LABORATORI NAZIONALI DI LEGNARO
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
ANTENNA GRAVITAZIONALE AURIGA
APPARATO CRIOGENICO:
REFRIGERATORE A
DILUIZIONE 3He – 4He E
CARATTERIZZAZIONE
MECCANICA
STAGISTI:
GRAZIOTTI STEFANO
POLLAZZON IVAN
LUGLIO 2002
Le onde gravitazionali
Le onde gravitazionali furono previste da A.Einstein nel 1917
all’interno della teoria della Relatività Generale, e sono delle perturbazioni
dello spazio-tempo di natura quadrupolare che vengono generate da
variazioni del potenziale gravitazionale di un sistema a simmetria non
sferica.
La misura delle onde gravitazionali potrà confermare definitivamente la
teoria delle Relatività Generale. Inoltre nel momento in cui riusciremo a
captare delle onde gravitazionali avremo una nuova finestra di
osservazione nell’universo.
Le sorgenti di onde gravitazionali vengono classificate in due gruppi :
quelle aperiodiche e quelle periodiche.. Le emissioni aperiodiche sono
costituite da tutti i tipi di collassi stellari come ad esempio l’esplosione di
supernovae e le binarie coalescenti. Per quanto riguarda invece le sorgenti
periodiche si intendono i sistemi binari e le stelle rotanti come le pulsar.
Oltre a queste esistono delle sorgenti di tipo cosmologico, come il
background primordiale di radiazione gravitazionale.
La difficoltà nel rivelare le onde gravitazionali emesse da queste
sorgenti sta nella loro debolissima interazione con la materia. Proprio per
questo motivo la verifica sperimentale dell’esistenza delle onde
gravitazionali si indirizza allo studio e alla rilevazione di eventi astrofisica
definiti catastrofici, dove gran parte dell’energia viene emessa sotto forma
di onde gravitazionali.
Fin dal 1959, anno in cui J.Weber ideò il primo dispositivo teoricamente
in grado di rivelare onde gravitazionali, la scienza ha compiuto notevoli
passi in avanti in questo campo della ricerca. Sono stati sviluppati e
migliorati materiali in fatto di sensibilità, di elaborazione del segnale via
software e via hardware a tal punto da chiamare i dispositivi oggi in
funzione col nome di Antenne di Seconda Generazione, che, oltre ad
AURIGA nei Laboratori Nazionali di Legnaro, sono NAUTILUS a
Frascati, ALLEGRO nella Lousiana , EXPLORER al CERN di Ginevra,
NIOBE a Pert. Inoltre per i dispositivi in fase di realizzazione si parla già
di Antenne di Terza Generazione.
Il rilevatore A.U.R.I.G.A.( Antenna Ultracriogenica Risonante per
l’Indagine Gravitazionale Astronomica )
Considerata la natura delle onde gravitazionali la scelta di costruire
un’antenna risulta quasi obbligata: bisogna utilizzare un corpo con una
grande massa, affinché possa interagire il più possibile con l’onda; inoltre
bisogna porla in modo tale che ci consenta di ottenere un momento di
quadripolo. Per questo è stato deciso di utilizzare una barra cilindrica.
Per poter captare meglio l’onda si cerca di mettere l’antenna in
condizioni tali da captare una risonanza meccanica alla frequenza a cui si
cerca di rilevare la radiazione gravitazionale. Inoltre è stato necessario
dotare l’antenna di un trasduttore elettromeccanico in grado convertire le
vibrazioni in segnali elettrici.
fig.1- fig.2: visioni dell’Antenna Gravitazionale AURIGA
La sensibilità dell’antenna è limitata dalla presenza del rumore, che può
provenire sia dall’esterno che da elementi interni all’antenna. Essa deve
cioè essere in grado di captare un onda gravitazionale, ma allo steso tempo
deve evitare disturbi meccanici ed acustici esterni. Per fare questo
l’antenna è stata sospesa in vuoto tramite sistemi di filtri meccanici che
hanno il compito di isolarla dal rumore esterno, ed questi strumenti non
devono essere fonte di possibili disturbi.
Il materiale che costituisce l’antenna è stato scelto tenendo conto che la
risonanza utilizzata abbia un tempo di decadimento il più lungo possibile;
per questo si è scelto di adottare un materiale come l’Al 5056 in grado di
darci un‘adeguata amplificazione del segnale. Il corpo principale
dell’antenna, chiamato core, è lungo circa 3000 mm, ha un diametro di
circa 600 mm e possiede una massa di 2300 kg. Il modo più eccitato è
quello longitudinale di vibrazione la cui frequenza si attesta attorno ai 920
Hz, se la temperatura di funzionamento è di 0.1 K. Quindi un eventuale
segnale gravitazionale con una componente non nulla alla frequenza di 920
Hz dovrebbe perciò eccitare longitudinalmente il cilindro. L’Antenna
AURIGA è in grado di rilevare vibrazioni con ampiezze dell’ordine di 10-20
m.
Descrizione dell’apparato
Le maggiori cause di disturbo provenienti dall’esterno del criostato
sono i rumori acustici dell’ambiente circostante e il rumore sismico;
all’interno del criostato le possibili sorgenti di rumore sono costituite dal
rumore acustico provocato dall’agitazione dei liquidi criogenici, dal
refrigeratore, e dalle emissioni acustiche dei cavi sottoposti a tensioni
appartenenti alla categoria degli eventi spuri.
Per l’Antenna AURIGA si riesce ad isolare termicamente e
meccanicamente il cilindro risonante attraverso un sistema di schermi
termici;inoltre l’Antenna è sostanzialmente divisa in due parti:la prima è
costituita dalla camera sperimentale dove è collocato il cilindro risonante e
la seconda parte costituita dalla camera esterna o di isolamento. Per portare
la pressione interna delle due camere ad una pressione di 10-17 mbar sono
presenti due linee di pompaggio distinte.
Per raffreddare il rilevatore alla temperatura di 0.1 K sono stati usati
innanzitutto liquidi criogenici, come l’azoto e l’elio liquido, contenuti in
un apposito contenitore, detto dewar, il quale ha una capacità di 2000 lt e
che serve anche da divisore tra la camera sperimentale e la camera
d’isolamento. In seguito viene attivato un refrigeratore a miscela 4He e 3He
in grado di raffreddare la barra fino alla temperatura di 0.1 K con una
potenza di 1 mW.
Inoltre per minimizzare le perdite di calore per irraggiamento, il
contenitore per l’elio liquido viene circondato da due schermi termici di
radiazione in alluminio, che sono a loro volta ricoperti da più stati di
superisolazione di mylar alluminato. Essi sono raffreddati a temperature
intermedie tra quella esterna e quella del dewar dal passaggio del gas
freddo evaporato dal bagno dell’elio, il quale fluisce verso l’esterno per
mezzo di scambiatori di calore.
All’interno della camera sperimentale si trova il cilindro risonante, il
quale è circondato da una serie di tre schermi di radiazione realizzati in
rame OFHC. Questi schermi vengono raffreddati a temperature intermedie
tra quella dell’elio liquido e quella dell’antenna attraverso un contatto
termico dei vari stadi del refrigeratore che sono a temperature
successivamente minori.
L’antenna viene raffreddata attraverso il contatto termico con lo stadio
più freddo del refrigeratore, che viene chiamato dito freddo (fig.3).
fig.3a: foto del dito freddo e della mixing
chamber
fig.3b: immagine della stessa parte creata
con PRO ENGINEER
Per questo motivo ogni schermo termico ha un foro nella parte
superiore: deve permettere il passaggio del sistema criogenico.
Ogni schermo termico è composto da tre parti distinte: l’anello, che è la
parte centrale, ed i cappellotti, che sono le due parti laterali. Ogni stadio è
individuato in base alla temperatura raggiunta durante il funzionamento.
Inoltre ogni schermo termico è sorretto dal precedente per mezzo di
quattro cavi al Ti, per poter ridurre al minimo le perdite termiche per
conduzione. In più ogni schermo termico on i rispettivi cavi di sospensione
costituiscono un filtro meccanico.
Complessivamente questo sistema di sospensioni meccaniche è in
grado di attenuare un rumore esterno di circa 240 dB alla frequenza di
lavoro dell’antenna,di circa 920 Hz.
Refrigeratore
Il refrigeratore costituisce il fulcro di tutta la stazione poiché consente il
raffreddamento dei traduttori da collaudare. Questo è un sistema che
funziona sfruttando il differente potere entalpico di due isotopi dell’elio
allo stato liquido, che sono l’3He e l’4He.
Il principio di funzionamento del refrigeratore a diluizione 3He-4He è il
seguente: l’3He è pompato all’interno del refrigeratore a temperatura
ambiente dopo essere passato attraverso dei dispositivi che ne purificano il
contenuto; successivamente l’3He viene indirizzato verso la 1K POT,
raffreddato nell’4He e liquefatto in un condensatore. In seguito arriva nella
STILL, un contenitore che viene utilizzato per abbassare la temperatura
del gas a circa 0.7 K tramite un circuito ausiliario continuamente
funzionante di 4He. Poi la temperatura si abbassa ulteriormente quando c’è
il passaggio negli scambiatori di calore e infine nella MIXING
CHAMBER cioè la fusione tra le due fasi: l’3He nella fase concentrata e
l’3He nella fase diluita. Il ritorno dell’3He alla pompa è ottenuto attraverso
l’osmosi indotta del pompaggio. Mentre l’3He liquido passa attraverso gli
scambiatori si genera un’incipiente evaporazione la quale riduce la
temperatura dell’3He che arriva dalla STILL verso la MIXING
CHAMBER. Con questo ciclo ripetuto la refrigerazione continua senza
fermarsi.
fig.4a: foto della parte finale del refrigeratore fig.4b: immagine della stessa creata con il PRO
a diluizione
ENGINEER
Elementi principali di un refrigeratore a diluizione
La 1K POT (fig.) è il serbatoio dove viene immesso l’4He per ottenere
il primo raffreddamento dell’3He. La temperatura della 1K POT è intorno
a 1.0-1.2 K; Essa è realizzata in acciaio inox ed il raffreddamento viene
prodotto attraverso il metodo della rimozione degli atomi di 4He: il suo
funzionamento è come quello di un criostato contenente liquido criogenico
da dove si asporta il vapore che si sviluppa nel vuoto. Nella 1 K POT c’è
una serpentina immersa nell’4He: quando questa viene percorsa dall’3He
si crea un raffreddamento dello stesso.
fig.5 : visione della 1 K POT
Scambiatori di calore
Gli scambiatori di calore vengono utilizzati per portare le temperatura
dell’3He che entra nel sistema a un valore che si accosti il più possibile a
quello della MIXING CHAMBER e per fare ciò utilizzano la miscela
fredda che esce da quest’ultima. L’3He esce dalla MIXING CHAMBER
freddo al punto giusto da poter essere utilizzato nuovamente come liquido
refrigerante all’interno degli scambiatori di calore collegati alla STILL.
Poiché è necessario avere alcuni stadi per riuscire a raffreddare in modo
completo l’3He gli scambiatori risultano fondamentali in un processo del
genere
fig.6 : 1° scambiatore di calore
fig.7: 2° scambiatore di calore
fig.8a: 3° scambiatore di calore
fig.8b e fig.8c: immagini di due scambiatori
di calore create con PRO ENGINEER
fig.8c
Nella STILL si raccoglie l’3He liquefatto proveniente dalla MIXING
CHAMBER. La STILL è costituita da rame ed è quasi sempre accoppiata
con uno scambiatore di calore che preleva calore dall’3He che entra nella
MIXING CHAMBER e lo rilascia all’3He che esce dalla MIXING
CHAMBER.
fig.9: visione della STILL
fig.10: visione della parte in cui viene inserito il
refrigeratore
Progettazione e simulazioni tramite pro/ENGINEER e
pro/MECHANICA
Utilizzando due programmi di progettazione e simulazione siamo riusciti a
creare le immagini sopra riportate. Questi due programmi sono il
pro/ENGINEER ed il pro/MECHANICA. Il primo permette di creare
l’oggetto, mentre il secondo ne simula i comportamenti in determinate
condizioni.
Qui di seguito sono riportate le simulazioni della STILL ( camera di
distillazione 3He – 4He )del refrigeratore:
RINGRAZIAMENTI
Ringraziamo tutti lo staff di Auriga per averci seguito e per averci
insegnato tutto quello che ora sappiamo sulle antenne gravitazionali.
….e un ringraziamento particolare va alla mascotte del gruppo Auriga:
…il mitico ROMERO VITELLOZZO!!!!!
