Laboratori Nazionali del Gran Sasso - TEST A TERRA DEL SENSORE DI POSIZIONE DI LISA E LISA PF S

7.5 Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Come illustrato nel Cap. (3) e nel precedente Par. (7.4) nella descrizione del pendolo ad un grado di libertà, i rumori ambientali rappresentano un limite alla sensibilità intrinseca della sospensione che è data dal rumore termico della fibra a bassa frequenza (sotto la risonanza torsionale della fibra) e dalla sensibilità del sensore capacitivo a più alta frequenza. Cruciale sarà pertanto scegliere un sito “quieto” in cui allestire il nostro esperimento. Ciò permet- terà di raggiungere più facilmente le migliori prestazioni del doppio pendolo di torsione riducendo gli sforzi per minimizzare i rumori ambientali come ad esempio:

• schermaggio per quanto riguarda variazioni di temperatura e di campo magnetico,

• controllo attivo per il sistema di termostatazione e per il tilt del pavimento,

• attento disegno della sospensione per la massimizzazione del disaccoppiamento dei gradi di libert`a soft.

Tra i punti precedenti gli aspetti che pi`u difficilmente possono essere risolti sono sicuramente il controllo attivo del tilt del pavimento, viste soprattutte le basse frequenze, (10−3÷10−1_{)Hz, a cui siamo interessati, e il disaccoppiamento}

della massa di test dal rumore newtoniano visto soprattutto che il momento gravitazionale del pendolo roto-traslazionale è decisamente più consistente che nel caso ad un solo grado di libertà. Pertanto una scelta ottimale del sito in cui allestire il nostro esperimento diventa fondamentale. La scelta è attualmente ricaduta su LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). Porsi in tale luogo ci consentirebbe di minimizzare gli effetti di:

7.5. Laboratori Nazionali del Gran Sasso

allestito l’esperimento sia disaccoppiata acusticamente dal resto dei laboratori ed accoppiando il pavimento direttamente agli strati di roccia sottostanti) e ridotti effetti di microsisma che in genere interessano gli strati pi`u superficiali della crosta terrestre.

• Rumore newtoniano. Essere circondati da roccia assicura fluttuazioni minime del gradiente del campo gravitazionale in presenza di variazioni di distribuzioni di massa circostanti causate dal rumore sismico, dalla variazioni di temperatura e dalle condizioni metereologiche.

• Variazioni di temperatura. Le variazioni di temperatura possono esse stesse essere la causa di tilt e di rumore newtoniano a causa delle defor- mazioni geometriche che producono, pertanto `e fondamentale un ambiente in cui i tempi scala di variazione della temperatura siano fuori dalla nostra banda d’interesse (sopra il giorno).

In Tab.(7.1), `e riportato un confronto tra i valori di tilt misurato presso i laboratori di Trento e quelli del gran Sasso.

Freq Trento LNGS

(Hz) (µrad/√Hz) (µrad/√Hz)

10−2 0.04 0.05

10−3 0.3 0.1

10−4 3 0.6

Conclusioni e prossimi sviluppi

Il lavoro svolto in questa tesi si colloca all’interno della campagna di test a Terra per lo sviluppo del sistema drag-free per il sensore inerziale delle future missioni spaziali LISA E LISA PF. Per la riuscita di queste missioni sar`a in- fatti cruciale disporre di un sistema di controllo delle masse di test che non interferisca con il loro moto di caduta libera a livelli, ad oggi, non ancora rag- giunti.

Cercare di verificare sulla Terra tale sistema richiede in primo luogo uno sfor- zo notevole per riprodurre le condizioni di volo della massa di test: occorre cioè trovare il modo di disaccoppiare dall’ambiente quanti più gradi di libertà possibili della massa di test. La presenza dell’accelerazione di gravità limita sostanzialmente a 3 i gradi di libertà che possono essere resi morbidi. Ad oggi i risultati più brillanti in termini di sensibilità si sono ottenuti con un pendolo di torsione ad un grado di libertà, sfruttando la piccola costante di richiamo di fibre di W.

Sulla scia di questi risultati in questo lavoro di tesi mi sono occupato dello studio, della progettazione e della messa in opera di un apparato sperimentale che permetta di avere 2 gradi di libertà morbidi. Dopo aver analizzato più soluzioni la scelta finale è ricaduta su un doppio pendolo di torsione che assicura il disaccoppiamento di un grado di libertà traslazionale orizzontale e del grado rotazionale attorno all’asse verticale. Nel Cap. (4), mi sono occupato del dimensionamento del doppio pendolo roto-traslazionale (scelta delle fibre di torsione e delle dimensioni della crociera) rispettando i limiti di sensibilità

Conclusioni e prossimi sviluppi

richiesta. Successivamente mi sono occupato della relizzazione di un prototipo da banco della sospensione necessaria per valutare scelte costruttive per il pendolo finale e per approfondire la dinamica di tale dispositivo. In particolare il risultato principale ottennuto è stato lo studio di un sistema di smorzamento per i modi di pendolo che mi ha poi permesso di progettarne uno analogo per il modo torsionale della fibra centrale. Per lo studio della dinamica di questo prototipo ho realizzato un sistema di lettura su più livelli: uno shadowmeter per monitorare i modi di pendolo, mentre un sistema di leve ottiche per monitorare i modi di torsione. I risultati ottenuti sono riportati nel Cap. (6) e risultano in buon accordo con i calcoli teorici del Cap. (5). Infine, ho iniziato la costruzione del doppio pendolo di torsione finale, soprattutto per quanto riguarda le componenti meccaniche e il sistema da vuoto. Una parte del lavoro si è concentrata anche sulla qualificazione dei disturbi ambientali, in particolar modo per quanto riguarda le fluttuazioni del campo magnetico in prossimità della massa di test.

Nel breve periodo gli sviluppi principali riguarderanno l’integrazione sull’apparato sperimentale del sensore capacitivo sviluppato per il pendolo ad un grado di libertà, con annessa elettronica di lettura ed attuazione. È allo studio anche l’ipotesi di dotare il sistema di un ulteriore stadio di attuazione al livello della crociera. A regime la sospensione dovrebbe permetterci di testare gran parte degli accoppiamenti elettrostatici tra sensore e massa di test, le fonti di rumore principali, compreso il rumore newtoniano e soprattutto accoppiamenti spuri tra gradi di libertà che non possono essere osservati con il singolo pendolo di torsione. In particolare avendo a disposizione 2 gradi di libertà morbidi sarà anche possibile iniziare a verificare anche le leggi di controllo previste in volo per correggere la posizione del satellite rispetto alla massa di test. Fonda- mentale per la riuscita dell’esperimento sarà riuscire a tenere sotto controllo

Conclusioni e prossimi sviluppi B1 B2

j

q

Figura 7.14: Disegno schematico di una possibile sospensione per disaccoppiare dal’ambiente una massa di test su 3 gradi di libert`a: i 2 gradi di libert`a traslazionali orizzontali e la rotazione attorno all’asse verticale.

i disturbi ambientali che in vario modo si accoppiano con i gradi di libertà morbidi della massa di test: quando non sarà possibile una attenuazione di- retta dei disturbi, compatibile con le nostre richieste, sarà necessario riuscire a modellare le funzioni di trasferimento per queste fonti di rumore in modo da sottrarne gli effetti in fase di analisi dei dati. Su più lungo periodo l’alles- timento sperimentale potrebbe rivelarsi adatto ad ospitare anche altri tipi di sospensione. In particolare sembra promettente l’idea di realizzare un triplo pendolo di torsione che sarebbe in grado di disaccoppaire la massa di test su

Conclusioni e prossimi sviluppi

tutti e 3 i gradi di libertà che non coinvolgono direttamente l’accelerazione di gravità: la rotazione di due fibre di torsione, attraverso opportuni bracci, assicurerebbe il disaccoppiamento dei gradi di libertà traslazionali orizzontali, mentre la rotazione di una terza fibra di torsione fornirebbe il solito disaccoppiamento del grado di libertà rotazionale verticale. Uno schema di principio di questa sospensione è riportato in Fig. (7.14)

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Nel documento TEST A TERRA DEL SENSORE DI POSIZIONE DI LISA E LISA PF SU DUE GRADI DI LIBERTA’ PER FREQUENZE INTORNO AL mHz (pagine 140-154)