SUSPENSION THERMAL NOISE ISSUES FOR ADVANCED GW INTERFEROMETRIC DETECTORS Matteo Lorenzini

SOMMARIO  RIVELAZIONE DI ONDE GRAVITAZIONALI  RIVELATORI INTERFEROMETRICI ATTUALI E FUTURO  RUMORE TERMICO  SOSPENSIONI MONOLITICHE  IL SILICIO PER LA TERZA GENERAZIONE Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN2

ONDE GRAVITAZIONALI Carattere tensoriale delle onde: Gli stati di polarizzazione possibili sono due: Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN3

ONDE GRAVITAZIONALI Emissione e luminosità di una sorgente dipendono dal suo momento di quadrupolo Q : Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN4

RIVELATORI INTERFEROMETRICI Rivelazione della variazione locale della metrica sulla Terra, misurando la distanza tra due masse test in caduta libera: Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN5

Strategia di folding : i bracci sono sostituiti da cavità Fabry-Pérot SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN RIVELATORE INTERFEROMETRICO FINEZZA delle cavità RIVELATORI INTERFEROMETRICI Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN6

LIGO Hanford LIGO Livingston Virgo GEO600 RIVELATORI INTERFEROMETRICI TAMA LISA Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN7

VIRGO Interferometro Virgo (Cascina, PI): Tipo Michelson con cavità FP, L=3 km Finezza F=50 Laser Nd:YVO 4 da 20 W, =1064 nm TEM00 Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN8

CURVA DI SENSIBILITA’ Maggio 2008 Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN9

2009: VIRGO+ / ENHANCED LIGO ~2014 : ADVANCED VIRGO / ADVANCED LIGO EINSTEIN TELESCOPE SECONDA GENERAZIONE TERZA GENERAZIONE RIVELATORI FUTURI Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN10

RIVELATORI FUTURI VIRGO + Aumento di sensibilità ~ 2 Thermal compensation Laser amplificato 50 W Nuova elettronica di controllo F=150 SOSPENSIONI MONOLITICHE in silice fusa (FS) ADVANCED VIRGO Aumento di sensibilità ~ 10 Laser di alta potenza 200W Specchi massivi (42 kg) Dual recycling baseline Riduzione del rumore termico di coating Nuovi controlli del SA Acquisizione in DC Sospensioni monolitiche in FS TERZA GENERAZIONE (ET Einstein Telescope) Aumento di sensibilità ~ 100 CRIOGENIA Nuovi materiali per specchi, coating e sospensioni Collocamento sotterraneo Lunghezza bracci ~ 10 km Laser di alta potenza (~1 MW) e tecniche ottiche per la riduzione del read-out noise Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN11

RUMORE TERMICO L’entità del rumore termico è proporzionale alla temperatura T; Lo spettro del rumore termico è descritto dal teorema di fluttuazione- dissipazione (Callen and Welton,1951): Spettro di vibrazioni termiche che simulano un segnale gravitazionale Impedenza meccanica: Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN12

RUMORE TERMICO Sistema meccanico omogeneo con infiniti gradi di libertà (modi normali) Ogni modo è modellizzato da un oscillatore armonico monodimensionale di eguale frequenza: L’impedenza meccanica è: e applicando il teorema FD: ANGOLO DI PERDITA Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN13

FENOMENI DISSIPATIVI Fenomeni dissipativi EFFETTO TERMOELASTICO DISSIPAZIONE STRUTTURALE (indipendente dalla frequenza) Processi attivati ad una precisa energia U: MOBILITA’ DISLOCAZIONI DIFETTI Altre sorgenti di dissipazione Effetti di superficie, dovuti a danneggiamenti e contaminazione Effetti spuri:  PERDITE DI RINCULO  PERDITE IN ARIA Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN14

RUMORE TERMICO RUMORE TERMICO NELL’INTERFEROMETRO Rumore termico delle sospensioni Virgo: fili di acciaio (  ~10 -4 ) Rumore termico di specchio Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN15

SOSPENSIONI MONOLITICHE Già da Virgo+ lo schema di sospensione degli specchi sarà monolitico con fibre di FS : Soluzione già adottata da GEO600, presenta notevoli vantaggi: - CONTATTO PULITO - SILICE FUSA:  ~10 -7  ~10 -6 T B =4 GPa SILICATE BONDING Incollaggio chimico Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN16

SOSPENSIONI MONOLITICHE Produzione di fibre di FS Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN17

FIBRE DI FS Fibre prodotte per il montaggio : METTI CARICHI DI ROTTURA 280  m 4 GPa Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN18

BENDING POINT MODELLO A TRE SEGMENTI (G.Cagnoli-F.Martelli-F.Piergiovanni) DA DIMOSTRARE PER FIBRE NON CILINDRICHE Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN19

BENDING POINT In una fibra cilindrica: DA MISURARE PER FIBRE NON CILINDRICHE Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN20

BENDING POINT Misura del bending point di una fibra Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN21

BENDING POINT Macchina per la misura del punto di piegatura Con la macchina è anche possibile misurare: modi di violino resistenza della fibra modo di bouncing 100 W Laser Power (%) Violin modeBouncing Mode (Hz) Distanza tra i punti di piegatura(mm) 55453±16.0± ± ±16.0± ± ±16.0± ± ±16.0± ± ±16.0± ±0.2 Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN22

PRODUZIONE E TEST DELLE FIBRE Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN23

Arcetri - Feb 6th, Seminario Conclusivo della Scuola di Dottorato in Astronomia - Ciclo XX SOSPENSIONE E CONTROLLI Perugia: silicate bonding, sospensione Firenze: fibre di fused silica Roma1: payload, controlli Gruppi coinvolti nell’attività: Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN24

SOSPENSIONI MONOLITICHE PER AdV AdV Sensitivity Fibre tapered : cancellazione del termoelastico  790um  3mm collo Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN25

SILICIO La terza generazione di rivelatori adotterà un approccio criogenico. Le sospensioni in FS non saranno più adatte, a causa di un picco dissipativo a 40 K … Un materiale che offre notevoli vantaggi in tale prospettiva è il silicio ! bassissimi valori dell’angolo di perdita intrinseco (3x10 -8 a temperatura ambiente, 6x a 4 K) evato carico di rottura (7 GPa) conducibilità elevata che consente di rimuovere il calore depositato negli specchi ottime caratteristiche termomeccaniche… Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN26

FIBRE DI SILICIO Produzione di fibre di silicio cristallino presso l’ INFM di Pisa, col metodo del micro-pulling down : Caratteristiche delle fibre prodotte: cristalline diametro tra 0.4 e 3 mm silicio puro a 10 ppm superficie opaca (SiC) per interazione col crogiuolo Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN27

FIBRE DI SILICIO Misure dell’angolo di perdita sono ottenute eccitando selettivamente le risonanze di una fibra e ricavando il tempo di smorzamento  dell’oscillazione libera. Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN28

FIBRE DI SILICIO set di frequenze numeri d’onda Fit dei valori → misura del modulo di Young Y Confronto dei modi misurati con le frequenze ottenute dal modello a elementi finiti : Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN29

FIBRE DI SILICIO Fibra con L=111.5 mm e diametro medio 242  m Fibra con L=308 mm e diametro medio 574  m Fibra con L=308 mm e diametro medio 746  m Dal fit dei picchi: misure di conducibilità, espansione termica M. Alshourbagy et al. Rev. Sci. Instrum., vol. 77, 2006, Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN30

CONDUCIBILITA’ DEL SILICIO Misura di campioni di silicio incollati mediante silicate bonding : c’è un peggioramento della conducibilità? 2 dischi da 6mm di spessore e 1’ di diametro, forniti dall’IGR group di Glasgow KOH Si – O - Si Si forma uno strato di SiO 2 di spessore circa 100 nm Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN31

CONDUCIBILITA’ DEL SILICIO Apparato sperimentale: importantissima è l’omogeneità del flusso di calore ! Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN32

CONDUCIBILITA’ DEL SILICIO Risultati sperimentali Bologna - 9 dicembre 2008Seminario Premio Bruno Rossi INFN33