用电磁方法探测高频引力波

 一、高频引力波不能使用传统方法进行探测根据广义相对论的预言,利用引力波的潮汐效应,可以对引力波进行探测。最早的引力波探测方法是共振质量法,其典型装置除韦伯棒(WeberBar)外,还有ALLEGRO(美国)、EXPLORER(意大利)等。它们的共同特点是将棒状或球状质量作为引力波的耦合天线,如果天线接收到了引力波信号,则天线上的不同部分之间将发生伸缩效应,利用声电转换(比如压电效应)可以将机械振动转换成电信号,测量电信号就可以确认是否探测到了引力波信号;这一类引力波探测装置对引力波共振的频率一般为102104Hz.     

真空规管对低温容器残余气体影响的实验研究

以高真空多层绝热低温容器为研究对象,利用残余气体分析仪研究冷阴极真空规管、热阴极真空规管以及热阴极真空规管不同放置位置对低温容器真空夹层内残余气体的影响.结果表明:冷阴极真空规管对低温容器真空夹层内残余气体的影响几乎是可以忽略不计的;热阴极真空规管对低温容器真空夹层内残余气体的影响较大,热阴极的灯丝和残余气体之间存在化...     

引力波与引力波探测:一个全新的空间信息通道

简述了引力波探测的历史,介绍了对质量谐振探测器、地面激光干涉引力波探测器、空间激光干涉引力波探测器,以及引力波在宇宙微波背景上极化效应的相关探测方案,评述了微波频带的高频引力波探测方案.     

基于TPD的表面光化学动力学研究装置

搭建了一套基于程序升温脱附谱(TPD)探测方法用于研究不同表面光化学过程动力学和机理的质谱系统. 该装置通过不同真空泵组合,共同抽气,使得探测区域的真空达到0.2 nPa. 与以前相似的仪器相比,探测区域H2和CH4的背底下降了两个数量级,其他残余气体的背底下降了大约一个数量级. 在这种真空条件下能有效的提高TPD和时间飞渡谱的信噪比,对于研究光催化过程更加有利. 这套装置研究了266 nm的光在TiO₂(110)表面产生氧空位的光化学行为,其结果表明这套基于TPD的表面光化学动力学研究装置对研究表面光化学过程十分有效.     

从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已确认的双中子星并合引力波探测结果 1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果 1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.     

用于引力波关键技术验证的近地低成本商业卫星设计

地面引力波探测由于受到地表振动、重力梯度等噪声以及试验尺度的限制,探测频段被限制在10Hz以上,而对于更大特征质量和尺度的波源,探测频段主要在中低频段(0. 1 mHz～1 Hz)。因此,为避免地面干扰,需要在空间进行探测。由于引力波信号微弱,探测精度极高,针对空间引力波探测,国际上提出了以LISA为代表的空间引力波探测计划,国内中国科学院也提出了太极计划。然而,国内外的引力波探测卫星计划,对卫星的技术指标、设计复杂性和成本均提出了极高要求,短期之内难以实现。针对这一现实情况,本文参考LISA pathfinder的设计思路,设计一颗近地低成本商业卫星,针对引力波探测关键技术的验证需求,进行卫星任务需求分析及结构、热控、姿态控制等关键技术分析,提出商业化的低成本技术验证初步设想,希望能对空间引力波探测卫星总体设计提供一定借鉴。     

星上剩磁对惯性传感器的影响

空间引力波探测对剩余加速度的要求极高,达到了10~(-15)ms~(-2)Hz~(-1/2)量级,然而在空间引力波探测时,惯性传感器所在位置的环境磁场会带来磁场力和洛伦兹力。为保证引力波的正常探测,必须将环境磁场及磁场梯度控制在一定范围内。本文主要针对星上剩磁对惯性传感器的影响,从星际磁场、卫星部件剩磁和时变磁场探测等几个方面探讨了剩磁与加速度之间的关系,也对卫星磁场源模拟以及磁场探测方法进行了讨论。结果表明,通过对磁场源位置和方向进行优化可以降低直流剩磁,通过弱磁探测装置对星际磁场和时变磁场进行实时监控以排除磁场噪声影响,对于得到高精度的引力波探测数据是必不可少的。本文研究说明实施星上剩磁对惯性传感器的影响分析是有必要的,并且可以发展一套卫星平台剩磁评估方案和弱磁探测方法。     

探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响

研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明：光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.     

红外激光外差气体分析仪信号分析

本文研究红外激光外差气体分析仪信号提取的数学模型,论证了外差气体分析仪的探测灵敏度可达10~(-4)ppb,这比直接探测方式约高九个量级.文中着重分析了方波控制激光器的频谱形式、光信号外差探测装置和电信号解调原理.最终导出外差气体分析仪气体浓度信息流程,据此绘制了方波控制CO_2激光外差气体分析仪原理方框图.     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

 引力波是爱因斯坦“广义相对论”的重要预言，引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年，爱因斯坦就根据弱场近似，预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现，前仆后继，科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱，引力波探测器的灵敏度太低，引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波天文学研究蓬勃发展的今天，降低噪声、提高灵敏度仍是激光干涉仪引力波探测器发展的关键课题。     

引力波的预言、探测和发现

引力波是爱因斯坦在广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉科学,是对传统电磁辐射天文学的巨大拓展与补充。文中讨论了引力波的预言和特性,给出了引力波探测的主要方法,详细分析了激光干涉仪引力波探侧器的工作原理和基本结构,介绍了引力波事例GW150914的主要参数和探测、数据处理。     

在所有频段感受挤压

正两个小组展示了频率依赖的量子压缩,这项技术可以使引力波探测器的灵敏度加倍。引力波天文台最近开始着手"挤压"探测器中的激光。这项技术降低了噪声,提高了灵敏度,但仅仅是在一个有限的频率范围内。现在两个小组已经展示了一个降低噪声的新方法,它覆盖一个宽波段的引力波频率范围。这种量子压缩技术,当它与其他升级手段一起部署时,将使引力波天文台的探测灵敏度加倍。     

微通道板光子计数成像探测器预处理实验研究

微通道板光子计数成像探测器是嫦娥三号极紫外相机的关键成像器件,嫦娥三号极紫外相机被用于探测地球等离子层中极微弱的He+共振散射辐射,为了消除微通道板内部吸附的残余气体产生的离子反馈等背景噪音对探测器微弱信号成像性能的影响,需要对微通道板进行预处理.预处理包括高温真空烘烤和紫外光电子清刷.根据预处理的实验要求,设计了一套微通道板预处理装置,为微通道板预处理实验提供高真空环境和高温加热及保温功能.本文详细介绍了微通道板预处理实验的实现过程,对三片Z型级联的微通道板进行预处理实验后,背景噪音由27.09counts/s·cm2降低为0.53counts/s·cm2、空间分辨率达到125μm,上述实验结果表明MCP在预处理之后其表面、亚表面和体内吸附的杂质气体得以有效去除,获得了稳定的增益,成像性能也得以改善.     

激光干涉仪引力波探测器的噪声和灵敏度

<正>引力波是爱因斯坦"广义相对论"的重要预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。引力波的发现开辟了引力波天文学研究的新纪元。早在1916年,爱因斯坦就根据弱场近似,预言了引力波的存在。但是直到今天引力波才被发现,前仆后继,科学家为之奋斗达百年之久。关键的困难就是引力波强度太弱,引力波探测器的灵敏度太低,引力波信号完全湮没在噪声本底之中。在引力波     

双腔比对折射率法测定气体压力

搭建了基于气体折射率方法的气体压力测量装置,测量区间为10—100 k Pa,采用双腔比对方法对装置进行了检验.通过将两个真空腔体分别控温,并且真空连通,保证了两个腔内气体压力相同.以高纯氮气(6N)为气体介质,在不同气体压力条件下,得到了双腔对比测量的初步结果.结果显示,基于光学方法的气体折射率压力计重复度高于30×10^–6,显著好于商用电容式薄膜压力计,说明该方法具有很大潜力.本文还分析了测量中的误差来源,并计划通过改进系统设计以提高测量精度.     

解密引力波——时空震颤的涟漪

引力波由时空弯曲引起,并以光速传播.爱因斯坦通过广义相对论预言了引力波的存在.2015年9月14日LIGO引力波天文台首次探测到引力波信号,这是人类首次直接探测到引力波,也是首次探测到双黑洞并合事件.我们特别邀请LIGO科学联盟的两位教授从他们的实际科研工作出发,向我们详细解密引力波的前世今生.     

集中质量音叉式引力波天线与Vela星引力辐射探测的探讨

本文提出并计算了一种接收Vela星引力辐射的集中质量音叉式机械谐振型低频天线。指出,由于Vela星引力波信号的连续性和单色性,可以采用信号积累方法提高接收灵敏度。最后给出了灵敏度可以达到目前理论估计的Vela星引力辐射强度的天线参数。此种天线也适用于其他低频引力波探测。 关键词：     

空间引力波探测计划-LISA系统设计要点

为了验证广义相对论,世界各国竞相开展了空间引力波探测方面的研究。本文以欧洲空间引力波探测LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划为例,根据基线设计,对LISA系统有效载荷及主要组件的设计进行了分析和阐述。LISA主要探测和研究低频引力波辐射,其工作频段为10^-3~1 Hz,工作距离为5×10⁶ km,预计能探测到双致密星系统以及星系合并引起的超大质量并合等波源,测距精度达到pm量级。以上研究希望能对我国未来的空间引力波探测计划有一定启示。     

低温容器真空夹层中绝热材料放气特性实验研究

绝热材料放气是造成低温容器真空夹层真空失效、绝热性能恶化的主要原因。利用自建的材料放气速率实验装置,对绝热材料的放气特性、残余气体成分及影响因素进行了实验研究。实验结果表明：绝热材料的放气特性曲线符合非金属材料扩散放气模型,残余气体成分包括H₂O、N₂、O₂及CO₂,且主要成分为H₂O;真空夹层内的真空度越高,材料的放气速率越大;材料表面粗糙度越大,其放气速率越大;氮气置换空气的抽真空工艺亦可引起绝热材料的放气速率大幅度提升。     

面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术

时间延迟干涉技术(Time-delay?Interferometry,TDI)对中国引力波探测项目及其它天基激光精密测量任务具有重要的参考价值.在天基引力波探测任务中,需利用激光干涉仪对无拖曳检验质量块间实现十皮米量级的位移测量精度.其中,激光源频率噪声和时钟频率噪声是两项主要噪声.在欧洲主导的LISA(Laser?I...