Диссертация (1105240), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Достигнутая чувствительность позволила обнаружить и измерить зарядовыйшум на этих частотах. Было получено согласие с формулой (1.3).В то время как в описанной работе продемонстрирован метод прямогоизмерения флуктуаций взаимодействия зарядов на поверхности образца изплавленого кварца с окружающими металлическими поверхностями и подтверждена справедливость формулы (1.3) в суб-миллигерцовом диапазоне,в работе не исследовано взаимодействие непосредственно поля электростатического актюатора с зарядами на поверхности диэлектрического образца.При этом под действием электростатического поля, создаваемого актюатором, заряды перераспределяются, поэтому проведенное в настоящей работеисследование данного взаимодействия на частотах в диапазоне 10 − 100 Гцособенно важно для детектора Advanced LIGO.221.4.
Проекты усовершенствования существующихгравитационно-волновых детекторовДаже по самым скромным оценкам, которые были сделаны на этапе конструирования детекторов второго поколения, их чувствительности должнобыть достаточно для детектирования по крайней мере нескольких событийв год. Первые несколько лет наблюдений подтвердили эти оценки. Однакодля получения астрофизической информации, в том числе исследования гравитации в сильных полях и.т.д., необходимо не только детектировать, но иисследовать форму и другие параметры гравитационной волны.
Частота событий, при которых чувствительности детекторов второго поколения достаточно для осуществления данной задачи, мала. Поэтому необходимо разрабатывать дальнейшие усовершенствования гравитационно-волновых детекторовдля достижения лучшей чувствительности.
Подобные проекты называют детекторами “третьего поколения”.Помимо фундаментальных ограничений на чувствительность детекторов, накладываемых квантовой теорией, преодолевать которые предлагаетсяразличными способами (такими как: частотно-зависимое сжатие оптическогоизлучения, использование частотно-зависимой квадратуры выходного сигнала, применение концепции квантовых невозмущающих измерений [56]), одним из существенных препятствий для улучшения чувствительности детектора Advanced LIGO является тепловой шум пробной массы, обусловленныйв том числе ее покрытиями [57, 58]. Проблема заключается в том, чтобысделать покрытие с одновременно насколько возможно близким к единицекоэффициентом отражения и малым фактором механических потерь.Преодолевать эти источники шума можно двумя способами: уменьшатьпотери и понижать температуру.
В связи с этим один из проектов усовершенствования детекторов Advanced LIGO предполагает охлаждение пробныхмасс. Для этого предлагается отказаться от плавленого кварца в пользу мо23нокристаллического кремния, коэффициент теплового расширения которогопереходит через ноль при температуре ≈ 123 К и для которого разработаныпромышленные методы получения поверхности с очень малыми потерями (в10 раз меньше чем у плавленого кварца [59]), поскольку кремний являетсянаиболее распространенным материалом в современной микроэлектронике.Проект гравитационно-волнового детектора на основе Advanced LIGO,использующий кремниевые пробные массы, поддерживаемые при температуре 123 К, получил название “LIGO Voyager” [10]. Основные его параметры:• кремниевые пробные массы & 150 кг• нижняя ступень подвеса и пробные массы при температуре 123 К• Лазер мощностью ≈ 200 Вт с длиной волны ≈ 2000 нмДля охлаждения пробной массы предполагается расположить на небольшом расстоянии от ее боковой поверхности термопроводящий экран, поддерживаемый при температуре жидкого азота.
Основные источники нагревапробной массы - тепловое излучение стенок вакуумной камеры, находящихсяпри 300 К, и поглощение излучения лазера засчет неидеальности отражающего покрытия. Несмотря на то, что теплопроводность кремния более чем в 300раз превосходит теплопроводность плавленого кварца, для соблюдения баланса потоков тепла и поддержания пробной массы при низкой температуреизлучения с боковой поверхности пробной массы и отражающего покрытияна торце пробной массы недостаточно, поскольку в инфракрасном диапазонекремний имеет малый коэффициент поглощения [60]. Поэтому необходимопокрыть боковую поверхность пробной массы материалом с высокой излучательной способностью - такое покрытие обеспечивало бы эффективный теплообмен с охлаждающим экраном. В качестве материала для такого покрытияпредлагается использовать Acktar Black [61].
Учитывая высокие требованияк чувствительности детекторов третьего поколения, необходимо исследовать24как сам материал покрытия, так и вносимый данным покрытием тепловойшум пробной массы.25Глава 2Разработка и реализация эксперимента поисследованию зарядового шума2.1. Схема экспериментальной установкиБлок-схема разработанной и реализованной экспериментальной установки для исследования динамики электрического заряда на поверхности плавленого кварца и флуктуаций взаимодействия пробной массы из плавленого кварца с электростатическим полем актюатора представлена на рис. 2.1.Основные элементы экспериментальной установки - высокодобротный монолитный крутильный осциллятор из плавленого кварца и электростатическийактюатор.
Конструкция данной части установки близка к тому, как расположены в плече гравитационно-волнового детектора Advanced LIGO конечная (пробная) масса и электростатический актюатор. При этом пластинакрутильного осциллятора является модельной пробной массой. Рама осциллятора имеет размеры 100 × 100 мм2 , пластина осциллятора имеет размер25.4 × 10 × 2.5 мм3 , массу m ≈ 1 г и приварена к раме тонкими кварцевыми нитями с диаметром примерно 400 мкм.
Частота крутильных колебанийосциллятора составляет fr ≈ 63.13 Гц и лежит в диапазоне частот, представляющих наибольший интерес для Advanced LIGO (10 ÷ 100 Гц). Монолитнаяконструкция осциллятора позволила достичь больших значений добротностиколебаний - Q ≈ 106 . Добротность измерялась в вакууме при остаточномдавлении ≈ 10−5 Торр и была вычислена из характерного времени τ затухания свободных колебаний осциллятора Q = πf τ .
При атмосферном давлениидобротность составляет Q ≈ 2 · 103 и в основном ограничивается вязким трением в слое воздуха между пластиной осциллятора и актюатором. Электростатический актюатор состоит из двух стеклотекстолитовых (FR-4) пластин26Рис.
2.1: Блок-схема экспериментальной установки: a) B - основание, закрепленное на стене лаборатории, S1 - верхняя ступень подвеса, MD - магнитныйдемпфер, S2 - нижняя ступень подвеса, SF - рама из плавленого кварца скрутильным осциллятором. b) Пластины актюатора. c) Оптический датчик:BS - светоделитель, SM - неподвижное направляющее зеркало, ASM - подвижное направляющее зеркало, H1 , H2 - отверстия в пластине с оптикой дляпадающего и отраженного лучей, PD1,2 - фотодетекторы.
d) Взаимное расположение пластины осциллятора, актюатора и оптического датчика. e) Путьпадающего луча от входа интерферометра до точек отражения на пластинеосциллятора.размером 40 × 18 × 2 мм3 . На каждой из них находится 9 медных позолоченных полосок, объединенных в две группы - два электрода (см. рис. 2.2).Пять полосок, включая наружные, заземлены, к четырем другим может прикладываться напряжение (постоянное, переменное или сумма постоянного ипеременного). Ширина каждой полоски 1 мм, расстояние между соседними27Рис. 2.2: Трехмерная модель используемого в экспериментальной установкеэлектростатического актюатора: две пластины из стеклотекстолита (показаны зеленым) с позолоченными гребенчатыми электродами, расположенные наалюминиевой подложке.
Каждая пластина может независимо перемещатьсяпараллельно самой себе.полосками 1 мм. Зазор между пластиной с электродами и пластиной осциллятора ≈ 1.5 мм. Каждая из пластин с электродами закреплена на подвижномалюминиевом основании таким образом, что зазор между ней и пластинойосциллятора можно подстраивать независимо. При приложении к электродампостоянного напряжения образуется неоднородное электростатическое поле,в которое втягивается пластина осциллятора. Сила F пропорциональна квадрату приложенного напряжения U :F = |dCT /dx| U 2 /2,(2.1)где CT - полная электрическая емкость электродов, x - велична зазора [62].Для подачи напряжения на электростатический актюатор был разработан и собран управляемый источник высокого напряжения.
Блок-схема28прибора представлена на рис. 2.3. Он основан на коммерческих источникахвысокого напряжения Emco CA12P и Emco CA12N (последний не показан насхеме), имеющих на выходе напряжение от 0 В до +1200 В и 0 В до −1200 Всоответственно, которое пропорционально входному напряжению 0 − 5 B.Поскольку электростатический актюатор разделен на две части, у прибораимеется два высоковольтных выхода, разница выходных напряжений междукоторыми регулируется. Также прибор имеет вход для переменного напряжения, которое после прохождения аудио-усилителя TDA7293 подмешиваетсяк одному из выходных каналов через емкостную связь. Это позволяет податьна одну из половин актюатора сумму постоянного и переменного напряжений и исследовать вынужденные колебания осциллятора. Величина и знаквыходного высокого напряжения, режим работы (постоянное напряжение,переменное, постоянное+переменное) и аудио усилитель управляются припомощи компьютера.
Для этого были разработаны и изготовлены платы наоснове микроконтроллеров ATtiny44 и STM32F103, управляемые с компьютера по протоколу USB (Control Endpoint), которые в свою очередь управляютисточником напряжения и выбирают режим работы посредством электромеханических реле. Постоянные напряжения на обоих выходных каналах измеряются 12-ти битными АЦП, встроенными в микроконтроллер STM32, ипередаются на компьютер для контроля и автоматизации измерений.Установка сконструирована таким образом, что для проведения измерений необходимо, чтобы электрические силы притяжения, создаваемые каждой из пластин актюатора, компенсировались так, что приложение напряжения к актюатору не поворачивало бы пластину осциллятора. Меняя положение электродов относительно пластины осциллятора можно добиться того, чтобы моменты сил, действующие со стороны электростатического поляэлектродов двух половин актюатора уравновешивали друг друга.
Поскольку подобная регулировка положения пластин электродов достаточно грубая,добиться баланса только с ее помощью трудно. Для более тонкой регули29Рис. 2.3: Блок-схема управляемого источника высокого напряжения для подачи напряжения на электроды пластин электростатического актюатора.ровки реализована возможность плавной подстройки разницы напряжений,подаваемых на половины актюатора, что позволяет скомпенсировать дисбаланс моментов сил из-за неодинакового положения пластин актюатора.
Компенсация достигается за счет делителей напряжения, установленных междуисточником напряжения и каждой из пластин актюатора. Один из делителейсодержит переменный резистор, подстройкой которого может быть отрегулирована разность напряжений и, соответственно, разность электростатических сил, создаваемых каждой из половин актюатора. Поскольку источникнапряжения общий для обеих пластин актюатора, шумы источника напряжения подавляются - обе группы электродов питаются от одного источниканапряжения, поэтому флуктуации высокого напряжения на них будут одинаковыми и соответствующие флуктуации моментов сил будут компенсироватьдруг друга так же, как и регулярные составляющие.После проведения подстройки разности напряжений при проведениипрецизионных измерений система управления отключается (кроме управления питанием источника высокого напряжения Emco), значение и знак30Рис.
2.4: Блок-схема высоковольтной части источника напряжения, подаваемого на электроды пластин электростатического актюатора при проведении прецизионных измерений. Все замыкающиеся/размыкающиеся контакты убраны и заменены пайкой. HV In - высокое напряжение, создаваемоекоммерческим источником Emco.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
