Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одной из актуальных проблем современной экспериментальной физики является проблема обнаружения гравитационных волн. С точки зрения астрофизики, наибольшей интенсивностью обладают импульсы излучения, сопровождающие крупные космические катастрофы - несимметричный коллапс звёзд, слияние нейтронных звёзд и т.п. Для того, чтобы зарегистрировать такие импульсы, необходимо разрешение антенны в безразмерных единицах вариации метрики Л « Ш20-^- Ш22 [1].
В качестве детектора обычно используется цилиндр, частота продольных колебаний которого примерно совпадает с ожидаемой частотой гравитационного излучения. Под воздействием гравитационной волны в детекторе должны возбуждаться упругие колебания [2]. Разрешение таких твердотельных резонансных антенн, иногда называемых антеннами веберовского типа, составляет Л ~ 2^4хШ16' [1].
Другим возможным вариантом конструкции гравитационного детектора является антенна на свободных массах, предложенная М. Герценштейном и В. Пустовойтом [3]. Импульс гравитационного излучения воздействует на две пары пробных тел, подвешенных как маятники. Движение пробных тел в такой антенне в точности воспроизводит форму импульса гравитационного излучения в области частот со » сом, где сом - частота маятниковой моды пробных тел. Расстояние между пробными массами удобно измерять интерферометрическим методом.
В настоящее время в различных странах реализуется несколько проектов лазерных интерферометрических гравитационных антенн. Наиболее крупным является проект LIGO, разрабатываемый в США в Калифорнийском технологическом институте |4]. Длина плеча интерферометра составляет 4 км.
Порог чувствительности антенны определяется тепловым шумом пробных масс и шумом системы регистрации. Согласно флуктуационно-диссипационной теореме [5], спектральная плотность тепловых шумов колебательной системы определяется её температурой Т и добротностью Q. Поскольку охлаждение детектора не планируется, основным резервом повышения чувствительности является повышение добротности рабочих мод колебаний пробных масс. Разрабатываемые в LiGO пробные массы представляют собой кварцевые цилиндры, подвешиваемые на
металлических нитях. Добротность основных мод колебаний таких подвесов пробных масс достаточна для достижения в первом варианте LIGO порога чувствительности h~10~ ' [6], что превосходит чувствительность лучших резонансных твердотельных детекторов. Отметим, что с увеличением добротности чувствительность антенны (при традиционной схеме измерения, основанной на регистрации разности координат) ограничивается квантовыми соотношениями неопределённости и называется стандартным квантовым пределом [7]. Одной из целей проекта LIGO является уменьшение уровня тепловых шумов пробных масс до уровня стандартного квантового предела. В этом случае порог чувствительности детектора LIGO составит Л~/(72' [4], что, возможно, позволит зарегистрировать структуру импульса гравитационного излучения. Значений добротности, достигнутых в [6], для этого недостаточно. Рекордные значения добротности для низкочастотных колебательных систем получены при исследовании маятников, целиком изготовленных из плавленого кварца. В работах [8] исследовались маятниковые и крутильные колебания макетов пробных масс, в которых значение массы т ~ 30г. Проектируемое в LIGO значение массы пробного тела составляет 10 кг. Подвесы пробных масс должны обладать малой диссипацией энергии всех мод колебаний, дающих вклад в общий тепловой шум интерферометра (маятниковых, струнных и внутренних мод колебаний пробного тела).
Цель її задачи работы.
Цель данной работы состояла в разработке подвесов пробных масс гравитационных антенн с диссипацией маятниковых мод пробных масс и струнных мод колебаний нитей подвесов достаточной для достижения стандартного квантового предела чувствительности (при натяжении близком к планируемому в LIGO) и выявление факторов, определяющих потери энергии в таких осцилляторах. Затухание колебаний различных мод определяется как рассеянием энергии в материале упругого элемента, так и другими механизмами, связанными с конструкцией подвеса. В связи с этим, для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Проанализировать факторы, ограничивающие добротность различных мод колебаний подвесов пробных масс лазерных интерферометрических гравитационных антенн.
-
На основании проведенного анализа разработать конструкцию подвеса пробной массы, позволяющую максимально снизить уровень диссипации энергии колебаний.
3) Разработать методику и создать экспериментальную установку для измерения добротности маятниковых и струнных мод колебаний подвесов пробных масс гравитационных антенн.
Научная новизна.
В настоящей работе впервые:
1.Показано, что добротность струнных мод колебаний натянутых нитей определяется как диссипацией энергии в материале, из которого изготовлена нить, так и её геометрическими параметрами.
2.Экспериментально установлено, что добротность струнных мод
колебаний нитей из плавленого кварца при механическом напряжении, составляющем около 2 % от модуля Юнга, достигает значения Q ~0.9х 10?. Показано, что уровень затухания струнных мод колебаний Q~'~ Iff8 определяется, вероятно, потерями в слое паров кварца, осаждённых на нить подвеса маятника в процессе его изготовления.
3.Созданы макеты пробных масс гравитационных антенн, целиком изготовленные из плавленого кварца, для которых добротность маятниково-крутильной моды колебаний достигает значения Q~ (0.5-1)^ 10s. Разработаны методы исследования диссипации в таких осцилляторах на уровне затухания Q ~ 10s.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1.Разработана методика измерений и создана экспериментальная установка, предназначенная для исследования затухания струнных мод колебаний тонких кварцевых нитей, используемых для подвеса зеркал іштерферометрических гравитационных антенн массой » 2 кг. Измерительная система обеспечивала минимальное вносимое затухание Q'' < 10~". Разработана методика измерений и создана эксперимент&тьная установка, предназначенная для исследования затухания крутильной моды колебаний кварцевых цилиндров, подвешенных на бифилярных кварцевых подвесах. Методика позволяла измерять времена релаксации г* ~ 10s сек с погрешностью 10 % за время измерения, составляющее около 0.3 % от т* . 2.Эксперименталыю достигнутые в работе значения добротности маятниковых и струнных мод колебаний макетов подвесов пробных масс интерферометрических гравитационных антенн позволяют подавить тепловой шум пробных масс до уровня,
соответствующего стандартному квантовому пределу чувствительности (А ~ Iff23) при времени усреднения г~ Iff3 сек. З.На основании выполненных экспериментов показано, что можно использовать модель частотно-независимых механических потерь в плавленом кварце ф(а>) к const при ф~ Iff1 в диапазоне частот 0.3 Гц - 3 кГц и исходя из неё оценивать тепловой шум пробных масс интерферометрических гравитационных антенн.
Результаты и положения, выносимые на защиту:
1.Экспериментальная методика, позволяющая исследовать диссипацию энергии струнных мод колебаний нитей подвесов пробных масс на уровне (У1 ~ 10~s; в измерениях используется оптическая система регистрации колебаний, основанная на преобразовании амплитуды колебаний в электрическое напряжение.
2.Результаты теоретического анализа и моделирования процессов, приводящих к потерям энергии струнных мод колебаний нити подвеса пробного тела, а так же сформулированные на их основе требования к конструкции подвеса и экспериментальной установки.
З.Результаты экспериментальных исследований затухания струнных мод колебаний кварцевых нитей подвесов пробных масс. Установлено, что добротность струнных мод колебаний при механическом напряжении, составляющем 2% от модуля Юнга, достигает значения Q~ 0.9 х 10s. Предполагается, что уровень затухания струнных мод колебаний Q' ~ lffs определяется, вероятно, потерями в слое паров кварца, осаждённых на нить подвеса маятника в процессе его изготовления.
4.Экспериментальная методика, позволяющая исследовать диссипацию энергии маятниковых мод колебаний пробных масс на бифилярном подвесе с временами релаксации r*~ 10s сек за время измерения, составляющее около 0.3 % от г*. В измерениях использовалась оптическая система регистрации, основанная на преобразовании амплитуды колебаний во временной интервал; для регистрации и обработки измеряемого сигнала использовалась ЭВМ.
5.Результаты экспериментальных исследований затухания маятниково-крутильной моды колебаний бифилярных подвесов пробных масс: для исследуемых подвесов получена добротность Q* 5х107 - lxl(f.
6.Результаты анализа характера частотной зависимости внутреннего трения в плавленом кварце на низких частотах: показано, что угол потерь ф(со)^ const при ф~ Iff7 в диапазоне частот 0.3 Гц,-3 кГц.
7.Перспективность использования разработанных конструкций подвесов пробных масс в гравитационно-волновом эксперименте: полученные значения добротностей позволяют подавить тепловой шум до уровня, соответствующего стандартному квантовому пределу чувствительности. Использование подобных подвесов пробных масс в детекторе LIGO позволит, возможно, исследовать структуру гравитационно-волнового импульса от космических источников.
Апробация работы.
Основные результаты исследований, представленные в диссертации докладывались на:
научных семинарах кафедры молекулярной физики и
физических измерений физического факультета МГУ,
1994-1996 г.; научных семинарах факультета физики и астрофизики Калифорнийского Технологического института (США),
1994-1996 г. научной конференции "Проблемы фундаментальной физики",
Саратов, 1996 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 3 работы, список которых приведён в конце реферата.
Объём и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, приложения, заключения и списка литературы. Общий объём - 106 страницы, в том числе 17 рисунков. Список литературы содержит 82 наименования.
Похожие диссертации на Диссипация энергии основных мод колебаний подвесов пробных масс лазерных интерферометрических гравитационных антенн
