Тепловые и избыточные механические шумы в прототипах кварцевых подвесов зеркал гравитационных антенн (1105011), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Применение нитей изплавленого кварца, механические потери в котором минимальны при комнатнойтемпературе, позволяет повысить добротность собственных мод колебаний подвеса, что, в соответствии с Флуктуационно-Диссипационной Теоремой (ФДТ),позволяет снизить уровень шумов теплового происхождения вдали от частотсобственных мод. За счет применения таких нитей на следующем этапе (LIGOII), чувствительность антенн должна быть повышена до 10−22 . В то же время,в напряженных нитях возможно, по аналогии со стальными нитями, появлениеизбыточных механических шумов нетеплового происхождения, которые могутбыть вызваны вязким течением материала в нити подвеса, движением неоднородностей и развитием микротрещин.
Избыточные шумы в подвесах пробныхмасс интерферометра могут не только снизить его чувствительность, но и имитировать импульсные сигналы, поскольку такие шумы могут быть нестационарными и вызывать редкие сильные смещения зеркала.Ранее, были проведены измерения эффективной шумовой температуры дляструнных мод таких нитей при времени усреднения порядка или больше времени релаксации τ ∗ ' 103 с. Превышений ее над температурой термостата обнаружено не было, однако, для гравитационно волновых антенн характерные5длительности сигналов t ' 10 мс, соответственно, необходимы исследования сболее высоким временным разрешением.В последней части первой главы приводится обзор литературы, касающийся структуры кварцевого стекла и возможных причин возникновения избыточного шума. Плавленый кварц (SiO2 ) представляет собой сетчатое полимерноенеорганическое стекло.
Однако, кварцевое стекло не может считаться идеальнобеспорядочной сеткой, так как являясь полимером, имеет ячеистую (или каркасную) структуру. В процессе микрорасслоения участки сетки группируютсяв отдельных местах, образовывая пучки цепочек, связанных в полимерный каркас или распределенных в виде отдельных объемных островков. При нагревании каркас может перейти в совершенно беспорядочную сетку.Механические свойства кварцевых стекол существенно зависят от того, какпроисходил процесс формирования их структуры (скорость стеклования, температура и длительность закалки). Большое значение имеет концентрация объемных и, особенно, поверхностных дефектов.
Дефекты и микротрещины могут также появляться как в результате действия напряжений при изготовлениистекла, так и в процессе последующей структурной релаксации. Чем толщестекло, тем большее количество дефектов и микротрещин спровоцированныхнапряжениями при изготовлении будут иметь место. Высокопрочные стекла,как правило, почти не имеют поверхностных микротрещин. В данной работесвойства кварцевых стекол исследовались при комнатной температуре, которая для SiO2 много меньше температур плавления и закалки. Тем не менее,поскольку ожидаемые эффекты (механические шумы) весьма слабые, исключать их связь с остаточной структурной релаксацией нельзя.Во второй главе приводится расчет требуемых параметров эксперимента,метод изготовления образцов и описание экспериментальной установки.Поскольку задачей данной работы было исследование шумов в прототипахподвесов зеркал гравитационных детекторов, важно оценить, какой амплитудыдолжны быть всплески избыточного шума и как часто они должны происходитьдля того, что бы имитировать настоящую гравитационную волну.Минимальное отношение сигнал/шум, при котором сигнал на выходе интерферометра LIGO-II считается информативным, выбрано равным 5.
В данной работе так же предполагается, что всплески (скачкообразные изменения6амплитуды колебаний выбранной моды) могут рассматриваться как избыточные шумы, если они превышают среднее значение, определяемое тепловымифлуктуациями, в 5 и более раз.Для фильтрации импульсных помех в LIGO используется метод совпадений.Одновременно должны будут работать три антенны - две с длинной плеч 4 кмкаждая, разнесенные на ∼ 3000 км, и одна с длинной плеч 2 км, находящаясяв той же вакуумной системе, что и одна из четырехкилометровых. Для того, что бы сигнал на выходе антенны рассматривался, как возможный откликна гравитационно-волновое воздействие, необходимо, что бы в пределах временного окна сигналы присутствовали на остальных двух антеннах. Посколькунаправление на источник гравитационных волн заранее не известно, минимальное временное окно (разрешающая способность по времени) составляет 10 мс иопределяется как максимально возможная разница во времени прихода волнык разнесенным на 3000 км антеннам.
При обработке данных LIGO-I в настоящеевремя используется временное окно, равное 200 мс. В этом случае вероятностьхотя бы одной "ложной тревоги" (случайного появления на трех антеннах впределах одного временного окна всплесков, превышающих стационарный шумболее, чем в 5 раз), вызванной событиями в нитях подвесов зеркал в течение 1года P ≥ 0.1 если такие события происходят в каждой нити в среднем 3 раза вчас или чаще.Существовали так же дополнительные требования к установке.
Для выделения избыточного шума на фоне шумов теплового происхождения, необходимо иметь чувствительность системы регистрации, достаточную для измерениймалых вариаций средней амплитуды колебаний нити на собственной частоте,вызванных тепловыми флуктуациями. Среднеквадратичное изменение координаты центра нити,qвызываемое тепловыми флуктуациями в основной струннойqq2kT2tмоде за время t : At '×. Для исследуемой нити эта величинаm∗ ω 2τ∗примерно равна:qсм2At ' 10−12 √Гц.Таким образом, целью данной работы была разработка и реализация метода регистрации колебаний кварцевых нитей, обладающего чувствительностью7√лучшей, чем 1 × 10−12 см/ Гц в области частот 0.5 − 2 кГц и исследованиес его помощью собственных колебаний кварцевой нити на высокодобротных(Q ∼ 107 ) модах.Для реализации такой чувствительности было принято решение использовать резонатор Фабри-Перо, одним из зеркал которого является маленькийкварцевый ромб, вваренный в центр исследуемой нити, на который напылено отражающее покрытие.
Размеры кварцевого ромба (4 × 2 × 0.5 мм) выбирались так, что бы его масса была порядка массы исследуемой нити. Исследуемаянить и ромбическое зеркало приваривались к кварцевой основе, изображеннойна рис.1. Основа также была изготовлена из цельного кварца для того, чтобыдобротность исследуемой нити не снижалась из-за потерь в местах касания синородным материалом.
По этой же причине все элементы сваривались, а несклеивались. Груз весом около 200 г тоже был изготовлен из цельного кускакварца и прикреплен к основанию двумя горизонтальными фиксаторами. Этопозволило демфировать крутильные и поперечные колебания нити с зеркалом.Такая система крепления позволяет сохранить добротность струнной моды зеркала на уровне Q ∼ 107 .Использование датчиков на основе многопроходных оптических схем в сочетании с высокостабильными источниками накачки позволяет достигать рекордных величин чувствительности при измерении малых смещений.
В качестве источника накачки был выбран одночастотный гелий-неоновый (He-Ne)лазер. Если считать, что единственным фактором, ограничивающим чувствительность, является дробовой фотонный шум, то минимальная величина, которую можно достичь с помощью данного метода, зависит от резкости резонатораF , мощности на фотодетекторе W и, в нашем случае, равна:sλ~ωсм∆xfmin =' 1 · 10−13 √4F qWГц(1)Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Для устойчивой работы лазера необходимо было исключить попадание отраженного светаобратно в его резонатор, поскольку уже при интенсивности отраженного пучкапорядка 0.01% наблюдалось появление больших скачков интенсивности. Былоиспользовано два изолятора на основе эффекта Фарадея, включенных последовательно. Потери в изоляторах составляли около 10%. Далее, пучок проходил8 Рис. 1: Кварцевая система закрепления исследуемой нити и зеркала интерферометра Фабри-Перо.через амплитудный модулятор на основе кристалла LiN bO3 , который использовался для стабилизации интенсивности.
Поскольку глубокая модуляция амплитуды не требовалась, апертура модулятора была выбрана достаточно большой(около 6 мм при диаметре пучка около 1 мм), что позволило избежать искажений волнового фронта. После модулятора был установлен светоделитель, который направлял ∼ 20% мощности на детектор схемы стабилизации интенсивности. Выходной сигнал подавался на амплитудный модулятор а также черезАЦП на один из контрольных каналов записи в компьютер. Коэффициент усиления разомкнутой цепи можно было регулировать в пределах 5...30, частотыФНЧ и ФВЧ первого прядка составляли 3 кГц и 40 Гц, соответственно. При замыкании цепи спектральная плотность амплитудных шумов в диапазоне частот0.3 − 1 кГц уменьшалась в 2 − 5 раз, пики на гармониках частоты сети практически исчезали.
Поскольку объем доступной вакуумной камеры был весьмаограничен, было решено использовать более простую в реализации схему - из9мерение интенсивности пучка, прошедшего через резонатор, настроенный так,чтобы частота лазера накачки находилась на склоне его резонансной кривой.Основной пучок после светоделителя через согласующую асферическую линзу заводился в одномодовое волокно и по волокну подавался в вакуумную камеру. Из волокна излучение через согласующую шаровую линзу попадало в интерферометр со стороны сферического зеркала. Со стороны подвижного зеркалабыл установлен фотодетектор. Сигнал с этого фотодетектора подавался на двамалошумящих предусилителя, расположенных в непосредственной близости отнего.
Выход одного из них был подключен к фазочувствительным вольтметрам, регистрировавшим сигналы на собственных частотах струнных колебанийнити. Выход другого подавался на усилитель обратной связи, управляющийнапряжением на пьезокерамической подаче, с помощью которой можно было внебольших пределах (0..0.5 мкм) перемещать сферическое зеркало. Наличие цепи обратной связи позволяло осуществлять настройку интерферометра такимобразом, чтобы рабочая точка оказывалась на склоне его резонансной кривой.Для подавления колебаний сейсмического и лабораторного происхожденияиспользовался двухступенчатый пассивный фильтр, состоящий из массивных(10 кг) латунных дисков подвешенных на витоновых кольцах.
Частоты маятниковых колебаний были ограниченны высотой подвеса (которая, в свою очередь,ограничивалась высотой вакуумной камеры) Lp = 30 см и составляли примерноfp1 ' 0.45 Гц для одной ступени, fp ' 1 Гц для колебаний всей конструкции какцелого. Частоты вертикальных колебаний составляли fv1 ' 2.1 Гц иfv2 ' 2.9 Гц.Для регистрации лабораторных вибраций использовался дополнительныйсейсмометр, установленный на вакуумной камере.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
