Автореферат (1105239), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Результаты исследования динамики электрических зарядов на поверхности образцовиз плавленого кварца могут быть использованы для расчета шумов в другихгравитационно-волновых детекторах, а также в системах, где накопление электрического заряда ухудшает их работу, например, в MEMS-переключателях(MEMS - микроэлектромеханические системы) и системах контроля микрозеркал [12, 13, 14, 15].Тепловой шум является фактором, ограничивающим не только чувствительность гравитационно-волновых детекторов, но и, например, частотную стабильность прецизионных лазеров, стабилизированных оптическими твердотельными резонаторами [16].
Одним из способов уменьшения шума является снижение температуры резонатора, и в этом случае кремний, коэффициент теплового расширения которого при температуре ≈ 123 К переходит через ноль,становится перспективным материалом для изготовления резонатора, поскольку в данных условиях подавляется термоупругий шум и снижается влияниетермоупругих деформаций. В криогенном оптическом резонаторе существуетпроблема отвода поглощенной энегрии [17].
Поэтому важно создание покрытияс одной стороны с высокой излучательной способностью, с другой стороны смалыми механическими потерями, чтобы вносимый покрытием тепловой шумне ограничивал стабильность резонатора. В настоящей работе исследован одиниз возможных материалов для такого покрытия - Acktar Black. Проведенноеисследование покрытия из материала Acktar Black позволяет определить еговлияние на тепловой шум криогенных кремниевых оптических резонаторов и,в частности, на тепловой шум кремниевых пробных масс гравитационно-волновых детекторов третьего поколения, таких как LIGO Voyager.Положения, выносимые на защиту:8• Метод и соответствующая методика измерения момента сил, действующих на диэлектрическую пробную массу - пластину монолитного высокодобротного крутильного осциллятора из плавленого кварца, со стороныгребенчатого электростатического актюатора, позволяет измерять флуктуации момента сил взаимодействия на уровне 1.5 · 10−30 (Нм)2 /Гц в диапазоне частот вблизи 18 Гц.• Формирование пространственного распределения электрического зарядана пробной массе, отражающего геометрию электродов актюатора, подтверждается численным расчетом на основе уравнений Пуассона-НернстаПланка и измерениями временного изменения амплитуды вынужденныхколебаний крутильного осциллятора.• Релаксационный характер временного изменения силы, действующей надиэлектрическую пластину со стороны электростатического поля актюатора, обусловлен перераспределением зарядов на поверхности пластиныпод действием поля актюатора.• Значение sstrain ≈ (1.02±0.13)·10−22 Гц−1/2 верхней границы спектральнойплотности шума относительного смещения пробной массы в плече интерферометрического гравитационно-волнового детектора Advanced LIGO,обусловленного флуктуациями силы взаимодействия пробной массы с полем электростатического актюатора, полученное на основе проведенныхв работе измерений и численных расчетов.• Значение тангенса угла механических потерь материала с высокой излучательной способностью Acktar Black при температуре 123 К, полученное на основании экспериментального исследования и численного расчетапотерь в дисковых механических резонаторах с покрытием, составляетφAB = (3.1 ± 0.3) · 10−3 .
Нанесение на боковую поверхность кремниевойпробной массы покрытия из материала Acktar Black увеличивает тепловойшум относительного смещения пробной массы гравитационно-волновогодетектора третьего поколения LIGO Voyager на ≈ 9%.9Достоверность и апробация результатов. Достоверность результатов,представленных в диссертации, подтверждается их многократной проверкой,сравнением экспериментальных данных с результатами расчетов, а также соответствием результатам, опубликованным другими исследователями.
Основныерезультаты диссертации докладывались на следующих конференциях: Всероссийское совещание по прецизионной физике и фундаментальным физическимконстантам, Дубна, 2011, XIX Международная молодежная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2012”, Международная конференция LIGO-Virgo LVC-2012, Бостон, 2012, Международная конференция LIGO-Virgo LVC-2013, Ганновер, 2013, XI Международный семинар “Физико-математическое моделирование систем” (ФММС-11), Воронеж, 2013, Международный семинар “Гравитационно-волновые детекторы второго поколения”(GWADW-14), Такаяма, 2014, XII Международный семинар “Физико-математическое моделирование систем” (ФММС-11), Воронеж, 2014, Всероссийское совещание по прецизионной физике и фундаментальным физическим константам,Дубна 2014, XXII Международная молодежная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2015”, Международная конференция LIGO-Virgo LVC-2016, Пасадина, 2016, Международная конференцияLIGO-Virgo LVC-2017, Пасадина, 2017.
Статья [22] принята к печати в журналеPhysics Letters A и доступна онлайн.Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4-x статьях в рецензируемых журналах: [A1, A2, A3, A4] (индексированы в Web of Science,Scopus и РИНЦ).Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,104-х глав, заключения и списка литературы.
Общий объем диссертации 135 страниц, включая 42 рисунка. Список литературы включает 106 наименований на11-ти страницах.Содержание работыВо Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов, представлены выносимыена защиту научные положения.Первая глава представляет собой обзор литературы по теме диссертации. В ней даны теоретическое обоснование существования гравитационныхволн, история их открытия и общее описание существующих лазерных интерферометрических гравитационно-волновых детекторов. Описаны особенностиконструкции гравитационно-волнового детектора второго поколения AdvancedLIGO и связанные с ними источники шумов.
Отдельно рассмотрен шум смещения пробной массы детектора, связанный с флуктуациями распределения находящихся на ней электрических зарядов. Глава завершается обзором проектовпо усовершенствованию существующих гравитационно-волновых детекторов.Во второй главе описана экспериментальная установка для исследования динамики распределения электрических зарядов на поверхности образцаиз плавленого кварца и флуктуаций силы взаимодействия данного образца сполем электростатического актюатора. Основными элементами установки являются высокодобротный монолитный крутильный осциллятор из плавленогокварца и пластины с гребенчатыми электродами. Их взаимодействие моделирует, соответственно, взаимодействие пробной массы и электростатического актюатора в плече гравитационно-волнового детектора.
Установка, повторяя в масштабах лаборатории часть конструкции детектора, позволяет исследовать тепроцессы, изучение которых in situ затруднительно: использование крутильного осциллятора позволяет выделить исследуемый шум взаимодействия зарядов11на пробной массе с полем электростатического актюатора на фоне других шумов, помещение кварцевой пробной массы в среду с повышенной влажностьюуменьшает характерное время перераспределения зарядов до сравнимого с доступным временем измерения.
Схема экспериментальной установки изображенана рис. 1. Пластина осциллятора имеет размер 25.4×10×2.5мм3 , массу m ≈ 1 г.Частота крутильных колебаний осциллятора составляет fr ≈ 63.13 Гц и лежит в важном для Advanced LIGO диапазоне частот. Добротность осциллятораQ ≈ 106 . Электростатический актюатор состоит из двух стеклотекстолитовыхпластин размером 40 × 18 × 2 мм3 . На каждой из них находится 9 медных позолоченных полосок: пять из них заземлены, к четырем другим прикладываетсянапряжение.
Ширина каждой полоски 1 мм, расстояние между соседними полосками 1 мм. Зазор между пластиной с электродами и пластиной осциллятора≈ 1.5 мм.Установка оснащена оригинальным прецизионным оптическим датчикомна основе интерферометра Майкельсона. Одна из сторон пластины осциллятора имеет высокоотражающее многослойное покрытие, образуя диэлектрическоезеркало. Излучение частотно-стабилизированного He-Ne лазера с длиной волны λ = 633 нм через световод заводится в вакуумную камеру, коллимируется впучок, разделяется на 50:50 светоделителе и, проходя дополнительные направляющие зеркала, падает на пластину осциллятора. Отражаясь от пластины,два луча интерферируют на светоделителе и регистрируются двумя фотодетекторами. Конструкция датчика делает его практически нечувствительным кпоступательным смещениям осциллятора.При проведении измерений динамики распределения электрических зарядов к одной из пластин актюатора прикладывается постоянное напряжениеUDC , к другой - сумма постоянного напряжения и переменного напряженияна частоте f0 : UDC + UAC , где UAC = U0 cos(2πf0 t + ψ), ψ - фаза переменного напряжения.
Производится регистрация вынужденных колебаний пластиныосциллятора на частоте f0 . Амплитуда вынужденных колебаний определяется12Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: a) B - основание, закрепленное на стенелаборатории, S1 - верхняя ступень подвеса, MD - магнитный демпфер, S2 - нижняя ступень подвеса, SF - рама из плавленого кварца с крутильным осциллятором. b) Пластиныактюатора. c) Оптический датчик: BS - светоделитель, SM - неподвижное направляющеезеркало, ASM - подвижное направляющее зеркало, H1 , H2 - отверстия в пластине с оптикойдля падающего и отраженного лучей, PD1,2 - фотодетекторы.
d) Взаимное расположенияпластины осциллятора, актюатора и оптического датчика. e) Путь падающего луча от входаинтерферометра до точек отражения.распределением зарядов на пластине осциллятора, из ее временной зависимости можно определить характерное время релаксации распределения зарядов иотносительное изменение плотности распределения. При проведении измеренийфлуктуаций момента сил взаимодействия пластины осциллятора с электростатическим полем актюатора, к обеим пластинам прикладывается постоянное напряжение. Измеряется спектральная плотность мощности флуктуаций моментасил, действующих на пластину осциллятора, в зависимости от приложенногонапряжения и производится статистическое сравнение средних значений спектральной плотности.Управление установкой осуществляется при помощи разработанной программы для персонального компьютера (ПК), производящей сбор и сохранение13экспериментальных данных, а также отображение пользовательского интерфейса и предоставление удаленного управления установкой.
Для подачи постоянного высокого напряжения на электростатический актюатор разработан и собран управляемый источник напряжения, имеющий два высоковольтных выхода, разница выходных напряжений между которыми регулируется, и вход дляпеременного напряжения, которое после прохождения аудио-усилителя подмешивается к одному из выходных каналов через емкостную связь. Величина изнак выходного высокого напряжения, режим работы (постоянное напряжение,переменное, постоянное+переменное) и аудио усилитель управляются с ПК. Впроцессе измерений вычисляются спектр сигнала в заданном диапазоне частот,амплитуда сигнала на заданной частоте и оценка плотности распределения заряда на поверхности пластины осциллятора, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
