低温下的惊天动地科学：下一代振动传感器

振动传感器。

尖端的振动传感器可以改善下一代重力波探测器的功能，以从地球运动的背景嗡嗡声中找到最微小的宇宙波。

在其博士学位期间，来自ARC引力波发现卓越中心（OzGrav）的博士后研究员Joris van Heijningen开发了世界上最灵敏的惯性振动传感器。现在，他提出了一种类似的设计，但使用低温温度在10 Hz以下的频率下灵敏度要高出50倍。

这种新的传感器以10到100毫秒的周期（10 Hz到100 Hz）测量小到几飞秒（十分之一米的百万分之一）的振动。最近发表在IOP的《仪器仪表杂志》上的论文揭示了下一代地震隔离系统的原型，该系统使用低温（低于9.2度且高于绝对零）的灵敏度低至1Hz。

即使我们感觉不到，但由于宇宙和地球上的许多不同事件，我们的星球总是在微小地振动。例如，来自引力波（时空的微小波动）；海浪撞击岸边；或人类活动。van Heijningen博士认为，某些地方的振动要比其他地方大，如果绘制这些振动，它们会位于称为Peterson低噪声模型（LNM / HNM）的两条线之间。

振动传感器。

‘已经开发出最好的商用振动传感器，其灵敏度低于LNM。他们足够灵敏，可以以不错的信噪比测量地球上的所有地方。范海宁宁说。

迄今为止，激光干涉仪重力波天文台（LIGO）的长臂为四公里，它使用地震隔离系统来防止地球振动影响科学测量。但是，未来的重力波探测器需要更先进，更精确的振动传感器。

科学家们已经在研究第三代探测器，该探测器将有能力每年检测数百次黑洞合并，测量其质量和自旋-甚至比LIGO或欧洲同类产品处女座所能测量的还要多。

在美国，将有一个Cosmic Explorer：一个40公里的天文台，每年可以发现成千上万个黑洞合并。同样令人印象深刻的是欧洲的爱因斯坦望远镜，其10公里武装的三角形构型建在地下。

van Heijningen解释说，未来的探测器将能够以低于当前截止频率〜10 Hz的频率测量引力波，“因为那是黑洞碰撞信号潜伏的地方。”但是，这些大型检测器的主要问题之一是它们必须非常稳定-最小的振动会阻碍检测。

‘基本上使系统接近开尔文零度（比零摄氏度低270度）可以大大降低所谓的热噪声，该噪声在低频时很普遍。从某种意义上讲，温度是原子的振动，这种微小的振动会在我们的传感器和检测器中引起噪声。’van Heijningen说。

未来的探测器将需要冷却至低温，但这绝非易事。一旦科学家实现了这一目标，那么按照此建议设计，开发低温环境将改善传感器性能。van Heijningen在比利时UCLouvain担任研究科学家的新职位时，计划对该传感器设计进行原型设计并测试其对爱因斯坦望远镜的性能。

参考：范·海宁宁（J.V. van Heijningen）于2020年6月30日在仪器仪表杂志（DOI）上发表了“通过在低温下工作，将热噪声限制惯性灵敏度提高了50倍”。
10.1088 / 1748-0221 / 15/06 / P06034