Патент на изобретение №2311666

(54) ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙ ДЕТЕКТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано для обнаружения низкочастотных периодических ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Согласно изобретению в каждый резонатор двухрезонаторной лазерной системы с общей активной средой и геометрически неэквивалентными контурами введены термокомпенсаторы с использованием пьезоэлементов прямого и обратного преобразования, которые обеспечивают равенство оптических путей первого и второго резонаторов, которое могло нарушаться из-за изменения температуры. При этом обеспечивается компенсация температурных флуктуаций разности фаз оптических потоков, что позволяет уменьшить низкочастотные фазовые шумы. 1 ил.₀ их излучений с ТЕ- и ТМ-поляризациями (работа в зоне захвата). Гравитационное излучение в силу пространственной неэквивалентности первого и второго резонаторов по разному воздействует на их частоты генерации. Согласно методике расчета собственных частот резонаторов в поле гравитационного излучения [3] разность частот генерации первого и второго резонаторов будет равна _g=k₀h, где h10^-22 – безразмерная амплитуда гравитационной волны, a k – коэффициент, принимающий значения от 1 до 2 в зависимости от отношения оптической длины между элементами 2 и 3 к оптической длине между элементами 3 и 5. В результате происходит индуцированное выделяемым ГВ-сигналом периодическое изменение разности фаз между оптическими излучениями первого и второго резонаторов. Выходящие с помощью частично пропускающего зеркала 2 излучения из первого и второго резонаторов после прохождения через поляризатор 6, у которого плоскость пропускания света образует угол 45° с плоскостью чертежа, на входе фотоприемника 7 создают интерференционное поле. Сигнал с фотоприемника 7 поступает в блок обработки сигналов 8, который служит для выделения полезного сигнала из шумов.

Термокомпенсаторы работают следующим образом. При увеличении температуры окружающей среды ситалловая плита-основание 10 расширяется и длина (геометрическая), например, плеча интерферометра, в котором установлен первый термокомпенсатор и глухое зеркало 4, начинает увеличиваться. Под действием температуры происходит и увеличение длины отрезка металлической трубы 9. Однако вследствие большего, чем у ситалла коэффициента теплового расширения, отрезок металлической трубы 9 увеличивается на большую величину и начинает оказывать механическое давление на первый пьезоэлемент 11 прямого эффекта. Под действием давления на обкладках пьезоэлемента 11 появляется электрическое напряжение, которое усиливается регулируемым усилителем 13 и подается в противофазе на второй пьезоэлемент 14 обратного эффекта. В результате длина второго пьезоэлемента 14 начинает уменьшаться, что, в свою очередь, приводит к увеличению длины плеча интерферометра, в котором установлено глухое зеркало 5, до значения, равного длине плеча с глухим зеркалом 4. Величина изменения длины плеча регулируется подбором коэффициента усиления регулируемого усилителя 13. Таким образом происходит выравнивание длин плеч интерферометра и, соответственно, выравнивание фаз оптических излучений в резонаторах, обусловленных изменением их геометрических длин. Второй термокомпенсатор работает аналогичным образом.

Оценим величину силы, действующей со стороны отрезка трубы на пьезоэлемент 11 прямого эффекта и разность потенциалов на электродах пьезоэлемента, выполненного в виде трубки, например, при увеличении температуры.

Введем обозначения.

T – изменение температуры.

₁, ₂ – коэффициенты температурного расширения основания (ситалла) 10 и отрезков металлических труб 9 и 15, причем ₁<₂.

Е, F – модуль упругости и площадь поперечного сечения труб 3, 5.

l₁ – общая длина трубы 9 и пьезоэлемента 11.

l₂ – длина первого отрезка металлической трубы 9.

d₃₁ – пьезокерамический модуль в направлении действия силы на пьезоэлемент 11 со стороны отрезка трубы 9;

₀ – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума). В международной системе единиц электрическая постоянная ₀=8,85*10^-12 Ф/м.

₃₃ – относительная диэлектрическая проницаемость материала пьезоэлемента 11 в направлении действия силы;

D – внешний диаметр пьезоэлемента 11;

d – внутренний диаметр пьезоэлемента 11;

С – электрическая емкость трубчатого пьезоэлемента 11 с электродами, нанесенными на его внутреннюю и внешнюю стороны;

Q – заряд, возникающий на электродах пьезоэлемента 11 вследствие прямого пьезоэффекта.

U – разность потенциалов на электродах пьезоэлемента 11, обусловленная зарядом Q.

При изменении температуры на T длина l₁ изменится на l₁=₁l₁T.

В результате изменения температуры на T произойдет изменение отрезка металлической трубы 9 на l₂=₂l₂Т, если отрезок не будет ограничен пьезоэлементом 11.

Так как ₂l₂>₁l₁, то в результате изменения температуры отрезок трубы 9 будет сжат на =(₂l₂–₁l₁)Т, что вызовет силу давления Р со стороны отрезка трубы 9 на основание 10 и пьезоэлемент 11 на величину

Данная формула справедлива в случае, если при расширении трубы ни пьезоэлемент, ни ситалловое основание не деформируются. В реальных с·лучаях деформации имеют место, поэтому значение Р должно быть меньше. Заряд на электродах пьезоэлемента 11, обусловленный силой давления Р со стороны отрезка трубы 9, дается выражением Q=d_31·P. Разность потенциалов на электродах, в свою очередь, определяется формулой U=Q/C, в которой электрическая емкость пьезоэлемента рассчитывается в соответствии с выражением C=2₀₃₃(l₁-l₂)/ln(D/d).

Для численной оценки силы давления Р и разности потенциалов на электродах U примем данные, представленные в [6] и [7]. В соответствии с ними будем считать, что отрезок трубы изготовлен из углеродистой стали марки ШХ15, имеющей коэффициент ₂=14·10^-6 К^-1; длина отрезка трубы l₂=200 мм; модуль упругости выбранной марки стали Е=210·10⁹ Па; площадь поперечного сечения трубы F=1,96·10^-4 м²; для ситалла марки СТЛ-6 коэффициент ₁=2,5·10^-7 К^-1. Изменение температуры T=1°К. Общую длину отрезка трубы и пьезоэлемента примем равной l₁=230 мм. Примем также, что трубчатый пьезоэлемент 11 имеет внешний диаметр D=12 мм, внутренний диаметр – d=10 мм и изготовлен из пьезокерамики марки ЦТС-19, имеющей в соответствии с [7] пьезокерамический модуль d₃₁=160·10^-12 Кл/Н и относительную диэлектрическую проницаемость ₃₃=1750.

В этом случае сила давления со стороны отрезка трубы на пьезоэлемент Р=261 Н, заряд на электродах пьезоэлемента достигает величины Q=4,17·10^-8 Кл, электрическая емкость пьезоэлемента 11 составляет С=1,6·10^-8 Ф, а разность потенциалов на электродах пьезоэлемента U=2,6 В. Напряжение, необходимое для управления пьезоэлементами обратного эффекта 12 и 14, изготовленными из пьезокерамики ЦТС-19, обычно составляет от 100 до 500 вольт. Поэтому коэффициент усиления усилителей 13 и 17, лежащий в диапазоне от 40 до 200, вполне достаточен для нормальной работы термокомпенсаторов, выравнивающих длины плеч интерферометра. Из вышеизложенного следует, что изменение температуры даже на 0,01 К приведет к разности потенциалов на электродах пьезоэлемента прямого эффекта величиной 26 мВ. Это также позволит системе управления выровнять длины плеч интерферометра, поскольку указанная разность потенциалов заведомо выше обычного уровня собственных шумов в электронном тракте управления термокомпенсаторами.

Таким образом, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что введенные в него элементы обеспечивают взаимное выравнивание длин плеч интерферометра – геометрических длин первого и второго резонаторов, что приводит к компенсации температурных флуктуаций разности фаз оптических лучевых потоков, а следовательно, и уменьшение низкочастотных фазовых шумов.

Источники информации

6. Физические величины: Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

7. “ЭЛПА” Изделия акустоэлектроники и пьезокерамики. / Под ред Парфенова Б.Г., Зеленоград, РИА “Деловой мир”, 1992 г., 167 с.

Формула изобретения

Гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, частично пропускающее зеркало, первое и второе глухие зеркала, поляризационную разделительную призму, поляризатор, фотоприемник с блоком обработки сигналов на его выходе, основание, например, ситалловое, с вырезами и углублениями в нем для крепления элементов устройства и прохождения оптического излучения, причем размещенные на пути оптического излучения частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и первое глухое зеркало образуют первый оптический резонатор стоячих волн, частично пропускающее зеркало, активный элемент, поляризационная разделительная призма и второе глухое зеркало образуют второй оптический резонатор стоячих волн, а оптические излучения обоих резонаторов на взаимно ортогональных линейных поляризациях с выхода частично пропускающего зеркала через поляризатор поступают на вход фотоприемника, кроме того, часть оптического пути первого резонатора от поляризационной разделительной призмы до первого глухого зеркала перпендикулярна оптическому пути второго резонатора от частично пропускающего зеркала до второго глухого зеркала, отличающийся тем, что в него введены первый термокомпенсатор в составе отрезка первой металлической трубы, первого цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта с первым усилителем сигнала на его выходе и первого цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта с первым усилителем сигнала на его выходе и первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, второй термокомпенсатор в составе отрезка второй металлической трубы, второго цилиндрического пьезоэлемента прямого эффекта со вторым усилителем сигнала на его выходе и второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, причем отрезок первой металлической трубы одним концом упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме грань выреза, другим концом через первый цилиндрический пьезоэлемент прямого эффекта упирается в дальнюю грань выреза, а первый цилиндрический пьезоэлемент обратного эффекта размещен между первым глухим зеркалом и дальней гранью выреза, отрезок второй металлической трубы одним концом упирается в ближайшую по отношению к поляризационной разделительной призме грань выреза, другим концом через второй цилиндрический пьезоэлемент прямого эффекта упирается в дальнюю грань выреза, а второй цилиндрический пьезоэлемент обратного эффекта размещен между вторым глухим зеркалом и дальней гранью выреза, выход первого усилителя подключен к управляемому входу второго цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, а выход второго усилителя подключен к управляемому входу первого цилиндрического пьезоэлемента обратного эффекта, причем оптические длины первого и второго резонаторов равны между собой, выходом заявляемого объекта является выход блока обработки сигналов.

РИСУНКИ