Тепловые и избыточные механические шумы в прототипах кварцевых подвесов зеркал гравитационных антенн (1105011)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиЛясковская Наталья ЮрьевнаТепловые и избыточные механические шумыв прототипах кварцевых подвесов зеркалгравитационных антенн.Специальность 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физикиАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2006 г.Работа выполнена на кафедре физики колебанийФизического факультета МосковскогоГосударственного Университета имени М. В.

Ломоносова.Научные руководители:доктор физико-математических наук,профессор В. Б. Брагинский;кандидат физ.-мат. наук, доцент И.А. Биленко.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,главный научный сотрудник В. С. Багаев;кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник В. В. Колесов.Ведущая организация:Институт Физики Земли РАН (г. Москва).Защита состоится 21 декабря 2006 г. в 16-00 час. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.66.

в МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992,Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан 16 ноября 2006 г.Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.66.А. П. ЕршовОбщая характеристика работыАктуальность исследования: Одной из интереснейших задач современной экспериментальной физики является детектирование гравитационных волн,существование которых было предсказано А. Эйнштейном еще в 1918 году иподтверждено пока только косвенными наблюдениями.Интерес к этой задаче обусловлен тем, что создание детекторов, способныхрегистрировать гравитационное излучение, возникающее при различных астрофизических катастрофах (взрывах сверхновых звезд, столкновениях черныхдыр и т.п.) позволит изучать системы, обладающие большими гравитационными потенциалами в случаях, когда иные виды излучения не могут наблюдатьсяс Земли или вообще отсутствуют.

Информация о динамике таких систем необходима для развития квантовой гравитации и космологии. Причина, по которой гравитационные волны до сих пор непосредственно обнаружить не удалось,состоит в том, что величины смещений пробных тел, вызываемых ими, чрезвычайно малы. Чувствительность действующих в настоящее время гравитационных антенн (LIGO-I ) составляет примерно h ≈ 10−21 в безразмерных единицахвариации метрики, что соответствует относительным колебаниям пробных тел,расположенных на расстоянии 4 км с амплитудой ∆x ≈ 10−16 см (на частотахот 100 Гц до 1 кГц). Для надежной регистрации гравитационного излучения отизвестных источников эта величина должна быть примерно на порядок меньше.Чувствительность гравитационных антенн ограничивается многими факторами, имеющими как технический, так и фундаментальный характер.

Одним изтаких факторов является избыточный механический шум в подвесах пробныхтел.Избыточные шумы, величина которых составляла порядка 10% от равновесных тепловых колебаний, были обнаружены в струнных модах колебанийстальных и вольфрамовых проволок при натяжениях, близких к разрывным.В настоящее время в лазерных интерферометрических детекторах роль пробных тел играют 10-ти килограммовые зеркала, подвешенные на тонких стальных проволоках. В антеннах следующего поколения планируется увеличитьмассу зеркал до 40 кг, а проволоки заменить на нити из высокочистого плавленого кварца, что должно снизить тепловые шумы до необходимого уровня.Очевидно, что микроструктура и физические свойства металлов и плавле-1ного кварца отличаются очень сильно.

Известно, что механические свойства металлов резко меняются когда прикладывается натяжение, превышающее предел текучести материала. Не совсем ясно, существует ли аналогичный порогнатяжения для плавленого кварца. Поэтому, для ответа на вопрос о наличиии интенсивности избыточных шумов в кварцевых нитях необходимы прямыеизмерения.Объектом исследования являлись прототипы подвесов зеркал лазерныхгравитационных антенн второго поколения, представляющие собой тонкие нитииз плавленого кварца высокой очистки.Предметом исследования были механические флуктуации в высокодобротных модах колебаний прототипов подвесов зеркал лазерных гравитационных антенн.Идея исследования состояла в том, что использование резонансной лазерной интерферометрии для наблюдения за движением легкого зеркала, вваренного в исследуемую нить, позволяет достигнуть разрешения, достаточного длярегистрации равновесных тепловых флуктуаций с высоким разрешением.Цели диссертационной работы:• разработка метода регистрации тепловых и избыточных механическихшумов в кварцевых нитях с разрешением порядка 1% от равновесных тепловых колебаний.• Исследование с помощью этого метода механических шумов в прототипахподвесов зеркал гравитационных антенн.Научная новизна: Впервые проведены исследования низкочастотных механических флуктуаций в струнных модах колебаний нитей из плавленого кварца при различных натяжениях с разрешением порядка 1% от kT - средней тепловой энергии этих колебаний.Научно-практическая ценность:1.

Информация о наличии и уровне избыточных шумов в кварцевых нитях (прототипах подвесов зеркал гравитационных антенн) позволяет оценить максимально достижимый уровень чувствительности. Можно утверждать, что избыточные шумы, связанные с процессами в нитях подвеса, не2должны препятствовать достижению запланированной чувствительностиLIGO II.2. Поскольку нити из плавленого кварца, в силу его уникальных свойств(малые механические и электрические потери, малый коэффициент теплового расширения, большая прочность нитей на разрыв), используются всамых различных приборах и экспериментах, информация об избыточныхмеханических шумах в таких нитях представляет ценность для широкогокруга физических измерений и технических приложений.3. Разработанная методика изготовления тонких нитей с вваренным в середину зеркалом может быть использована в различных прецизионныхэкспериментах, в которых необходимо измерение отклика на воздействиемалых сил.На защиту выносятся следующие положения и результаты:1.

Для создания высокочувствительных оптомеханических преобразователей может быть использована разработанная технология приготовлениянитей из плавленого кварца высокой очистки с вваренным зеркалом, позволяющая сохранить высокую добротность механических мод и отражающую способность многослойного покрытия зеркала.2. Использование интерферометра Фабри-Перо с накачкой одночастотнымHe-Ne лазером позволяет регистрировать вариации амплитуды тепловыхколебаний в высокодобротных модах образцов с точностью ∼ 1%.3. В кварцевых нитях диаметром от 50 до 200 мкм при нагрузках от ∼ 4%до ∼ 50% при времени усреднения 10 мс и более вариаций, значимо превышающих равновесные тепловые, не обнаружено.4. Избыточный механический шум в подвесах зеркал лазерных гравитационных антенн второго поколения не должен ограничивать их чувствительность на уровне 1 · 10−17 см.Апробация работы: Основные результаты работы были представлены насеминарах кафедры Колебаний МГУ и Калифорнийского Технологического Института (США).3Публикации: Содержание работы опубликовано в 3 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.Структура работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы из 73 наименований.

Работа изложена на 96 страницах,включает 22 рисунка и 1 таблицу.Содержание работыВо введении обосновывается актуальность темы и формулируется цель работы.Первая глава содержит обзор литературных данных о проблеме детектирования гравитационных волн, устройстве существующих гравитационныхантенн, факторах, ограничивающих их чувствительность и способах борьбы сними. Особое внимание уделено шумам, возникающим в подвесах зеркал и способам регистрации этих шумов.В первой части главы приведена историческая справка о гравитационныхволнах, их возможных источниках и экспериментах по обнаружению.Работы по разработке и строительству твердотельных антенн начали проводиться в 60-х годах XX века, к концу 80-х все разрабатываемые антенны имелиприблизительно одинаковую чувствительность hmin ∼ 10−18 . С помощью такихантенн было зарегистрировано довольно много импульсов, которые, как предполагалось, могли быть откликами на гравитационно-волновое воздействие, однако эти импульсы не совпадали по времени на различных антеннах.

Как быловыяснено в последствии, большинство из них возникали под воздействием сейсмики и релаксации напряжений в материале антенны. Решить эту проблемуне удалось и начались работы по строительству интерференционных детекторов. Наиболее перспективными в настоящее время представляются лазерныеантенны в США, составляющие комплекс LIGO (от англ. Laser InterferometricGravitational Wave Observatory). Каждый интерферометр LIGO - это интерферометр Майкельсона, в плечах которого находятся 4-х километровые резонаторы Фабри-Перро, с резкостью F ' 300. Все зеркала и делитель пучка являются свободными массами.

Зеркала, изготовленные из плавленого кварца,подвешены на тонких стальных нитях длиной около 1 м. Вся система находится в вакуумной камере. Воздействие гравитационного излучения приведетк смещению пробных масс друг относительно друга и вызовет изменение длин4плеч резонатора L1 и L2 . Изменение фазы оптической волны ∆Φ, регистрируемой фотодетектором, пропорционально величине ∆L = L1 −L2 , которая, в своюочередь, пропорциональна вариации метрики пространства h:∆Φ ≈ F∆LhL=Fλλгде λ- длина волны лазера. На сегодняшний день достигнута чувствительностьhmin ∼ 10−21 .

По теоретическим расчетам ее необходимо повысить хотя бы наодин порядок, чтобы была реальная возможность зарегистрировать гравитационное излучение от известных астрофизических источников.В третьей части главы обсуждаются факторы ограничивающие чувствительность гравитационных детекторов. Одним из них являются собственныешумы подвесов тестовых масс. Недостатками стальных нитей, которые на данный момент выполняют функцию подвесов, являются, во первых, не достаточновысокая добротность, а, во вторых, наличие избыточных шумов, которые могут имитировать всплески гравитационного излучения.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации