Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Тепловые и избыточные флуктуации в металлических подвесах для высокодобротных механических осцилляторов

Диссертация: Тепловые и избыточные флуктуации в металлических подвесах для высокодобротных механических осцилляторов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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. Исследование статистических характеристик шумов нетеплового происхождения в металлических проволоках подвесов пробных масс гравитационных антенн… Читать ещё >

Содержание

  • 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

Тепловые и избыточные флуктуации в металлических подвесах для высокодобротных механических осцилляторов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

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 гравитационных 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 монои 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 натяжения 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 рекомендаций по уменьшению влияния избыточных шумов в лазерных ин-терферометрических детекторах.

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

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ландау J1. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, т. 5. Статистическая физика. Часть 1. М., Наука, 1995, 605 с.
  2. 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. В. Б., Митрофанов В. П., Панов В. И. Системы с малой диссипацией. М., Наука, 1981.
  5. 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. 24 372 445.
  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. А. Ф. Физика кристаллов. М JI., Госиздат., 1929, 192 с.
  13. В. А. Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М., 1976.
  14. Н. А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. Л., 1990.
  15. 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. Э. С., Якутович М. В. Скачкообразная деформация кристаллов цинка //Ж. Т. Ф., 1936, т. 5, вып. 10, с. ???
  18. А. Р., Сидорин Ю. В. Скачки деформации при ползучести. //ДАН 1990, т. 311, № 3, с. 609.
  19. Г. В., Зиненкова Г. М. Дифракционные методы исследования дефектов структуры кристаллов. Учеб. пособ. М., Изд-во Моск. ун-та, 1986.
  20. Т., Есинага X., Таксути С. Динамика дислокаций и пластичность. М., 1989.
  21. 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. 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. 164 166.
  23. Taylor J. H., Weisberg J. M. Pulsar timing. //Astrophys. J., 1989, v. 345, p. 434.
  24. 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
  25. Дж. Общая теория относительности и гравитационные волны. М., ИЛ, 1962.
  26. Thorne К. S. Gravitational-wave research: Current status and future prospects. //Rev. Mod. Phys., 1980, v. 52, p. 285−297.
  27. Smarr L. ED Source of Gravitation Radiation. //Cambridge: University Press, 1979.
  28. Sinsky J.A., Weber J. New source for dynamical gravitational fields. //Phys. Rev. Lett., 1967, v. 18, 19, p. 795−797.
  29. Weber J. Gravitation radiation from the pulsars. //Phys. Rev. Lett., 1968, v. 21, Nй 6, p. 395−396.
  30. Weber J. Evidence for discovery of gravitational radiation. //Phys. Rev. Lett., 1969, v. 22, 24, p. 1320−1324.
  31. 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.
  32. D. Н., Cram R. Q., Tyson J. A., Lee R.W. //Phys. Rev. Lett., 1975, v. 35, p. 480.
  33. 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.
  34. 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.
  35. 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.
  36. Астрофизика, кванты и теория относительности: Пер. с итал. /Под ред. Ф. И. Федотова. — М., Мир, 1982, 560 с.
  37. Schutz В. F. A First Course in General Relativity. //Cambridge: Cambridge Uneversity Press, 1986.
  38. Hawking S. W. and Israel W., Ed. 300 Years of Gravitation. //Cambridge: Cambridge Uneversity Press, 1984.
  39. Saulson P. R. Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors. //New. Jersey: World Scientific, 1994.
  40. Blair D. G., Ed. The Detection of Gravitational Waves. //Cambridge: Cambridge University Press, 1991.
  41. Abramovici et al. LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory. //Science, v. 252, 1992, p. 325−333.
  42. Abramovici et al. Improved Sensitivity in a Gravitational Wave Interferometer and Implications for LIGO. //Phys. Lett. A, 1996, v. 218, p. 157−163.
  43. Caron B. et al. Status of the VIRGO experiment. //Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A, 1995, v. 360, p. 258−262.
  44. 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.
  45. Danzmann K., et. al. GE0600 Proposal for a 600 m Laser-Interferometric Gravitational Wave Antenna The GEO 600 Team //MPQ Report 190, 1994.
  46. J. Hough et al. GEO 600: Current Status and Some Aspect of the Design. //Tama Procs., 1996.
  47. 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.
  48. 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,
  49. Edited by K. Tsubono, M.-K. Fujimoto, K. Kuroda //Universal Academy Press, Inc., 1997.
  50. K.S. — Report at LIGO Scientific Collaboration meeting (University of Colorado/JILA, 1998).
  51. 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.
  52. Thorne К. Gravity gradient noise due to human motion near a test mass chamber. //Caltech. Report, 1995.
  53. V. В., Vorontsov Ju. I., Thorne K. S. //Science, 1980, v. 209, p. 547.
  54. В. Б. Разрешение в макроскопических измерениях. //УФН, 1988, т. 156, вып. 1, с. 93−108.
  55. Ю. И. Стандартные квантовые пределы погрешностей измерений и методы их преодоления. //УФН, 1994, т. 164, iVa 1, с. 89−104.
  56. Ю. И. Теория и методы макроскопических измерений. //М., Наука, 1989, 280 с.
  57. С. М. et al. //Rev. Mod. Phys., 1980, v. 52, p. 341.
  58. V. В., Khalily F. Ya. Quantum measurement. //Cambridge: Cambridge University Press, 1992, 192 p.
  59. 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.
  60. Caves С. M. Quantum-mechanical noise in an interferometer. //Phys. Ref. D, 1981, v. 23, № 8, p. 1693−1708.
  61. Coyne D. C. The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Project. //IEEE Aerospace Applications Confer1. РПГР IQQfi.
  62. С. Н., ред. Дилатонный механизм прочности твердых тел. //Физака прочности и пластичности, Сб. статей, JL, Наука, 1986.
  63. С. Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. //Вестник АН СССР, 1968, 3, с. 46−52.
  64. 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.
  65. 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.
  66. В. Б. Физические эксперименты с пробными телами. М., Наука, 1970.
  67. Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М., 1962.
  68. В. П., Токмаков К. В. Исследование неупругих эффектов в пластически деформированных металлических образцах квизистатическим методом. //ФТТ, 1994, т. 36, N- 4, р. 472.
  69. 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.
  70. А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. М., Атомиздат, 1975.
  71. В. Б., Панов В. И. Проверка эквивалентности инертной и гравитационной масс. //ЖЭТФ, 1971, т. 61, вып. 3(9), с. 873−878.
  72. 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.
  73. Л. Д., Лифщиц Е. М. Теория упругости. М., Наука, 1987.
  74. A. J. Е., Makin М. J. Dislocation movement thougt random arrays of obstaoles. //Phil. Mag., 1966, v. 14, p. 911.
  75. Gagnoli G., Gammaitoni L., Marcghesoni F., Segoloni D. On dislocation damping at low freaquencies. //Phil. Mag., 1993, A68, №- 5, p. 865−870.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!