KAGRA引力波探测器中频率相关压缩态实验进展

随着技术的发展,下一代引力波探测器的激光功率将得到进一步提高。大光斑半径的应用也将使探测器的热噪声进一步降低,因此,量子噪声将成为在全频段限制引力波探测器灵敏度的首要因素。作为目前最有保障的一种降低量子噪声的技术,频率相关压缩态很可能将被应用于下一代所有引力波探测器中~([1])。频率相关压缩态可以通过将频率不相关压缩态与滤波腔相结合而产生。基于滤波腔具有的频率响应特性,这一技术的应用可以使低频波段的辐射压噪声有效降低,同时实现高频波段散粒噪声的降低,从而实现全探测频段灵敏度的提升。基于日本KAGRA引力波探测器的设计,我们预计将9dB压缩度的压缩态与周损失为8×10~(-5)的300m滤波腔相结合,可以使探测器灵敏度在全探测频段提高1倍。此实验于2015年开始,目前滤波腔的安装调试已经基本完成,得到的结果基本与实验前的模拟相符合。与频率不相关压缩态光学实验台的安装过程也已经过半,通过温度和控制回路的调制,二次谐波腔的转化率已经超过50%。     

基于边缘探测器的FMG稳像探测研究

全日面矢量磁像仪(Full-disk vector Magnetograph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的主要载荷之一,为确保其可获得高空间分辨率的全日面太阳矢量磁场图, FMG配备了一套高精度稳像控制系统.FMG稳像系统采用边缘探测器对太阳入射倾斜偏差进行测量.基于FMG望远镜的太阳像仿真数据分析边缘探测器在太阳像能量分布下的输出特性以及太阳像尺寸与边缘探测器量程和灵敏度的关系.最后,在实验室搭建了一套验证系统对FMG稳像系统边缘探测器进行了相关性能验证实验.实验结果与理论分析一致,太阳像尺寸越大,边缘探测器量程越大,边缘探测器灵敏度越低.     

双黑洞系统的不同起源及其参数分布

双黑洞组成的近密双星系统并合是激光干涉仪引力波天文台等地基引力波探测器的主要探测对象。随着探测器灵敏度的提高,大量该类信号的探测将成为进一步研究黑洞物理的有效工具。但是目前对双黑洞系统的起源机制和内禀参数分布等物理问题的研究还不够深入,例如由引力波探测得到的黑洞质量分布与X射线双星观测的结果存在较大差异,还未有很好的理论模型可解释该结果。目前普遍认为双黑洞系统主要有两种起源:大质量双星演化机制和动力学起源机制。基于这两类起源的双黑洞系统在质量、自旋分布等方面存在差异。因此可在贝叶斯理论框架下,利用引力波信号携带的波源质量和自旋等信息,推断波源起源,计算不同起源的双黑洞系统所占比例,以及检验质量自旋等参数分布的差异。     

硬X射线成像望远镜系统初步研究

介绍了基于傅立叶变换成像技术的硬X射线成像望远镜,利用双层平行光栅对天体X射线源发出的光进行调制编码,调制后的光由闪烁晶体探测器捕捉并进行光电转换,最后由电子学系统读出.调制准直器型望远镜分为空间调制和时间调制两种类型,时间调制系统要求探测器系统的扫描运动,而空间调制系统不需要运动.对光栅制作工艺进行了研究,给出了准直器的基本结构设计,成功制作了空间调制方式硬X射线成像望远镜原型机所需的关键部件,包括8个碘化铯晶体的探测器模块(含光电倍增管PMT)、8通道成型放大器(其中两套为实验备份)和数据获取系统.对这些部件的设计作了介绍,并给出了电子学系统的测试结果.     

暗物质粒子探测卫星有效载荷综合测试系统的设计与实现

暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particle Explorer,DAMPE)是一个空间高能宇宙射线探测器.DAMPE的有效载荷包括塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO(Bismuth germanate)量能器、中子探测器(Neutron Detector,NUD)以及载荷数管5个分系统,这5个分系统协同完成宇宙线事例信息的采集.卫星发射之前需要对有效载荷的功能进行系统性验证,因此基于Lab Windows/CVI(C programming language Virtual Instrument)开发平台建设了一套用于暗物质粒子探测卫星有效载荷系统测试的地面综合测试系统.该系统实现了有效载荷系统测试的集成化、自动化,提高了测试的安全性、可靠性和测试效率,为暗物质粒子探测卫星有效载荷的顺利交付提供了保障.     

第二个天体测量卫星(Gaia)项目的进展

简述了第二个天体测量卫星Gaia(将于2013年3月发射)项目的科学意义,并给出了该项目的组织工作和最近的进展.描述了Gala观测资料处理的基本原理,以及与依巴谷观测资料处理的不同点.介绍了Gaia参考架构建的考虑,以及为了构建微角秒量级的参考架,应在自行中加入系统差改正,如长期光行差、引力波效应、宇宙膨胀各向异性的影响,弱的微引力透镜和微引力透镜噪声效应等.介绍了Gaia光学参考架与射电参考架ICRFL2之间建立联系过程中,选择河外射电源的准则,其中包括源的核漂移和光学长期变化监测等.最后,提出了我国现有设备参与支持Gaia的地基观测,以及正在研制的65 m射电天线在射电天体测量方面可以开展的若干课题.     

自旋致密双星后牛顿哈密顿系统轨道动力学数值研究

由中子星或黑洞构成的旋转致密双星后牛顿哈密顿系统属于相对论二体问题,该系统不但含有丰富的共振和混沌等动力学现象,而且成为探测引力波的理想天然波源.引力体的轨道动力学性质会在引力波中得到反映.因此,实际天体的混沌性既可能是对引力波探测的挑战,又可望是获得观测效应的机遇.本学位论文正是在这样的国际学术氛围下数值研究旋转致密双星后牛顿保守哈密顿动力学问题.基于最小二乘法原理我们构造了单和双标度因子等几种流形改正方法,分别对旋转致密双星后牛     

一种低噪声硅微条探测器读出电子学系统的设计

硅微条探测器空间分辨率高、工作性能稳定, 广泛地应用于空间高能粒子探测领域. 如费米gamma射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)以及阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 2, AMS-02)的径迹探测器中都采用了高位置分辨率的硅微条探测器. 基于硅微条探测器在空间观测领域的应用前景, 针对硅微条探测器单元设计了一套低噪声的电子学读出系统. 整个电子学系统分为前端电子学、数据获取电路和上位机软件. 前端电子学为提高集成度, 采用了一款电荷读出芯片VATAGP8, 实现了多通道、低噪声的电荷信号测量; 数据获取电路使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了对前端电子学的时序控制以及对测量信号的采集控制; 上位机用来接收、处理数据获取电路采集的信号数据. 在对电子学通道的线性、基线、噪声等性能进行测试之后, 得到系统在0--200fC电荷输入范围内的线性增益约为13.41bin/fC, 积分非线性小于1%, 噪声小于0.093fC. 为了验证电子学读出系统对硅微条探测器单元的读出能力, 将两者集成在一起并测试了宇宙线缪子的能量沉积, 得到读出电子学系统的信噪比大于32, 缪子的电离损失能谱与Landau-Gaussian分布符合较好, 能够满足硅微条探测器单元读出电子学的设计要求.     

云南天文台40米射电望远镜S波段总流量观测系统研制和测试

为提高云南天文台40 m射电望远镜射电源流量观测性能,针对S波段现有问题,设计并研制了一套流量观测系统.研发硬件包括抗干扰射频模块、K因子辐射计.同时开发了与新系统配合工作的观测软件,用于数据采集、实时显示、储存及处理.系统研制完成后,进行了安装测试.测试方式为河外致密源ON/OFF流量观测.观测结果表明,实测灵敏度接近理论值水平,新研制系统性能较旧设备有显著提高.     

NVST偏振观测系统的运动控制实现

中国科学院云南天文台1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)是我国在太阳物理和空间科学对太阳进行光学和近红外观测的主力设备,主要科学目标是高精度、高时空分辨率的太阳磁场测量。1 m新真空太阳望远镜采用机械扫描偏振观测方式,由于光学系统的结构特性导致望远镜在跟踪太阳的过程中不可避免地引入了随时间变化的偏振效应,因此在进行偏振观测时需要进行系统定标,整个系统由定标单元、分析单元和探测器组成,其间涉及的多个运动部件均有复杂精密的运动要求。针对偏振定标过程和偏振观测过程中各光学器件的运动需求,给出了定标单元和分析单元的控制要求,实现了不同观测模式下各部件的运动要求。基于TCP/IP协议的远程控制方案,集成了采用串口通讯的各商用驱动控制器,开发了一套在.NET架构下的定标单元控制软件和相应的用户界面,并预留了观测控制系统接口。性能测试表明,系统符合观测要求,现已投入使用,为后续的偏振观测奠定了基础。     

Measurement of the seismic attenuation performance of the VIRGO Superattenuator

The gravitational wave detector VIRGO aims at extending the detection band down to a few Hertz by isolating the mirrors of the interferometer from seismic noise. This result is achieved by hanging each mirror through an elastic suspension (Superattenuator), designed to filter mechanical vibrations in all the degrees of freedom. An experimental upper limit of the mirror residual seismic noise at a few Hertz is provided in this paper. This is lower than the thermal noise floor, expected to limit the antenna sensitivity in the low frequency range.     

A cryogenic payload for the 3rd generation of gravitational wave interferometers

Thermal noise is a limiting factor of interferometric gravitational wave detectors sensitivity in the low and intermediate frequency range. A concrete possibility for beating this limit, is represented by the development of a cryogenic last stage suspension to be integrated within a complex seismic isolation system. To this purpose a last stage payload prototype has been designed and built. It has been suspended within a dedicated cryostat with the same technique adopted for the VIRGO payload and making use of two thin wires in a cradle configuration to support a mirror made of silicon.The cooling strategy, the thermal behaviour and the system mechanical response have been deeply studied while a measurement characterization campaign has been performed both at room temperature and at cryogenic temperature. In this paper, the preliminary results obtained together with the first cooling down of the 300 kg overall mass payload at about 25 K, are reported. This study will play a driving role in the design of the third generation gravitational wave detector.     

2.4m天文望远镜光学系统的设计及副镜检验的几种可能方案

详细说明了 2 .4m天文望远镜分别采用主镜焦比f/1 .5和f/3时光学系统的设计 :针对主镜焦比为f/3的凸非球面副镜 ,阐述了运用 4种不同检验方案的设计结果 ;重点介绍了计算全息法。并对几种方案作了比较     

A wavefront tilt correction servo for the Sydney University Stellar Interferometer

The tilt correction servo for the Sydney University Stellar Interferometer (SUSI) consists of a 'pyramid' detector and piezo-electrically controlled tilt mirrors. The system measures image position and re-centers it with a sample frequency of 1000 Hz thereby holding the two beams of the interferometer parallel with a standard deviation of 0.164 ± 0.025 arcseconds. With an aperture size of 0.06 metres this implies less than a 2% loss in the visibility measurements made by SUSI. The servo has been used to magnitude 6.5 stars and is predicted to have a limiting magnitude of 7.5 and possibly as high as 8.5. The system not only corrects for the tilt introduced by the atmosphere but will supply a good estimate of seeing conditions using the same optical path through the atmosphere as the visibility measurements of the interferometer.     

A Proposal for Establishing A Gravitational-Wave Detector Interferometer in Pakistan

The proposed ‘Gravitational-Wave Antenna Detector InteRferometer (GWADIR)’ will be a 3 km × 3 km Fabry-Perot type laser interferometer. The laser oscillator to be used will be a DL excited Nd-YAG laser with a minimum output of 100 Watts. The optical system will consist of 25 cm diameter Recycler, Beam Splitter, and Near/End Mirrors for each of two Ducts. The mirror system will be suspended by fine wires to isolate the system from the seismic noises of the earth. The output light emerging from the interferometer will be split into 8 beams and sent to 8 different interference detectors. These detectors will measure the interference intensities for the recombined light from the separate legs of the interferometer. The effective amplification due to the interferometer cavities will allow measurements of displacements to better than 10 times the wavelength of the laser light. A high vacuum of 10-8 Torrs will be maintained throughout the system, using turbo-molecular and ion pumps. The detector is designed to reach strain sensitivities from gravitational sources of h<10-23 (Hz)- 1/2 with a broad-band and narrow-band measurement capability in the range of frequencies from 50 Hz to 10 ⁴ Hz, thus allowing it to detect ‘standard’ signals from such sources as coalescing neutron stars or black-holes out to the edge of the universe. If enough funding became available, the project is expected to complete by the middle of the next decade. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

恒星干涉仪星光方向矫正伺服系统

恒星干涉仪的关键技术之一是用自适应光学技术来调节两相干光束之间的夹角,以保证干涉条纹可见度的损失最小。在我们的恒星干涉仪实验系统中,光束方向矫正系统就是为这一目的而研制的．该系统中的光子计数系统和8098单板机的软、硬件组成了补偿光束方向随大气扰动而变的系统．文章介绍了该伺服系统以及在实验系统联调时的试验结果。     

由两块拼接反射镜组成的光学系统的衍射能量分布

LAMOST的光学系统由反射施密特改正板MA 和球面主镜MB 组成 ,MA 和MB 均为对角径 1 .1m的六角形子镜的拼镜面 .本文计算了星在子午圈上时望远镜观测不同的天区零视场和有视场时的光学系统衍射能量分布 ,还计算了MA 不变MB 改为整块的 6m镜以及MA 和MB 均为对角径 1 .5m的六角形子镜的拼镜面的衍射能量分布 .对这些计算结果进行分析 ,论证了六角形子镜尺寸选择的合理性     

参考腔模式匹配及其在激光稳频中的应用

窄线宽激光器是光钟的核心部件,也是原子光精密测量的关键仪器。利用参考腔的功率反射率和功率透射率与损耗的关系给出了窄线宽激光器系统稳频中腔镜损耗的理论表达式。对腔镜的实际反射率与损耗进行了实验测量和计算。实验结果表明,优化模式匹配效率,可以进一步减小腔镜损耗。更重要的是,腔镜损耗的优化有助于提高稳频的锁定质量。     

Construction of Wide Field Cryogenic Telescope

We constructed a wide field cryogenic telescope (WFCT) containing a whole Ritchey-Chrétien system and a focal plane array in a cryostat for near infrared observations to cover the field of view of 0.4°. The telescope has a primary mirror of 220 mm and an engineering grade 256 × 256 InSb array. The optical components such as two mirrors, filters, spiders, and radiation shield tube are cooled down to 180 K as well as the InSb array to 35 K by a mechanical refrigerator. We show the results of the background surface brightnesses and the limiting magnitudes at 3.3 and 3.67 μm measured at Sutherland, South Africa. We describe the on-going upgrade of this instrument, equipped with a 1024 × 1024 ALADDIN InSb science grade array. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

基于精密光程差调制的时域干涉信号闭合相位检测方法研究

闭合相位法是实现长基线恒星光干涉高分辨成像的重要技术手段之一,获得精确的闭合相位信息是进行光干涉图像重构的先决条件.提出一种基于精密光程差调制的时域干涉信号闭合相位检测方法,在3路干涉臂上进行非冗余精密光程调制,并通过多次干涉测量结合数据拟合的方法消除光程差调制中存在的正弦误差,使得光程调制的精度达到20 nm以内.引入高速探测器件提升时域干涉信号的采样频率,对探测器上获得的时域干涉信号进行傅立叶变换处理,获得3路干涉臂精确的闭合相位信息.室内实验结果表明,基于精密光程调制的时域信号闭合相位计算精度可以达到1/50波长以内.