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Analyse des sources de bruit limitant la sensibilité de l’interféromètre VIRGO
Romain Gouaty, doctorant au LAPP (Annecy),
pour la collaboration VIRGO
Strasbourg, 01/06/05 Journées SF2A, session PCHE
Sommaire
Introduction
Analyse des courbes de sensibilité de VIRGO (runs de Commissioning)
Utilisation de la simulation
Bilan et perspectives
2
Les courbes de sensibilité du Commissioning
! h m/Hz
x 3000
C1 & C2 : simple cavité Fabry-Perot / C3 & C4 : Recombiné / C5 & after : Recyclé
10 W
0.7 W
• Contrôle du « full Virgo » : premier objectif atteint (Octobre 2004)
• Réduire les bruits instrumentaux pour atteindre la sensibilité nominale deuxième phase du Commissioning (« Noise hunting »)
x 50
3
Introduction
Objectifs de cette analyse :
Identifier les sources de bruit qui limitent la sensibilité de l’intertféromètre
Comprendre comment ces bruits se propagent dans l’interféromètre
Deux approches sont utilisées :
L’analyse des données prises pendant les runs de Commissioning
La simulation
4
I - Première approche : Techniques d’analyse utilisant les données des runs de Commissioning
5
Méthode utilisée pour identifier un bruit limitant la courbe de sensibilité
1. Première étape : Identifier les sources de bruits éventuelles
Méthode : fonctions de cohérence entre le signal de frange noire et les autres canaux (signaux de correction envoyés sur les miroirs, signaux de monitoring)
2. Deuxième étape : Comprendre le mécanisme de propagation du bruit depuis la source jusqu’au signal de frange noire
Méthode : trouver un modèle analytique décrivant la propagation du bruit
3. Etape finale : Projection du bruit sur la courbe de sensibilité
Modèle analytiqueet/ou Mesure de fonction de transfert, en injectant du bruit
Validation de l’analyse : bruit identifié et mécanisme de propagation compris
Amélioration du système concerné et/ou réduction de la source de bruit
6
Laser0
B1
+
-
Contrôle du Mode Différentiel
Signal de frange noire
(sensible à l’asymétrie de longueur des Fabry-Perot)
Exemple : la configuration RecycléSchéma de locking
7
Laser0
B2
+
-
Contrôle du Mode Différentiel
Miroir de recyclage
B1
Exemple : la configuration RecycléSchéma de locking
Signal réfléchi par l’interféromètre
(sensible à une variation de longueur de la cavité de
recyclage)
8
Laser0
+
-
Contrôle du Mode Différentiel
B5
Miroir de recyclage
Séparatrice (correction de l’asymétrie du petit Michelson)
Asservissement de la fréquence du
laser B5p
B5q
B1
B2
Exemple : la configuration RecycléSchéma de locking
Signal réfléchi par la deuxième face de la
séparatrice
9
Sensibilité du Run C5 (décembre 2004)
Sensibilité du run C5 (0,7W)
Design (10W)
Bruit « électronique » lié à la quantité et la qualité du signal
arrivant sur la photodiode B1
Bruits de contrôle
• Haute fréquence (400 Hz - 10 kHz) : bruit « électronique » sur le signal de frange noire
• Basse fréquence (10 Hz - 100 Hz) : bruits introduits par les contrôles (longitudinaux, angulaires)
Exemples développés:
• identification du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice
• bruit de l’électronique des actionneurs des miroirs
10
Exemple du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice :
Les trois étapes de l’identification d’un bruit
11
Première étape : Rechercher des signaux de contrôle cohérents avec le signal de frange noire
Fonctions de cohérence entre le signal de frange noire et des signaux de correction
Contrôles angulaires Contrôles longitudinauxCorrection envoyée sur la séparatrice
Correction envoyée sur le miroir de recyclage
Entre 10 et 100 Hz :
signal de frange noire cohérent avec les signaux de correction envoyés sur la séparatrice et le miroir de recyclage
De quelle boucle de contrôle le bruit provient-il vraiment ?
trouver un modèle de propagation
12
Correction angulaire du miroir d’entrée du bras Ouest
Correction angulaire de la séparatrice
But : convertir le bruit en un déplacement équivalent des miroirs de bout de bras (asymétrie des Fabry-Perot)
Modèle : Signal de correction x FT(actionneurs) x 1/30
FT(actionneurs) = FT(électronique) x FT(pendule)
Deuxième étape : Elaboration d’un modèle de propagation
13
1/ Modèle analytique
2/ Mesure directe de fonction de transfert :
bruit sur le miroir L des cavités Fabry-Perot
Correction envoyée sur
la séparatrice (Volts)
FT(actionneurs)
Volts mètres
Cavité Fabry-Perot résonante 30 aller-retours
Filtre
B5q
DAC
DAC
Signal de correction
(Volts)
Bobine
Bobine
i (Ampères)
Newton
Electronique des actionneurs
Pendule
Zoom sur les actionneurs
Etape finale : Confrontation du modèle à la sensibilité mesurée
Bruit de contrôle de la séparatrice :
Modèle analytique
Projection obtenue après mesure de la fonction de transfert
Données du 03 juin 2005
Comparaison du modèle analytique avec la fonction de transfert mesurée
Bon accord entre le modèle analytique et la mesure de fonction de transfert
validation du modèle de propagation
quelle contribution par rapport à la courbe de sensibilité ?
14
Etape finale : Confrontation du modèle à la sensibilité mesurée
Bruit de contrôle de la séparatrice :
Modèle analytique
Projection obtenue après mesure de la fonction de transfert
Sensibilité obtenue le 03 juin 2005
Assez bon accord entre 20 et 50 Hz
Sensibilité limitée par un bruit introduit par la boucle de contrôle de la séparatrice
Région des résonances mécaniques du banc d’injection
Améliorations futures : optimisation du filtre de la boucle de contrôle
remplacement du banc d’injection (déplacement des résonances)
compenser ce bruit en introduisant une correction supplémentaire sur les miroirs des Fabry-Perot
15
Autre exemple :
Le bruit des convertisseurs numériques analogiques (DAC) de la chaîne des actionneurs
16
Mesure du bruit des DAC (Convertisseurs numériques-analogiques)
Bruit des DAC
Laser
• Modèle pour un DAC = bruit mesuré x TF_mécanique(iL)
• bruit total = somme quadratique (pour les 5 miroirs)
Mesure du bruit des DAC ( i)
DAC
DAC
Bobine
Bobine
i (Ampères)
Newton
Electronique des actionneurs
Pendule
L (mètres)
17
Bruit des DAC : confrontation du modèle à la courbe de sensibilité
Pendant C4, le bruit des DAC limitait la sensibilité entre 80 et 300 Hz
amélioration de l’électronique des actionneurs bruit des DAC
d’autres améliorations prévues pour atteindre le design (suivront la progression de la courbe de sensibilité)
Sensibilité du run C4 (recombiné, 7 W)
Bruit des DAC (modèle C4)
Sensibilité du run C5 (recyclé, 0,7 W)
Bruit des DAC (modèle C5, extrait d’une mesure)
Design de VIRGO
18
Bruit haute fréquence du run C5
Sensibilité du run C5
Bruit électronique
Bruit de photons
x 20
• bruit électronique (sans faisceau laser) au même niveau que bruit de photons
• Quand le faisceau laser atteint la photodiode : bruit du signal de frange noire : x 20
400 Hz - 10 kHz : bruit proportionnel à la quantité de signal arrivant sur la photodiode et sensible à la qualité de l’alignement (Alignement angulaire automatique non implémenté)
Perspectives d’amélioration
• Amélioration des performances des contrôles angulaires des miroirs (contrôles locaux et alignement automatique)
• Modification de l’électronique du signal de frange noire
19
Récentes améliorations de la courbe de sensibilité
Sensibilité du run C5 (décembre 2004)
Sensibilité obtenue en Mai 2005
Réduction de la quantité de signal arrivant sur la photodiode
(contrôles angulaires)
Réduction du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice :
filtré à partir de 50 Hz (au lieu de 100 Hz)
Réduction du bruit des DAC de
la séparatrice
Améliorations des contrôles angulaires de la séparatrice
20
II - Seconde approche : Techniques d’analyse utilisant la simulation
21
Objectifs de la simulation :
• Confirmer les résultats extraits des données du Commissioning
vérifier l’accord entre les modèles analytiques et la simulation
• Modèles difficiles à élaborer en raison des couplages entre les différents degrés de liberté et de l’effet des boucles de contrôle
simulation nécessaire pour comprendre les mécanismes de propagation des bruits
• Estimer des paramètres mal connus en comparant la simulation aux vraies données
Principes de la simulation
SIESTA : simulation dans le domaine temporel développée par la collaboration
- Caractéristiques des miroirs (courbure, pertes, réflectivité)
- Boucles de contrôle
- Actionneurs des miroirs et Super-Atténuateurs
- Electronique des photodiodes
- Effets dynamiques (temps de propagation de la lumière dans les Fabry-Perot)
22
Laser0
+
-
Contrôle du Mode Différentiel
B5
Miroir de recyclage
Asservissement de la fréquence du
laser B5p
B5q
B1
B2
Impact du bruit électronique des photodiodes sur la sensibilité
Bruit électronique des photodiodes fournissant les signaux d’erreur des boucles de contrôle
réinjecté dans l’interféromètre
Séparatrice
23
Sensibilité de C5 (Plaser = 0.7 W)
simulation : bruit électronique sur B1 (frange noire)
simulation : bruit électronique sur B1 + B5p (fréquence du laser)
simulation : bruit électronique sur B1 + B2 (miroir de recyclage)
simulation : bruit électronique sur B1 + B5q (séparatrice)
simulation : bruit électronique sur toutes les photodiodes
Design de VIRGO (Plaser = 10 W)
Entre 10 et 100 Hz : les résultats de la simulation sont tous en accord avec le modèle de propagation par la boucle de contrôle de la séparatrice
les bruits électroniques sont réinjectés par cette boucle
Solution : amélioration des contrôles (meilleur découplage des degrés de liberté, soustraction du bruit à l’aide des corrections envoyées aux miroirs des bouts de bras)
24Impact du bruit électronique des photodiodes sur la sensibilité
Conclusion
• Analyse à partir des données des runs de Commissioning (Recyclé C5) :
- Basse fréquence : bruit de contrôle des miroirs
- Haute fréquence : bruit “électronique” lié à la quantité de signal arrivant sur la photodiode et à la qualité de l’alignement
• Simulation :
- Compréhension des mécanismes de propagation de bruit
- Anticipation du bruit qui pourrait limiter la sensibilité dans un proche avenir
Préparation des solutions
• Perspectives :
- Amélioration des contrôles,
- Implémentation de l’alignement automatique,
- Augmentation de la puissance après changement du banc d’injection
25
Sensibilité de VIRGO par rapport aux événements attendus
Evénements attendus :
• Coalescences (étoiles à neutrons, trous noirs)
Plusieurs/an dans 100 Mpc ?
• Supernovae
1/an dans 10 Mpc ?
• Pulsars
Plusieurs/an dans la Galaxie ?
26
VIRGO Novembre 2004 comparé à LIGO
LIGO (septembre 2002)
27
VIRGO (mai 2005)
LIGO (Avril 2003)
Sensibilité de LIGO
28
Laser0
+
-
Contrôle du Mode Différentiel
B5
Séparatrice
Asservissement de la fréquence du
laser B5p
B5q
B1
B2
Compensation du bruit introduit par le contrôle de la séparatrice à l’aide de la correction envoyée aux bouts de bras
29
+
-
Filtre
Technique du « alpha »
Technique du « alpha »Résultats de simulation
Sensibilité du run C5
Design VIRGO
Introduction du bruit électronique des photodiodes par les boucles contrôle stratégie « habituelle » ( = 0)
0 (valeur optimale)
0 (1 + 0,02)
0 (1 + 0,05)
0 (1 - 0,15)
0 (1 + 0,50)
nette réduction du bruit dès qu’on s’approche du 0 à 10% près
30
Bruit de contrôle angulaire des miroirs
Fonctions de cohérence entre le signal de frange noire et des
signaux de correction angulaire
31
Correction angulaire du miroir d’entrée du bras Ouest
Correction angulaire de la séparatrice
Laser
B1 Signal de frange noire
Séparatrice
Axe de rotation
Faisceau incident, décentré par rapport
à la séparatrice
Faisceau transmis vers le bras Nord
Bras Nord
Bras Ouest
Faisceau réfléchi vers le bras Ouest
Hypothèse pour le modèle analytique de propagation du bruit de contrôle angulaire de la séparatrice
Angle de vue
Sensibilité le 25 Mai 2005
Modèle du bruit angulaire de la séparatrice (25 Mai 2005)
Sensibilité après amélioration des contrôles angulaires de la séparatrice (01 Juin 2005)
Modèle du bruit angulaire de la séparatrice après amélioration (01 Juin 2005)
Modèle : correction angulaire x FT(actionneurs) x 1/32 x 2d (d: décentrage vertical de la séparatrice)
Modèle du bruit de contrôle angulaire de la séparatrice
Résultat obtenu pour d = 3 cm
Gain en sensibilité suite à l’amélioration du filtrage du signal de correction angulaire de la séparatrice
32
Caractéristiques de l’interféromètre VIRGO
Laser3000 m
Cavité Fabry-Perot30
00 m
144
m
Mode Cleaner d’entrée
20 W = 1064 nm
Cellule de Pockels :
Modulation
Miroir de recyclage
Séparatrice
Mode Cleaner de sortie
Photodiodes du banc de détection,
électronique de démodulation (deux
voies : 0°, 90º)
Bras Ouest
Bras Nord
Modulation frontale (6,26 MHz)
Mode Cleaner : nettoyer le faisceau (profil de puissance gaussien)
Cavité Fabry-Perot : 30 aller-retours chem. Opt. 200 km
Cavité de Recyclage : puissance x 50 bruit de photons
33
Carte de démodulation
Carte de démodulation
G
2
RF BF
LO 0°
G
2 Filtres Compression
& AARF BF
LO 90°
Déphaseur
0/90°
BF 0°
BF 90°
G
DC
LO
Préampli.
RF Filtres Compression
& AA
G
1
G
1
ADC
16bits20kHz
CIV
Filtre AA
PhotodiodeACp
ACq
34
Run C5 : bruit de phase ? investigations
bruit de B1 phase vs niveau du signal sur B1 quad
Relation linéaire entre bruit haute fréquence de la voie en PHASE et niveau du signal sur la voie en QUADRATURE
35
Première étape : Rechercher des signaux de contrôle cohérents avec le signal de frange noire
Contributions individuelles après soustraction des inter-cohérences
contrôle longitudinal de la séparatrice
contrôle angulaire de la séparatrice
contrôle longitudinal du miroir de recyclage
Région dominée par du bruit introduit par le contrôle longitudinal de la séparatrice ?
à confirmer par l’élaboration d’un modèle
36