Тепловые и избыточные флуктуации в металлических подвесах для высокодобротных механических осцилляторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Агеев, Александр Юрьевич

• Агеев, Александр Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Агеев, Александр Юрьевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Проблема обнаружения гравитационных волн

1.1.1 Твердотельные резонансные гравитационные антенны

1.1.2 Лазерные интерферометрические гравитационные антенны

1.2 Шумы в деформированных материалах

1.2.1 Акустическая эмиссия

1.2.2 Скачкообразная деформация

Глава 2. Описание экспериментов

2.1 Измерение избыточного шума в крутильных колеба-\

ниях маятников

2.1.1 Методика измерений

2.1.2 Результаты измерений

2.2 Исследование избыточного шума в струнных модах колебаний вольфрамовых проволок

2.2.1 Описание экспериментальной установки

2.2.2 Полученные результаты

2.3 Исследование избыточного шума в струнных модах колебаний стальных проволок

2.3.1 Описание экспериментальной установки

2.3.2 Полученные результаты

Глава 3. Обсуждение результатов

3.1 Избыточные шумы в крутильных колебаниях маятников

3.2 Избыточные шумы в струнных модах колебаний вольфрамовых проволок

3.3 Избыточные шумы в струнных модах колебаний стальных проволок

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые и избыточные флуктуации в металлических подвесах для высокодобротных механических осцилляторов»

Введение

В целом ряде физических экспериментов получение информации связано с измерением малых сил, действующих на пробную массу. Одним из основных факторов, ограничивающих чувствительность таких измерений, является уровень собственных шумов в системе, регистрирующей воздействие. Согласно флуктуационно-диссипацион-ной теореме [1] на систему, находящуюся в состоянии термодинамического равновесия с термостатом, действует флуктуационная сила.

В разрабатываемых в настоящее время лазерных интерфероме-трических детекторах гравитационного излучения роль пробных масс играют зеркала, подвешенные на тонких нитях. Случайные смещения зеркал друг относительно друга, вызываемые тепловыми флук-туациями, называют тепловым шумом. Для того, чтобы снизить порог ограничения чувствительности антенн тепловым шумом, необходимо увеличивать добротность основных мод колебаний зеркал и их подвесов [2, 3].

Способы выделения сигнала на фоне тепловых шумов в высокодобротных системах [4, 5] а так же спектральные характеристики таких шумов в детекторах гравитационных волн [6, 7, 8, 9] изучены достаточно хорошо. Значительно меньше исследована проблема избыточных (имеющих нетепловое происхождение) шумов в механических колебательных системах. В резонансных твердотельных гра-

витационных детекторах избыточный шум наблюдался в виде редких импульсов, амплитуда которых может в десятки раз превышать амплитуду тепловых колебаний массивных цилиндров [10]. Таким образом, наличие избыточного шума существенно ограничивает чувствительность резонансных детекторов. В работе [11] было обнаружено наличие избыточного шума в проволоке подвеса крутильного маятника, приводящее к скачкообразному изменению положения равновесия.

Избыточный шум в антеннах на свободных массах может вызываться процессами релаксации механических напряжений в подвергающихся большим нагрузкам подвесах пробных масс. Источниками избыточного шума могут быть движение дислокаций и образование микротрещин. Экспериментально подтверждено, что эти явления при растяжении некоторых моно- и поликристаллов способны вызвать эффект акустической эмиссии [13, 14,15], которая может сопровождаться скачкообразной деформацией [16, 17, 18]. Возникновения

скачкообразной деформации согласуется с современными моделями \

движения дислокаций в в напряженных твердых телах [20, 19].

В соответствии с этим, возможность появления избыточного шума является серьезной проблемой для разработчиков лазерных гравитационных антенн. Суть этой проблемы заключается в том, что увеличивая нагрузку на тонкую проволоку, на которой подвешена пробная масса, можно уменьшить тепловые флуктуации ее координаты, благодаря увеличению добротности маятниковых и струнных мод колебаний в подвесе [21, 22]. С другой стороны, увеличение на-

тяжения неизбежно ведет к росту отношения статической механической энергии, запасенной в деформированной проволоке, к энергии, соответствующей измеряемому смещению пробной массы. И даже очень небольшое преобразование статической энергии, запасенной в проволоке, в моды колебаний пробных масс приведет к избыточному шуму в антенне [2].

Таким образом, оптимальный выбор материала подвеса, конструкции его закрепления и величины нагрузки является необходимым условием для того, чтобы найти достижимую чувствительность гравитационных антенн, зависящую как от тепловых так и нетепловых шумов.

Решение проблем связанных с избыточным шумом может помочь повысить чувствительность и надежность обнаружения в сейсмометрах, гравиметрах и других приборах, в которых используются пробные массы.

Целью данной работы являлось:

• Разработка методов измерения собственных шумов в крутильных и струнных-модах механических колебательных систем.

• Исследование статистических характеристик шумов нетеплового происхождения в металлических проволоках подвесов пробных масс гравитационных антенн на уровнях близких к тепловым шумам и их зависимостей от величины нагрузки и других факторов.

• Выработка на основании полученных результатов рекоменда-

ций по уменьшению влияния избыточных шумов в лазерных ин-терферометрических детекторах.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Агеев, Александр Юрьевич

Основные результаты диссертации были доложены на следующих конференциях.

1. на конференции:

The 8— Marsel Grossman Meeting on General Relativety and Gravitation. Ierusalem, 1997.

2. на симпозиумах:

LIGO Scientific Collaboration Meeting.

1) JILA,University of Colorado, Boulder, 1998.

2) California, Pasadena, 1997.

3. на научных семинарах кафедры молекулярной физики и физических измерений Физического факультета МГУ.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Агеев, Александр Юрьевич, 1999 год

Литература

[1] Ландау JI. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, т. 5. Статистическая физика. Часть 1. М., Наука, 1995, 605 с.

[2] Braginsky V. В., Mitrofanov V. P., Vyatchanin S. P. Isolation of test masses in the advanced laser interferometric gravitational-wave antennae. //Rev. Sci. Instr., 1994, v. 65, p. 3771-3774.

[3] Gillespie А.ДааЬ F. Thermally excited vibrations of the mirrors of laser interferometer gravitational-wave detectors. //Phys. Rev., 1995, D52, 2, p. 577-585.

[4] Брагинский В. Б., Митрофанов В. П., Панов В. И. Системы с малой диссипацией. М., Наука, 1981.

[5] Брагинский В. Б., Манукин А. Б. Измерение малых сил в физических экспериментах. М., Наука, 1974.

[6] Gonzalez G. I., Saulson P. R. Brownian motion of a torsion pendulum with internal friction. //Phys. Lett. A., 1995, A201, p. 12-18.

[7] Saulson P. R. Thermal noise in mechanical experiments. //Phys. Rev. D. Particles and Fields 3 series, 1990, v. 42, N8, p. 24372445.

[8] Gabriela I.,Gonzalez G. I.,Saulson P. R. Brownian motion of a mass suspended by an anelastie wire. //J. Acoust. Soc. Am., 1994, 96(1), p. 207-212.

[9] Kovalic J., Saulson P. R. Mechanical loss in fibers for low noise pendulums. //Rev. Sci. Instrum. Oct., 1993, v. 64, p. 2942-2946.

[10] Pizzella G. Gravitatonal-wave research with resonant antennas. //In Nuovo Cimeto, 1995, v. C18, A^ 3, p. 285-294.

[11] Adelberger E. G., Stubbs C. W., Heckel B. R. et al. Testing the equivalence principle in the field of the Earth. Particle physics at masses below 1 ц eV. //Phys. Rev., 1990, D42, p. 3267.

[12] Иоффе А. Ф. Физика кристаллов. М - JI., Госиздат., 1929, 192 с.

[13] Грешников В. А. Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М., 1976.

[14] Бунина Н. А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. Л., 1990.

[15] Гусев О. В. Акустическая эмиссия при деформировании монокристаллов, тугоплавких металлов. М., 1976.

[16] Классен-Неклюдова М. В. О природе пластической деформации. //Ж. Р. Т.-Х. О. часть физич., 1927, т. 59, с. 509.

[17] Яковлева Э. С., Якутович М. В. Скачкообразная деформация кристаллов цинка //Ж. Т. Ф., 1936, т. 5, вып. 10, с. ???

[18] Курлаев А. Р., Сидорин Ю. В. Скачки деформации при ползучести. //ДАН 1990, т. 311, № 3, с. 609.

[19] Бушуева Г. В., Зиненкова Г. М. Дифракционные методы исследования дефектов структуры кристаллов. Учеб. пособ. М., Изд-во Моск. ун-та, 1986.

[20] Судзуки Т., Есинага X., Таксути С. Динамика дислокаций и пластичность. М., 1989.

[21] Брагинский В. Б., Митрофанов В. П.,Токмаков К. В. Диссипация в струнных модах подвесов пробных масс гравитационных антенн. //ДАН., 1995, т. 345, 3, с. 324.

[22] Braginsky V. В., Mitrofanov V. P., Tokmakov К. В. Energy dissipation in the pendulum mode of the test mass suspension of the gravitational wave antennae. //Phys. Lett. A., 1996, v. 218, p. 164166.

[23] Taylor J. H., Weisberg J. M. Pulsar timing. //Astrophys. J., 1989, v. 345, p. 434.

J.H. Taylor, J.M. Weisberg A new test of general relativity: gravitational radiation and the binary pulsar 1913+16. The Astrophys. J. (1982) 253 908-920

[24] Вебер Дж. Общая теория относительности и гравитационные волны. М., ИЛ, 1962.

[25] Thorne К. S. Gravitational-wave research: Current status and future prospects. //Rev. Mod. Phys., 1980, v. 52, p. 285-297.

[26] Smarr L. ED Source of Gravitation Radiation. //Cambridge: University Press, 1979.

[27] Sinsky J.A., Weber J. New source for dynamical gravitational fields. //Phys. Rev. Lett., 1967, v. 18, 19, p. 795-797.

[28] Weber J. Gravitation radiation from the pulsars. //Phys. Rev. Lett., 1968, v. 21, Nй 6, p. 395-396.

[29] Weber J. Evidence for discovery of gravitational radiation. //Phys. Rev. Lett., 1969, v. 22, 24, p. 1320-1324.

[30] Брагинский В. Б., Манукин А. Б., Попов Е. И., Руденко В. И., Хорев А. А. Поиски гравитационного излучения внеземного происхождения. //Писмав ЖЭТФ, 1972, т. 16, с. 157.

[31] Douglass D. Н., Cram R. Q., Tyson J. A., Lee R.W. //Phys. Rev. Lett., 1975, v. 35, p. 480.

[32] Amaldy E., Astone P., Bassan H., et. al. Sensitiviti of the Rome Gravitational Wave Experiment with the Explorer Cryogenic Resonant Antenna Operation at 2 K. //Europhysics Lett., 1990,

12(1), p. 5.

[33] Bassan M., Bonifazi P., Bordoni F., Castellano M., Iafolla V., Visco M. Experimental sensitivity at 1763 Hz of Frascati cryogenic gravitational wave antenna. //Astron. Astrophys., 1990, v. 223, p. 258.

[34] Blaier D. G., Linthorne N. P., Mann L. D., Ramm D. K., Veitch P. J. Development of a 1.5 tonne niobium gravitational radiational antenna. //Rev. Sci. Instrum., 1987, v. 58(10), p. 1910.

[35] Астрофизика, кванты и теория относительности: Пер. с итал. /Под ред. Ф.И. Федотова. — М., Мир, 1982, 560 с.

[36] Schutz В. F. A First Course in General Relativity. //Cambridge: Cambridge Uneversity Press, 1986.

[37] Hawking S. W. and Israel W., Ed. 300 Years of Gravitation. //Cambridge: Cambridge Uneversity Press, 1984.

[38] Saulson P. R. Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors. //New. Jersey: World Scientific, 1994.

[39] Blair D. G., Ed. The Detection of Gravitational Waves. //Cambridge: Cambridge University Press, 1991.

[40] Abramovici et al. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory. //Science, v. 252, 1992, p. 325-333.

[41] Abramovici et al. Improved Sensitivity in a Gravitational Wave Interferometer and Implications for LIGO. //Phys. Lett. A, 1996, v. 218, p. 157-163.

[42] Caron B. et al. Status of the VIRGO experiment. //Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 1995, v. 360, p. 258-262.

[43] S. Braccini et al. Improvement on the test mass suspensions of the VIRGO laser interferometr gravitational wave detector. //Phys. Lett. A, 1995, v. 199, p. 307-314.

[44] Danzmann K., et. al. GE0600 - Proposal for a 600 m Laser-Interferometric Gravitational Wave Antenna The GEO 600 Team //MPQ Report 190, 1994.

[45] J. Hough et al. GEO 600: Current Status and Some Aspect of the Design. //Tama Procs., 1996.

[46] Blair D. G., McClelland D., Bachor H. Gravitational Waves and the AIGO Proposal Australian and New Zealand //Physicst., 1992, v. 29, iVa 4, p. 64-66.

[47] Gravitational Wave Detection. Proceedings of the TAMA International Workshop on Gravitational Wave Detection held at National Women's Education Centre, Saitama, Japan on November 12-14 1996 Frontiers Science Series iVa 20,

Edited by K. Tsubono, M.-K. Fujimoto, K. Kuroda //Universal Academy Press, Inc., 1997.

[48] Thorne K.S. — Report at LIGO Scientific Collaboration meeting (University of Colorado/JILA, 1998).

[49] Giamime J., Saha P., Shoemaker D., Sievers. L. A Passive Vibration Isolation Stack for LIGO: Design, Modelling and Testing. //Rev. Sci. Instrum., 1996, v. 67, p. 208-214.

[50] Thorne К. Gravity gradient noise due to human motion near a test mass chamber. //Caltech. Report, 1995.

[51] Braginsky V. В., Vorontsov Ju. I., Thorne K. S. //Science, 1980, v. 209, p. 547.

[52] Брагинский В. Б. Разрешение в макроскопических измерениях. //УФН, 1988, т. 156, вып. 1, с. 93-108.

[53] Воронцов Ю. И. Стандартные квантовые пределы погрешностей измерений и методы их преодоления. //УФН, 1994, т. 164, iVa 1, с. 89-104.

[54] Воронцов Ю. И. Теория и методы макроскопических измерений. //М., Наука, 1989, 280 с.

[55] Caves С. М. et al. //Rev. Mod. Phys., 1980, v. 52, p. 341.

[56] Braginsky V. В., Khalily F. Ya. Quantum measurement. //Cambridge: Cambridge University Press, 1992, 192 p.

\

[57] Braginsky V. В., Khalily F. Ya. Quantum nondemolition measurements: the route from toys to tools. //Reviews of modern physics, 1996, v. 68, iVa 1, p. 1-11.

[58] Caves С. M. Quantum-mechanical noise in an interferometer. //Phys. Ref. D, 1981, v. 23, № 8, p. 1693-1708.

[59] Coyne D. C. The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Project. //IEEE Aerospace Applications Confer-

РПГР IQQfi.

[60] Журков С. Н., ред. Дилатонный механизм прочности твердых тел. //Физака прочности и пластичности, Сб. статей, JL, Наука, 1986.

[61] Журков С. Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. //Вестник АН СССР, 1968, 3, с. 46-52.

[62] Cagnoli G., Gammaitoni L., Kovalik J., Marchesoni F., Punturo M. Mechanical shot noise induced by creep in suspension devices. //Phys. Lett. A., 1997, v. 237, p. 21.

[63] Биленко И. А., Митрофанов В. П., Охрименко О. А. Проявление неупругости в металлах при малых деформациях. //Писма в ЖЭТФ, 1990, т. 51, вып. 10, с. 532-535.

[64] Брагинский В. Б. Физические эксперименты с пробными телами. М., Наука, 1970.

[65] Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М., 1962.

[66] Митрофанов В. П., Токмаков К. В. Исследование неупругих эффектов в пластически деформированных металлических образцах квизистатическим методом. //ФТТ, 1994, т. 36, N- 4, р. 472.

[67] Биленко И. А., Митрофанов В. П., Охрименко О. А., Релаксация упругих деформаций в металлах при малых натяжениях. //Вест. Моск. Ун-та.. 1989, Серия 3, 5, с. 30.

[68] Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. М., Атомиздат, 1975.

[69] Брагинский В. Б., Панов В. И. Проверка эквивалентности инертной и гравитационной масс. //ЖЭТФ, 1971, т. 61, вып. 3(9), с. 873-878.

[70] Chen Y. Т., Cook А. Н., Metherell A. J. F. An experimental test of the inverse square low of gravitation at range of 0.1 m. //Proc. R. Soc. Long. A, 1984, v. 395, p. 47.

[71] Ландау Л. Д., Лифщиц Е. М. Теория упругости. М., Наука, 1987.

[72] Foreman A. J. Е., Makin М. J. Dislocation movement thougt random arrays of obstaoles. //Phil. Mag., 1966, v. 14, p. 911.

[73] Gagnoli G., Gammaitoni L., Marcghesoni F., Segoloni D. On dislocation damping at low freaquencies. //Phil. Mag., 1993, A68, №- 5, p. 865-870.

В заключение я от всей души благодарю моих научных руководителей чл.-корр. РАН, профессора Брагинского Владимира Борисовича и кандидата ф.-м. наук, доцента Биленко Игоря Антоновича за предложенную современную тему работы, содействие, внимание и помощь в ее осуществлении; моего первого научного руководителя и наставника доктора ф.-м. наук, профессора Митрофанова Валерия Павловича за переданный мне бесценный опыт в физических исследованиях; Городецкого М.Л за программное обеспечение для автоматизации установки; Хлынцева Ю.В. и Апалъкова В.К. за высочайшее мастерство по изготовлению деталей, и всех сотрудников кафедры молекурной физики и физических измерений МГУ за доброжелательность и поддержку во время выполнения работы.

V