Warum sind die Strahlrohre von LIGO so breit?

Der LIGO-Strahl hat 200 W, wie er am Eingangsmodus-Reiniger erzeugt wird; Der Strahl wird dann in den Armen mehrfach recycelt, wodurch die Leistungsdichte erheblich erhöht wird. Dies erfordert große Optiken mit nahezu perfekten Beschichtungen, um "Hot-Spot/Cold-Spot"-Schäden durch verschiedene Arten möglicher Defekte zu vermeiden.

Aber es gibt noch einen weiteren Grund für die große Strahlgröße, und ich zitiere aus Advanced LIGO , Abschnitt 2.1: „ Um das thermische Rauschen der Testmasse zu reduzieren, wird die Strahlgröße auf den Testmassen so groß wie möglich gemacht, damit sie sich übermittelt mehr von der Spiegeloberfläche.Der dominante Rauschmechanismus ist hier der mechanische Verlust in den dielektrischenSpiegelbeschichtungen, für die das thermische Verschiebungsrauschen umgekehrt mit derStrahlgröße skaliert.Diese Verringerung des thermischen Rauschens wird gegen einen erhöhtenAperturverlust und eine verringerte Modenstabilität bei größeren Strahlenabgewogen. "

Inspektion der Optik von LIGO auf Verunreinigungen.

Als ich Anfang der 1990er Jahre Doktorand war, arbeiteten wir an extrem empfindlichen, zerstörungsfreien Techniken auf der Grundlage nichtlinearer Optik, mit denen die Beschichtungsfehler gefunden werden konnten: Ort und Klassifizierung. Unser Detektor scannte die Oberfläche und zeichnete Amplituden- und Phasenänderungen basierend auf dem photothermischen Effekt auf, daher habe ich immer ein persönliches Interesse am Erfolg von LIGO; Immerhin haben sie geholfen, meinen Weg zu bezahlen!

Sehen Sie sich den Laser von LIGO hier an .

LIGO Hanford.

Dies muss eine bewusste Konstruktionsüberlegung gewesen sein, da dies bedeutet, dass ein viel größeres Vakuumvolumen aufrechterhalten werden muss

Obwohl ich nicht glaube, dass dies der Grund für LIGO war, spielt das Volumen im Hochvakuum weniger eine Rolle als die Oberfläche. Nachdem die Kammer abgepumpt wurde, wird das endgültige Vakuumniveau durch die Desorptions-/Ausgasungsrate von Molekülen, die an den Kammerwänden anhaften, eingestellt.

Aber trotzdem, sagen Sie, hat die größere Kammer eine größere Oberfläche als eine kleinere.

Die Rate, mit der Restgasmoleküle weggepumpt werden, wird teilweise durch die Querschnittsfläche bestimmt – je größer die Fläche, desto schneller diffundieren die Moleküle um die Pumpe herum und „fallen“ in sie hinein. Die Durchflussrate ist tatsächlich proportional zum Kubikdurchmesser [Wikipedia] .

Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist bei den größeren Kammern kleiner, was bedeutet, dass bei einer gegebenen Ausgasungsrate pro Oberfläche eine geringere Dichte an Gasmolekülen in der Kammer vorhanden ist.

Kurz gesagt, es kann einfacher sein, in größeren Kammern ein besseres Vakuum zu erreichen als in kleineren.

Letztendlich gibt es jedoch Kompromisse, die die Größe der Kammer einschränken - Sie benötigen beispielsweise immer noch größere Pumpen. Am LHC müssen sie Kryotechnik und Magnetwicklungen um den Strahlengang herum haben, die nicht viel größer gemacht werden können.

Einige zusätzliche Gründe, die in den anderen Antworten nicht erwähnt wurden:

• Begrenzungsverluste : Gaußsche Strahlen fallen exponentiell ab, sodass jede Röhre endlicher Größe einen kleinen Leistungsverlust verursacht. Typische Entwurfsregeln beim Erstellen eines optischen Entwurfs solcher Instrumente sind, dass nicht mehr als 1 Teil pro Million des Lichts aufgrund der Aperturen endlicher Größe verloren geht. Bei Advanced LIGO beträgt der Strahlradius an den Endspiegeln 6 cm, aber der Durchmesser der Spiegel beträgt 34 ​​cm .

• Streulicht : Die LIGO-Interferometer sind so empfindlich, weil sie einen Abstand zwischen seismisch isolierten Spiegeln messen. Aufgrund von Unvollkommenheiten in der Optik wird jedoch ein Teil des Lichts aus dem Hauptstrahl gestreut, trifft auf eine vibrierende Vakuumröhre und tritt wieder in den Strahl ein, was eine unerwünschte Variation der Lichtphase erzeugt. Dies ist eine der technischen Geräuschquellen, die wirklich schwer zu beseitigen ist. Als Vorsichtsmaßnahme sind entlang der Röhre absorbierende Prallbleche angebracht. Diese nehmen einen nicht zu vernachlässigenden Platz ein.

• Unzulänglichkeiten in der Geradheit der Röhre : Das Virgo-Interferometer befindet sich zum Beispiel ganz in der Nähe einer Stadt, die vor allem für ein im Boden versinkendes Gebäude bekannt ist . In den letzten ~15 Jahren haben sich die Vakuumröhre und die tragenden Gebäude an einigen Stellen um bis zu 10 cm abgesenkt. Dieser Effekt wird jedes Jahr überwacht, und wenn es zu viel wird, wird der Schlauch aufgebockt, aber dafür braucht man etwas Spielraum.

• Betrieb von mehr als einem Interferometer in derselben Röhre : Bei LIGO Hanford wurden zunächst zwei Interferometer nebeneinander in demselben Vakuumgehäuse betrieben: H1 , das die vollen 4 km beider Arme nutzte, und H2 , das 2 km hatte Arme, wobei die Endspiegel an einer Station auf halbem Weg entlang der Röhre aufgehängt sind. Die Idee war, dass zwei nebeneinander angeordnete Instrumente einige Vorteile bei der Datenanalyse bieten können (zB die Konstruktion eines Nullstromsignals , das kein Gravitationswellensignal enthalten würde, aber technische Störungen anzeigen würde). In der Praxis war dies nicht so nützlich wie erhofft. Die ursprüngliche Idee für Advanced LIGO war die Installation von zwei 4-km-Interferometernparallel in derselben Röhre, aber sie änderten ihre Meinung und " spendeten " die Optik nach Indien, um INDIGO zu konstruieren .