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低温下惊天动地的科学-下一代振动传感器

一种先进的振动传感器可能会改进下一代引力波探测器,以便从地球运动的背景噪声中发现最微小的宇宙波。

引力波发现ARC卓越中心(OzGrav)博士后研究员约里斯·范·海宁根(Joris van Heijningen)在攻读博士学位期间,研制出了世界上最灵敏的惯性振动传感器。现在,他提出了一个类似的设计,但在10赫兹以下的频率下,使用低温,灵敏度提高了50倍。

这种新型传感器可以以10到100毫秒(10赫兹到100赫兹)的周期测量振动,小到几毫米(一米的十亿分之一)。最近发表在iopo的仪器期刊上的一篇论文展示了下一代地震隔离系统的原型,该系统使用低于9.2度且高于绝对零度的低温,灵敏度可降到1Hz。

即使我们感觉不到它,我们的星球也总是会因为许多不同的事件(包括宇宙的和地球的)而微微震动。例如,引力波(时空中微小的涟漪);海浪拍打着海岸;或人类活动。根据van Heijningen博士的说法,有些地方的振动比其他地方更剧烈,如果你把这些振动画出来,它们就会位于Peterson低噪音模型和高噪音模型(LNM/HNM)之间。

商业上最好的振动传感器的灵敏度都低于LNM。它们足够灵敏,能以相当好的信噪比测量地球上的所有地方。范Heijningen说。

迄今为止,拥有4公里长臂的激光干涉引力波天文台(LIGO)使用地震隔离系统来防止地球振动影响科学测量;然而,未来的引力波探测器需要更先进、更精确的振动传感器。

科学家们已经在研制第三代探测器,该探测器每年将有能力探测数百个黑洞合并,测量它们的质量和旋转,甚至比LIGO或其欧洲同类产品室女座所能测量的还要多。

在美国,将会有宇宙探索者:一个40公里的天文台,每年将能够探测到成千上万的黑洞合并。同样令人印象深刻的是欧洲的爱因斯坦望远镜,它长10公里,三角形的结构建在地下。

未来的探测器将能够测量频率低于目前10赫兹截止频率的引力波,因为黑洞碰撞的信号就潜伏在10赫兹的位置。范Heijningen解释道。但这些巨大探测器的主要问题之一是它们必须极其稳定,即使是最小的振动也会妨碍探测。

从本质上讲,让系统接近零开尔文温度(即摄氏零下270度),可以大大降低所谓的热噪声,这种噪声在低频时占主导地位。在某种意义上,温度是原子的振动,而这种微小的振动会给我们的传感器和探测器带来噪音。范Heijningen说。

未来的探测器需要冷却到低温,但这并非易事。一旦科学家实现了这一点,利用低温环境将改善传感器的性能,遵循这一设计方案。在比利时卢卢万担任研究科学家的新职位上,范·海詹宁根计划设计这种传感器的原型,并为爱因斯坦望远镜测试其性能。

参考译文:在低温下工作使热噪声限制惯性灵敏度提高了五十倍作者:J.V. van Heijningen,《仪器仪表》杂志,2020年6月30日。

DOI: 10.1088 / 1748 - 0221/15/06 / P06034

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