MiniGRAIL

Gravitational Radiation Antenna In Leiden

Kamerlingh Onnes Laboratory, Leiden University, The Netherlands

Scholieren Site

Onderdrukking van de Ruis

Seismische Ruis
Om extreem kleine uitwijkingen te kunnen meten moeten natuurlijk alle trillingen van de omgeving (het gebouw, een vrachtwagen die langs rijdt) worden gefilterd. Dit wordt gedaan door de bol op te hangen aan een reeks dempings trappen. Iedere dempings trap bestaat uit een massa en een veer (zie figuur). Een systeem van een massa en een veer heeft een resonantie frequentie die wordt bepaald door de massa en de veer konstante van de veer. Als de "basis" wordt geexciteerd met een frequentie lager dan de resonantie frequentie van het systeem, dan zal de uitwijking van de massa ongeveer gelijk zijn aan die van de basis. Precies op de resonantie frequentie zal de uitwijking van de massa vele malen groter zijn dan die van de basis. Bij hogere frequenties zal de uitwijking van de massa kleiner zijn dan die van de basis, het systeem werkt dus als een demper. Op de grafiek is te zien dat de demping sterk toeneemt met de frequentie. Het is dus belangrijk bij het ontwerpen van zo'n systeem, om de resonantie frequentie zo laag mogelijk te houden.

Schematische weergave van een systeem van een massa (m) en een veer (veerkonstante k).	Deze grafiek laat de demping A (in dB) zien als functie van de frequentie. Rond de resonantie frequentie van het systeem treedt versterking op (A>0). Bij hogere frequentie treedt demping op (A<0).

De MiniGRAIL opstelling heeft 7 dempingstrappen. De bovenste 4 zijn gemaakt van hetzelfde materiaal als de bol, CuAl6%. De CuAl6% massa's wegen ongeveer 130 kg per stuk en zijn aan elkaar verbonden met roestvrij stalen staven (diameter = 8 mm). De onderste 3 massa's zijn van koper en zijn aan elkaar verbonden met koperen staven. De verwachtte demping per dempingstrap is ongeveer 30 dB (100 dB=105). De amplitude van seismische trillingen neemt af met de frequentie. Bij 3 kHz zal de amplitude ongeveer 10-12 zijn. We moeten dus een demping van minimaal 109 halen.

Thermische Ruis
Om de thermische ruis te onderdrukken zal de bol met de dempingstrappen worden afgekoeld naar een extreem lage temperatuur van 20 milliKelvin. Dit gebeurt door de de bol en de dempingstrappen in een cryostaat te hangen. Een cryostaat is een soort grote thermosfles, waarin koude vloeistoffen bewaard kunnen worden, zoals vloeibare stikstof (77 K) en helium (4 K). De cryostaat bevat twee reservoirs, de buitenste is voor stikstof en de binnenste is voor helium. Het stikstof wordt gebruikt als intermediair tussen kamertemperatuur en helium temperatuur, zodat het helium minder snel zal verdampen ten gevolge van de stralingswarmte die van kamertemperatuur zou komen. Tussen de twee reservoirs is een vacuum ruimte, deze wordt ook wel OVC (Outer Vacuum Can) genoemd. Nadat de bol en de zeven dempingstrappen zijn afgekoeld naar 4 Kelvin, wordt de ruimte waar de bol in hangt vacuum gepompt. Deze ruimte heet ook wel de IVC (Inner Vacuum Can)

Om naar nog lagere temperatuur te kunnen koelen wordt een mengkoel machine gebruikt. Deze machine kan een temperatuur bereiken van wel 5 milliKelvin (het wereld record is 1.7 mK). Het onderste gedeelte van de machine heet de mengkamer en is het koudste gedeelte van de machine. Deze wordt met koper draden aan de bovenste koper massa vastgeschoefd. Er wordt koper gebruikt omdat de thermische geleiding erg goed is bij lage temperatuur. De bol wordt nu via geleiding verder gekoeld naar 20 mK. De mengkamer wordt aan de bovenste koper massa vast gemaakt, zodat er nog twee dempingstrappen tussen de mengkoelmachine en de bol zijn. Mochten er trillingen van de mengkoelmachine af komen, dan worden die gedempt..

De bol is gemaakt in Brazilie en is eind April 2001 aangekomen in Leiden. De bol heeft is geannealed bij 300 graden Celsius (een warmte behandeling om de stress uit het materiaal te halen zodat de qualiteitsfactor hoger wordt). In Juni 2001 hebben we de bol voor het eerst afgekoeld. De laagste temperatuur was 1.8 Kelvin. Tijdens dit experiment hebben we een nieuwe manier van afkoelen getest die veel sneller is dan de conventionele manier, 3 dagen in plaats van meer dan een maand (!). De bol met de dempingstrappen wegen meer dan 2000 kg, dus dat is een grote massa om af te koelen.