Исследование диссипации и тепловых флуктуаций в высокодобротных механических осцилляторах

• Автор: Лурье, Сергей Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 105 с. : ил.

1 Обзор литературы

1.1 Тепловые и избыточные шумы подвесов лазер но-интерферометрических гравитационно-волновых детекторов (LIGO, VIRGO)

1.2 Факторы, ограничивающие добротность

1.2.1 Потери, связанные с рассеянием энергии в материале нити

1.2.2 Диссипация энергии в поверхностном слое

1.2.3 Поверхностные потери, обусловленные адсорбированной водой

1.2.4 Потери, связанные с конструкцией маятников

1.2.5 Влияние потерь отдачи

1.2.6 Влияние остаточного газа

1.3 Особенности макроскопических квантовых измерений

1.4 Методы изготовления кварцевых нитей

2 Измерения тепловых и избыточных шумов в кварцевых нитях

2.1 Эффективная шумовая температура
2.2 Эксперимент
2.3 Результаты эксперимента
2.4 Заключение
3 Измерения добротности маятниковой, струнных и крутильной мод колебаний осцилляторов на тонких нитях из плавленого кварца
3.1 Исследование добротности маятниковых мод
3.1.1 Экспериментальная установка
3.1.2 Результаты эксперимента
3.2 Исследование добротности струнных мод
3.2.1 Экспериментальная установка
3.2.2 Результаты эксперимента
3.3 Исследование добротности крутильной моды колебаний
3.3.1 Экспериментальная установка
3.3.2 Результаты эксперимента
3.4 Зависимость добротности крутильных мод от условий проведения эксперимента
Выводы
Защищаемые положения
Публикации по теме диссертации
Список литературы

Задачи диссертационного исследования
Высокодобротные механические осцилляторы используются во многих экспериментах по обнаружению различных эффектов и взаг имодействий; сводящихся, в частности, к измерению малых механических смещений пробных тел. Ярким примером подобных экспериментов могут служить программы обнаружения всплесков гравитационных волн от астрофизических источников, начатые в прошедшем веке. Относительное изменение расстояния между пробными массами, вызванное действием гравитационной волны, чрезвычайно мало. Поэтому разработанные и созданные к настоящему моменту гравитационно-волновые антенны являются в то же время очень чувствительными датчиками смещений.
Достигнутая к настоящему времени чувствительность детекторов гравитационных волн (выраженная в безразмерных единицах вариации метрики Н ~ 10~21) ограничена, в частности, собственными шумами стальных нитей, на которых подвешены пробные тела.
Применение кварцевых нитей позволяет повысить добротность собственных мод колебаний подвеса, что, в соответствии с Флукту-ационно-Диссипационной Теоремой (ФДТ), позволяет снизить уровень шумов теплового происхождения вдали от частот собственных мод. В то же время, в напряженных нитях возможно появление избыточных механических шумов нетеплового происхождения. Первой задачей данной работы было измерение интенсивности собственных стационарных шумов в струнных модах кварцевых нитей и сравнение полученных величин с предсказанием ФДТ.
Использование высокодобротных подвесов и устранение причин, вызывающих избыточные шумы, должно привести к созданию грави-

света была поставлена специальная фотомаска, закрывающая середины интерференционных максимумов. Одной из особенностей метода являлась фокусировка света на нить с некоторым смещением относительно ее продольной оси. Луч света, дважды преломившись на границе кварц-воздух, отклоняется на некоторый угол от первоначального направления. Кроме того, длина оптического пути в кварце даже в пределах фокального пятна была различной, поэтому на экране за кварцевой нитью формировалась интерференционная картина в виде вертикальных полос.
Маска, изготовленная путем фотографирования интерференционной картины на фотопленку с последующим удалением незасве-ченных участков (для уменьшения поглощения) играет роль щели. Маска располагалась таким образом, чтобы интерференционные максимумы были закрыты наполовину, в этом случае изменение интенсивности света на фотодетекторе при смещении нити максимально.
Для оценки минимально различимого смещения воспользуемся формулой зависимости интенсивности рассеянного света от угла наг блюдения для дифракции света на щели:
Здесь d - диаметр нити, ip - угол отклонения рассеянного света от направления падения луча. Главный максимум наблюдается при условии ^ sin <р = 0, следующие максимумы наблюдаются при ^ sin ~ 1,437т, ^ sin <р ~ 2,467Г и т. д. Минимумы интерференционной картины наблюдаются при выполнении условия sirn^ = (n=l, 2, 3,