Multi-Nested Pendula: Um novo conceito em isolamento vibracional para a terceira e quarta geração do LIGO

• Ano de defesa: 2013
• Autor(a) principal: Márcio Constâncio Junior
• Orientador(a): Odylio Denys de Aguiar
• Banca de defesa: Francisco José Jablonski, Nei Fernandes de Oliveira Júnior
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Astrofísica
• País: BR
• Resumo em Inglês: Gravitational Waves (GW) are perturbations in space-time, which travel in spacetime itself at the speed of light. The theoretical prediction of their existence exists since the publication of Einstein's General Relativity in early twentieth century, however, indirect evidences of their existence were first announced only in 1975 in a paper published by Russell Hulse and Joseph Taylor. A way to characterize them is by means of their dimensionless amplitude given by $h \approx \frac{\Delta L}{L}$ which makes possible to build a GW detector using two test masses and monitoring their relative distances. This is basically the working principle of an interferometer such as aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Located at Hanford and Livingstone (USA), the detector is a Michelson interferometer with Fabry-Perot arm cavities and signal and power recycling cavities. Despite current interferometric detectors being at the \textquotedblleft{state-of-art}\textquotedblright related to the available technology in order to perform the detection of gravitational waves, there are still noise sources inherent to the instrumentation used which need to be faced such as: thermal suspension noise, quantum noise, coating and substrate Brownian noise, and seismic noise. This last noise source is the responsible for a seismic cutoff at $sim$ 10 Hz in the sensitivity curve of Advanced LIGO even by using a vibration isolation system composed by hydraulic, active and multipendular stages. For this purpose, in order to implement the already existing systems in Advanced LIGO we present a new concept in vibration isolation: the Multi-Nested Pendula (MNP). It is a low pass mechanical filter composed by cylindrical shells nested concentrically forming a multi-stage pendula, in which the pendular oscillation is responsible for horizontal isolation while fianges with arms, which acts as springs, perform the vertical isolation. Thus, the objective of this innovative design is to achieve adequate vibration isolation while saving vertical space. In this work, it will be presented simulations, theoretical, and experimental results related to violin modes of the wires, which support the assembly, and related to the normal modes of the outermost cylinder, as well as theoretical and experimental results of frequency resonances related to rotational and pendular modes of the system.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2013/04.16.17.32

Ondas gravitacionais (OG) são perturbações no espaço-tempo que viajam pelo próprio espaço-tempo à velocidade da luz. A predição teórica de sua existência existe desde a publicação da teoria da Relatividade Geral de Einstein (RG), no início do século XX, contudo, evidências indiretas de sua existência foram anunciadas somente em 1975 em um trabalho publicado por Russell Hulse e Joseph Taylor. Uma das formas de caracterizá-las é por meio da sua amplitude adimensional dada por $h \approx \frac{\Delta L}{L}$, o que torna possível fazer um detector utilizando-se duas massas de teste e monitorando suas distâncias relativas. Esse é, basicamente, o princípio de funcio-namento de um interferômetro tal como o aLIGO ( \textit{Advanced} Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Com sedes em Hanford e Livingston (EUA), o detector de 4 km de braços é um interferômetro de Michelson que possui cavidade de Fabry-Perot, de reciclagem de potência e de sinal. Embora os detectores interferométricos atuais estejam no \textquotedblleft{estado da arte}\textquotedblright referente à tecnologia disponível para realizar a detecção de ondas gravitacionais, ainda existem fontes de ruídos inerentes à instrumentação empregada que precisam ser tratadas, tais como o ruído térmico da suspensão, ruído quântico, ruído browniano do revestimento e do substrato dos espelhos e o ruído sísmico. Este último é o responsável por uma barreira sísmica existente em $\sim$ 10 Hz na curva de sensibilidade do aLIGO, mesmo com o uso de um sistema de isolamento vibracional baseado em estágios de isolamento hidráulico, ativo e multipendular. Com o intuito de implementar o sistema já existente do aLIGO e reduzir a barreira sísmica existente, apresentamos um novo conceito em isolamento vibracional: o Multi-Nested Pendula (MNP). Trata-se de um filtro mecânico passa-baixa composto por cascas cilíndricas aninhadas de forma concêntrica formando um pêndulo de vários estágios, no qual a oscilação pendular é responsável pelo isolamento horizontal, enquanto que fianges com braços que atuam como molas realizam o amortecimento vertical. Dessa forma, o objetivo principal deste projeto inovador é atingir um bom isolamento vibracional ao mesmo tempo que se ganha espaço vertical. Neste trabalho, serão apresentados resultados experimentais, teóricos e simulações referentes aos modos violino dos fios que suspendem o conjunto, e aos modos normais do cilindro mais externo, assim como resultados teóricos e experimentais de frequências de ressonância associados aos modos rotacionais e pendulares do sistema.