АНТЕННА ГРАВИТАЦИОННАЯ Российский патент 1999 года по МПК G01V7/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для повышения отношения сигнал/шум в радиотехнических устройствах, особенно для увеличения чувствительности гравитационной антенны.

Известны гравитационные антенны Вебера (Weber J Phys. Rev. 117 306 (1960)), выполненные в виде массивного стержня. Когда волна проходит через гравитационную антенну, она индуцирует в ней (квадрупольные) колебания. Энергия этих колебаний передается детектору. Известные гравитационные антенны не достигают чувствительности, определяемой квантовым пределом.

Известны интерферометрические гравитационные антенны (The detection of gravitational waves (Ed. D. G. Blair), (Cambridge: Cambridge University Press, 1991)), представляющие собой интерферометр с очень большой базой. Такие антенны имеют очень высокую потенциальную чувствительность, но в настоящий момент на два порядка величины менее чувствительны, чем гравитационные антенны Вебера (УФН, том 164, N 12, 1994, c.1283)).

Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является гравитационная антенна Наутилус (Astone P et al. Europhys. Lett. 16 231 (1991)). Стержень из алюминиевого сплава диаметром 0,6 м и длиной 2,8 м помещен в криостат, где охлаждается до температуры 30 мК для уменьшения собственных тепловых шумов. Масса цилиндра 2300 кг. Собственная частота механических колебаний F - 900 Гц, Добротность (Q) - несколько миллионов.

Известная гравитационная антенна работает следующим образом. Гравитационный импульс длительностью несколько миллисекунд, приходящий из космоса, вызывает напряжение в цилиндре H = ΔL/L, где ΔL, L удлинение и длина цилиндра. Цилиндр резонирует на собственной частоте и его колебания передаются детектору, представляющему собой квантовый интерферометр (сквид). Предельная чувствительность Наутилуса при охлаждении до 30 мК и при условии работы сквида на квантовом пределе шумов составляет H=ЗE(-21), что достаточно для фиксирования события в вирго-кластере с обращением 0,1% массы Солнца в гравитационный импульс. В действительности чувствительность антенны намного ниже и определяется ее тепловым шумом. Оценка по формуле (4.5) (УФН, том 126, вып 3, ноябрь 1978 г, с. 393.) дает значение H = 7,84E(-20), при условии оптимального согласования антенны с детектором. Однако это условие практически нельзя выполнить из-за больших размеров гравитационной антенны (диаметр 60 см) и маленьких размеров высокочувствительного сквида (обычно несколько мм). Поэтому чувствительность гравитационной антенны еще более понижается.

Целью изобретения является повышение чувствительности гравитационной антенны, а также улучшения условий ее согласования с детектором.

Сущность изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известной гравитационной антенны, стержень снабжен концентраторами плотности акустической энергии, например, катеноидальной формы, выполненными как единое целое со стержнем. Данная конструкция стержня позволяет повысить амплитуду механических колебаний на узком конце концентратора плотности акустической энергии в K раз, где K - коэффициент усиления. (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М: - Советская энциклопедия, 1979 г, стр. 171). Кроме того, увеличивается отношение сигнал/шум, так как тепловые шумы антенны, имеющие случайную природу, суммируются концентраторами плотности акустической энергии пропорционально квадратному корню из коэффициента усиления, а синфазные сигналы, соответствующие колебаниям цилиндра от действия гравитационной волны, суммируются пропорционально коэффициенту усиления. Например, при коэффициенте усиления K = 10000, что технически вполне осуществимо, увеличение отношения сигнал/шум равно 100. Поскольку коэффициент усиления равен K = (D/d)ⁿ, где D, d - диаметры широкого и узкого концов концентраторов плотности акустической энергии, n = (1 - 2) в зависимости от формы наиболее распространенных концентраторов, при большом коэффициенте усиления диаметр узкого конца может равняться миллиметрам или даже его долям. Таким образом, размеры узкого конца концентратора плотности акустической энергии могут быть сделаны сравнимыми с размерами детектора, что позволяет эффективно согласовать выходное сопротивление гравитационной антенны с входным сопротивлением детектора и тем самым еще более повысить чувствительность гравитационной антенны.

На чертеже изображен продольный разрез гравитационной антенны.

Стержень 1 гравитационной антенны содержит цилиндр 2 и концентраторы плотности акустической энергии 3, 4. Для сохранения высокой добротности гравитационной антенны целесообразно цилиндр 2 и концентраторы плотности акустической энергии 3, 4 выполнять как единое целое. Подвеска стержня может осуществляться с помощью тяг 5, 6, закрепленных в узлах колебаний концентраторов плотности акустической энергии. Стержень 1 с концентраторами плотности акустической энергии 3, 4 помещается в криостат 7 для охлаждения до низких температур. Развязка от акустических и сейсмических колебаний осуществляется с помощью амортизаторов 8, 9. Детекторы колебаний 10, 11 устанавливаются возле узких концов концентраторов плотности акустической энергии 3, 4.

Гравитационная антенна работает следующим образом.

Гравитационный импульс вызывает колебания стержня 1 на его резонансной частоте. Концентраторы плотности акустической энергии 3, 4 усиливают колебания стержня 1 пропорционально коэффициенту усиления, а собственные шумы - пропорционально квадратному корню из коэффициента усиления. Детекторы колебаний 10, 11 превращают механические колебания концентраторов плотности акустической энергии 3, 4 в электрический сигнал, который усиливается и подается на систему регистрации.

Использование: при детектировании гравитационных волн, для повышения чувствительности гравитационной антенны. Сущность изобретения: стержень гравитационной антенны снабжен концентраторами плотности акустической энергии. 1 ил.

Антенна гравитационная, содержащая стержень, детекторы колебаний, системы подвески, амортизации и охлаждения, отличающаяся тем, что стержень снабжен концентраторами плотности акустической энергии.