Тепловые шумы и динамические неустойчивости в лазерных гравитационно-волновых антеннах второго поколения (1105013)
Текст из файла
На правах рукописиГурковский Алексей ГеннадьевичТепловые шумы и динамическиенеустойчивости в лазерныхгравитационно-волновых антеннах второгопоколенияСпециальность 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физикиАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква-2011Работа выполнена на кафедре физики колебаний Физического факультетаМосковского государственного университета имени М.
В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Вятчанин Сергей Петрович.Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Манукин Анатолий Борисович;доктор физико-математических наук,профессор Кулик Сергей Павлович.Ведущая организация:Всероссийский НИИ оптико-физическихизмерений (г. Москва).Защита состоится 23 июня 2011 г. в 15:30 на заседании Диссертационногосовета Д 501.001.66 в МГУ им. М. В.
Ломоносова по адресу: 119991, Москва,ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, МГУ, Физический факультет, СевернаяФизическая аудитория (СФА).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан2011 г.Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.66,кандидат физико-математических наукИ.Н. Карташов11.1Общая характеристика работыАктуальность темыСуществование гравитационных волн было теоретически предсказано Эйнштейном в 1916 году вскоре после создания общей теории относительности.Из неё, в частности, следовало существование волн, подобных электромагнитным, распространяющихся со скоростью света, но имеющих гравитационнуюприроду, то есть созданных изменением плотности вещества в пространстве.Гравитационное излучение, в отличие от электромагнитного, не может бытьдипольными, поскольку гравитационные „заряды“ (то есть массы), в отличиеот электрических, не имеют двух разных знаков („плюс“ и „минус“).
Такимобразом, гравитационные волны могут быть квадрупольными, октупольнымии т.д.Гравитационные волны, даже созданные наиболее мощными космическими источниками (системами двойных черных дыр, двойных нейтронных звёзди системами нейтронная звезда - черная дыра), вызывают настолько слабыеколебания положений частиц вещества в пространстве, что их до сих порне удалось зарегистрировать. Тем не менее, косвенное подтверждение существования гравитационных волн было получено Халсом и Тейлором в 1974году. Они показали, что изменение орбитального периода пульсара в двойнойзвездной системе PSR 1913+16 хорошо объясняется потерями на гравитационное излучение.В 1962 году советские ученые М.Е.
Герценштейн и В.И. Пустовойт впервые предложили метод регистрации гравитационных волн малой частоты. Вэтом методе предлагалось использовать балансную схему, основанную на интерферометре Майкельсона как можно бо́льших геометрических размеров. ВСССР было начато строительство подобной системы, которое было свернуто к 1990-му году. Однако идея Герценштейна и Пустовойта легла в основуназемных лазерных интерферометрических гравитационных антенн первогопоколения LIGO (около городов Ливингстона и Хэнфорда, США), VIRGO(около города Пиза, Италия), GEO-600 (около города Ганновера, Германия)и TAMA-300 (около города Токио, Япония), построенных в середине-конце1990-х годов.Чувствительность гравитационных антенн существенно ограничена различными фундаментальными и техническими шумами, а также паразитными динамическими эффектами, что до сих пор не позволяет непосредственнозарегистрировать гравитационное излучение, приходящее из космоса. Наиболее заметными шумами являются технический сейсмический шум, ограничивающий чувствительность на низких частотах (ниже 40 Гц), фундаментальные тепловые шумы зеркал, преобладающие на средних частотах (от140 до 400 Гц), где чувствительность большинства антенн максимальна, ифундаментальный квантовый дробовой шум, являющийся единственным существенным ограничителем чувствительности на высоких частотах (выше400 Гц).
Среди паразитных динамических эффектов можно выделить параметрическую колебательную неустойчивость. Хотя существуют и другиевиды неустойчивостей (например, вращательная), а также всплески негравитационного происхождения, называемые помехами (glitch).В процессе эксплуатации в течение 10-ти лет измерительная техника гравитационных антенн постоянно совершенствовалась. Это позволило к середине 2010 года поднять чувствительность1 модифицированных версий антеннLIGO (Enhanced LIGO) до величины h(f ) ≃ 8 × 10−24 Гц−1/2 около частоты150 Гц. В конце 2010 года начался демонтаж антенн первого поколения LIGO,GEO-600, VIRGO и TAMA-300 с целью их последующего переоборудованияв антенны второго поколения Advanced LIGO, GEO-HF, Advanced VIRGO иLCGT соответственно.
Завершение переоборудования и запуск новых антеннзапланированы на 2014-2016 годы. Ожидается, что их пороговая чувствительность достигнет значения h(f ) ≃ 4 × 10−24 Гц−1/2 в диапазоне частот от 100до 500 Гц, что должно позволить получить первое прямое экспериментальноеподтверждение существования гравитационных волн. Кроме того, началасьразработка антенны третьего поколения Einstein Telescope, запуск которойзапланирован на 2018 год.
Её пороговая чувствительность может достигатьещё более впечатляющего значения h(f ) ≃ 3 × 10−25 Гц−1/2 в диапазоне от200 до 400 Гц.Основными особенностями всех перечисленных выше наземных гравитационных антенн являются:• значительные размеры плеч интерферометра Майкельсона (например,для LIGO и Advanced LIGO – 4 км, для Einstein Telescope планируется 10 км);• тяжёлые пробные массы, в роли которых выступают оконечные зеркала интерферометра Майкельсона (40 кг в Advanced LIGO и 100 кг вEinstein Telescope);• большая оптическая мощность, циркулирующая в плечах (вAdvanced LIGO запланировано 830 кВт, в Einstein Telescope – 3 МВт);а также использующиеся или запланированные к использованию новейшиеэкспериментальные технологии для борьбы с различными видами шумов:1Чувствительность антенны будем характеризовать с помощью безразмерного параметра h(f ) – пороговой чувствительности, которая определяется как корень из спектральной плотности Sh величины h,равной отношению минимальной√ обнаружимой системой амплитуды смещения зеркала ∆x к удвоеннойдлине плеча L.
То есть h(f ) = Sh , где h = ∆x/2L. Таким образом, увеличение чувствительности будетозначать уменьшение значения h(f ).2• система сжатия вакуума в тёмном (выходном) порту;• сложная система подвеса пробных масс для их эффективной изоляцииот сейсмических шумов;• заморозка пробных масс в криостате жидкого гелия до температур порядка 20 К (с учётом нагрева световой энергией, поглощаемой в зеркалах);• системы сверхвысокого вакуума (до 10−8 торр) длиной в плечо интерферометра Майкельсона (суммарная протяжённость для LIGO иAdvanced LIGO – 8 км, для Einstein Telescope – 30 км);• диэлектрические зеркала со сверхэффективным интерферометрическимотражающим покрытием (коэффициент пропускания по мощности 10−5 )и многие другие.Перечисленные технологии позволяют добиться беспрецедентной чувствительности антенн к гравитационному сигналу. Тем не менее, задача борьбы с шумами и паразитными динамическими эффектами с целью повышениячувствительности гравитационных антенн стоит достаточно остро.В данной диссертационной работе подробно анализируются тепловые шумы и динамические неустойчивости в лазерных интерферометрических гравитационных антеннах второго и третьего поколения и предлагаются методыборьбы с ними, позволяющие улучшить предельную чувствительность антенн.1.2Цель работы1.
Анализ параметрической неустойчивости на стадии её зарождения в системах Advanced LIGO и GEO-600, использующих технологию рециркуляции сигнала и мощности. Получение условий возникновения эффектав указанных антеннах.2. Численный анализ возможности возникновения параметрическойнеустойчивости в антеннах Advanced LIGO и GEO-600. Выработкасоответствующих рекомендаций.3. Разработка метода точного анализа броуновских шумов диэлектрических покрытий оптических зеркал гравитационных антенн, учитывающего проникновение света в покрытие. Численный анализ и сравнениерезультатов, полученных с помощью данного и традиционного (не учитывающего проникновения света в покрытие) методов на основе моделейконечного и бесконечного зеркала с использованием параметров, запланированных для антенн Advanced LIGO и Einstein Telescope.34. Разработка метода анализа тепловых шумов зеркала с двойным покрытием на основе модели конечного зеркала с использованием приближённогои точного методов вычисления броуновских шумов покрытия.
Поиск оптимальной конфигурации зеркала с двойным покрытием с учётом поглощения световой энергии в подложке. Детальный анализ тепловых шумовзеркала с оптимальным покрытием. Сравнение тепловых шумов зеркалас двойным покрытием и эквивалентного (по отражающей способности)обычного зеркала. Анализ повышения чувствительности гравитационныхантенн Advanced LIGO и Einstein Telescope с использованием оконечныхзеркал с двойным покрытием.1.3Научная новизна работыВпервые произведён анализ условий возникновения параметрической колебательной неустойчивости в гравитационных антеннах Advanced LIGO и GEO600, использующих технологии рециркуляции мощности и сигнала.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
