TEST A TERRA DEL SENSORE DI POSIZIONE DI LISA E LISA PF SU DUE GRADI DI LIBERTA’ PER FREQUENZE INTORNO AL MHZ

You are viewing the theme
[Voti: 0    Media Voto: 0/5]

Il lavoro raccolto in questa tesi di dottorato si inserisce nella campagna di test a terra per la realizzazione dell'esperimento LISA (Laser Interferometric Space Antenna). Si tratta di una missione ESA-NASA per la rivelazione delle onde gravitazionali. L'ok definitivo all'esperimento verrà dato dopo aver vagliato l'esito della missione preliminare LISA Pathfinder, che volerà nel 2009 e collauderà buona parte della tecnologia necessaria per LISA. La banda di osservazione di LISA andrà da 0.1mHz a 0.1Hz, assicurando una finestra su molte sorgenti di onde gravitazionali, come i sistemi binari della nostra galassia (WD-WD, NS-WD, etc.) e i sistemi extra-galattici che coinvolgono buchi neri massivi (coalescenza di buchi neri, moti di rivoluzione di oggetti compatti attorno a buchi neri, etc.). L'interferometro LISA misurerà la distanza relativa tra 3 coppie di masse di test in caduta libera poste ai vertici di un triangolo equilatero di lato 5*10^(6)km: le onde gravitazionali si presenteranno come modulazioni delle variazioni di distanza tra queste masse di test. Occorrerà pertanto proteggere queste masse di prova dai disturbi ambientali (vento solare, polvere interstellare, etc.) in modo che le variazioni di distanza siano riconducibili solamente alle onde gravitazionali. Per questo motivo e, ovviamente, per trasportare la strumentazione necessaria alla misura, le masse di test saranno contenute all'interno di satelliti. Molte sono le sfide scientifiche e tecnologiche da affrontare per la realizzazione di LISA. Sicuramente tra le più impegnative vi è senz'altro la realizzazione di un sistema drag-free: di un sistema cioè che permetta ai satelliti di assorbire tutte le interferenze che incontreranno durante il loro moto, proteggendo così le masse di test e rimanendo comunque centrati attorno ad esse. In particolare, la novità principale di LISA sta nel fatto che per la prima volta verrà implementato un sistema drag-free con un rumore in accelerazione residuo delle masse di test lungo la direzione del fascio laser inferiore a 3*10^(-15)ms^(-2)/Hz^(1/2) nella banda che va da 0.1mHz a 0.1Hz. Cuore del sistema drag-free sarà un sensore di posizione capacitivo, GRS (Gravitational Reference Sensor), solidale al satellite. La massa di test, senza alcun contatto meccanico, sarà contenuta al suo interno: il sensore provvedendo a misurare continuamente la distanza relativa satellite-massa di test, fornirà i necessari segnali ai micropropulsori del satellite per mantenerlo sempre in posizione rispetto alla massa di test. E’ in atto una campagna di test a terra per caratterizzare tale sensore. La difficoltà maggiore dell'attività sperimentale a terra è di riprodurre le condizioni di volo della massa di test: cioè di avere una massa di test disaccoppiata dall'ambiente entro i livelli di accelerazione residua richiesti da LISA. Al momento l'attività sperimentale si è concentrata sullo sviluppo di una sospensione che impiega un pendolo di torsione. Sospendendo infatti una copia della massa di test ad un pendolo di torsione, il grado rotazionale della massa di test attorno alla fibra risulta essere estremamente morbido, con g bilanciata completamente dalla tensione del filo. In particolare il pendolo di torsione ad un grado di libertà realizzato presso l'Università di Trento ha dato ottimi risultati: ha permesso di valutare e perfezionare il modello del sensore e ha permesso di investigare varie fonti di rumore. Per&ograve il grosso limite di questa facility è rappresentato dall'avere un solo grado di libertà soft che impedisce di verificare gli accoppiamenti tra gradi di libertà. Per superare questo limite si è deciso di realizzare una facility a 2 gradi di libertà morbidi. Dopo accurate riflessioni e visti i brillanti risultati ottenuti con una singola fibra di torsione, la scelta è ricaduta su un di un doppio pendolo di torsione: ad una fibra di torsione è sospesa una crociera, ad un estremo della crociera è agganciata una seconda fibra di torsione a cui è sospesa la massa di test. In questo modo la massa di test ha 2 gradi di libertà morbidi: la rotazione attorno alla fibra laterale e la traslazione ortogonale al braccio della crociera grazie alla rotazione intorno alla fibra centrale. In questo lavoro di tesi mi sono occupato di questo doppio pendolo, dalla scelta della sospensione più idonea al disaccoppiamento di più gradi di libertà fino al progetto, costruzione e set-up del doppio pendolo roto-traslazionale finale. Dopo aver introdotto nel Cap.1 i concetti fondamentali della teoria delle onde gravitazionali ed aver fatto una breve rassegna delle sorgenti attese a seconda del tipo di rivelatore, sono passato a parlare, nel Cap.2, dell'esperimento LISA descrivendo gli aspetti che più si ricollegano all'attività sperimentale condotta presso i laboratori della sezione INFN di Firenze. Nel Cap.3 ho invece riportato un breve riassunto dell'attività sperimentale svolta negli ultimi anni su un pendolo di torsione ad un grado di libertà: tutta l'esperienza accumulata in questa circostanza è stata fondamentale per l'attività intrapresa nel nostro laboratorio. Sono poi passato a descrivere nel Cap.4 la progettazione del pendolo roto-traslazionale. Vista la delicatezza dell'esperimento e i lunghi tempi di realizzazione delle varie componenti, ho sviluppato nel frattempo un piccolo modello su banco della sospensione. Questo lavoro, descritto nei Cap.5 e 6 è stato estremamente utile perch'e mi ha permesso di verificare molti degli accorgimenti della sospensione finale, nonch