Collaborazione INFN Firenze LISA PF PENDOLO ROTOTRASLAZIONALE Ruggero Stanga Lorenzo Marconi.

Presentazione sul tema: "Collaborazione INFN Firenze LISA PF PENDOLO ROTOTRASLAZIONALE Ruggero Stanga Lorenzo Marconi."— Transcript della presentazione:

1 Collaborazione INFN Firenze LISA PF PENDOLO ROTOTRASLAZIONALE Ruggero Stanga Lorenzo Marconi

2 Onde Gravitazionali Firenze, 22 Febbraio 20102 PSR B1913+16 (Hulse e Taylor) La Relatività Generale prevede: Necessità di una rivelazione diretta delle Onde Gravitazionali

3 Rivelatori Terrestri Firenze, 22 Febbraio 20103 Interferometri Gravitazionali LIGO GEO Virgo TAMA AIGO Barre Risonanti

4 Interferometri Spaziali Firenze, 22 Febbraio 20104 Newtonian Gravitational Noise

5 Interferometri Spaziali: LISA Firenze, 22 Febbraio 20105

6 LISA: collaborazione ESA-NASA Firenze, 22 Febbraio 20106 Necessità di una missione di prova: LISA PF.

7 Firenze, 22 Febbraio 20107 LISA PATHFINDER Lancio previsto: primavera 2012.

8 Drag-free control loop (1) Firenze, 22 Febbraio 20108

9 9 Drag-free control loop (2)

10 Pendolo di Torsione di Trento Firenze, 22 Febbraio 201010

11 Pendolo Rototraslazionale di Firenze Firenze, 22 Febbraio 201011

12 Obiettivi della facility Firenze, 22 Febbraio 201012  Il doppio pendolo di torsione sarà un simulatore hardware di LISA PF in volo: potremo studiare accoppiamenti tra gradi di libertà, potremo chiudere il loop di controllo su di un grado di libertà e valutare gli effetti sull’altro.  I test fino ad ora eseguiti sono stati fatti con un sensore capacitivo con gap di 2 mm e massa di test di 40 mm di lato e con un’elettronica sviluppata a partire dal primo prototipo realizzato a Trento. Il gruppo di Trento ci ha fornito un secondo prototipo del sensore simile alla configurazione di volo (gap di 4mm lungo la direzione del fascio laser), che dopo le calibrazioni su banco verrà montato sulla facility. Il gruppo di Roma 2 ha acquistato una nuova elettronica rappresentativa dell’elettronica di volo (consegna da parte di ETHZ tra qualche mese).

13 Facility (1) 13Firenze, 22 Febbraio 2010  Fibra centrale in W da 100µm e lunghezza 75cm,  fibra laterale in W da 25µm e lunghezza 75cm,  crociera (braccio 12cm) e masse di bilanciamento in Al,  massa di test in Al, dorata, di lato 40mm,  sensore di posizione in Al (carcassa ed elettrodi), dorato, con gap di 2mm. Le masse in gioco e la geometria adottata assicurano un rumore termico in accelerazione per i due gradi di libertà morbidi dell’ordine di: ~10 -13 ms -2 /(Hz )1/2, cioè un ordine di grandezza sopra le richieste di rumore massimo di LISA PF. Tutto l’equipaggio sospeso è in Al ed ottone.

14 Facility (2) 14Firenze, 22 Febbraio 2010  Il sistema da vuoto (rotativa + turbomolecolare) raggiunge una pressione residua di qualche unità in 10 -7 mbar, con possibilità di utilizzare: una seconda pompa turbomolecolare (sempre da 500 l/s), cinture riscaldanti per il baking della camera da vuoto.  Il sensore può essere spostato su entrambi i gradi di libertà morbidi grazie a slitte micrometriche a controllo remoto,  una terza slitta micrometrica a controllo remoto permette di ruotare il punto di sospensione della fibra centrale,  la facility dispone inoltre di altre movimentazioni manuali, necessarie nella fase di setup.

15 Read-Out Capacitivo (1) Firenze, 22 Febbraio 201015  Un ponte capacitivo-induttivo permette di leggere il segnale di una coppia di elettrodi affacciati.  Sulle faccia inferiore e superiore due ulteriori elettrodi permettono di polarizzare la massa di test a circa 100 kHz.  Combinazioni opportune dei segnali permettono di misurare gli spostamenti lungo i 6 gradi di libertà.  Nello schema le componenti in rosso rappresentano la parte di circuito attraverso cui un segnale di attuazione può essere applicato direttamente agli elettrodi.

16 Read-Out Capacitivo (2) Firenze, 22 Febbraio 2010  Il sensore di posizione capacitivo e la catena elettronica di acquisizione (ponte capacitivo induttivo, scheda di amplificazione, lock-in e ADC) assicurano una sensibilità in lettura degli spostamenti della massa di test ~nm/(Hz) 1/2. Test su banco col primo canale di elettronica: calibrazione con slitta micrometrica. 16

17 Read-Out Ottico (1) 17Firenze, 22 Febbraio 2010  La facility è dotata di un autocollimatore commerciale (Elcomat VARIO 300) che ha prestazioni paragonabili al sistema di lettura capacitivo. Può essere montato in modo da leggere la rotazione della fibra centrale, oppure quella della fibra laterale.  Esso dà una lettura indipendente dal sistema elettrostatico, e viene usato per leggere lo spostamento angolare lungo il grado di libertà rotazionale della fibra centrale. Misura effettuata su banco con specchietto rigidamente connesso all’autocollimatore.

18 Read-Out Ottico (2) Firenze, 22 Febbraio 201018  La facility è dotata di altri due canali di lettura a leva ottica: il gruppo di Napoli ne curato la progettazione e la realizzazione.  Le letture ottiche sui due gradi di libertà morbidi servono come verifica del sensore capacitivo. Qualche giorno fa abbiamo integrato su banco la doppia leva ottica di Napoli, attorno al nuovo sensore capacitivo. Siamo in attesa della nuova TM da 46mm per integrare il tutto sulla facility.

19 Stato dell’arte (1) Firenze, 22 Febbraio 2010 Spettro di rumore per il grado di libertà rotazionale (fibra laterale). In rosso è riportata la sensibilità di progetto 19

20 Stato dell’arte (2) Firenze, 22 Febbraio 201020  Abbiamo iniziato a studiare il controllo sul grado di libertà rotazionale.  il segnale di posizione capacitivo è stato utilizzato per generare (con un filtro digitale) il segnale di correzione che è stato trasmesso, modulato a 200 Hz, ed amplificato, agli elettrodi del sensore capacitivo.

21 Stato dell’arte (3) Firenze, 22 Febbraio 201021  Abbiamo implementato il seguente filtro digitale: che ha dato i seguenti risultati: Moto torsionale Pendolo semplice

22 Stato dell’arte (4) Firenze, 22 Febbraio 201022  Abbiamo incluso nel loop di controllo il centraggio dell’oscillazione della massa di test all’interno del sensore pilotando automaticamente la slitta micrometrica. Moto torsionale Pendolo semplice

23 Stato dell’arte (5) Firenze, 22 Febbraio 201023  Il controllo in rotazione smorza la risonanza torsionale a 2.3mHz.

24 Stato dell’arte (6) Firenze, 22 Febbraio 201024  Il modo di pendolo semplice a circa 500mHz non viene soppresso.

25 Prossimi passi Firenze, 22 Febbraio 201025  Integrazione sulla facility del nuovo sensore-TM, equipaggiato con l’ORO di Napoli.  Ripetizione delle misure già effettuate con un solo grado di libertà morbido (fibra laterale) libero per debuggare l’hardware nuovo.  Liberare anche il secondo grado di libertà morbido (fibra centrale) e realizzare una legge di controllo per entrambi i gradi di libertà.  Valutazione delle principali sorgenti di rumore: misura del momento magnetico residuo dell’equipaggio mobile e misura delle fluttuazioni del campo magnetico attorno alla facility (stiamo realizzando un sistema di bobine di Helmoltz), utilizzo di riscaldatori sul sensore per valutare correlazioni con la temperatura, accoppiamento del tilt del suolo con i gradi di libertà morbidi (inclinometri).  Realizzazione di sistemi di isolamento ambientale: sistema di termostatazione, piattaforma per la camera a vuoto disaccoppiata meccanicamente dal resto del laboratorio.  Utilizzo dei tools software sviluppati dalla collaborazione per la presa ed l’analisi dei dati.

26 Collaborazione INFN LISA PF Firenze - Urbino Firenze, 22 Febbraio 201026 Persone coinvolte presso il Dipartimento Firenze (hardware)Ruggero Stanga (strutturato) Lorenzo Marconi (precario) Persone coinvolte nella collaborazione, ma che non gravano sul Dipartimento Urbino (simulazione)Catia Grimani (strutturata) Noemi Finetti (strutturata) Finanziamenti INFN (Gruppo II)PRIN 2008 Sui fondi PRIN 2008 verrà bandito a breve un assegno di ricerca per 18 mesi. Saranno necessarie integrazioni a partire dal 2011.

27 Implicazioni per le strutture del Dipartimento L’attività si svolge in due locali dell’edificio di Fisica Sperimentale: 1.Stanza 29, con banco ottico. 2.Box nel capannone (accanto al box VIRGO): stiamo lavorando per la realizzazione di una piazzola disaccoppiata dal resto del pavimento dell’edificio; ci servono circa 10 mq in più. 4/5 richieste l’anno, per circa 1 mese uomo, presso l’Officina Meccanica. Necessità di un aiuto dal servizio elettronico, per sempici realizzazioni, per 1 mese uomo circa. Firenze, 22 Febbraio 201027

28 Elenco Pubblicazioni Firenze, 22 Febbraio 201028