THE HAM-SAS SEISMIC ISOLATION SYSTEM FOR THE ADVANCED LIGO GRAVITATIONAL WAVE INTERFEROMETER

[Total: 0    Average: 0/5]

La presente tesi di laurea è il risultato della partecipazione del candidato allo sviluppo del sistema HAM-SAS per l'attenuazione del rumore sismico negli interferometri di Advanced LIGO. I due interferometri di LIGO sono ormai operativi e in continua presa dati dal Novembre del 2005. I dati acquisiti sono integrati con quelli ottenuti dal progetto Virgo nell'ambito di una cooperazione internazionale volta a massimizzare gli sforzi per la rivelazione delle onde gravitazionali. A partire dal 2011 sono previsti la dismessa di LIGO I e l'inizio dell'installazione e messa in funzione di Advanced LIGO. L'obiettivo degli interferometri di nuova generazione è una sensibilità dieci volte maggiore con lo scopo di estendere di un fattore mille il volume di spazio coperto e di incrementare dello stesso ordine di grandezza nella probabilità di rivelazione di eventi. Per aumentare la sensibilità nella banda sotto 10 Hertz la principale fonte di rumore che Advanced LIGO deve fronteggiare è il rumore sismico. In tale prospettiva, il gruppo SAS (Seismic Attenuation Sistems) di LIGO ha sviluppato un insieme di tecnologie sulle quali si basa il sistema HAM-SAS, progettato specificamente per l'isolamento sismico del banco ottico dell'output mode cleaner. In HAM-SAS le gambe di quattro pendoli invertiti costituiscono lo stadio di attenuazione dei gradi di libertà orizzontali (yaw e le due traslazioni sul piano). Quattro filtri GAS provvedono all'isolamento dei gradi di libertà verticali (traslazione verticale e le inclinazioni) e sono contenuti all'interno di una struttura rigida intermedia chiamata Spring Box che poggia sui pendoli invertiti. La geometria è tale che i gradi di libertà orizzontali e quelli verticali risultano separati e indipendenti. Ogni filtro GAS è accompagnato da un sensore di posizione LVDT e da un attuatore elettromagnetico e così anche ogni gamba dei pendoli invertiti. Otto stepper motors permettono il controllo di posizione statica del sistema. Un prototipo di HAM-SAS è stato realizzato in Italia e quindi trasportato presso il Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti d'America per essere testato entro la camera a vuoto Y-HAM dell'interferometro da 15 metri del LIGO LASTI Laboratory. La collaborazione del candidato al progetto è cominciata nel 2005 con lo studio di uno dei sottosistemi di HAM-SAS, le cosiddette magic wands'', oggetto della tesi di laurea di primo livello. Nell'Agosto del 2006 un maggiore è cominciato con la partecipazione alle varie fasi di costruzione del sistema presso le officine meccaniche della Galli e Morelli di Lucca. Il contributo alla costruzione in Italia ha incluso: il design di alcuni elementi, il processo di produzione dell'acciaio maraging per le lame dei filtri GAS, l'assemblaggio dell'intero sistema in tutte le sue parti meccaniche inclusi sensori, attuatori elettromagnetici e stepper motors e le caratterizzazioni preliminari dei pendoli invertiti e dei filtri GAS. Il sistema è stato inoltre interamente sottoposto ai processi di trattamento per la compatibilità con gli ambienti ad ultra alto vuoto dell'interferometro e in questa fase un contributo sono stati i test spettroscopici tramite FT-IR dei campioni ricavati dal sistema. Durante l'assemblaggio definitivo in camera pulita, come spiegato nell'elaborato, l'impegno è andato dal tuning dei filtri GAS, alla distribuzione precisa dei carichi sui pendoli invertiti e alla messa a punto del sistema per la correzione del tilt verticale. All'MIT, a cominciare da Dicembre 2006, il candidato ha rappresentato il progetto HAM-SAS per tutta la sua durata. Qui si è occupato assieme al gruppo SAS di tutte le fasi dell'esperimento, dal setup dell'elettronica e della meccanica al commissioning del sistema per raggiungere i requisiti di progetto, passando per la creazione del sistema di acquisizione dati, i controlli, l'analisi dei dati e l'interpretazione dei risultati. I test a LASTI hanno mostrato che, grazie alla particolare geometria del sistema, i gradi di libertà orizzontali e quelli verticali sono disaccoppiati e possono essere trattati come indipendenti. E' stato possibile identificare chiaramente i modi del sistema e assumerli come base con cui costruire un set di sensori di posizione virtuali e un set di attuatori virtuali a partire da quelli reali, rispetto ai quali la funzione di trasferimento del sistema fosse diagonale. All'interno di questo spazio modale il controllo del sistema è risultato notevolmente semplificato e maggiormente efficace. Abbiamo misurato accurate physical plants per ogni grado di libertà e, sulla base di queste, disegnato specifiche tipologie di controllo. Per i gradi di libertà orizzontali si sono utilizzati semplici loops di controllo per il mantenimento della posizione statica e il damping delle risonanze. Per quelli verticali in più a queste funzioni, i loops introducevano un effetto di antimolla e abbassavano le frequenze di risonanza. Il risultato complessivo è stato il raggiungimento dei requisiti di attenuazione sismica di LIGO per il banco ottico entro i limiti di sensibilità dei sensori geofoni utilizzati. L'intero progetto, dalla produzione al commissioning, si è svolto secondo un programma dai tempi contingentati che ha lasciato scarsa possibilità di completare fino in fondo il setup meccanico previsto. L'accesso diretto al sistema è diventato molto più raro una volta richiusa la camera HAM nell'interferometro e pompato il vuoto. Alcuni dei sottosistemi (tra cui i contrappesi per il centro di percussione dei pendoli e le magic wands'') non sono potuti essere installati e diverse operazioni di ottimizzazione (come l'abbassamento delle frequenze dei filtri GAS verticali e dei pendoli invertiti e l'ottimizzazione dei tilt) non sono potute essere completate. Inoltre l'ambiente di LASTI ha offerto una locazione sismicamente poco favorevole se confrontata alle sedi degli osservatori per le quali HAM-SAS era stato progettato. Nondimeno le performance ottenute dal prototipo di HAM-SAS sono state positive e i risultati ottenuti molto incoraggianti e ci lasciano fiduciosi della possibilità di poter essere ulteriormente migliorati e ampliati dai lavori ancora in corso.