Автореферат (1105239)

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

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиКопцов Дмитрий ВладимировичШумы в интерферометрическихгравитационно-волновых детекторах, связанныес поглощающим покрытием пробных масс иэлектрическими зарядами на их поверхности01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета МГУимени М. В.

Ломоносова.Научный руководитель:Митрофанов Валерий Павлович,д.ф.-м.н., профессорОфициальные оппоненты:Руденко Валентин Николаевич,д.ф.-м.н., профессор, Московский Го­сударственныйУниверситетим.М.В.Ломоносова,ГосударственныйастрономическийинститутимениП.К.Штернберга, зав. отд.Манукин Анатолий Борисович,д.ф.-м.н., профессор, Институт физикиЗемли им.

О. Ю. Шмидта РАН, гл.н.с.Самойленко Алексей Андреевичк.ф.-м.н., Всероссийский научно-исследова­тельский институт оптико-физическихизмерений (ФГУП ВНИИОФИ), н. с.Защита диссертации состоится « 23 »ноября2017 г. в 15 - 30 на заседаниидиссертационного совета МГУ.01.12 Московского государственного университе­та имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские Горы, д. 1,стр.

2, Физический факультет МГУ, ауд. ЦФАE-mail: igorkartashov@mail.ruС диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций научной библиотекиМГУ имени М. В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) и на сайте ИАС“ИСТИНА”:https://istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/34133295Автореферат разослан « 18 »октября2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,к.ф.-м.н.И. Н.

Карташов3Общая характеристика работыАктуальность темы исследованияПроекты по экспериментальному обнаружению гравитационных волн, пред­сказанных общей теорией относительности Эйнштейна, такие как гравитаци­онно-волновой детектор LIGO [1], являются одними из самых масштабных меж­дународных проектов, посвященных фундаментальным физическим исследова­ниям. 14.09.2015 на двух детекторах LIGO было зафиксировано событие, кото­рое, как подтвердил последующий анализ, является следствием прохождениячерез детекторы гравитационных волн, излученных слиянием системы из двухчерных дыр [2].

Это стало первым прямым экспериментальным наблюдениемгравитационных волн и слияния двух черных дыр. Факт прохождения грави­тационной волны также был зафиксирован 26.12.2015 [3] и 04.01.2017 [4]. Этисобытия открывают новые возможности изучения структуры и эволюции Все­ленной. Экспериментальное исследование гравитационных волн, в частностипроверка общей теории относительности и исследование физических процессов,происходящих в черных дырах, станет неоценимым источником астрофизиче­ской информации.Существующие на данный момент гравитационно-волновые детекторы ос­нованы на интерферометре Майкельсона, в плечах которого находятся резо­наторы Фабри-Перо, образованные двумя пробными массами с зеркальнымипокрытиями. Изменение расстояния между ними свидетельствует об искрив­лении пространства-времени вследствие прохождения гравитационной волны.Обнаружение гравитационных волн выводит на первый план задачу улучшениячувствительности гравитационно-волновых детекторов.

Зарегистрированное из­менение расстояния между пробными массами из-за прохождения гравитацион­ной волны составило ≈ 4 · 10−18 м [5]. Задача исследования гравитационныхволн на основании измерения таких малых смещений требует в первую очередьидентифицировать и устранить источники флуктуаций смещения пробной мас­4сы.Факторы, ограничивающие чувствительность детектора, могут быть разде­лены на два класса: шумы смещения (которые приводят к реальному смещениюпробной массы) и инструментальные шумы (которые ограничивают возмож­ность детектора измерять малые смещения пробной массы) [6]. Один из шумов,принадлежащих к первой группе - зарядовый шум. В современных интерферо­метрических гравитационно-волновых детекторах для управления положениемпробных масс используются электростатические актюаторы, которые втягива­ют диэлектрическую пробную массу, в частности, изготовленную из плавленогокварца, в созданное ими неоднородное электростатическое поле.

Источник заря­дового шума - флуктуации распределения зарядов на поверхности диэлектри­ка (пробной массы), находящегося в электростатическом поле [6, 7]. Согласнотеоретическим оценкам, спектральная плотность шума растет с уменьшениемчастоты, поэтому снижение нижней границы рабочей полосы частот в AdvancedLIGO с 40 Гц до 10 Гц сделало проблему зарядового шума еще актуальнее.Важным источником флуктуаций смещения пробной массы является теп­ловой шум. Он включает в себя шум в системах подвеса пробной массы и всамой пробной массе [5]. Зеркала в детекторе Advanced LIGO имеют многослой­ное диэлектрическое отражающее покрытие из чередующихся слоев двуокисикремния и оксида тантала [8]. Тепловой шум в покрытиях пробной массы такжеявляется одним из важных факторов, ограничивающих чувствительность суще­ствующих гравитационно-волновых детекторов, и станет еще актуальнее при ихдальнейшем развитии вследствие ужесточения требований к чувствительностидетекторов [9].

Одно из предложенных решений уменьшения теплового шума- охлаждение пробных масс до температуры 123 К с заменой их материала сплавленого кварца на кремний (проект LIGO Voyager [10]). Большая циркули­рующая в плечах мощность оптического излучения (3 МВт) и малый, но ко­нечный коэффициент поглощения отражающего покрытия пробной массы при­ведут к ее нагреву. Поскольку при этом пробная масса должна поддерживать­5ся при низкой температуре, тепло необходимо отводить.

Охлаждение пробноймассы осуществляется в первую очередь посредством излучения, для чего набоковую поверхность предлагается наносить покрытие с высокой излучатель­ной способностью. Один из перспективных материалов для такого покрытия- Acktar Black [11]. При этом важно обеспечить минимальные вносимые этимпокрытием механические потери.Цели и задачи диссертационной работы:• Исследование динамики и флуктуаций распределения электрических за­рядов на поверхности диэлектрической пробной массы, находящейся в по­ле электростатического актюатора.• Исследование шума смещения пробной массы, помещенной в электроста­тическое поле актюатора, связанного с флуктуациями распределения за­рядов на ее поверхности.• Исследование теплового шума пробной массы в плече гравитационно-вол­нового детектора третьего поколения LIGO Voyager, обусловленного по­крытием с высокой излучательной способностью, нанесенным на боковуюповерхность пробной массы.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:• Разработка и создание экспериментальной установки для измерения флук­туаций силы взаимодействия диэлектрической пробной массы с электро­статическим полем актюатора, исследование зависимости спектральнойплотности мощности флуктуаций силы взаимодействия от величины при­ложенного к актюатору напряжения и времени приложения напряжения.• Модификация созданной экспериментальной установки с целью измере­ния динамики распределения плотности электрических зарядов на поверх­ности диэлектрика под действием электростатического поля актюатора.• Расчет теплового шума кремниевой пробной массы гравитационно-волно­вого детектора третьего поколения LIGO Voyager, связанного с покрытием6из материала Acktar Black на ее боковой поверхности.Научная новизна• Разработана и создана оригинальная экспериментальная установка длянепосредственного измерения флуктуаций момента сил, действующих намодельную пробную массу из плавленого кварца со стороны электриче­ского поля, создаваемого электростатическим актюатором.• На основании экспериментальных данных получена верхняя граница спек­тральной плотности шума смещения пробной массы в плече интерферо­метрического гравитационно-волнового детектора Advanced LIGO, обу­словленная флуктуациями силы взаимодействия пробной массы с элек­тростатическим полем актюатора.• Проведен численный расчет динамики распределения электрического за­ряда по поверхности диэлектрического образца под действием электро­статического поля, создаваемого гребенчатыми электродами актюатора.Результаты численного расчета согласуются с экспериментальными дан­ными.• На основании экспериментальных данных и численного расчета потерьпри упругих колебаниях тонких дисков с покрытием определен тангенсугла механических потерь материала Acktar Black.

Рассчитан тепловойшум кремниевой пробной массы проектируемого гравитационно-волново­го детектора LIGO Voyager, связанный с нанесенным на ее боковую по­верхность покрытием с высокой излучательной способностью из материа­ла Acktar Black.Практическая значимостьСовременные гравитационно-волновые детекторы используют электроста­тические актюаторы для управления положением пробной массы. При дальней­шем улучшении чувствительности детектора шум, связанный с флуктуациямисилы взаимодействия зарядов на пробной массе с электростатическим полем7актюатора, может стать ограничивающим фактором. В настоящей работе этотшум исследован экспериментально, и на основании полученных результатовдана верхняя граница зарядового шума в детекторе Advanced LIGO.

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