî äîñòè÷ü äîáðîòíîñòè ' 2 · 108 . Îòìå÷àåòñÿ, ÷òîâëèÿíèå ïîâåðõíîñòíûõ ïîòåðü, êîòîðîå îñîáåííî ñèëüíî ñêàçûâàåòñÿ â ñëó÷àåíèòåé ìåíüøåãî äèàìåòðà, äî ñèõ ïîð èçó÷åíî íåäîñòàòî÷íî ïîëíî. Ðàññìîòðåíû è ñèñòåìàòèçèðîâàíû ýìïèðè÷åñêèå ìîäåëè è ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå,èìåþùèåñÿ â ëèòåðàòóðå.Áðîóíîâñêèé ìåõàíè÷åñêèé øóì íå ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåííûì òåïëîâûì ýôôåêòîì, îãðàíè÷èâàþùèì ÷óâñòâèòåëüíîñòü â ýêñïåðèìåíòàõ ñ ïðîáíûìè òåëàìè.
Ðàâíîâåñíûå ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû, ïðè ó÷åòå òåìïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ è ìîäóëÿ Þíãà, âûçûâàþò äîïîëíèòåëüíûå ìåõàíè÷åñêèå øóìû.  îòëè÷èå îò òåïëîâûõ è èçáûòî÷íûõ øóìîâ,âåëè÷èíà äàííîãî ýôôåêòà ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ, åñëèèçâåñòíû ìàòåðèàëüíûå êîíñòàíòû.Ðàçíîâèäíîñòüþ ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ â òâåðäûõ òåëàõ ìîæíî ñ÷èòàòü ÿâëåíèå àêóñòè÷åñêîé ýìèññèè (ïðîöåññà ãåíåðàöèè àêóñòè÷åñêèõ âîëí â ìàòåðèàëàõ è êîíñòðóêöèÿõ). Åå âîçíèêíîâåíèå ñâÿçàíî ñ ïðîöåññàìè ñòðóêòóðíîéïåðåñòðîéêè, ïðîòåêàþùèìè â ìàòåðèàëàõ ïîä íàãðóçêîé. Îñíîâíûìè ìåõàíèçìàìè ÿâëÿþòñÿ èçëó÷åíèå àêóñòè÷åñêîé âîëíû äâèæóùåéñÿ äèñëîêàöèåé ïðèèçìåíåíèè åå ñêîðîñòè èëè ôîðìû, à òàêæå îáðàçîâàíèå, äâèæåíèå è âåòâëåíèåòðåùèí.Èçáûòî÷íûå øóìû, èññëåäóåìûå â äàííîé äèññåðòàöèîííîé ðàáîòå, ìîæíîñ÷èòàòü "ïðåäâåñòíèêàìè" àêóñòè÷åñêîé ýìèññèè, íàáëþäàåìûìè â íèçêî÷à8ñòîòíîì äèàïàçîíå è ïðè ñêîðîñòè äåôîðìàöèè, ñòðåìÿùåéñÿ ê íóëþ.
Îòìå÷àåòñÿ, ÷òî èçáûòî÷íûå ìåõàíè÷åñêèå øóìû â âûñîêîäîáðîòíûõ ìîäàõ êîëåáàíèéðàíåå íèêîãäà íå íàáëþäàëèñü.Êðóïíåéøèìè ñîâðåìåííûìè ïðîåêòàìè äëÿ ðåàëèçàöèè êîòîðûõ ìåõàíè÷åñêèå øóìû â ïðîáíûõ òåëàõ è èõ ïîäâåñàõ ïðåäñòàâëÿþò ñåðüåçíóþ ïðîáëåìó ÿâëÿþòñÿ ëàçåðíûå ãðàâèòàöèîííî-âîëíîâûå îáñåðâàòîðèè (LIGO - â ÑØÀ,VIRGO - â Åâðîïå, ACIGA - â Àâñòðàëèè). îñíîâå âñåõ ëàçåðíûõ ãðàâèòàöèîííî-âîëíîâûõ àíòåíí ëåæàò èäåè Ãåðöåíøòåéíà è Ïóñòîâîéòà, êîòîðûå â 1962 ãîäó ïðåäëîæèëè äåòåêòîð â âèäå ÷åòûðåõ ñâîáîäíûõ ìàññ (ïðîáíûõ òåë), îáðàçóþùèõ èíòåðôåðîìåòð Ìàéêåëüñîíà.Ëàçåðíîå èçëó÷åíèå äîëæíî áûëî îáåñïå÷èòü âûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ñèñòåìû ïðè èçìåðåíèè èõ ìàëûõ îòíîñèòåëüíûõ ñìåùåíèé.
Ìåõàíèçìàìè, îãðàíè÷èâàþùèìè ÷óâñòâèòåëüíîñòü èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõ äåòåêòîðîâ, ÿâëÿþòñÿôëóêòóàöèè ôàçû îïòè÷åñêîé âîëíû è ôëóêòóàöèè êîîðäèíàò çåðêàë, êîòîðûåÿâëÿþòñÿ ïðîáíûìè òåëàìè. Êîîðäèíàòû çåðêàë ôëóêòóèðóþò â ðåçóëüòàòåòåïëîâûõ ýôôåêòîâ (áðîóíîâñêèé øóì è òåðìîäèíàìè÷åñêèå ôëóêòóàöèè) âìàòåðèàëå ñàìèõ ïðîáíûõ òåë, èõ ïîäâåñîâ è îòðàæàþùèõ ïîêðûòèé, âèáðàöèéëàáîðàòîðíîãî è ñåéñìè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ è âîçäåéñòâèÿ íà çåðêàëà èíûõôëóêòóàöèîííûõ ñèë (èçáûòî÷íûõ ìåõàíè÷åñêèõ øóìîâ). Ïðè äëèíå ïëå÷ ñóùåñòâóþùèõ èíòåðôåðîìåòðîâ ïîðÿäêà 4 êì íåîáõîäèìî èçìåðÿòü îòíîñèòåëüíûå ñìåùåíèÿ ïðîáíûõ ìàññ ïîðÿäêà 10−16 ñì è ìåíåå (â ïîëîñå ïîðÿäêà 100Ãö). äèññåðòàöèè ñäåëàí êðàòêèé àíàëèç ôàêòîðîâ, îãðàíè÷èâàþùèõ ÷óâñòâèòåëüíîñòü äåòåêòîðîâ.
Ïîêàçàíî, ÷òî òåïëîâûå è èçáûòî÷íûå ìåõàíè÷åñêèå øóìû ÿâëÿþòñÿ ñåðüåçíûìè ïðåïÿòñòâèÿìè íà ïóòè ê ïîâûøåíèþ ÷óâñòâèòåëüíîñòè è äëÿ èõ ïðåîäîëåíèÿ íåîáõîäèìû ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ. Îòìå÷àåòñÿ, ÷òî äåòåêòîðû ãðàâèòàöèîííûõ âîëí äàëåêî íå åäèíñòâåííûé âèä èçìåðåíèé, ÷óâñòâèòåëüíîñòü (èëè òî÷íîñòü) êîòîðûõ îïðåäåëÿþò òàêèå øóìû.
Âêà÷åñòâå ïðèìåðà ðàññìàòðèâàþòñÿ çîíäîâûå ìèêðîñêîïû, ìèêðî- è íàíîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå óñòðîéñòâà. Ñäåëàí âûâîä, ÷òî ìåõàíè÷åñêèå øóìû îïðåäåëÿþò ÷óâñòâèòåëüíîñòü, ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü è äðóãèå êëþ÷åâûå ïàðàìåòðû â èçìåðåíèÿõ ñ ïðîáíûìè òåëàìè, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ÿâëÿþòñÿ îäíèìèç âàæíåéøèõ èíñòðóìåíòîâ â íàó÷íûõ èññëåäîâàíèÿõ è òåõíè÷åñêèõ ïðèëî9æåíèÿõ, ïîýòîìó íåîáõîäèìû ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ òàêèõ øóìîâ.Âûáîð ìàòåðèàëà äëÿ ïðîáíûõ ìàññ è èõ ïîäâåñîâ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç âàæíûõçàäà÷, êîòîðóþ òàêèå èññëåäîâàíèÿ ïîçâîëÿþò ðåøèòü.
Äëÿ èçìåðåíèé â äèàïàçîíå íèçêèõ ÷àñòîò (f < 105 Ãö) ïðè êîìíàòíûõ òåìïåðàòóðàõ îïòèìàëüíûìâûáîðîì â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðåäñòàâëÿåòñÿ âûñîêî÷èñòûé ïëàâëåíûé êâàðö.Îòðàæàþùèå ïîêðûòèÿ, êîòîðûå íàíîñÿòñÿ íà ïðîáíûå òåëà, ìîãóò ñòàòü äîïîëíèòåëüíûì èñòî÷íèêîì ìåõàíè÷åñêèõ ôëóêòóàöèé, ïîýòîìó íåîáõîäèì àíàëèç èõ ñòðóêòóðû è ñâîéñòâ.Âî âòîðîé ãëàâåïðèâîäèòñÿ îïèñàíèå èññëåäîâàíèé èçáûòî÷íîãî øóìàâ ñòðóííûõ ìîäàõ êîëåáàíèé âîëüôðàìîâûõ ïðîâîëîê. Íèòè èç âîëüôðàìà ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå è ôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ.
Âîëüôðàì îäèíèç ñàìûõ òóãîïëàâêèõ ìàòåðèàëîâ (òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ 3410o C), åãî ïëîòíîñòü (19.3 ã/ñì3 ) â 1.7 ðàçà áîëüøå ïëîòíîñòè ñâèíöà, à ïðî÷íîñòü íà ðàçðûâ8 · 108 Í/ì2 âûøå, ÷åì ó ëó÷øåé ñòàëè.  äàííîé ðàáîòå â êà÷åñòâå îáðàçöîâèñïîëüçîâàëèñü êóñêè äëèíîé 15 ñì ïðîâîëîêè ÂÒ-10 äèàìåòðîì 20 ìêì, ïîâåðõíîñòü êîòîðîé ïðåäâàðèòåëüíî ïîëèðîâàëàñü è î÷èùàëàñü.Äëÿ èçìåðåíèÿ âàðèàöèé àìïëèòóäû êîëåáàíèé íà îñíîâíîé ñòðóííîé ìîäåáûë âûáðàí ëàçåðíûé èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèé ìåòîä.  îäíîì èç ïëå÷ èíòåðôåðîìåòðà áûëî óñòàíîâëåíî íåïîäâèæíîå çåðêàëî, â äðóãîì - èññëåäóåìûéîáðàçåö.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
