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Analyse des sources de bruit limitant la sensibilité de linterféromètre VIRGO Romain Gouaty, doctorant au LAPP (Annecy), pour la collaboration VIRGO Strasbourg,

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1 Analyse des sources de bruit limitant la sensibilité de linterféromètre VIRGO Romain Gouaty, doctorant au LAPP (Annecy), pour la collaboration VIRGO Strasbourg, 01/06/05Journées SF2A, session PCHE

2 Sommaire Introduction Analyse des courbes de sensibilité de VIRGO (runs de Commissioning) Utilisation de la simulation Bilan et perspectives 2

3 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

4 Introduction Objectifs de cette analyse : Identifier les sources de bruit qui limitent la sensibilité de lintertféromètre Comprendre comment ces bruits se propagent dans linterféromètre Deux approches sont utilisées : Lanalyse des données prises pendant les runs de Commissioning La simulation 4

5 I - Première approche : Techniques danalyse utilisant les données des runs de Commissioning 5

6 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 jusquau 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 analytique et/ou Mesure de fonction de transfert, en injectant du bruit Validation de lanalyse : bruit identifié et mécanisme de propagation compris Amélioration du système concernéet/ouréduction de la source de bruit 6

7 Laser 0 B1 + - Contrôle du Mode Différentiel Signal de frange noire (sensible à lasymétrie de longueur des Fabry-Perot) Exemple : la configuration Recyclé Schéma de locking 7

8 Laser 0 B2 + - Contrôle du Mode Différentiel Miroir de recyclage B1 Exemple : la configuration Recyclé Schéma de locking Signal réfléchi par linterféromètre (sensible à une variation de longueur de la cavité de recyclage) 8

9 Laser Contrôle du Mode Différentiel B5 Miroir de recyclage Séparatrice (correction de lasymétrie du petit Michelson) Asservissement de la fréquence du laser B5p B5q B1 B2 Exemple : la configuration Recyclé Schéma de locking Signal réfléchi par la deuxième face de la séparatrice 9

10 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 Hz) : bruits introduits par les contrôles (longitudinaux, angulaires) Exemples développés: identification du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice bruit de lélectronique des actionneurs des miroirs 10

11 Exemple du bruit de contrôle longitudinal de la séparatrice : Les trois étapes de lidentification dun bruit 11

12 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 longitudinaux Correction 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 dentrée du bras Ouest Correction angulaire de la séparatrice

13 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 dun 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 Signal de correction (Volts) Bobine i (Ampères) Newton Electronique des actionneurs Pendule Zoom sur les actionneurs

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 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

15 Etape finale : Confrontation du modèle à la sensibilité mesurée Bruit de contrôle de la séparatrice : Modèle analytique Projection obtenue aprèsmesure de la fonction de transfert Sensibilité obtenue le 03juin 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 dinjection Améliorations futures : optimisation du filtre de la boucle de contrôle remplacement du banc dinjection (déplacement des résonances) compenser ce bruit en introduisant une correction supplémentaire sur les miroirs des Fabry-Perot 15

16 Autre exemple : Le bruit des convertisseurs numériques analogiques (DAC) de la chaîne des actionneurs 16

17 Mesure du bruit des DAC (Convertisseurs numériques- analogiques) Bruit des DAC Laser Modèle pour un DAC = bruit mesuré x TF_mécanique( i L) bruit total = somme quadratique (pour les 5 miroirs) Mesure du bruit des DAC ( i) DAC Bobine i (Ampères) Newton Electronique des actionneurs Pendule L (mètres) 17

18 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 lélectronique des actionneurs bruit des DAC dautres 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 dune mesure) Design de VIRGO 18

19 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 Hz - 10 kHz : bruit proportionnel à la quantité de signal arrivant sur la photodiode et sensible à la qualité de lalignement (Alignement angulaire automatique non implémenté) Perspectives damélioration Amélioration des performances des contrôles angulaires des miroirs (contrôles locaux et alignement automatique) Modification de lélectronique du signal de frange noire 19

20 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

21 II - Seconde approche : Techniques danalyse utilisant la simulation 21

22 Objectifs de la simulation : Confirmer les résultats extraits des données du Commissioning vérifier laccord entre les modèles analytiques et la simulation Modèles difficiles à élaborer en raison des couplages entre les différents degrés de liberté et de leffet 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

23 Laser 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 derreur des boucles de contrôle réinjecté dans linterféromètre Séparatrice 23

24 Sensibilité de C5 (P laser = 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 (P laser = 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 laide des corrections envoyées aux miroirs des bouts de bras) 24 Impact du bruit électronique des photodiodes sur la sensibilité

25 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 lalignement 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 lalignement automatique, - Augmentation de la puissance après changement du banc dinjection 25

26 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

27 VIRGO Novembre 2004 comparé à LIGO LIGO (septembre 2002) 27 VIRGO (mai 2005) LIGO (Avril 2003)

28 Sensibilité de LIGO 28

29 Laser 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 laide de la correction envoyée aux bouts de bras Filtre Technique du « alpha »

30 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 quon sapproche du 0 à 10% près 30

31 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 dentrée 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

32 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 lamélioration du filtrage du signal de correction angulaire de la séparatrice 32

33 Caractéristiques de linterféromètre VIRGO Laser 3000 m Cavité Fabry-Perot 3000 m 144 m Mode Cleaner dentrée 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

34 Carte de démodulation G2G2 RFBF LO 0° G2G2 Filtres Compression & AA RFBF LO 90° Déphaseur 0/90° BF 0° BF 90° G DC LO Préampli. RF Filtres Compression & AA G1G1 G1G1 A D C 16bits 20kHz CIV Filtre AA Photodiode ACp ACq 34

35 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

36 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 lélaboration dun modèle 36


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