UNIVERSIDADE DE SO PAULO Instituto de Fsica
O detector de ondas gravitacionais Mario
Schenberg: uma antena esfrica criognica com
transdutores paramtricos de cavidade fechada
Srgio Turano de Souza
Tese apresentada ao Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo para a obteno do ttulo de Doutor em Cincias.
Orientador: Prof. Dr. Odylio Denys de Aguiar Comisso Examinadora:
Prof. Dr. Armando Paduan IFUSP Prof. Dr. Ftima Salete Correra POLI USP Prof. Dr. Luis Raul Weber Abramo IFUSP Prof. Dr. Odylio Denys de Aguiar INPE Prof. Dr. Rubens de Melo Marinho Junior - ITA
So Paulo 2012
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AGRADECIMETOS
Gostaria de expressar meus agradecimentos s pessoas cujos ensinamentos,
assistncias e encorajamentos contriburam para que este trabalho fosse realizado. Primeiro
gostaria de agradecer ao meu orientador Prof. Odylio Denys de Aguiar pelo apoio,
dedicao e por guiar o Projeto GRAVITON. Ao Prof. Nei Fernandes de Oliveira Jnior
pela oportunidade e ensinamentos. Aos colegas do Projeto, que compartilham os mesmos
objetivos: Dr. Xavier P. M. Gratens, Dr. Fabio da Silva Bortoli, Dr. Sergio Ricardo Furtado
(in memoriam), Ms. Leandro de Paula e todos os outros.
Aos funcionrios do LESBT: Olimpio Ribeiro da Fonseca Neto, Walter Soares de
Lima, Carlos Alberto Barioni Carlinhos, Eronides Alves de Almeida Eron, Ceclia
Aparecida Cavalheiro Maia, Rui Fernandes de Oliveira, Vagner Aparecido Braghim, Marco
Antnio Meira Marco, Paulo Srgio Martins da Silva Magoo, Tatiana Costa Lacerda
Dejean, Francisco de Paula Oliveira Paulinho, etc.
Aos professores Dr. Jos Carlos da Silva Lacava e Dr. Jos Kleber da Cunha Pinto
que me ajudaram muito na parte eletrnica.
Obrigado a todos
Sergio
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Dedicatria
Se voc tambm est lendo isto, todo o trabalho aqui dedicado a voc.
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RESUMO
A existncia de ondas gravitacionais foi confirmada indiretamente pela observao
astronmica de pulsares binrios. Detectores de ondas gravitacionais tem sido
desenvolvidos desde o trabalho pioneiro de Weber nos anos 60. Esforos esto sendo
realizados no sentido de aumentar a sensibilidade dos detectores e realizar uma deteco
direta, que ainda no foi confirmada.
O Grupo GRAVITON est aperfeioando e melhorando a sensibilidade de um
detector de ondas gravitacionais que se encontra no Laboratrio de Estado Slido e Baixas
Temperaturas do Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo (LESBT/IFUSP), na
cidade de So Paulo com apoio da FAPESP (processo 2006/56041-3). Esse detector,
denominado MARIO SCHENBERG, composto por uma massa ressonante esfrica de
CuAl(6%) com 65 cm de dimetro, com aproximadamente 1150 kg, que dever atingir a
sensibilidade h ~ 10-22 ( ll2=h ) em uma banda passante de 50 Hz, em torno de 3200
Hz, quando estiver operando a temperaturas da ordem de 0,05 K. Atualmente o detector j
tem toda a sua infraestrutura criognica montada e testada para resfriamentos a 4 K e toda a
suspenso da esfera bem como todo o sistema de filtragem mecnica construdos e
montados.
J foram realizadas as primeiras corridas comissionadas em 2006, 2007 e 2008,
quando foram realizados vrios diagnsticos sobre o sistema e desde ento vem sendo
desenvolvidos os transdutores para colocar o detector novamente em operao com melhor
sensibilidade. Paralelamente, foram realizadas melhorias no prprio detector em razo dos
diagnsticos realizados.
O trabalho aqui apresentado est associado ao projeto acima. O autor desenvolveu
atividades associadas construo e desenvolvimentos do detector, que podem ser
divididas em trs partes principais: na parte mecnica, foi desenvolvido, instalado e testado
um novo sistema de isolamento vibracional da suspenso da esfera; na parte criognica
foram feitas novas conexes trmicas, clculos de gastos de hlio lquido e feitos
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desenvolvimentos para o funcionamento do refrigerador por diluio; e na parte eletrnica
foi feita a instalao da eletrnica responsvel pela transduo do sinal, alm do
desenvolvimento de um novo par de antenas de microfita.
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ABSTRACT
The existence of gravitational waves has been confirmed indirectly by astronomical
observation of binary pulsars. Gravitational wave detectors have been developed since the
pioneering work of Weber in the 60s. Efforts are being made to increase the sensitivity of
the detectors and perform a direct detection, wich has not been confirmed yet.
The GRAVITO1 Group is enhancing and improving the sensitivity of a gravitational
wave detector which is at the Laboratrio de Estado Slido e Baixas Temperaturas of the
Instituto de Fsica of the Universidade de So Paulo (LESBT / IFUSP), in So Paulo city
and is supported by FAPESP (processo 2006/56041-3). This detector, called MARIO
SCHE1BERG, consists of a spherical resonant mass of CuAl (6%) with 65 cm in diameter,
and approximately 1150 kg, which should reach the sensitivity of h ~ 10-22 ( ll2=h ) in a
bandwidth of 50 Hz around 3200 Hz, when operating at temperatures of 0.05 K. Currently
the detector already has all its infrastructure assembled and tested for cryogenic cooling
down to 4 K and the whole suspension of the sphere as well as all mechanical isolation
system constructed and assembled.
Commissioning runs have already been done in 2006, 2007 and 2008, when several
diagnoses on the system were performed and since then there have been many
developments on the transducers to put back the detector into operation with improved
sensitivity. At the same time, improvements have been made within the detector itself due to
the diagnoses.
The work presented here is associated with the above project. The author has
developed activities and developments associated with the detector construction, which can
be divided into three main parts: the mechanical part, in which a new system of vibration
isolation was designed for the sphere suspension, installed and tested; the cryogenic part,
in which new connections and thermal calculations of liquid helium boil-off rate were made
as well as other developments for the operation of a dilution refrigerator; and the
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electronic part, in which the installation of the electronic signal responsable for the
transduction was made, besides the development of a new pair of micro-strip antenna.
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DICE 1. ITRODUO ............................................................................................................ 8 2. ODAS GRAVITACIOAIS ................................................................................... 12 2.1 O que so ondas gravitacionais?............................................................................... 13 2.2 Detectores de ondas gravitacionais........................................................................... 18 2.3 O detector Mario SCHENBERG.............................................................................. 20
2.3.1 A esfera e as massas de filtragem........................................................................ 22 2.3.2 O transdutor paramtrico.................................................................................... 23
3. MECICA................................................................................................................ 25 3.1 A haste de sustentao................................................................................................ 26 3.2 O sistema de isolamento vibracional .......................................................................... 28
3.2.1 Segurana e facilidade de montagem .................................................................. 29 3.2.2 Transferncia de calor ........................................................................................ 30 3.2.3 Funo de transferncia do isolamento vibracional........................................... 30 3.2.3.1 Funo de transferncia do sistema de isolamento com Cs ....................... 32 3.2.3.2 Funo de transferncia do sistema de isolamento com barras ...................... 34
4. CRIOGEIA............................................................................................................... 43 4.1 Resfriamentos 2005-2006........................................................................................... 44 4.2 Resfriamento 2008...................................................................................................... 47 4.3 O refrigerador por diluio......................................................................................... 50
4.3.1 Princpio de operao ......................................................................................... 50 4.3.2 O refrigerador do detector .................................................................................. 53
5. ELETRICA ........................................................................................................... 60 5.1 Eletrnica nas primeiras corridas comissionadas ....................................................... 61 5.2 Cabeamento e Fiao.................................................................................................. 63 5.3 Termorresistores ......................................................................................................... 66 5.4 Antenas de microfita................................................................................................... 67
5.4.1 Antena de micro
