Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
Можно заключить, что пьезоэлектрические датчики начинают влиять на добротность антенны, как только Q болванки достигает значения IO5—IO6 в зависимости от массы болванки.
Рис. 4.17. Постоянная связи датчика из пьезоэлектрической керамики, укрепленной, как показано на рис. 4.16, в зависимости от температуры [6, 7].
Для более НИЗКИХ значений Qb не существует веской причины для отказа от этого типа датчика, простота которого остается непревзойденной в любом другом приборе.
Использование при низких температурах пьезоэлектрической керамики в качестве датчиков натяжений, связанных с полевым усилителем, ограничивается внутренним шумом последнего. С целью получения более совершенной конструкции Барбанера и др. [16] начали изучение альтернативного метода усиления, суть которого заключается в связи пьезоэлектрической керамики со СКВИДом через сверхпроводящий преобразователь для измерения сверхслабых токов. Хотя оптимальное согласование высокоимпедансного выхода пьезоэлектрической керамики с низкоимпедансным входом СКВИДа в настоящее время не может быть реализовано, тем не менее получаемая при таком методе чувствительность, по-видимому, по крайней мере на порядок лучше, чем при использовании современных полевых усилителей. Более того, благодаря уменьшению резонансного шума
7. Поиск гравитационных волн
309
О
Рис. 4.18. Принцип устройства датчика натяжений, исследовавшегося в Риме [1, 40, 43]; а — ферромагнитный тор помещается в открытую полость в центре болванки; б — схема датчика: SCM — сверхпроводящий балластный магнит, SCT — сверхпроводящий преобразователь постоянного потока, TS — сверхпроводящие термореле для ввода непрерывного постоянного тока в сверхпроводящую цепь,CT — тороиды из криоперма, CC — сердечники из криоперма.
рабочая температура антенны может быть понижена, что приводит к дальнейшему повышению полной чувствительности.
Наконец, можно переписать (4.89) в виде
= -^- +Ptg6, или -^r= I + QmPtgd, (4.90)
где Qm — механическая добротность антенны (болванка + пьезо-электрический датчик). Иногда бывает удобно рассматривать (P^gfi)-1 как эффективную электрическую добротность антенны Qe. Соотношение (4.90) будет часто использоваться в дальнейшем.
б. Сверхпроводящий датчик натяжений [1, 6, 40, 43]. Этот датчик состоит из тора из ферромагнитного материала (крио-перм-10; Цс = 250 000 при T = 4,2 К) с небольшим зазором (*!^,20 мкм), намагниченного постоянным током, циркулирующим в сверхпроводящей катушке (рис. 4.18). Когда зазор изме-
310
Э. Амальди, Г. Пиццелла
няется вследствие малой деформации тора, магнитный поток претерпевает изменение, которое посредством сверхпроводящего преобразователя подается на СКВИД.
Прототипы такого датчика уже изучались и дали экспериментальные результаты, которые количественно согласуются с простыми расчетами, основанными на магнитном контуре, изображенном на рис. 4.18. Таким образом, авторы смогли сделать предсказания о полной чувствительности гравитационно-волновой антенны, снабженной таким датчиком, на достаточно надежной основе. В частности, они изучили вопрос о минимальном детектируемом натяжении (А///)мин и оптимальной ширине полосы детектирования AvonT для нескольких существенных случаев.
В зависимости от размеров болванки и датчика авторы ожидают получить значения в пределах от (Д///)МИн = IO-17 и AvonT = 20 Гц для малой 20-килограммовой болванки при температуре 4,2 К до (Д//0 мин == Ю-20 и Av0HT = 1 Гц для 5-тонной трехметровой болванки, охлажденной до 10 мК.
В каждом из этих случаев они предполагали, что механическая добротность Q порядка IO6, а магнитный поток шума равен 10”4 Гц“,/а — этими параметрами обладают коммерческие СКВИДы.
Когда датчик монтировался на алюминиевой болванке G M « 30 кг, возникали некоторые трудности из-за неудовлетворительных механических свойств используемого ферромагнитного материала. Это устройство представляет интерес, хотя ему присущ тот же недостаток, что и пьезоэлектрическим датчикам, а именно оно влияет на полную добротность болванки, когда ее значение приближается к IO6.
в. Емкостные датчики с постоянным смещением. Емкостный датчик был впервые применен Брагинским и др. [36] в случае болванки с консольными стержнями (см. разд. 4.1.5.3). Простейшее устройство, принадлежащее этому типу, было разработано и использовано токийской группой для их квадратной антенны (рис. 4.3). Конденсатор состоит из пары электродов площадью 24 X 7,5 см2 из алюминиевого сплава, весящих 0,7 кг и помещенных на расстоянии 40 мкм друг от друга. Два электрода вместе с двумя кусками люсита толщиной 0,5 см в качестве изоляторов прикрепляются к поверхности антенны на противоположных сторонах разреза.
Значительного внимания требует выбор крепления. Используя алюминиевые гайки и болты и прокладки из поликарбоната в качестве изоляторов, токийская группа наблюдала частые нетепловые возбуждения моды, главным образом обусловленные акустическим излучением смолы (разд. 4.1.4) [67].
7. Поиск гравитационных волн
311