Диссертация (1105240)
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 физикиДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд. ф.-м. н., профессорМитрофанов В.
П.Москва – 20172ОглавлениеВведение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.4Лазерные интерферометрические гравитационно-волновыедетекторы. Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121.1.Первое поколение гравитационно-волновых детекторов . . . . .121.2.Современные гравитационно-волновые детекторы. Второе поколение . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .151.3.Заряды на пробной массе. Электростатический актюатор . . .171.4.Проекты усовершенствования существующих гравитационноволновых детекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 2.22Разработка и реализация эксперимента по исследованиюзарядового шума . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252.1.Схема экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . . . .252.2.Вычисление момента сил, действующих на осциллятор. Калибровка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342.3.Методика измерений . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .372.4.Методы цифровой фильтрации и обработки экспериментальных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.5.Основные факторы, ограничивающие чувствительность экспериментальной установки . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .Глава 3.4043Динамика зарядов на поверхности образца из плавленогокварца. Флуктуации взаимодействия образца с полем электростатического актюатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.53Взаимодействие диэлектрической пробной массы и электростатического актюатора при наличии распределения зарядовна поверхности диэлектрика . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .5333.2.Перераспределение зарядов на поверхности диэлектрика поддействием электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . .3.3.Численное моделирование взаимодействия пробной массы иэлектростатического актюатора . . . . . . . . . . . .
. . . . . .3.4.63Флуктуации момента сил, действующих на пробную массу состороны электростатического поля . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 4.5569Шумы пробной массы криогенных гравитационно-волновых детекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . .784.1.Механические потери в материале Acktar Black . . . . . . . . .784.2.Численный расчет тепловых шумов пробной массы гравитационно-волнового детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88Поглощающее покрытие из материала Acktar Black . . . . . . .96Заключение . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99Основные результаты работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .994.3.Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Приложение А.Исходный код цифровой обработки сигнала . . . 113А.1. Реализация метода Уэлча на языке С++ с использованиембиблиотеки fftw . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113А.2. Библиотека для связи сред С++ и Matlab через бинарныйфайл в формате Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118А.3. Реализация выделения амплитуды и фазы сигнала на заданнойчастоте методом гетеродинирования на языке С++ . . . . . . . 122А.4. Реализация выделения сигнала на заданной частоте методомгетеродинирования на языке программирования Matlab . . . .
1294ВведениеАктуальность 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 прохождения через детекторы гравитационных волн, излученных слиянием системы из двух черных дыр [2]. Это стало первым прямымэкспериментальным наблюдением гравитационных волн и слияния двух черных дыр. Факт прохождения гравитационной волны также был зафиксирован26.12.2015 [3] и 04.01.2017 [4]. Эти события открывают новые возможностиизучения структуры и эволюции Вселенной. Экспериментальное исследование гравитационных волн, в частности проверка общей теории относительности и исследование физических процессов, происходящих в черных дырах,станет неоценимым источником астрофизической информации.Существующие на данный момент гравитационно-волновые детекторыоснованы на интерферометре Майкельсона, в плечах которого находятся резонаторы Фабри-Перо, образованные двумя пробными массами с зеркальными покрытиями.
Изменение расстояния между ними свидетельствует обискривлении пространства-времени вследствие прохождения гравитационнойволны. Обнаружение гравитационных волн выводит на первый план задачуулучшения чувствительности гравитационно-волновых детекторов. Зарегистрированное изменение расстояния между пробными массами из-за прохождения гравитационной волны составило ≈ 4·10−18 м [5]. Задача исследованиягравитационных волн на основании измерения таких малых смещений требует в первую очередь идентифицировать и устранить источники флуктуаций5смещения пробной массы.Факторы, ограничивающие чувствительность детектора, могут быть разделены на два класса: шумы смещения (которые приводят к реальному смещению пробной массы) и инструментальные шумы (которые ограничиваютвозможность детектора измерять малые смещения пробной массы) [6].
Одиниз шумов, принадлежащих к первой группе - зарядовый шум. В современныхинтерферометрических гравитационно-волновых детекторах для управленияположением пробных масс используются электростатические актюаторы, которые втягивают диэлектрическую пробную массу, в частности, изготовленную из плавленого кварца, в созданное ими неоднородное электростатическоеполе. Источник зарядового шума - флуктуации распределения зарядов на поверхности диэлектрика (пробной массы), находящегося в электростатическомполе [6, 7]. Согласно теоретическим оценкам, спектральная плотность шумарастет с уменьшением частоты, поэтому снижение нижней границы рабочей полосы частот в Advanced LIGO с 40 Гц до 10 Гц сделало проблемузарядового шума еще актуальнее.Важным источником флуктуаций смещения пробной массы являетсятепловой шум.
Он включает в себя шум в системах подвеса пробной массы ив самой пробной массе [5]. Зеркала в детекторе Advanced LIGO имеют многослойное диэлектрическое отражающее покрытие из чередующихся слоевдвуокиси кремния и оксида тантала [8]. Тепловой шум в покрытиях пробноймассы также является одним из важных факторов, ограничивающих чувствительность существующих гравитационно-волновых детекторов, и станетеще актуальнее при их дальнейшем развитии вследствие ужесточения требований к чувствительности детекторов [9]. Одно из предложенных решенийуменьшения теплового шума - охлаждение пробных масс до температуры123 К с заменой их материала с плавленого кварца на кремний (проектLIGO Voyager [10]).
Большая циркулирующая в плечах мощность оптического излучения (3 МВт) и малый, но конечный коэффициент поглощения6отражающего покрытия пробной массы приведут к ее нагреву. Поскольку приэтом пробная масса должна поддерживаться при низкой температуре, теплонеобходимо отводить. Охлаждение пробной массы осуществляется в первуюочередь посредством излучения, для чего на боковую поверхность предлагается наносить покрытие с высокой излучательной способностью. Один изперспективных материалов для такого покрытия - Acktar Black [11]. Приэтом важно обеспечить минимальные вносимые этим покрытием механические потери.Цели и задачи диссертационной работы:• Исследование динамики и флуктуаций распределения электрическихзарядов на поверхности диэлектрической пробной массы, находящейсяв поле электростатического актюатора.• Исследование шума смещения пробной массы, помещенной в электростатическое поле актюатора, связанного с флуктуациями распределениязарядов на ее поверхности.• Исследование теплового шума пробной массы в плече гравитационноволнового детектора третьего поколения LIGO Voyager, обусловленногопокрытием с высокой излучательной способностью, нанесенным на боковую поверхность пробной массы.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:• Разработка и создание экспериментальной установки для измеренияфлуктуаций силы взаимодействия диэлектрической пробной массы сэлектростатическим полем актюатора, исследование зависимости спектральной плотности мощности флуктуаций силы взаимодействия от величины приложенного к актюатору напряжения и времени приложениянапряжения.• Модификация созданной экспериментальной установки с целью измерения динамики распределения плотности электрических зарядов на7поверхности диэлектрика под действием электростатического поля актюатора.• Расчет теплового шума кремниевой пробной массы гравитационно-волнового детектора третьего поколения LIGO Voyager, связанного с покрытием из материала Acktar Black на ее боковой поверхности.Научная новизна• Разработана и создана оригинальная экспериментальная установка длянепосредственного измерения флуктуаций момента сил, действующихна модельную пробную массу из плавленого кварца со стороны электрического поля, создаваемого электростатическим актюатором.• На основании экспериментальных данных получена верхняя границаспектральной плотности шума смещения пробной массы в плече интерферометрического гравитационно-волнового детектора Advanced LIGO,обусловленная флуктуациями силы взаимодействия пробной массы сэлектростатическим полем актюатора.• Проведен численный расчет динамики распределения электрическогозаряда по поверхности диэлектрического образца под действием электростатического поля, создаваемого гребенчатыми электродами актюатора.
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}
