Введение к работе
Актуальность проблемы.
Разрешение большой группы фундаментальных физических проблем и развитие ряда основных физических представлений зависит от результатов экспериментов, в которых обнаружение физического эффекта сводится к регистрации малой силы или момента сил, действующих на макроскопическое тело [1]. Проблема обнаружения гравитационного излучения также относится к классу экспериментов с пробными телами и во многом стимулирует сегодня быстрое развитие экспериментальных средств получения фундаментальной физической информации. Чувствительность гравитационных антенн определяется силовым флуктуационным воздействием термостата на пробный осциллятор. В соответствии с флуктуационно-диссипационной теоремой спектральная плотность флуктуационной силы, действующей на линейную систему, пропорциональна температуре системы и действительной части ее механического импеданса [2]. Поэтому достигнутая в настоящее время чувствительность гравитационных антенн на уровне hip = (1-3) ЇСИ8 d безразмерных единицих вариации метрики [3] зависит в основном от того, насколько удалось понизить температуру и уменьшить коэффициент трения Н (со), определяющий диссипативную связь массы с термостатом. По астрофизическим прогнозам для регистрации излучения от внеземных источников необходима чувствительность антенн по крайней мере не хуже, чем h,pS 41021 [4].
Сейчас наряду с работами, направленными на повышение разрешающей способности резонансных антенн, для которых собственная частота осциллятора о^ » С0ф (сЦр ожидаемая частота гравитационного излучения), осуществляются проекты создания антенн на свободных массах (со„ « 0.). Реализуемый в США национальный проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) основан на использовании лазерного интерферометра [5]. Полномасштабный вариант LIGO предполагает создание к 1998 г. антенны с длиной плеч интерферометра 4 км и пробными массами 10 кг. В 1990 г. предложен вариант гравитационной антенны, в которой рабочей является крутильная мода механического осциллятора [6].
В антеннах на свободных массах охлаждение осциллятора не предусматривается. Поэтому резерв повышения их чувствительности - понижение уровня Н (со). Насколько известно, до настоящего времени не проведено
детальных исследований для низкочастотных осцилляторов, направленных на выявление минимальной достижимой величины Н (ш).
Способ ее определения на относительно низких частотах - измерение времени затухания осциллятора тм" = 2М/Н((0м), а затем экстраполяция на частоты сіір в соответствии с существующими моделями поведения упругого твердого тела.
Цель работы и задачи работы.
Цель данной работы состояла в разработке механических
осцилляторов крутильных и маятниковых колебаний с наименьшей
возможной диссипацией и выявление факторов, определяющих
диссипацию. Для достижения цели работы необходимо было выполнить следующие этапы:
-
Выбор материала для изготовления осцилляторов оптимизация их конструкции.
-
Разработка методики и создание экспериментальной установки для измерения времени затухания т„* > 107 с крутильных и маятниковых мод колебаний низкочастотных осцилляторов.
-
Анализ механизмов потерь энергии в крутильных и маятниковых модах высокодобротных механических осцилляторов и минимизация их вклада в затухание колебаний.
Научная новизна.
В настоящей работе впервые:
-
Экспериментально установлено, что для осцилляторов, целиком изготовленных из плавленого кварца, содержащего не более 3 105 % примесей, время затухания крутильных колебаний достигает (1.2 ±0.1) 107 с, что при собственной частоте 0,2 Гц соответствует добротности = 7 10б. Показано, что на уровне добротности 106 - 107 затухание определяется в основном диссипацией энергии в поверхностном слое нити подвеса.
-
Экспериментально установлено, что для осцилляторов, целиком изготовленных из плавленого кварца, содержащего менее 3 10"5 % примесей, время затухания маятниковых колебаний не меньше, чем 4.4 107 с, что при собственной частоте = 1 Гц соответствует добротности 1.3 108 .
-
Показано, что добротность маятниковых мод осциллятора определяется диссипацией энергии в материале, из которого изготовлен осциллятор, его геометрическими параметрами и натяжением нити подвеса.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработана методика измерений и создана экспериментальная установка для измерения диссипации энергии в различных модах сверхвысокодобротных механических осцилляторов, являющихся прототипами чувствительных элементов гравитационных антенн на свободных массах. Основные особенности разработанной оптической системы измерений:
динамический диапазон при двумерной индикации положения пробной массы по двум взаимно-ортогональным координатам в горизонтальной плоскости составляет 50 50 мм2 ,
высокая стабильность коэффициента преобразования датчика, обеспечивающая измерение квазистатических изменений амплитуды колебаний осциллятора с точностью 5-Ю"5 в течение 105 с,
разрешение системы индикации позволяло измерять времена релаксации колебаний осциллятора на уровне 108 с.
-
Полученные в работе результаты по достигнутой добротности низкочастотных механических осцилляторов определяют возможность постановки новых экспериментов в области фундаментальных физических исследований, связанных с обнаружением слабых воздействий, в частности, перспективу создания гравитационных антенн, обладающих чувствительностью, достаточной для обнаружения сигналов, предсказываемых астрофизиками.
-
Показано, что использование кварцевых осцилляторов с ддостигнутой величиной времени релаксации Т* 2: 4,4 107 с для измерения малых силовых воздействий позволяет достигнуть стандартного квантового предела чувствительности при времени измерения Т S 5 10"4 с даже при комнатных температурах.
Результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальная методика, позволяющая исследовать диссипацию энергаи маятниковых и крутильных мод колебаний высокодобротных механических осцилляторов с временем релаксации до 5 107 с; в измерениях используется оптическая система регистрации колебаний с амплитудно-временым преобразованием, выходом на ЭВМ и последующей обработкой.
-
Результаты теоретического анализа и моделирования процессов, приводящих к потере энергаи высокодобротных низкочастотных механігческих осцилляторов, а также сформулированные на их основе
условия и требования к конструкции осциллятора и измерительной (экспериментальной) установки.
-
Результаты экспериментальных исследований и теоретическая интерпретация влияния расщепления мод колебений и нелинейности маятника на характер его движения при свободных колебаниях, определение в этих условиях добротности маятниковых мод.
-
Результаты экспериментальных исследований затухания крутильных и маятниковых колебаний осцилляторов, изготовленных из плавленого кварца. Устано&тено, что:
а) добротность крутильных мод колебаний для осцилляторов с
собственными частотами 0.1-0.5 Гц и массой около 30 г достигает 7 106 и
определяется в основном потерями в адсорбированных слоях на
поверхности нити подвеса;
б) добротность маятниковых колебаний определяется потерями в
материале упругого элемента, геометрическими параметрами маятника и
натяжением нити подвеса. Для исследуемых осцилляторов получена
добротность Q > 108 (соответствующее время релаксации колебаний х' > 4.4
107 С).
5. Перспективность использования полученных результатов и
разработанных методик исследования для создания приемных частей
полномасштабных высокочувствительных гравитационных антенн на
свободных массах.
Апробация работы
Основные результаты исследований, представленные в диссертации докладывались на:
Восьмой Российской гравитационной конференции, Пушино, 1993;
научных семинарах факультета физики и астрофизики Калифорнийского Технологического Института (США), 1993, 1994.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 работ, список которых приведен в конце реферата.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы. Общий объем - 95 страниц, в том числе 14 рисунков. Список литературы содержит 101 наименование.
