На фото: Лазерный инклинометр для длительной регистрации угловых наклонов земной поверхности. Объединенный институт ядерных исследований получил патент на уникальную разработку — прибор для измерения угла наклона объекта относительно гравитационного поля Земли. Устройство называется «лазерный инклинометр для длительной регистрации угловых наклонов земной поверхности», его разработали главный научный сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) профессор Юлиан Будагов и старший научный сотрудник ОИЯИ кандидат физико-математических наук Михаил Ляблин. Разработка этого прибора ведет свое начало от относительно простых применений лазерного луча в 90-е годы прошлого века. Сейчас принципы, положенные в основу устройства, используются в калориметре спектрометра ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, около Женевы. Участие в ATLAS продолжается и поныне и идет под научным руководством (со стороны ОИЯИ) профессора Вадима Беднякова.
Четыре инклинометра размещены на траектории Большого адронного коллайдера, в 2018 году один экземпляр установлен в туннеле Гарнийской геофизической обсерватории (Армения). С августа 2019 года устройство запущено в комплексе гравитационной антенны европейского эксперимента VIRGO. Мы ранее писали об этом событии, о принципах работы российского прибора и о том, как устроен сам франко-итальянский детектор гравитационных волн.
«С момента публикации наш прецизионный лазерный инклинометр (ПЛИ) сильно изменился в лучшую сторону, — рассказал “Стимулу” Михаил Ляблин. — Мы продолжаем совершенствовать его конструкцию, для того чтобы измерять наклоны земной поверхности с большей чувствительностью и в большем частотном диапазоне. Для использования ПЛИ в современных физических экспериментах крайне важны его небольшие габариты и вес. Мы готовим к выпуску новую версию инклинометра, в которой вес и габариты будут уменьшены в разы. В конечном счете мы должны получить прибор в форме куба со стороной двадцать сантиметров и весом до десяти килограммов. Эта версия инклинометра к тому же будет обладать большей чувствительностью и большим частотным диапазоном».
НАСЛЕДИЕ ЭЙНШТЕЙНА
Самые ожидаемые и прорывные результаты современной физики сейчас получают на установках мегасайенс: огромных коллайдерах, антеннах, телескопах. При этом ученые исследуют события и явления, которые чрезвычайно сложно измерить и зафиксировать. Поэтому так важна согласованная работа всех частей и элементов научных установок и минимизация воздействия внешней среды на результаты.
Над созданием и усовершенствованием инструментов, которые решают эти задачи, работает сектор лазерной метрологии НЭО множественных адронных процессов лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Лазерный инклинометр как раз и является одним из таких устройств.
На гравитационной антенне VIRGO сейчас задействованы два инклинометра, и следующая амбициозная задача сектора лазерной метрологии — поставить такие приборы для гравитационного телескопа нового поколения, так называемого телескопа Эйнштейна.
На гравитационной антенне VIRGO сейчас задействованы два инклинометра, и следующая амбициозная задача сектора лазерной метрологии — поставить такие приборы для гравитационного телескопа нового поколения, так называемого телескопа Эйнштейна
Михаил Ляблин, который руководит сектором лазерной метрологии, пояснил, для чего решили создать еще один детектор: «После обнаружения гравитационных волн встал вопрос о создании более чувствительных гравитационных детекторов. Основная проблема ныне существующих — чувствительность, которая позволяет зарегистрировать гравитационную волну от слияния черных дыр с массами примерно солнечной массы на расстоянии до 50 мегапарсек. Ограничение по чувствительности резко уменьшает объем прослушиваемой Вселенной, и в настоящее время статистика приема сигналов дает примерно одно событие за неделю. Это крайне мало. Нужен детектор, который бы имел “прослушиваемое” расстояние, соответствующее размерам Вселенной. В этом случае количество принимаемых сигналов возрастет до нескольких событий в час».
По словам ученого, в новом проекте предложено совместить три гравитационные антенны, чтобы решать задачу определения направления прихода гравитационной волны. Если удастся определить направление с точностью в несколько градусов на небесной сфере, можно использовать космический широкоугольный телескоп для поиска светового отклика на гравитационно-волновое событие.
ЧТОБЫ НЕ КАЧАЛИСЬ ЗЕРКАЛА
Гравитационно-волновой детектор, который регистрирует направление прихода гравитационной волны, можно построить в форме четырехугольника или треугольника, в вершинах которого установлены четыре или три интерферометрические гравитационные антенны. Тогда по силе сигналов с гравитационных антенн появляется возможность определить и направление прихода гравитационной волны. При таком дизайне экономится и место для размещения гравитационных антенн, и их стоимость.
В телескопе Эйнштейна выбрана конфигурация равносторонний треугольник с длиной стороны десять километров с тремя интерферометрами. Они будут установлены под землей на глубине сто метров для дополнительной сейсмоизоляции от индустриальных шумов. Детекторы VIRGO и LIGO расположены на поверхности.
По словам Михаила Ляблина, задача состоит в том, чтобы определить угловые наклоны поверхности Земли и стабилизировать зеркала интерферометра. Для одного интерферометра нужно стабилизировать шесть зеркал, делительную пластинку интерферометра и плюс к этому стабилизировать направление питающего луча
Основная проблема таких детекторов — стабилизация подвешенных за кварцевые стропы интерферометрических зеркал. При наклонах земной поверхности во время прохождения поверхностных сейсмических волн зеркала наклоняются. Скорость распространения сейсмической волны составляет два километра в секунду. Зеркала, расположенные друг от друга на расстоянии три километра, будут наклоняться по-разному, и, следовательно, необходимо контролировать каждое зеркало отдельным инклинометром.
По словам Михаила Ляблина, задача состоит в том, чтобы определить угловые наклоны поверхности Земли и стабилизировать зеркала интерферометра. Для одного интерферометра нужно стабилизировать шесть зеркал, делительную пластинку интерферометра и плюс к этому стабилизировать направление питающего луча. В итоге для одного интерферометра нужны до десяти инклинометров.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ
Как отмечает Михаил Ляблин, пока известен один тип источника гравитационных волн — слияние черных дыр, слияние черной дыры и нейтронной звезды и слияние нейтронных звезд. Новый детектор позволит получить новую важную информацию о последних мгновениях такого слияния, поскольку последней место события покидает гравитационная волна. Сигнал слияния находится в области относительно низких частот — от нескольких герц до 20–30 герц. Детектор же рассчитан на поиски гравитационных волн вплоть до 10 килогерц, и, вполне вероятно, при более высокой чувствительности новые источники гравитационных волн будут найдены.
«Стабилизация положения зеркал при помощи наших приборов в сто раз снизит влияние поверхностных волн на чувствительность гравитационной антенны, — говорит Михаил Ляблин. — Это позволит убрать в области спектра от одного до десяти герц доминирующее влияние микросейсмических шумов на чувствительность антенны. Будущий телескоп потребует от 30 до 50 инклинометров, и именно благодаря разработке сектора лазерной метрологии наш институт может получить возможность войти в будущий европейский мегапроект».
Зоны повышенной сейсмической активности в России — это Камчатка и озеро Байкал, в СНГ – территории Армении и Узбекистана. Уже подписаны соглашения ОИЯИ с этими странами о прогнозе землетрясений
При этом придется усовершенствовать инклинометр так, чтобы он смог работать при температуре жидкого неона 23–24 °К — до такой отметки будут охлаждены зеркала будущего телескопа для уменьшения теплового шума. По словам ученых, задача это сложная и неординарная, работа над ее решением начнется в этом году.
В России малогабаритный инклинометр планируется использовать прежде всего на коллайдере НИКА (Дубна). Там необходимо визуализировать деформацию поверхности Земли в широком диапазоне частот. Фактически в режиме онлайн требуется составить анимированную карту поверхности под коллайдером с деформациями при прохождении микросейсмических волн и долговременными деформациями, которые происходят из-за изменения уровня грунтовых вод, просадок грунта. Полученные данные планируется использовать для стабилизации пучков частиц в коллайдере.
ПОЧУВСТВОВАТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ
«Еще одна крайне важная сфера приложения инклинометров — прогнозирование землетрясений, — рассказывает Михаил Ляблин. — Поскольку ПЛИ может работать в области очень низких частот, сеть инклинометров позволит визуализировать долговременную деформацию коры Земли и определить зоны накопления сейсмической энергии. По темпу ее накопления можно прогнозировать и само землетрясение. Понятно, что определение таких зон очень важно для гражданского строительства, определения степени сейсмической устойчивости зданий».
Зоны повышенной сейсмической активности в России — это Камчатка и озеро Байкал, в СНГ — территории Армении и Узбекистана. Уже подписаны соглашения ОИЯИ с этими странами о прогнозе землетрясений.
«По всей видимости, мы продолжим заниматься этой проблемой и в России, — говорит ученый. — Мы надеемся использовать инклинометр для прогноза землетрясений там, где необходимы измерения в течение года и более. Создание первых образцов и апробирование прибора планируем завершить уже в этом году».
Автор: Алексей Андреев
Источник: https://stimul.online/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
