Тепловые и избыточные механические шумы в прототипах кварцевых подвесов зеркал гравитационных антенн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Лясковская, Наталья Юрьевна

• Лясковская, Наталья Юрьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лясковская, Наталья Юрьевна

Введение

1 Обзор литературы.

1.1 Гравитационные волны.б

1.2 Проблема детектирования гравитационных волн.

1.2.1 Твердотельные резонансные детекторы.

1.2.2 Интерферометрические дегекторы.

1.3 Ограничения чувствительности гравитационно-волновых антенн.

1.3.1 Фотонный дробовой шум.

1.3.2 Сейсмический шум.

1.3.3 Вариации градиентов гравитационного поля.

1.3.4 Влияние остаточного газа.

1.3.5 Тепловой шум.

1.3.6 Квантовые флуктуации.

1.3.7 Избыточный механический шум.

1.4 Структура кварцевого стекла.

2 Экспериментальная установка и образцы для исследования механических шумов.

2.1 Расчет требуемых параметров эксперимента.

2.1.1 Оценки, интенсивности негауссовых избыточных шумов ( событий) критичных для LIGO-II

2.1.2 Дополнительные требования к установке.

2.2 Метод изготовления образцов.

2.3 Интерферометрический метод измерения амплитуды малых колебаний нити.

2.4 Вибрационная изоляция.

2.5 Вакуумная система.

3 Методика и результаты измерений

3.1 Процедура измерений.

3.2 Выбор оптимального времени усреднения.

3.3 Предварительная обработка результатов.

3.4 Результаты измерений.

3.5 Экстраполяция полученных результатов к параметрам LIGO-II.

Выводы

Публикации по теме диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые и избыточные механические шумы в прототипах кварцевых подвесов зеркал гравитационных антенн»

Одной из интереснейших задач современной экспериментальной физики является дехектирование гравитационных волн, существование которых было предсказано А. Эйнштейном еще в 1918 году [1], [2], и подтверждено косвенными наблюдениями [3].

Интерес к этой задаче обусловлен тем, что создание детекторов, способных регистрировать гравитационное излучение, возникающее при различных астрофизических катастрофах (взрывах сверхновых звезд, столкновениях черных дыр и т.п.) позволит изучать системы, обладающие большими гравитационными потенциалами в случаях, когда иные виды излучения не могут наблюдаться с Земли или вообще отсутствуют. Информация о динамике таких систем необходима для развития квантовой гравитации и космологии. Причина, но которой гравитациониые волны до сих пор непосредственно обнаружить не удалось, состоит в том, что величины смещений пробных тел, вызываемых ими, чрезвычайно малы. Чувствительность действующих в настоящее время гравитационных антенн (LIGO-I [4]) составляет примерно h « Ю-21 в безразмерных единицах вариации метрики, что соответствует относительным колебаниям пробных тел, расположенных на расстоянии 4 км, амплитудой Ах « Ю-16 см (на частотах от 100 Гц до 1 кГц). Для надежной регистрации гравитационного излучения от известных источников эти величины должна быть в несколько раз меньше

Чувствительность гравитационных антенн ограничивается многими факторами, имеющими как технический, так и фундаментальный характер В лазерных интерферометричееких детекторах роль пробных тел играют зеркала, подвешенные на тонких нитях. Случайные смещения зеркал друг относительно друга могут быть вызваны как внешними воздействиями (сейсмика, электрические и магнитные поля, космические лучи), так и внутренними факторами (тепловые и квантовые флуктуации, дополнительные электрические и механические шумы).

В настоящее время в антеннах используются зеркала массой 10 кг, висящие на стальных проволоках. В антеннах следующего поколения планируется увеличить массу зеркал до 40 кг, а проволоки заменить на нити из высокочистого плавленого кварца, что должно снизить шумы теплового и квантового происхождения до необходимого уровня. В то же время, статическая энергия, запасенная в нитях за счет упругого растяжения, будет превышать энергию колебаний зеркала, соответствующих порогу чувствительности, в 1021 раз! Существование любого механизма преобразования малой части энергии растяжения в энергию колебаний способно привести к появлению дополнительных флукту-аций координаты зеркала (избыточным механическим шумам) и к ограничению чувствительности антенны.

Избыточные механические шумы, величина которых составляла порядка 10% от равновесных тепловых колебаний, были обнаружены в струнных модах колебаний стальных и вольфрамовых проволок при натяжениях, близких к разрывным [5]. Очевидно, что микроструктура и физические свойства металлов и плавленого кварца отличаются очень сильно. Известно, что механические свойства металлов резко меняются, когда прикладывается натяжение, превышающее предел текучести материала. Не совсем ясно, существует ли аналогичный порог натяжения для плавленого кварца. Поэтому, для ответа на вопрос о наличии и интенсивности избыточных шумов в кварцевых нитях необходимы прямые измерения. Поскольку нити из плавленого кварца, в силу его уникальных свойств (малые механические и электрические потери, малый коэффициент теплового расширения, большая прочность нитей на разрыв), используются в самых различных приборах и экспериментах, информация о избыточных механических шумах в таких нитях представляет ценность также для широкого круга физических измерений и технических приложений.

В работе [б] была измерена эффективная температура, соответствующая стационарным шумам таких нитей. Полученный результат позволяет говорить о том, что, при больших временах усреднения, эти шумы не отличаются от тепловых больше, чем в 1.5 раза. Однако, чувствительность использованного метода не позволяла исследовать их с высоким временным разрешением. Другие исследования механических шумов в кварцевых нитях автору диссертации не известны.

Целью данной работы была разработка и реализация метода регистрации тепловых и избыточных механических шумов в кварцевых нитях с разрешением порядка 1% от равновесных тепловых колебаний.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Лясковская, Наталья Юрьевна

Выводы

1. Разработана технология приготовления нитей из плавленого кварца высокой очистки с вваренным зеркалом, позволяющая сохранить высокую добротность механических мод и отражающую способность многослойного покрытия зеркала.

2. Создана оригинальная установка для исследования тепловых и избыточных флуктуаций в высокодобротных (Q = 105 -г 107) модах механических осцилляторов. Относительные вариации амплитуды равновесных тепловых колебаний на таких модах составляют, соответственно, 0.3% -f- 0.03% за период. Достигнутая чувствительность установки составила 1 • 10"12 см/уТц вблизи частоты 700 Гц, 9 • 1014см/\/Гц вблизи частоты 2 кГц что позволило регистрировать вариации амплитуды тепловых колебаний с точностью ~ 1%.

3. Получены записи вариаций амплитуды собственных колебаний для 25 образцов диаметром от 50 до 200 мкм при нагрузках от ~ 4% до ~ 50% от разрывной, общей длительностью более 100 часов. Вариаций, значимо превышающих равновесные тепловые, не обнаружено.

4. Экстраполяция полученных результатов позволяет утверждать, что избыточный механический шум в подвесах зеркал гравитационных антенн второго поколения не должен ограничивать их чувствительность на уровне 1 • Ю-17 см.

Публикации по теме диссертации

1. Bilenko I. А, Braginsky V. В. and Markova N. Yu., Thermal and excess noise suspension fibres., Class. Quantum Grav., N 19 p. 2035-2038, (2002),

2. Биленко И.А , Лясковская Н.Ю., Датчик малых смещений на основе резонатора Фабри-Перо для исследования механических шумов в прототипах подвесов зеркал гравитационных антенн., Вестник Московского Университета., N 3, стр. 47-50, (2004),

3. Bilenko I. A., Lyaskovskaya N. Yu., The investigation of thermal and non-thermal noises in fused silica fibers for Advanced LIGO suspension., Phys. Letters A, N 339, p. 181-187, (2005).

Примечание: в 2004 году Маркова Наталья Юрьевна сменила фамилию на Лясковская в связи со вступлением в брак.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лясковская, Наталья Юрьевна, 2006 год

1. Einshtein A., Uber Gravitationswellen // Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss., v. 1, p. 154, (1918),

2. Эйнштейн А., Собрание научных трудов // Наука, т. 1, с. 631, (1965),

3. Hulse R. A. and Taylor J. Н., Measurements of general relativistic effects in the binary pulsar PSR1913 + 16 // Astrophys. J. Lett., v. 195, p. 51, (1975),

4. Abbott В., Abbott R., Adhikari R. et. al., Search for Gravitational Wave Bursts in LIGO's Third Science Run // Class. Quantum Grav. v. 23, p. 29, (2006),

5. Ageev A.Yu., Bilenko I.A., Braginsky V.B. and Vyatchanin S.P., Measurement of excess noise in the suspension fiber for a gravitational wave detector // Phys Lett. A, v. 227, p. 159, (1997),

6. Bilenko I.A., Lourie S.L , Measurements of effective noise temperature in fused silica fiber violin modes // Phys. Lett. A, v. 305, p. 31, (2002),

7. Heaviside O. A., Gravitational and Electromagnetic Analogy // The Electrician, v. 281, p. 359, (1983),

8. Poincare H., Sur la generalization d'un theoremee lementaire de Geometrie // Compt. Rend. Asad. Sci., Paris, v. 140, p. 1504, (1905),

9. Taylor J.H., Weisberg J.M , Pulsar timing // Astrophys. J., v. 3445, p. 434, (1989),

10. Weber J., Gravitational Radiation from the Pulsars // Phys. Rev. Lett., v. 21, p. 395, (1968),

11. И. Герценштейн M.E., Пустовойт В.И., К вопросу об обнаружении гравитационных валн малых частот // ЖЭТФ, т. 43, с. 605, (1962),

12. Coles M.W., The status of LIGO // AIP Conference Proceedings, v.523, p.101, (2000),

13. Брагинский В. В., Гравитационно-волновая астрономия: новые методы измерений // Успехи Физических Наук, т. 43, 7, с. 691, (2000),

14. Сагоп В., et al., Status of the VIRGO experiment // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, v. 360, p 258, (1995),

15. Hough J. et. al. GEO 600, Current Status and Some Aspect of the Design // Tama Procs., (1996),

16. Tsubono K., Fujimoto M.-K., Kuroda K., Gravitational wave detection.// Universal Academy Press, Inc., (1997),

17. Danzmann K., LISA an ESA cornerstone mission for a gravitational wave observatory // Classical and Quantum Gravity, v. 14, p. 1399, (1997),

18. Брагинский В.Б., Митрофанов В.П., Панов В.И , Системы с малой диссипацией// М. Наука, (1981),

19. Braginsky V.B., Ryazhskaya O.G. and Vyatchanin S.P., Notes about noise in gravitational wave antennas created by cosmic rays// Phys. Lett A, v.350, p.l, (2005),

20. Pizzella G., Gravitational-wave research with resonant antennas// Nuovo Cim., v. 18, p.285, (1995),

21. Abramovici A. et al., LIGO: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. // Science, v.252, p.325, (1992),

22. Abramovici A., Improved sensitivity in a gravitational wave interferometer and implications for LIGO // Phys. Lett. A, v. 218, p. 157, (1996),

23. Abbott B, Abbott R, Adhikari R. et. al. Detector description and performance for the first coincidence observations between LIGO and GEO // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research A, v. 517, p. 154, (2004),

24. Abbott В., Abbott R, Adhikari R. et. al., First upper limits from LIGO on gravitational wave bursts // , Phys. Rev. D, v. 08, p. 69, (2004),

25. Abbott B. Abbott R, Adhikari R. et. al., Setting upper limits on the strength of periodic gravitational waves from PSR J1939+2134 using the first science data from the GEO 600 and LIGO detectors // Phys. Rev. D, v. 12, p. 69, (2004),

26. Abbott R., Adhikari R., Allen G. et. al., Seismic Isolation for Advanced LIGO// Class. Quantum Grav., v. 19, p. 1591, (2002),

27. Giarriirrie J., Saha P., Shoemaker D., Sievers L., A Passive Vibration Isolation Stack for LIGO: Desin, Modelling and Testing. // Rev. Sci. Instrum., v 67, p. 208, (1996),

28. Ballardin G., Braccini S., Bradaschia C., Casciano C. et. al, Measurement of the transfer function of the steering filter of the Virgo super attenuator suspension // Rew. Sci. Instrum., v. 72, p. 3635, (2001),

29. Del Fabbro R., Di Virgilio A., Giazotto A et. al., Low frequency behaviour of the Pisa seismic noise super-attenuator for gravitational wave detection // Phys. Lett. A, v. 133, p. 471, (1988),

30. Thorne K., Gravity gradient noise due to human motion near a test mass chamber. // Caltech Report, (1995),

31. Ландау Л.Д., Лившиц E.M. Теоретическая физика// т. 5, Статистическая физика, часть 1, с. 605, (1995),

32. Saulson P.R., Thermal noise in mechanical experiments // Phys. Rev. D, v 42, 8, p. 2437, (1990),

33. Gillespie A., Raab F. Thermal noise in the test mass suspention of a laser interferometer gravitational-wave detector prototipe // Phys Lett. A, v.178, p. 357, (1993),

34. Kovalic J., Saulson P.R., Mechanical loss in fibers for low noise pendulums // rev. Sci. Instrum., v. 64, p. 2942, (1993),

35. Ju L., Blair D. G., Bilenko I. and Paget D., Low loss niobium flexure suspension systems // Class. Quantum Grav. v. 19, p. 1703, (2002),

36. Braginsky V. В., Mitrofanov V. P. и Vyatchanin S. P., Isolation of test masses in the advanced laser interferometric gravitational-wave antennae // Rev. Sei. Instr., v. 65, p. 3771, (1994),

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

38. Braginsky V.B., Mitrofanov V.P., Tokmakov K.V. Energy dissipation in the pendulum of the test mass suspension of the gravitational wave antennae // Phys. Let. A , v. 218, p 164, (1996),

39. Willems P., Sannibale V., Weel J., Mitrofanov V., Investigations of the dynamics and mechanical dissipation of a fused silica suspension // Phys. Lett. A, v. 297, p. 37, (2002),

40. Брагинский В.Б.,Классические и квантовые ограничения при обнаружении слабых воздействий на макроскопический осциллятор // ЖЭТФ, т. 53, с. 1434, (1967),

41. Брагинский В.Б., Воронцов Ю.И., Квантово-механические ограничения в макроскопических экспериментах и современная экспериментальная техника // УФН, т. 114, с. 41, (1974),

42. Воронцов Ю.И., Стандартные квантовые пределы погрешностей измерений и мегоды их преодолений // УФН, т. 164,1, с. 89, (1994),

43. Воронцов Ю.И., Теория и методы макроскопических измерений// Москва, Наука, с. 280, (1989),

44. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Vyatchanin S.P., Thermodynamical fluctuations and photo-thermal shot noise in gravitational wave antennae // Phys. Lett. A, v. 264, p. 1, (1999),

45. Брагинский В.Б., Гравитационно-волновая астрономия: новые методы измерений // Усп. Физ. Наук., т. 170, 7, с. 743, (2000),

46. Braginsky V.B., Khalili F. Ya., Quantum nondemolition measurements: the route from toys to tools // Rev. Mod. Phys., v. 68, p. 1, (1996),

47. Braginsky V.B., Khalili F. Ya., Nonlinear meter for the gravitational wave antenna // Phys. Let. A, v. 218, p. 167, (1996),

48. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Khalili F.Ya., Optical bars in gravitational wave antenna // Phys. Lett. A, v. 232, p. 340, (1997),

49. Braginsky V.B., Gorodetsky M L.,Khalili F.Ya., Quantum limits and symphotonic states in free-mass gravitational-wave antennae // Phys. Lett. A, v. 246, p. 485, (1998),

50. Braginsky V.B., Khalili F. Ya, Low noise rigidity in quantum measurements // Phys. Lett. A, v. 257, p. 241, (1999),

51. Vahlbruch H. , Chelkowski S., Hage B. , Franzen A. et. al., Demonstration of a Squeezed-Light-Enhanced Power- and Signal-Recycled Michelson Interferometer // Phys. Rev. Lett., v. 95, p. 211102, (2005),

52. McKenzie K, Grosse N., Bowen W. P., Whitcomb S.E.et. al., Squeezing in the Audio Gravitational-Wave Detection Band // Phys. Rev. Lett., v. 93, p. 161105 (2004),

53. Бунина H.A., Исследования пластической деформации металлов методом акустической эмиссии// JL, (1990),

54. Курлаев А.Р., Сидорин Ю.В., Скачки дефорации при ползучести //ДАН, т. 311, 3, с. 609, (1990),

55. Судзуки Т., Есинага X., Таксути С., Динамика дислокаций и пластичность// М., (1989),

56. Dykhne A.M., Zosirnov V.V., Rybak S.A., Manukin A.B., Theoretical and experimental study of excess noise in elastic solids // Physica A, v. 241, p. 94, (1997),

57. Bilenko I. A., Braginsky V.B., Measurements of the excess noise in the test mass suspensions for the Gravitational Wave Antennas // 9th Marsel Grossmann meeting on General Relativity and Gravitation. Jerusalem (1997),

58. Ageev A. Yu., Bilenko I.A., Braginsky V.B., Excess noise in the steel suspension wires for the laser gravitational wave detector // Phys. Lett. A, v. 246, p. 479, (1998),

59. Безбородое M. А. Синтез и строение силикатных стекол // Минск., Наука и техника, с. 450, (1968),

60. Тарасов В.В., Исследования по химии и технологии стекла и керамики // Изд. МХТИ им.Менделеева, вып. 37, стр. 11, (1962),

61. Zachariasen W. Н., The atomic arrangement in glass //J. Am. Chem. Soc., v. 54 (10), p. 3841, (1932),

62. Warren В. E. et. al., Fourier Integral Analysis of X-Ray Powder Patterns // Phys. Rev., v. 46, p. 368, (1934),

63. Bruckner R. Properties and structure of vitreous silica //J. Non-Crystalline Solids, v. 5, p. 123, (1970),

64. Бартенев Г. M., Строение и механические свойства неорганических стекол // Москва, с. 60, (1966),

65. Schere G. W., Relaxation in glass and composites // Wiley, New York, (1986),

66. Ferry J. D., Viscoelastic properties of polimers // Wiley, New York, (1970),

67. Lillie H.R., Viseosity-time-temperature relations in glass at annealing. Temperatures J. // Am. Ceram. Soc., v. 16, p. 619, (1933),

68. Ястребова Л.С., Защита оптических стекол от химического разрушения // Оборонгиз, (1958),

69. Gustafson Е., Shoemaker D., Strain К., Weiss R., LSC White Paper on Detector Research and Development LIGO // T990080-00-D. 11 September, (1999),

70. Биленко И.А., Городецкий М.Л., Метод измерения малых колебаний оптически прозрачных объектов // ДАН 368, т.612, (1999),

71. Drever R., Hall J., Kowalski F. et. all., Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator // Appl. Phys. В., v.31, 97 (1983),

72. Косицын В.E., Тимашов А.В., Стабилизатор мощности гелий-неонового лазера // ПТЭ, N2, с. 190, (1986),

73. Кирюников К.В., Поповченко О.В., Юршин Б.Я., Система стабилизации мощности лазерного излучения // ПТЭ, N3, с. 187, (1992).