Relazione sull’ attività di ricerca svolta nel primo anno di dottorato di Ricerca
Introduzione
Durante questo primo anno la mia attività è stata orientata su quattro fronti paralleli e coerenti con quanto proposto nel progetto di dottorato. Uno di tipo sperimentale, uno teorico-simulativo, uno più prettamente informatico e di data analysis, ed uno di interpretazione geofisica dei dati sperimentali. Di seguito elencherò in dettaglio maggiore la consistenza dei precedenti punti ed infine i risultati scientifici prodotti.
Attività sperimentale
L’ attività sperimentale si è svolta su due fronti paralleli ovvero nelle due sedi in cui si trovano attualmente i due giroscopi laser, strumenti su cui ho potuto lavorare sin dalla mia attività di tesi magistrale e nel precedente incarico di borsista sempre sul tema della sismica rotazionale. Le due sedi sono state
I laboratori nazionale del gran sasso (LNGS):
Qui nelle numerose missioni svolte (circa nove da inizio incarico) ho contribuito in maniera continuativa all’ assemblaggio prima della camera da vuoto del ring laser (RLG), alla verifica della tenuta di quest’ ultima, all’ installazione degli specchi super mirror che definiscono la cavità risonante ottica, al riempimento della camera con il gas He:Ne, prima nella formulazione standard e poi nella formulazione di miscela isotopica speciale per queste applicazioni.
Le fasi di allineamento sono state piuttosto lunghe ma alla fine abbiamo ottenuto l’ effetto laser e il primo battimento indicante la frequenza di Sagnac aspettata è stato osservato.
Nelle missioni successive abbiamo proceduta alla sostituzione degli specchi iniziali (poco trasmissivi) e al fine di poter sfruttare la maggiore trasmissività per combinare i fasci laser esternamente alla cavità laser. Il RLG gingerino dopo l’ ottimizzazione dei segnali in uscita dal laser è stato messo in misura per circa un mese, nel quale sono stati acquisiti segnali geofisici su cui ho poi proceduto con l’ analisi.
Nell’ ultima missione abbiamo tentato una ulteriore miglioria della sensibilità con nuovi specchi al fine di aumentare la già buona sensibilità raggiunta di 10^-10 rad /s/sqrt(Hz).
Aggiungo che al fine di poter frequentare i suddetti laboratori ho frequentato il corso di sicurezza relativo. Di seguito una foto del sistema realizzato presso LNGS, attualmente il secondo RLG per grandezza al mondo, dedicato a misure di sismologia quantitative.
I laboratori di ottica dell’ INFN (Marzotto) e camere pulite di San Piero a Grado
Da queste ultime in cui ho lavorato precedentemente alla realizzazione del giroscopio denominato GP2, ho contribuito al decommissioning dell’ esperimento e al trasporto delle apparecchiature sensibili verso la nuova sede di Pisa Marzotto (INFN) sede in cui adesso è stato installato.
Qui ho realizzato il sistema di pompaggio e riempimento per il suddetto RLG e alla realizzazione e ottimizzazione del sistema di scarica a RF, all’ installazione del sistema da vuoto che definisce le diagonali su cui si lavora ad implementare il controllo attivo delle relative lunghezze.
Nella nuova sede ho poi contribuito al nuovo allineamento e messa in misura dello strumento.
Una parte di lavoro è stata quella di realizzare sia per l’ esperimento GINGERino la scelta il montaggio il test e la messa in opera dei fotodiodo a trans-impedenza necessari per rivelare i deboli segnali trasmessi, questi fotodiodo in particolare si sono mostrati molto efficienti e hanno apportato una miglioria sia in termini di costi che di rapporto s/n all esperimento.
Attività di tipo teorico-simulativo
In questo ambito mi sono focalizzato sia allo studio e all’ implementazione di tecniche di analisi del dato rotazionale affrontando la varia letteratura a riguardo (digital signal processing), sia allo sviluppo di un modello numerico in cui fosse tenuta in conto la presenza di back scattering e la non stazionarietà della velocità di rotazione del frame del giroscopio.
In particolare sono state integrate numericamente il sistema di equazioni differenziali che descrivono ad oggi al meglio la dinamica di un RLG, a questo modello ho apportato la miglioria che consiste nel poter inserire parametri dipendenti dal tempo e velocità di rotazione variabili, al fine di simulare la risposta del RLG ad ogni evento sismico senza limitazioni di dinamica e di frequenza.
Data analysis/ supporto informatico
Ho implementato una suite di codici atti all’ analisi della sensibilità dello strumento, del così detto data quality, e dell’ interpretazione geofisica del dato rotazionale.
Una ulteriore miglioria e integrazione di questo sistema è stata quella di realizzare un processo in batch che potesse automaticamente scaricare i dati dallo spazio su Grid analizzarli in locale e produrre dei report orari sullo stato dello strumento che fosse consultabile da tutti i membri del gruppo di ricerca, tale processo rende più veloce e diretta la produzione di un dato sismologico che può essere inserito come dato sismologico nella rete di monitoraggio nazionale.
E stato migliorato il formato di acquisizione e storage del dato prestando particolare attenzione all’ effettiva sincronizzazione con la strumentazione sismometrica installata presso l’ esperimento GINGERIno.
Ho preso in carico il compito di analizzare sia dal punto di vista della qualità che del relativo contenuto geofisico i dati dei due sismometri installato nella sede di GINGERino.
Interpretazione geofisica
Durante il run più lungo di misura di GINGERino ho potuto analizzare i dati relativi ad un evento telesismico, in particolare questo risultato mi ha permesso di poter presentare presso la conferenza Near surface geoscience 2015 presso Torino un contributo orale.
La forma d’ onda del segnale sismico rotazionale e di accelerazione per l’
evento sismico studiato in [3], terremoto di mag 6.2 da south mid atlantic
ridge
Questo lavoro è consistito nella ricostruzione del corretto back azimut per l’ evento e nella stima della relazione di dispersione per le onde di superficie, tale stima risulta in linea col modello di velocità PREM e con altri lavori in letteratura. Dopo il referaggio sia dell’ extended abstract che dell’ intervento sono stato
invitato a presentare un full paper sulla argomento alla rivista edita dall’ ente organizzatore della conferenza. Sempre nel settore geofisico sto analizzando i dati di rumore sismico al fine di capire la bontà del sito LNGS per un futuro upscaling dell’ esperimento ciò comprende anche l’ analisi di tutti i dati ambientali e di quelli provenienti dai vari inclinometri installati sul frame di GINGERino. In particolar modi in questo campo vi è un continuo scambio di collaborazione con il Dr. Gilberto Saccorotti.
Contributi recenti (Primo anno di dottorato)
[1]-The GINGER Project and status of the ring-laser of LNGS
ADV Di Virgilio, J Belfi, F Bosi, R Santagata, N Beverini, G Carelli, E Maccioni, A Simonelli, A Ortolan, C Altucci, A Porzio, R Velotta, A Beghi, D Cuccato, A Donazzan, G Naletto, MG Pelizzo, A Tartaglia, ML Ruggiero, G De Luca 2015/3/2
PoS (NEUTEL2015)
[2]Geometrical scale-factor stabilization of square cavity ring laser gyroscopes
J Belfi, A Di Virgilio, N Beverini, G Carelli, E Maccioni, A Simonelli, R Santagata 2015/4/12 Conferenza:
Frequency Control Symposium & the European Frequency and Time Forum (FCS), 2015 Joint Conference of the IEEE International
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 −2 −1 0 1 2x 10
−9 Z−rotation/ Transvese acceleration
Time (s) rad/s 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 −0.3 −0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.91
Correlation coef.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000−1 −0.5 0 0.5 1 x 10−5 m/s 2[3 ]Measurements of Surface Waves Phase Velocity with a Large Ring Laser Gyroscope and a Seismometer Autori
A Simonelli, J Belfi, N Beverini, G Carelli, A Di Virgilio, E Maccioni, R Santagata, G De Luca, G Saccorotti 2015/9/6
Conferenza
Relazione sull’ attività di ricerca svolta nel secondo anno di Dottorato di Ricerca
Introduzione
Durante il secondo anno di dottorato ho preso servizio presso la Ludwig-Mximilians-Universität, di Monaco di Baviera dove faccio parte dello staff di ricerca nel progetto ERC- Romy (https://www.geophysik.uni-muenchen.de/ROMY/pages/people.html).
Le seguenti linee di ricerca nel tema della sismologia rotazionali sono state percorse i risultati scientifici ottenuti sono elencati nella lista delle pubblicazioni recenti. Di seguito si descrive in maniera generale il contenuto delle varie linee di ricerca.
Romy ERC, München
Lo scopo di questo progetto è quello di realizzare il primo
giroscopio triassiale al mondo, tale strumento situato presso l’ osservatorio geofisico dell’ LMU presso Fürstenfeldbruk, permetterà di risolvere fondamentali
questioni di sismologia grazie sia all’ elevata sensibilità che alla misura simultanea di tutti i tre gradi di liberà rotazionale.
Io mi occupo della costruzione dello strumento che è in fase avanzata di realizzazione, in particolare per questo esperimento mi sono anche occupato della realizzazione dei fotodiodi amplificati in transimpedenza che fungono da detectors per il segnale, tale progetto è stato realizzato in collaborazione con INFN-Pisa.
I laboratori nazionale del gran sasso (LNGS), GINGERino :
Lo strumento GINGERino è in misura presso i laboratori nazionali, io mi occupo dell’ analisi dei dati e dell’ interpretazione geofisica sia del giroscopio che della stazione sismometrica IV.GIGS. Mi occupo inoltre della catena di trasferimento e analisi dati e della formattazione dei precedenti nel formato MINISEED, standard per la sismologia.
Per questo strumento ho scritto una serie di codici atti a facilitare l’ analisi simultanea dei dati roto-traslazionali e all’ interpretazione geofisica.
Sopra un immagine dello strumento e a lato un day-plot della recente sequenza sismica di Rieti iniziata l’ 8/10/2016 e realizzata grazie al sistema integrato di fetch e analisi dati e al core di analisi sismologica ObsPy
Durante q u e s t a campagna s o n o s t a t i
installate tre stazioni temporanee roto-traslazionali in prossimità del cratere vulcanico, avvalendosi per la prima volta in assoluto di sensori rotazionali portatili basati su tecnologie ottiche con il supporto dell’ azienda francese ixBlue, partner di ricerca applicata dell’ università presso cui presto attualmente servizio.
Il data set appena acquisito permetterà di risolvere problemi f o n d a m e n t a l i d i comprensione dei meccanismi focali r i g u a r d a n t i l a sismicità generata nei vulcani attivi e a p r e l e p o r t e a
nuove strade nella branca dell “volcano seismology”. Contributi recenti in adempimento agli obblighi di produzione scientifica del corso di dottorato Articolo con primo nome:
Rotational motions from the 2016, Central Italy seismic sequence, as observed by an underground ring laser gyroscope
First deep underground observation of rotational signals from an earthquake at teleseismic distance using a large ring laser gyroscope
Andreino Simonelli, Jacopo Belfi, Nicolò Beverini, Giorgio Carelli, Angela Di Virgilio, Enrico Maccioni, Gaetano De Luca, Gilberto Saccorotti
Contributo a conferenza internazionale con primo nome (poster): EGU General Assembly 2016, 17–22 Apr 2016, in Vienna, Austria.
"The GINGERino ring laser gyroscope, seismological observations at one year from the first light" by Andreino Simonelli, Jacopo Belfi, Nicolò Beverini, Angela Di Virgilio, Giorgio Carelli, Enrico Maccioni, Gaetano De Luca, and Gilberto Saccorotti, session SM7.2/G6.2, abstract EGU2016-8930, poster presentation.
Contributo orale a conferenza internazionale con primo nome: 4th IWGoRS Meeting in Tutzing, Germany, 20-23 June, 2016
Andreino Simonelli: A seismic rotational observatory in Gran Sasso underground laboratories Altri contributi relativi al secondo anno di dottorato:
Coautore di intervento orale :
4th IWGoRS Meeting in Tutzing, Germany, 20-23 June, 2016
The ROMY project: ROtational ground Motions: a new observable for seismologY The ROMY collaboration
Altri:
A network of heterodyne laser interferometers for monitoring and control of large ring-lasers Alberto Donazzan, Giampiero Naletto, Maria G Pelizzo, Davide Cuccato, Alessandro Beghi, Antonello Ortolan, Jacopo Belfi, Filippo Bosi, Andreino Simonelli, Nicolò Beverini, Giorgio Carelli, Enrico Maccioni, Rosa Santagata, Alberto Porzio, Angelo Tartaglia, Angela Di Virgilio
SPIE Optical Engineering+ Applications: International Society for Optics and Photonics External metrology system for the stabilization of large ring-lasers:
Alberto Donazzan, Giampiero Naletto, Maria Guglielmina Pelizzo, Davide Cuccato, Alessandro Beghi, Antonello Ortolan, Jacopo Belfi, Filippo Bosi, Angela Di Virgilio, Nicolò Beverini, Giorgio Carelli, Enrico Maccioni, Rosa Santagata, Andreino Simonelli, Alberto Porzio, Angelo Tartaglia
Metrology for Aerospace (MetroAeroSpace), 2016 IEEE
The GINGER project and status of the GINGERino prototype at LNGS
A Ortolan, J Belfi, F Bosi, A Di Virgilio, N Beverini, G Carelli, E Maccioni, R Santagata, A Simonelli, A Beghi, D Cuccato, A Donazzan, G Naletto
Journal of Physics: Conference Series Volume 718 Numero 7 -IOP Publishing
Very high sensitivity laser gyroscopes for general relativity tests in a ground laboratory
J Belfi, F Bosi, A Di Virgilio, N Beverini, G Carelli, U Giacomelli, E Maccioni, A Simonelli, A Beghi, D Cuccato, A Donazzan, G Naletto, A Ortolan, MG Pelizzo, A Porzio, C Altucci, R Velotta, A Tartaglia
2016 European Frequency and Time Forum (EFTF) - IEEE
The GINGERino ring laser gyroscope, seismological observations at one year from the first light Andreino Simonelli, Jacopo Belfi, Nicolò Beverini, Angela Di Virgilio, Giorgio Carelli, Enrico Maccioni, Gaetano De Luca, Gilberto Saccorotti EGU General Assembly Conference Abstract
Relazione sull’ attività di ricerca svolta nel terzo anno di Dottorato
Durante l’ ultimo anno di dottorato la mia attività di ricerca è stata focalizzata sulla stesura dell’ elaborato finale e sulla analisi e la stesura di due articoli scientifici il primo è basato sull’ analisi dei dati raccolti durante la sequenza sismica dell’ autunno 2016 verificatasi in Italia Centrale registra dal nostro strumento localizzato all’ interno dei laboratori nazionali del Grans sasso, e il secondo riguarda una campagna di misure con un primo prototipo di sensore rotazionale portatile .
Sequenza sismica di Amatrice registrata al Gran Sasso
L’ intensità eccezionale e l’ estesa durata temporale ha permesso di registrare un numero considerevole di eventi sismici (vedi Fig.1) tramite l’ apparato Gingerino, locato all’ interno dei laboratori nazionali del Gran Sasso.
Questo ha permesso di ottenere un database unico di eventi sismici di cui sia riportata anche la componente di rotazione verticale del suolo a distanza regionale.
L’ estesa analisi di questi dati ha comportato la necessità di sviluppare nuovi strumenti matematici e numerici basati sulla trasforma wavelet.
Il lavoro di analisi è confluito in un articolo sottomesso alla rivista “Geophysical Journal International (GJI)” il cui titolo è riportato nella lista delle pubblicazioni per l’ anno di dottorato in corso.
Campagna di misure in Colorito
Nell Novembre 2016 abbiamo realizzato in collaborazione col gruppo di Monaco e dell’ INGV di roma una breve campagna di misure in concomitanza con la sopra citata sequenza sismica presso Colorito. In questa circostanza è stata installata (Fig.1) per la prima volta una stazione sismica temporanea costituita da due sensori rotazionali portatili in fibra ottica (Fiber optic Gyroscope) e due sensori traslazionali tradizionali (sismometri).
Questi dati raccolti costituiscono le prime osservazioni con una singola stazione dei sei gradi di libertà roto/ traslazionali del suolo durante vari eventi sismici.
L’ analisi di questi dati si è avvalsa degli strumenti sviluppati per il precedente lavoro e un manoscritto è in fase di revisione interna. Tali risultati saranno presentati nel lavoro di tesi e sono stati accettati come contributo orale alla conferenza internazionale AGU 2017 in New Orleans.
Articolo con primo nome (Submitted to GJI):
A.Simonelli, H.Igel, J.Belfi, A.Di Virgilio, N.Beverini, E.Maccioni, G.De Luca, G. Saccorotti Rotational motions from the 2016, Central Italy seismic sequence, as
observed by an underground ring laser gyroscope
Altri contributi accettati ad oggi AGU Fall meeting 2017
Andreino Simonelli, Felix Bernauer, Bryant Chow, Thomas Braun, Joachim Wassermann1and Heiner Igel Six components observations of local earthquakes during the 2016 Central Italy seismic sequence Heiner Igel, Andre Gebauer, Andreino Simonelli, Jan Kodet, Felix Bernauer, Stefanie Donner, Joachim M Wassermann, Toshiro Tanimoto and Karl Ulrich Schreiber,
A Multicomponent Large Ringlaser for Seismology: First Observations GNGTS Trieste 2017
Back azimuth determination of regional earthquakes using colocated measurements of ground rotations and translations during the 2016 central Italy seismic sequence
Altri contributi:
1. Jacopo Belfi, Nicolò Beverini, Filippo Bosi, Giorgio Carelli, Davide Cuccato, Gaetano De Luca, Angela Di Virgilio, Andrè Gebauer, Enrico Maccioni, Antonello Ortolan, et al.,
Deep underground rotation measurements: Gingerino ring laser gyroscope in gran sasso, Review of Scientific
Instruments 88 (2017), no. 3, 034502.
2. Bryant Chow, Andrea Simonelli, Celine Hadziiannou, Stefanie Donner, and Heiner Igel, The development of a rotational magnitude scale, EGU General Assembly Conference Abstracts,
vol. 19, 2017, p. 4064.
3. Angela DV Di Virgilio, Jacopo Belfi, Nicolo’ Beverini, Giorgio Carelli, Davide Cuccato, Umberto Giacomelli,
Enrico Maccioni, Antonello Ortolan, Alberto Porzio, Andreino Simonelli, et al., Recent results and prospectives of the ring-laser gingerino, EGU General Assembly
Conference Abstracts, vol. 19, 2017, p. 6557.
4. Andr´e Gebauer, Ulrich Schreiber, Heiner Igel, Celine Hadziioannou, Stefanie Donner, Felix Bernauer, Joachim Wassermann, Sven Edgorf, and Andrea Simonelli,
Design and construction of a large 4c ring laser: Romy, EGU General Assembly Conference Abstracts, vol. 19, 2017,
p. 10170.
5. Karl Ulrich Schreiber, Heiner Igel, Joachim Wassermann, Andr´e Gebauer, Andrea Simonelli, Felix Bernauer, Stefanie Donner, Celine Hadziioannou, Sven Egdorf, and Jon-Paul Wells,
Integration and initial operation of the multi-component large ring laser structure romy, EGU General Assembly Conference Abstracts, vol. 19, 2017, p. 5628.
6. Andreino Simonelli, Jacopo Belfi, Nicol`o Beverini, Angela Di Virgilio, Enrico Maccioni, Gaetano De Luca, Gilberto Saccorotti, Joachim Wassermann, and Heiner Igel,
Rotational motions from the 2016, central italy seismic sequence, as observed by an underground ring laser gyroscope,
EGU General Assembly Conference Abstracts, vol. 19, 2017, p. 4799.
Fig.1: (Sinistra) Mappa e meccanismi focali degli eventi registrati e localizzazione dell’ esperimento Gingerino . (Destra) Setup sperimentale della campagna di Colfiorito con i sensori in fibra ottica.
