Esperimento Struttura Flag Resp. Naz. LISA-RD NAPOLI LISA … · 2002. 7. 25. · informazioni generali. ricerca di onde gravitazionali di bassa frequenza trento interferometro in

LISA -RD

Esperimento Struttura Flag Resp. Naz.

LISA TRENTO 1

LISA FIRENZE

LISA-RD NAPOLI

LISA PERUGIA

Lisa-Rd ROMA2

EC4 ricalcolato

Allegato 1

Allegato 1Allegato 2Allegato 3

Allegato 1Allegato 2

http://preventivi1.infn.it:591/preventivi_2003/FMPro?-db=...p_naz_flag&-sortorder=descend&-sortfield=struttura&-find= [25/07/2002 20.52.55]

http://www.lnf.infn.it/ac/preventivi/allegati/2003/FI_LISA R&D_All_1.pdf



http://www.lnf.infn.it/ac/preventivi/allegati/2003/NA_LISA-RD_All_2.pdf

Administrator

File Not Found http://www.lnf.infn.it/ac/preventivi/allegati/2003/FI_LISA R&D_All_1.pdf File Not Found http://www.lnf.infn.it/ac/preventivi/allegati/2003/FI_LISA R&D_All_2.pdf File Not Found http://www.lnf.infn.it/ac/preventivi/allegati/2003/FI_LISA R&D_All_3.pdf File Not Found http://www.lnf.infn.it/ac/preventivi/allegati/2003/NA_LISA-RD_All_2.pdf

INFORMAZIONI GENERALI

RICERCA DI ONDE GRAVITAZIONALI DI BASSA FREQUENZA

TRENTO

INTERFEROMETRO IN ORBITA ELIOCENTRICA DI 5.106 km DI BRACCIO

GRUPPO COLLEGATO DI TRENTO, PERUGIA,ROMAII, FIRENZE/URBINO,NAPOLI

ESA, ASI, NASA

10 ANNI TOTALE. PRESENTE SOTTOPROGETTO 3 ANNI

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Sigla delloesperimento assegnata

dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio

(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo

Ricercatoreresponsabile locale:

Gr. coll. TRENTO

251 LISA RD 2

STEFANO VITALE

TRENTO

INC. DI RICERCAStefano VITALE

CodiceISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno 2003

Struttura PADOVA

[email protected]:

[email protected]

(a cura del responsabile locale)

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

e-mail:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro


VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

Pompa ionica ed accessori da vuoto

Equipaggio

Mod. EC. 2

Materiali elettronici vari

Gr. coll. TRENTO

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE


Struttura PADOVA

Autocollimatore

Prototipo di sensore in molibdeno-zaffiro

Materiali meccanici vari

PC di controllo con schede acquisizione

Elettronica a 7 canali

Componenti ottiche

Micromanipolatori

Massa di cava in prova in Pt/Au

Vari

Camera termoregolabile

Elettronica di attuazione Camera da vuoto con finestre ottiche

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

3,0

15,0

5,0

14,0

100,0

105,0

219,0

25,0

60,0

4,0

25,0

10,0

4,0

30,0

10,0

5,0

5,015,0

3,0

Codice EsperimentoLISA

Gruppo2251

Resp. loc.: Stefano VITALE

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EC. 2

Gr. coll. TRENTO



Struttura PADOVA

ALLEGATO MODELLO EC 2


Gruppo2251


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO


Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:



Gr. coll. TRENTO

Struttura PADOVA

Codice EsperimentoLISA RD

Gruppo2251


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

14,0 100,0 105,0 219,0

TOTALI 30,0 39,0 171,0 329,0 589,0

ANNIFINANZIARI

2003

20,0

10,0 15,0 20,0 47,0 200,0 292,0200410,0 15,0 5,0 24,0 24,0 78,02005

PREVENTIVO GLOBALE PER L'ANNO 2003In kEuro

Note:

Mod. EC. 4

(a cura del rappresentante nazionale)

A CARICO DELL’ I.N.F.N.

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp. eFacch.

Spese Calc.

Affitti eManut.Appar.

Mater.inventar.

Costruz. appar.

TOTALECompet.

Acarico di altri Enti

14,0 100,0 105,0 219,0 2'600,0

TOTALI 28,0 26,0 74,0 174,0 118,0 420,0

Struttura

Trento

2'600,0



Gr. coll. TRENTO

Struttura PADOVA

NB. La colonna A carico di altri Enti deve essere compilata obbligatoriamente

7,0 10,0 13,0 46,0 0,0Firenze 10,0 6,012,0 34,0 55,0 0,0Napoli 5,0 4,011,0 20,0 40,0 0,0Perugia 6,0 3,030,0 10,0 60,0 0,0RomaII 7,0 13,0


Gruppo2251

Resp. Naz.: STEFANO VITALE

Mod. EC. 5

A) ATTIVITA’ SVOLTA FINO A GIUGNO 2002

B) ATTIVITA’ PREVISTA PER L’ANNO 2003

C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI In kEuro

Messa a punto del disegno del sensore inerziale per LISA e per SMART2 e in particolare: definizione della configurazionegeometrica del sensore capacitivo e dei materiali impiegati per la sua realizzazione, definizione dei requisiti necessaridell'elettronica di front end ed elaborazione del modello complessivo di rumore.Upgrading della facility di test a terra del sensore inerziale basata su un pendolo di torsioneDefinizione dell'architettura del LISA Technology Package (LTP) per il test in volo su SMART-2 e in particolare: definizionedelle specifiche, dei modi di operazione e delle misure da effettuare, definizione dell'architettura.

Per quanto riguarda l'attvità legata al sensore inerziale si procederà a realizzare tutti i test di performance previsti sul modelloingegneristico, si fornirà assistenza ai test ambientali e alla sua integrazione sul modello ingegneristico del banco ottico; sicostruiranno altri prototipi in versione breadboard delle parti critiche del sensore al fine di effettuare ulteriori test per poiprocedere al disegno del modello di volo.Per quanto riguarda l'attività per l'LTP si completerà la definizione dell'architettura dell'esperimento, dei controlli e dell'analisidati fino al completamento del disegno finale del modello di volo e si fornirà assistenza per le fasi iniziali della suafabbricazione.


AnnoFinanziario

Missioni interno

Missioni estero

Materiale diconsumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti eManut.Apparec.

Materialeinventar.

Costruz.apparati TOTALE

TOTALE

2000 23,7 23,7

5,5 11,5 10,0 48,7 44,0 119,7



Gr. coll. TRENTO

Struttura PADOVA

2001 1,5 5,0 3,0 20,0 25,0 54,5

2002 4,0 6,5 7,0 5,0 19,0 41,5


Gruppo2251


In kEuro

Mod. EC. 6

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

28,0 26,0 74,0 174,0 118,0 420,0

TOTALI 137,0 130,0 256,0 415,0 402,0 1.340,0

ANNIFINANZIARI

2003



Gr. coll. TRENTO

Struttura PADOVA

54,0 54,0 105,0 142,0 230,0 585,02004

55,0 50,0 77,0 99,0 54,0 335,02005


Gruppo2251


Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori


Gruppo

Gr. coll. TRENTO

2251



Struttura PADOVA

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

10,0

7,4Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei Tecnologi 2,0

0,3Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici 3,0

0,4Tecnici Full Time Equivalent

BORTOLUZZI Daniele 1002B.P.D.1

BOSETTI Paolo 202AsRic2

CARBONE Ludovico 1002Dott.3

CRISTOFOLINI Ilaria 302AsRic4

DA LIO Mauro 202P.O.5

DOLESI Rita 1002R.U.6

HOYLE Charles Daniel 1002B.P.D.7

HUELLER Mauro 1002Dott.8

VITALE Stefano 702P.O.9

WEBER William 1002Bors.10

FONTANA Giorgio 20Univ1

MEZZENA Renato 10Univ2

GENNARA Pierino 10Univ.1

SALOMON Claudio 10Univ.2

SILVESTRIN Gabriele 20Univ.3

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7



Gruppo

Gr. coll. TRENTO

2251



Struttura PADOVA

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (a cura del responsabile locale)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)

30/06/2003 carica raggi cosmici:acquisizione hardware/software e studio preliminare

31/12/2003 carica raggi cosmici: calcoli su geometrie semplificate

30/06/2003 misura e attuazione ottica: studio preliminare ed adozione del concetto

31/12/2003 misura e attuazione ottica: prove preliminari su componenti critiche

Descrizione

30/06/2003 levitazione elettrostatica quasi inerziale: disegno e costruzione primo prototipo

31/12/2003 levitazione elettrostatica quasi inerziale:test su prototipi di sensore inerziale e studio di fattibilitÃƒÆ’Ã‚Â del metodo adalte prestazioni

30/09/2003 Completamento dei test di performance ed ambientali del modello ingegneristico del sensore inerziale

31/12/2003 Integrazione del sensore inerziale col modello ingegneristico del banco ottico e completamento di ulteriori test suversioni bradboard del sensore inerziale

31/12/2003 Completamento della definizione del LTP

31/12/2003 Disegno del modello di volo del sensore inerziale e del LTP



FIRENZE



Struttura


Onde gravitazionali

Laboratori partecipanti all'esperimento - Satellite

Onde gravitazionali

Satellite+ facilities terrestri

Firenze/Urbino - Napoli - Perugia- Roma2 - Trento (PD)

ASI - ESA - NASA

Tre anni (2003-2005)

Linea di ricerca


Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)





Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

Nuovo Esperimento GruppoLISA R&D 2

Stefano Vitale

GR.COLL.TRENTO

INC. RIC.Catia Grimani

[email protected]:



[email protected]:



(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

FIRENZE



Struttura

Nuovo Esperimento GruppoLISA 2

Resp. loc.: Catia Grimani

VOCIDI

SPESA



Totale

PC - Workstation

Disegno e sviluppo di prototipi di ordine 0

Incontri presso altri laboratori della collaborazione

Running Cost

Contatti con i laboratori esteri di LISA

Note:

Software e consumi di informatica

Contatti Gruppo ONERA

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


5,0

10,0

13,0

10,0

6,0

7,0

10,0

13,0

46,0

10,0

3,03,0

2,0


(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

FIRENZE



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2

Nuovo Esperimento GruppoLISA 2


In kEuro

Mod. EN. 3

Note:







FIRENZE

Struttura

Nuovo Esperimento GruppoLISA R&D 2


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

10,0 6,0 7,0 10,0 13,0 46,0

TOTALI 19,0 24,0 25,0 73,0 172,0

ANNIFINANZIARI

2003

31,0

10,0 6,0 10,0 10,0 30,0 66,0200411,0 7,0 7,0 5,0 30,0 60,02005

Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo


Codice EsperimentoLISA R&D

Gruppo

FIRENZE

2



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

5,0


Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

Barone Maura 502P.C.1

Grimani Catia 2R.U.2

Stanga Ruggero 402R.U.3

Vetrano Flavio 302P.O.4

Vicere' Andrea 402R.U.5



Codice EsperimentoLISA R&D

Gruppo

FIRENZE

2



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)






Onde gravitazionali

laboratori partecipanti all'esperimento

onde gravitazionali di bassa frequenza

interferometro in orbita eliocentrica di 5 milioni di km di braccio

Gruppo collegato di Trento, Firenze/Urbino, Perugia, Napoli, RomaII

ESA, ASI, NASA

3

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo




NAPOLI

251 LISA-RD 2

Stefano Vitale

Trento

Incaricato di RicercaLuciano Di Fiore



Struttura

[email protected]:[email protected]:




(a cura del responsabile locale)Mod. EC. 2

NAPOLI



Struttura

Codice EsperimentoLISA-RD

Gruppo2251

Resp. loc.: Luciano Di Fiore

VOCIDI

SPESA



Totale

collaborazione con altre sezioni partecipanti allÆesperimento

ottica, fibre ottiche, foto-rivelatori, elettronica

viaggi per incontri con gruppi stranieri parteticipanti a LISA

Note:

micro-posizionatori con elettronica, sorgenti laser, elettronica diacquisizione e controllo, strumentazione da laboratorio

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


12,0

5,0

4,0

12,0

34,0

55,0

5,0

4,0

34,0



NAPOLI



Struttura


vedi allegato 1


Gruppo2251


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:





Presso la Sezione di Napoli i tecnici afferiscono ai Servizi della Sezione,per cui non viene indicato un elenco nominativo delle partecipazioni aisingoli esperimenti.La disponibilità assicurata dai Servizi della Sezione è riportata nel mod.EC/EN 8.



NAPOLI

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

5,0 4,0 12,0 34,0 55,0

TOTALI 18,0 42,0 104,0 199,0

ANNIFINANZIARI

2003

35,0

15,0 7,0 15,0 35,0 72,0200415,0 7,0 15,0 35,0 72,02005


Gruppo2251


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

NAPOLI

2251



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

4,0



Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



Acernese Fausto 802Dott.1

Calloni Enrico 402R.U.2

De Rosa Rosario 302R.U.3

Di Fiore Luciano Ric 5024




Gruppo

NAPOLI

2251



Struttura







Ricerca di onde gravitazionali di bassa frequenza

Trento - Perugia

Onde gravitazionali

Interferometro in orbita eliocentrica di 5 10^6 Km di braccio

Trento, Perugia, Roma II, Napoli, Firenze

ESA, NASA, ASI, Dip. Fisica Trento

10 anni totale. Presente sottoprogetto 3 anni

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo




PERUGIA

251 LISA 2

Vitale Stefano

Trento/Padova

Incarico RicercaGammaitoni Luca



Struttura






PERUGIA



Struttura


Gruppo2251

Resp. loc.: Gammaitoni Luca

VOCIDI

SPESA



Totale

studio effetti carica raggi cosmici

Meeting di collaborazione in Italia

Materiale per fili sottili a basse perdite di attrito

1 Meeting di collaborazione per 2 persone

Note:

analisi dati e modellazione

Elettronica di controllo misure

pendolo di torsione ad alto Q (camera a vuoto e amplif. alta tens)

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


8,0

4,0

6,0

3,0

11,0

20,0

40,0

6,0

3,0

4,012,0

3,0



PERUGIA



Struttura


Il contributo del gruppo di Perugia all'esperimento LISA si concentra sui seguenti aspetti:

1) lo studio e la realizzazione di sistemi di sospensione a basse perdite per attrito equindi caratterizzati da basso rumore termico. In particolare lo studio e la realizzazionedel pendolo di torzione per il test sul sensore inerziale.

2) Studio degli effetti dovuti alla carica dei raggi cosmici.

3) Analisi dati.

Per i dettagli si veda il documento scientifico preparato dalla collaborazione (LISA R&D:Status e piano di finanziamento 2003-2005).


Gruppo2251


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:





La previsione di spesa e l'attività sono congrue con le disponibilità dipersonale e attrezzature.



PERUGIA

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

6,0 3,0 11,0 20,0 40,0

TOTALI 15,0 51,0 80,0 170,0

ANNIFINANZIARI

2003

24,0

9,0 6,0 20,0 35,0 70,020049,0 6,0 20,0 25,0 60,02005


Gruppo2251


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

PERUGIA

2251



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

6,0


Numero totale dei Tecnologi 1,0

0,3Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N



Amico Paolo 302Dott1

Cattuto Ciro 202Bors.2

Cruciani Gianluca 302Dott.3

Gammaitoni Luca 502R.U.4

Marchesoni Fabio 202P.A.5

Vocca Helios 302Dott.6

Punturo Michele Tecn 301




Gruppo

PERUGIA

2251



Struttura







Ricerca di onde gravitazionali su satellite

Trento

Emissione di onde gravitazionali

Interferometro laser su satelliti in orbita eliocentrica

Trento, Roma II, Firenze - Urbino, Perugia, Napoli

Max Planck Institut, Onera (Parigi), NASA, ESA.

molti anni

Linea di ricerca



dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio






Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo




ROMA II

251 LISA-Rd 2

Stefano Vitale

PD Gr.Coll. Trento

P.O.Giuseppe Pucacco



Struttura






ROMA II



Struttura

Codice EsperimentoLisa-Rd

Gruppo2251

Resp. loc.: Giuseppe Pucacco

VOCIDI

SPESA



Totale

Alimentatore alta tensione per levitazione elettrostatica

Coordinamento attività con Trento e le altre sedi

Meeting della collaborazione LISA

Note:

Materiali per piattaforma inerzialeLavorazione meccanicaComponenti elettronici

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.


10,0

7,0

13,0

30,0

10,0

60,0

7,0

13,0

10,08,0

12,0



ROMA II



Struttura


Codice EsperimentoLisa-Rd

Gruppo2251


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:







ROMA II

Struttura

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

7,0 13,0 30,0 10,0 60,0

TOTALI 48,0 100,0 35,0 210,0

ANNIFINANZIARI

2003

27,0

10,0 20,0 40,0 15,0 85,0200410,0 15,0 30,0 10,0 65,02005

Codice EsperimentoLISA-Rd

Gruppo2251


Cognome e Nome

Qualifica



Affer. al

Gruppo



Gruppo

ROMA II

2251



Struttura


RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica



TECNOLOGI

N N

6,0



Cognome e Nome

Qualifica



Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici 3,0

1,5Tecnici Full Time Equivalent

Cavaliere A. 502P.O.1

Iafolla V. 402CNR2

Lucchesi D. 302CNR3

Miliukov V. 502CNR4

Modena I. 302P.O.5

Pucacco G. 1002R.U.6

Cola S. 50CNR1

Fiorenza E. 50CNR2

Nozzoli S. 50CNR3




Gruppo

ROMA II

2251



Struttura






Missioni interno

Missioni estero

Mater.di

Cons.

Tras. eFac.

SpeseCalc

Aff. eManut. App.

Mater.invent.


Pub.Scien.

SpesSem

Invitiospitistran.ESPERIM.

Esperimento gruppo Rappresentante nazionale Struttura res_naz

LISA -RD 2 STEFANO VITALE TRENTO continuanuovo_continua

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi0,50 0,50

6,0

3,0

3,0

1,5

7 13 30 10 60Lisa-Rd

di cui sj

7 13 30 10 60

di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 20,00

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici



6,0

1,8

1,0

0,3

6 3 11 20 40LISA

di cui sj

6 3 11 20 40

di cui sj

Totali


Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici



4,0

2,0

5 4 12 34 55LISA-RD

di cui sj

5 4 12 34 55

di cui sj

Totali


Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici



5,0

1,6

10 6 7 10 13 46LISA

di cui sj

10 6 7 10 13 46

di cui sj

Totali


Missioni interno

Missioni estero

Mater.di

Cons.

Tras. eFac.

SpeseCalc

Aff. eManut. App.

Mater.invent.


Pub.Scien.

SpesSem

Invitiospitistran.ESPERIM.

Esperimento gruppo Rappresentante nazionale Struttura res_naz

LISA -RD 2 STEFANO VITALE TRENTO continuanuovo_continua

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici



10,0

7,4

2,0

0,3

3,0

0,4

14 100 105 219LISA

di cui sj

14 100 105 219

di cui sj

Totali


28 26 74 174 118 420Totali

di cui sj

28 26 74 174 118 420Mod. EC4 dati

Totali-Dati EC4

TOTALI

Confronto con il modello EC4

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici


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09/06/02

Preparato da: S. Vitale, Gruppo Collegato di Trento Sezione di Padova

LISA R&D

Status e piano di finanziamento 2003-2005

Sommario LISA R&D 1 Status e piano di finanziamento 2003-2005 1 Sommario 1 1 Introduzione 2 1.1 Il quadro internazionale 2 1.2 L’allargamento dell’interesse in LISA ad altre sezioni INFN 2 2 Stato di sviluppo del lavoro 4 2.1 Il LISA Technology Package 4 2.2 Il sensore inerziale 6 2.3 I test dell’apparato in laboratorio. 8 3 Il programma di lavoro 2003-2005 11 3.1 SMART-2 e l’LTP 11 3.1.1 Le attività delle nuove sezioni per SMART-2 13

3.1.1.1 L’elettronica di levitazione 13 3.1.1.2 Sviluppo di fibre a bassa dissipazione per il pendolo di torsione. 14 3.1.1.3 Analisi dati di SMART-2 14

3.2 LISA 14 3.2.1 La partecipazione al LIST ed ai gruppi di lavoro 14 3.2.2 L’analisi dati 14 3.2.3 I contributi alla strumentazione 14

3.2.3.1 Levitazione elettrostatica quasi inerziale a bassissimo disturbo 15 3.2.3.2 Misura di spostamento ed attuazione con metodi interamente ottici 15 3.2.3.3 La modellazione della carica sulla massa di prova dovuta ai raggi cosmici 16

4 Piano finanziario 2003-2005 17 4.1 Elementi di contesto: il ruolo dell’ESA, dell’ASI e dell’INFN. 17 4.2 Dettaglio del piano di spesa e sviluppo temporale 18 5 Appendice: il LIST, Lisa International Science Team, e l’Integrated Design Team 21 6 Riferimenti 21

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1 Introduzione Il 2001-2002 ha visto l’ingresso dell’attività connessa a LISA sia a livello internazionale sia a livello nazionale in una nuova fase. I fatti salienti di questa fase sono descritti nel seguito.

1.1 Il quadro internazionale E’ stato formato un team scientifico internazionale (vedi cap. 5) (LIST, LISA International Science Team) nominato da NASA ed ESA congiuntamente. Il team ha avuto due riunioni formali una a Pasadena nel luglio 2001 ed una a Trento nel dicembre 2001.

- Nella riunione di Trento sono stati consolidati gli obbiettivi scientifici di LISA (Documento del Working Group 1disponibile in rete) ed è stata avviata la definizione delle responsabilità dei vari partner. In questo lavoro di definizione, c’è un generale riconoscimento della leadership europea nel campo del sensore inerziale. Questo è l’elemento necessario a realizzare la caduta libera delle masse di prova che costituiscono gli specchi terminali degli interferometri di LISA.

- L’ESA ha approvato il test in volo sulla missione SMART-2 (lancio nel 2006), dell’elemento valutato più critico della tecnologia di LISA, vale a dire proprio il sensore inerziale che non può essere provato a terra, ed ha conferito al gruppo INFN/Università di Trento la responsabilità di disegnare l’esperimento. Questa responsabilità consiste di due fatti: o il gruppo è titolare di un contratto, il LISA Technology Package Architect, per il

disegno del sistema integrato di misura detto appunto il LISA Technology Package (LTP)

o Il gruppo ha messo insieme inoltre un team internazionale che ha acquisito una serie di contratti coordinati per lo sviluppo del sensore inerziale fino ad un livello di definizione immediatamente precedente al modello di volo. In questi contratti la responsabilità di prime è stata affidata ad un industria aerospaziale nazionale, mentre il gruppo ha la responsabilità del coordinamento tecnico-scientifico.

- La NASA ha recentemente approvato la costruzione di un analogo sistema di misura, chiamato il Disturbance Reduction System (DRS) che dovra volare anch’esso sulla missione ESA SMART-2. Per questo progetto la NASA ha stanziato 60 M$. Sono già state tenute due riunioni congiunte LTP/DRS per armonizzare le due attività.

- L’ESA e la NASA stanno formando un “integrated design team” per LISA (vedi cap. 5) con il compito di rivedere l’architettura completa della missione

1.2 L’allargamento dell’interesse in LISA ad altre sezioni INFN - Con l’entrata di LISA/SMART-2 in questa fase, i gruppi INFN interessati da sempre a

LISA, hanno deciso di passare ad un nuovo livello di coordinamento. In una serie di riunioni informali tenutasi a Trento ed all’Elba, si sono individuate le sezioni INFN interessate ed i settori di attività e di expertise in cui i gruppi italiani possono dare un contributo rilevante.

- Le sezioni interessate e le risorse umane disponibili per LISA sono, per il 2002-2003, riportate in Tabella 1

- L’individuazione dei settori di attività è basata su tre considerazioni: o L’expertise italiano si concentra nelle tecniche elettro-meccaniche, opto-meccaniche

e di analisi dati che vengono dai gruppi di onde gravitazionali Auriga/Nautilus/Virgo e sulla profonda esperienza INFN nel campo dei raggi cosmici ed in generale della fisica delle particelle.

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- Tabella 1. La proposta di allargamento della collaborazione LISA R&D

Sezione N. Persone Full Time Equivalent Trento (Gruppo Collegato a Padova) 13 9 Urbino (Gruppo Collegato a Firenze) 5 2.1

Roma II 8 2 Perugia 7 2.1 Napoli 9 2.5 Totale 42 17.7

o La natura di LISA di essere un unico strumento integrato rende difficile individuare

un grande numero di sottosistemi la cui responsabilità possa essere assegnata ad un grande numero di attori. Il riconoscimento internazionale della leadership italiana nel campo del sensore inerziale consiglia dunque di concentrare lo sforzo, anche se non in maniera necessariamente esclusiva, in questo settore e in tutti i temi connessi, e di non cercare di entrare in settori dove la leadership è già consolidata altrove. Per riferimento la Figura 1 dà uno schema preliminare di divisione dei compiti all’interno dell’LTP fra i vari paesi membri dell’ESA.

Figura 1. Schema di divisione dei compiti nella realizzazione dell’hardware dell’LTP. I = Italia, G = Germania, UK = Regno Unito, Sp = Spagna. Dove due paesi appaiono nello stesso task vuol dire che la divisione dei ruoli è ancora in fase di negoziazione. I task a destra sono task di disegno e architettura. Sono portati avanti da un team a guida Italiana che comprende istituzioni di Germania e Regno Unito

o I tempi di SMART-2 sono molto accelerati e per alcuni versi incompatibili con la necessaria curva di apprendimento di gruppi che comincino ora a interessarsi dell’argomento. Per riferimento lo sviluppo temporale dell’LTP è descritto nella Figura 2. Dunque una certa preferenza nell’attività di queste sezioni sarà data al lavoro di più lungo periodo per LISA. Il gruppo di Trento continuerà ovviamente la sua attività su SMART-2.

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Figura 2 Lo sviluppo temporale dell’LTP. La fase attuale vede la costruzione dei modelli ingegneristico (EM) delle componenti. Le fasi successive sono: STM (structural and thermal model), FM manufacturing (costruzione del modello di volo) e AIT (assemblaggio dell’intero LTP)

La conseguenza delle considerazioni più sopra è che sono stati individuati come interessi centrali della collaborazione:

- La prosecuzione dell’attività sulla messa a punto dell’LTP, del sensore inerziale e sul disegno dell’intero test su SMART-2

- Le tecniche di test al suolo dei sensori inerziali per LISA, incluso i metodi di sospensione “drag-free” al suolo basati sulla levitazione elettrostatica.

- Le alternative al sensing e all’attuazione elettrostatica, quali l’attuazione ed il sensing interamente ottico

- Lo sviluppo di metodi parametrici di stima dell’effetto della carica dovuta ai raggi cosmici, per l’ottimizzazione del disegno del sensore

- I metodi di elaborazione dati per SMART-2

2 Stato di sviluppo del lavoro

2.1 Il LISA Technology Package Uno schema a blocchi del LISA Technology Package è descritto nella Figura 3

Figura 3. Lo schema di principio del LISA Technology Package che volerà a bordo di SMART-2

L’apparato è sostanzialmente uno dei bracci di LISA ridotto ad una lunghezza di ≈ 30 cm invece che di 5×106 km. Il sistema contiene dunque:

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o due sensori inerziali (vedi cap. 2.2) o un interferometro laser comprensivo di banco ottico che ha lo scopo di misurare la

distanza fra le masse di prova o una struttura ad alta stabilità che racchiude il tutto e fornisce l’isolamento termico o alcuni dispositivi accessori (magnetometro, rivelatore di particelle cariche,

termometri, etc.) Lo scopo della missione è quello di provare che le due masse di prova contenute nei sensori inerziali possono essere messe in caduta libera entro un’accelerazione spuria residua di

( )12 14

a 2

m 1S f 3 10s Hz

−≤ × 1

per frequenze fra 1 e 30 mHz. Questo obiettivo rappreneta un rilassamento di un ordine di grandezza sia in ampiezza che in frequenza rispetto a LISA. Come già accennato nell’introduzione, il gruppo di Trento ha la responsabilità del disegno completo di questo strumento. Questa responsabilità gli è stata conferita sotto forma del contratto ESA “LISA Technology Package Architect” che esso svolge con il supporto di un team internazionale (Figura 4)

GlasgowSupport with optical structures

HannoverSupport with scienceOptical interferometry

CGSSupport with system engineeringSupport with structural aspects

BirminghamSupport with Science

Electronics and payload technologies

SRONEnd-to-end experiment simulation

Trento (prime)Programme coordination

Interface to ESA and SMART-2 projectScience, drag-free and inertial sensors

Figura 4. L’organizzazione del contratto LISA Technology Package Architect

Nell’ambito di questa responsabilità il gruppo persegue o ha perseguito i seguenti obiettivi: • Definizione delle specifiche1 • Definizione dei modi di operazione e delle misure da effettuare2 • Definizione dell’architettura dello strumento3 • Definizione dei controlli e del software necessario4 • Coordinamento degli sviluppi tecnologici necessari e delle interfacce fra i vari elementi • Sviluppo del metodo generale per il bilanciamento gravitazionale (campo, gradiente, coppia)

dello strumento5 • Supporto all’ESA nel definire la missione SMART-2. Un’immagine dell’LTP così come è definito in questo momento è visibile in

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Sensori inerziali

Banco ottico

Schermo termico

Figura 5 L’architettura completa dell’LTP

2.2 Il sensore inerziale Oltre alla responsabilità dell’LTP, il gruppo di Trento ha anche il coordinamento tecnico di un insieme di attività volte allo sviluppo del sensore inerziale fino ad un modello ingegneristico molto rappresentativo del modello di volo. Si ricorda che il sensore inerziale consiste di una massa di prova circondata da una serie di elettrodi che consentono di misurare il moto della massa lungo tutti i suoi gradi di libertà per mezzo delle variazioni di capacità fra questa e gli elettrodi. Queste variazioni di capacità sono lette da ponti di Blumlein parametric operanti intorno ai 100 kHz. Questo lavoro è la prosecuzione del lavoro sul sensore inerziale iniziato a Trento che ha portato allo sviluppo di una serie di prototipi (Figura 6).

Top and Bottom

Lids

Central frame

Test Mass

Figura 6. Prototipo di sensore inerziale capacitivo per LISA sviluppato a Trento all’interno del precedente contratto ESA. Sinistra: le parti principali del prototipo. Destra: il prototipo fotografato in fase di assemblaggio sul banco di test a pendolo di torsione

Il lavoro è condotto all’interno di nuovo di un team internazionale e con la responsabilità di “prime” e di coordinamento organizzativo affidata ad un’industria nazionale (Carlo Gavazzi Space) (Figura 7) Il lavoro consiste nel fissare le specifiche6, nell’ottimizzazione del disegno del sensore7,8, nella costruzione di un prototipo comprensivo di: • Nucleo del sensore con elettrodi, massa di prova e masse di bilanciamento gravitazionale • Elettronica di front-end • Dispositivo ad irradiazione ultravioletta per scaricare la massa di prova

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• Dispositivo di bloccaggio della massa di prova per sostenere i carichi di lancio e nell’effettuazione sia di test di performance sul pendolo di torsione, sia di test ambientali (termo-vuoto e vibrazione). Un immagine del sensore come appare a questo stadio del progetto è contenuta in Figura 8.

Figura 7 Schema dell’organizzazione del contratto per lo sviluppo del sensore inerziale per SMART-2. CGS: Carlo Gavazzi Space. RAL: Rutherford Appleton Laboratory. IC: Imperial College

Figura 8 Schema del modello ingegneristico del sensore inerziale in sviluppo.

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I fatti salienti del disegno sono la costruzione in materiali ad elevata conducibilità termica ed i gap elevati (4 mm) intorno alla massa di prova. Quest’ultimo particolare è essenziale per ridurre l’interazione fra la carica depositata sulla massa di prova dai raggi cosmici e le differenze di potenziale di contatto che si possono trovare sugli elettrodi9 La Figura 9 illustra lo schema temporale di sviluppo del progetto.

ID Activity1 KO

2 PM0-Preliminary req. Identification3 PM1-Concept review (PSRR)4 PM2 - Baseline finalisation (PDR/MTR)

5 PM3- Design presentation6 PM4 - Final design review (CDR)7 S/S TRR

8 System TRR9 Final presentation10 Management

11 Technical coordination12 Concept,trade off, baseline selection13 Prelim. System/S-S req. And first iteration

14 Concept trade off15 Baseline consolidation16 Preliminary S/S Req.17 System Specification

18 ICD19 S/S spec20 BB phase21 Inertial sensor BB manuf. And test22 Charge Management BB design/manuf/test23 Caging BB design/manuf/test

24 Design phase25 Inert. Sensor Preliminary Design26 Inertial sensor Design finalisation

27 CMS Preliminary Design28 CMS Detailed Design29 Caging Prelim. Design

30 Caging Detailed Design31 S/W Algorithm Design (IS Control Law ,CMS control , Caging control)32 LLI identification

33 LLI Procurement34 Procurement35 S/S MAIT36 I.S. Manufacturing37 Inertial Sensor Integration38 Inertial Sensor S/S test

39 Charge MS Manufacturing40 CMS Integration41 CMN S/S validation

42 Caging Manufacturing43 Caging Integration44 Caging Stand alone validation45 System level Integration and test46 System level integration47 System verification48 Validation approach

49 Verification Plan50 System test procedure51 S/S test procedure

52 GSE design & MAIT

KO...PM0

PM1PM2

PM3PM4

S/S's TRRSystem TRR

FP

LLI identification

M-2 M-1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M20 M21A1 A2

Figura 9 Schema temporale del contratto ESA sul sensore inerziale.

2.3 I test dell’apparato in laboratorio. Lo sviluppo del sensore richiede ovviamente un’intensa attività di testing. A causa dei tempi stretti questa si limiterà a: • Provare la funzionalità dell’elettronica e la preformance del sensore come detector di

spostamento • Provare le prestazioni del sensore in un solo grado di libertà per mezzo del pendolo di torsione

sviluppato in precedenza • Effettuare i test ambientali Uno schema dello sviluppo temporale dei test è contenuto in Figura 10. Le prestazioni di sensibilità allo spostamento richieste al sensore sono state raggiunte dai prototipi già sviluppati a Trento (Figura 11). Tuttavia l’elettronica per il modello di volo viene sviluppata dal team dell’ONERA e dunque richiede un nuovo test Recentemente si è anche riusciti a misurare, con il pendolo di torsione, la rigidezza dell’accoppiamento fra gli elettrodi e la massa di prova dovuta ai campi elettrici (Figura 12). Le

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ID Task1 Stand alone tests(UTN)2 Demonstration of stiffness measurement method3 Demonstration of ac actuation4 Manufacturing and testing of magnetic damper for long fibre5 Manufacturing and testing 6-channel test electronics with 2 channel actuation6 Integration of long fibre and Mo-Shapal (TBC)7 Performance test of Mo-Shapal(TBC) (force noise, stiffness)8 Encoding of control laws into support computer9 Performance test of Mo-Shapal(TBC) (actuation)10 Pre-testing of charge management and FEE (UTN)11 Deliver of charge management system and adaptors12 Integration of optical fibres13 Test of impact of UV light shining14 Delivery of FEE electronics15 Integration of FEE16 Performance test with FEE17 Final encoding of control laws18 Design and manufacturing of 4-masses inertial element19 Commissioning of 4-masses inertial element20 Design and manufacturing of TM manipulation GSE21 Test plan core22 Pre-testing of Inertial Sensor Core(UTN)23 Delivery of electrode housing parts24 Delivery of hollow TM25 Delivery of control algorithm and computer implementation26 Integration of housing around hollow TM for torsion pendulum27 Coarse calibration with micromanipulator and displacement noise tests 6D28 Test of dc compensation with low freq. susp.29 Test of force noise in x and/or phi30 Test of stiffness31 Disassemble and transfer to CGS32 Integration of final TM and functionality test(CGS)33 Deliver of final TM34 Delivery of vacuum enclosure and vacuum GSE35 Delivery of caging mechanism with GSE36 System integration including caging37 Vacuum tests38 FEE functionality test and scale factor calibration39 Caging mechanism test including re-caging40 Environmental tests (CGS)41 Vibration test42 Thermal vacuum43 Re-calibration test via TM manipulation44 Inspection test without disassembling45 LTP sub-assembly EM integration and testing46 Delivery of Optical bench including dummy second IS47 Getter pump test48 Integration onto the optical bench49 Alignment and calibration test via TM motion GSE50 Vibration-thermal-vacuum51 Alignment and calibration re-test

04/12

30/10

14/04

30/1021/10

30/10

08/0108/0108/01

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 242002 2003

Figura 10 Lo sviluppo temporale dell’attività di test del sensore inerziale

10-4

10-3

10-2

10-1

100

10- 11

10- 10

10- 9

10- 8

10- 7

10- 6

Frequency (Hz)

S1/2

X (m

/Hz1/

2 )

Pendulum down in air vac_test_125

XM(X1-X2)/2No biasThermal

Figura 11 Prestazione in spostamento del sensore inerziale sviluppato a Trento. La misura è effettuata con l’elettronica di prova all’interno della camera da vuoto del pendolo di torsione. Il sistema misura la differenza (X1-X2 ) e la media (XM) di due canali che, quando la massa e sospesa rappresentano rispettivamente la rotazione e la traslazione della massa di prova. La linea continua nera è il rumore termico calcolato nel trasformatore del ponte capacitivo. La linea segnata “no bias” è misurata senza alimentazione al ponte. La specifica di 10-9m/√Hz è raggiunta, come richiesto, al di sopra del mHz. L’impennata al di sotto del mHz è dovuta alle fluttuazioni della temperatura che al momento non vengono soppresse da nessun controllo attivo.

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misure hanno mostrato la potenzialità del metodo che verrà dunque applicato anche al modello ingegneristico.

Figura 12 Sinistra: il pendolo di torsione. Destra in alto: il pendolo con una fibra corta che risuona a 0.2 Hz e in aria. Il pendolo mostra il rumore termico che ammonta a circa 5×10-12N/√Hz. L’assemblaggio di una fibra per raggiungere i 5 mHz è in corso . L’operazione con fibra lunga e sotto vuoto ha richiesto lo sviluppo di un ammortizzatore magnetico del moto di pendolo. Destra in basso: la misura di rigidezza effettuata spostando gli elettrodi per mezzo del micromanipolatore e misurando la forza rislutante. La rigidezza trovata, ≈ 10-6 N/m, è in buon accordo con i valori attesi.

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3 Il programma di lavoro 2003-2005 Il programma di lavoro del triennio 2003-2005 si articolerà su due filoni principali: lavoro diretto al test su SMART-2 e lavoro orientato invece a LISA. La scala temporale è ovviamente molto diversa (Figura 13).

Roma 09-05-2002 S. Vitale 114

LISA

1.04 12.05 3.07 3.11

DEFIN.ITT

6.01

9.01

CONSOLIDATION OFLTP DEFINITION

ITT B

5.03 3.05 8.11

Launch

LCC/DBB/C/D

ITT

SMART-2

STUDY 1

STUDY 2

2.03

C/D

8.06

10.61.07

TWO CONTRACTORS IN PARALLELPERFORM THE

MISSION DEFINITION PHASE

LAUNCH

ITT A-PRE B B/C/D ITT

11.036.06

LISADEMO

COMMISS.

LAUNCH CAMP.

PREPARATION

6.02

TODAY

Preliminary Design Review

Figura 13 La scala temporale di SMART e LISA (da una trasparenza in un recente seminario)

3.1 SMART-2 e l’LTP Il piano di lavoro del gruppo INFN sull’LTP e sul sensore inerziale per SMART-2 è rappresentato in Figura 14

ID Attività1 Sviluppo dell'LTP

2 Sviluppo del modello ingegneristico del sensore inerziale

3 Sviluppo di un modello strutturale dell'LTP

4 Integrazione del sensore inerziale sul banco ottico e sulmodello strutturale e test ambientali

5 Test aggiuntivi su breadboard "eleganti"

6 Disegno finale modello di volo

7 Fabricazione ed integrazione modello di volo delle componendell'LTP

8 Integrazione e testing dell'LTP

9 Consegna dell'LTP

10 Lancio di SMART-2

30/06

08/08

3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 12002 2003 2004 2005 2006 200

Figura 14 Il piano di lavoro del gruppo italiano du SMART-2

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Esso abbraccia sia l’attività sul sensore inerziale che quella su tutto l’LTP. L’attività sul sensore inerziale consiste sostanzialmente in quanto descritto in Tabella 2

Tabella 2. Le attività sul sensore inerziale

Attività Sezioni Partecipanti Commenti

Completare il disegno del modello ingegneristico del sensore inerziale Tn/Pd Assistere il prime contractor nella fabbricazione dello stesso Tn/Pd

Completare la strumentazione per il testing Tn/Pd, Roma, Ub/Fi, Pg

Vedi sez. 3.1.1

Effettuare tutto il test di prestazione Tn/Pd, Roma, Ub/Fi, Pg

Vedi sez. 3.1.1

Assisitere il prime nei test ambientali Tn/Pd Assistere nell’integrazione sul modello ingegneristico del banco ottico Tn/Pd Costruire una serie di “bradboard eleganti” delle parti critiche del sensore che siano interscambiabili con quelle assemblate nel modello ingegneristico, e che siano basate su moderate varianti di disegno.

Tn/Pd

Effettuare ulteriori test di prestazione su questi bradboard eleganti Tn/Pd, Roma, Ub/Fi, Pg

Vedi sez. 3.1.1

Effettuare la revisione critica dei risultati del testing. Tn/Pd Disegnare il modello di volo Tn/Pd Disegnare e realizzare la strumentazione di supporto a terra Tn/Pd Assistere il prime nella fabbricazione Tn/Pd Assistere il prime nel testing e nell’integrazione finale Tn/Pd Assistere il prime di SMART-2 nell’integrazione sul satellite e nel lancio. Tn/Pd

Per l’LTP invece lo schema delle attività è contenuto in Tabella 3. Va tenuto presente che l’attuale contratto dura fino a settebre 2002. L’ESA ha tuttavia espresso informalmente l’intenzione di estendere il contratto per le fasi successive, lasciando l’attività dell’architetto sotto diretto controllo ESA.

Tabella 3. Attività connesse all’LTP

Attività Sezioni Partecipanti Commenti

Completare l’architettura dell’LTP Tn/Pd Attività corrente Completare l’architettura dell’esperimento Tn/Pd Attività corrente

Completare l’architettura dei controlli e dell’analisi dati Tn/Pd, Ub/Fi, Roma,Pg Vedi sez. 3.1.1

Armonizzazione del DRS (il pacco americano) con l’LTP Tn/Pd Attività corrente Continuare il coordinamento dello sviluppo della tecnologia Tn/Pd Attività corrente Assistere ESA nella formulazione della gara d’appalto per SMART-2 Tn/Pd Attività corrente

Assistere ESA nel coordinamento con il prime contractor di SMART-2 nelle fasi B e C/D fino al lancio Tn/Pd Attività soggetta ad estensione del

contratto dell’architetto Assistere ESA nel coordinamento con il prime contractor dell’LTP nelle fasi B e C/D Tn/Pd Attività soggetta ad estensione del

contratto dell’architetto

Supervisione tecnica dell’integrazione e testing dell’LTP Attività soggetta ad estensione del contratto dell’architetto

Assistenza all’ESA per il centro d’operazione, per la presa dei dati e per l’analisi dati

Tn/Pd, Ub/Fi, Roma,Pg

Attività soggetta ad estensione del contratto dell’architetto

Vedi sez. 3.1.1

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3.1.1 Le attività delle nuove sezioni per SMART-2 Come detto il grosso dell’attività delle nuove sezione che richiedono l’apertura della sigla LISA sarà incentrata su LISA. Tuttavia nelle tabelle della sezione precedente sono state menzionate alcune attività che potrebbero essere svolte anche nel contesto di SMART-2. Se ne dà qui una descrizione. 3.1.1.1 L’elettronica di levitazione A causa dei tempi accelerati, il piano di testing di Figura 10 non prevede nessun test che accerti simultaneamente la funzionalità di tutti i gradi di libertà. In particolare non è previsto che una massa di prova leggera venga levitata fra gli elettrodi mediante un campo elettrico applicato alla sua faccia superiore in modo da poter simulare la situazione “contactless” del volo. Un simile test non è tanto importante, allo stato, per accertare le prestazioni in termini di assenza di forze parassite, quanto perché consente di chiudere un anello di controreazione su tutti i gradi di libertà della massa di prova, azzerando così le uscite dei corrispondenti canali del sensore di spostamento. L’azzeramento dell’uscita di un sensore parametrico di spostamento consente di cancellare l’effetto delle fluttuazioni di guadagno, che invece si vedono come disturbo parametrico quando un segnale non nullo è presente all’uscita. Purtroppo la levitazione elettrostatica non è possibile per la vera massa di prova, di 2 kg che deve volare su SMART-2. Tuttavia è possibile levitare una massa cava delle stesse dimensioni ma di massa molto inferiore. La condizione di levitazione è ovviamente 2

oMg E A= ε 2

dove M è la massa, E il campo elettrico e A la superficie della faccia superiore della massa di prova. g e εo sono rispettivamente l’accelerazione di gravità e la costante dielettrica del vuoto. Dunque per campi pratici < 107V/m la densità superficiale M/A deve essere limitata a non più di 90 kg/m2, cioè, per la massa di prova cubica di 46×46×46 mm3 di SMART-2, a non più di 190 grammi. Masse di questo tipo sono state già realizzate da Tn per il pendolo di torsione. Tuttavia qui si tratta di realizzarne una con una dimensione verticale allungata in modo da creare un piccolo gap con gli elettrodi superiori per non richiedere troppa tensione di polarizzazione. Il sistema deve dunque comprendere: • Un generatore di alte tensioni (1000-2000V) pilotabile da un segnale digitale capace di

polarizzare una coppia di elettrodi. • Un sommatore capace di sommare il segnale di controllo di bassa tensione per i gradi di libertà

controllati dagli elettrodi presenti sulle facce inferiori e superiori, all’alta tensione di levitazione. Il segnale a bassa tensione verrà generato dall’elettronica del modello ingegneristico.

• Una massa di prova cava di massa inferiore a 100 g e dimensioni verticali uguali alla distanza fra gli elettrodi sulle facce inferiori e superiori, meno un gap di ≈ 100 µm.

• Un set di leggi di controllo di tipo accelerometrico disegnate apposta per il test • Un PC dotato di interfacce RS422 per effettuare il controllo. La sezione di Roma ha le risorse umane per partire a disegnare e realizzare un simile dispositivo già nel 2002. La sezione di Ub/Fi potrebbe intervenire insieme a Trento, nel disegnare le leggi di controllo ed a implementarle sul computer. Anche la sezione di Pg potrebbe contribuire in modi che sono in via di definizione e verranno descritti nei moduli della richiesta 2003.

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3.1.1.2 Sviluppo di fibre a bassa dissipazione per il pendolo di torsione. Quest’attività non è nuova ed è stata già proposta dalla sezione di Perugia e finanziata sulle dotazioni. Consiste nel trasferire la tecnologia delle fibre di silice sviluppata per Virgo agli elementi di torsione del pendolo. Il grande vantaggio sta nel Q estremamente elevato che questo materiale promette di avere. Questo consentirebbe di misurare le bassissime dissipazioni che sono connesse alla perdite capacitive degli elettrodi. 3.1.1.3 Analisi dati di SMART-2 Il team dell’architetto ha ovviamente anche la responsabilità di disegnare un modello di rumore completo dell’LTP, prevedere dunque la natura dei disturbi che influenzeranno i dati e disegnare una procedura di analisi dati robusta e che permetta di estrarre tutte le informazioni rilevanti dall’esperimento. Tutte le sezioni coinvolte hanno esperienza di analisi dati dai rivelatori di onde gravitazionali esistenti. Ovviamente l’intervallo di frequenze di SMART-2 è molto diverso. Le derive di lungo periodo sono attese per esempio giocare un ruolo molto più determinante. Al contrario, gli eventi impulsivi di alta frequenza potrebbero essere molto meno importanti. Si propone dunque di mettere insieme una task–force che analizzi l’intero problema prendendo come input il lavoro del team dell’architetto, e sviluppi la procedura di analisi dati necessaria.

3.2 LISA La prospettiva per LISA è ovviamente più rilassata e consente ai gruppi di procedere in maniera realistica ad un periodo di apprendimento iniziale. Gli obiettivi individuati nel contesto di LISA sono descritti qui di seguito.

3.2.1 La partecipazione al LIST ed ai gruppi di lavoro Oltre al LIST, l’ESA e la NASA hanno formato una serie di gruppi di lavoro sui vari temi rilevanti per LISA. Questi gruppi sono 1) Sensitivity and sources. 2) Interferometry. 3) Drag-free control 4) Science operations 5) System aspects, integration and testing La partecipazione italiana è al momento la seguente: 3) R. Dolesi e S. Vitale (Trento) 4) S. Vitale 5) E. Coccia (RomaII) e S. Vitale Con l’eccezione del primo, questi gruppi non sono stati molto attivi in questa prima fase perché sostanzialmente sovrapposti all’attività per SMART-2. E’ tuttavia prevedibile che essi diventino operativi nell’immediato futuro. L’organizzazione di questi gruppi è comunque flessibile ed esperti possono essre chiamati in qualunque momento.

3.2.2 L’analisi dati In questo momento il tema dell’analisi dati per LISA è affidato alla libera attività della comunità scientifica. E’ prevedibile che i gruppi di analisi dati delle sezioni coinvolte contribuiranno a questa materia nell’ambito di questa attività libera

3.2.3 I contributi alla strumentazione I contributi di sviluppo di hardware sono descritti nel seguito. Uno schema del loro sviluppo temporale nell’arco di 3 anni è riportato in Figura 15

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3.2.3.1 Levitazione elettrostatica quasi inerziale a bassissimo disturbo Il metodo della levitazione elettrostatica si è sempre rivelato limitato nella capacità di simulare, nel piano orizzontale, l’assenza di disturbi di natura non gravitazionale. Le tipiche prestazioni ottenute su accelerometri con questo metodo sono state di 10-9N/√Hz a non meno di 0.1 Hz. Questa performance va paragonata con quella dei pendoli di torsione che hanno dimostrato meglio di 3×10-13 N/√Hz a frequenze inferiori al mHz. Tuttavia il pendolo di torsione fornisce un test molto limitato essendo costretto a lavorare su un solo grado di libertà alla volta. Sarebbe dunque fortemente desiderabile avere un sistema a levitazione elettrostatica che consentisse prestazioni paragonabili a quelle del pendolo di torsione consentendo però di tenere tutti e 6 i gradi di libertà in condizioni simili, almeno funzionalmente, a quelle del volo La ragione fondamentale delle limitate prestazioni del metodo della levitazione magnetica sta nel “tilt” della massa di prova. Poiché la rotazione della massa di prova intorno agli assi orizzontali va controllata dinamicamente, il residuo rumore rotazionale δα viene trasformato in un accelerazione orizzontale δα×g dal fatto che il campo elettrico che compensa g deve rimanere ortogonale alla faccia superiore anche questa fa l’angolo δα con la verticale. Una stabilità verticale di 0.1 nrad/√Hz, già spiega le prestazioni discusse più sopra. Purtroppo l’uso di due masse di prova in modo differenziale non riesce a superare questo limite poiché il tilt è indipendente per le due masse Per superare questo limite si possono pensare vari metodi: stabilizzazione del tilt mediante un sensore ottico a quadranti e leva ottica con prestazioni più spinte del sensore capacitivo; controllo del tilt differenziale di due masse di prova; uso del grado di libertà rotazionale intorno alla verticale. Stime preliminari indicano che tutti questi metodi hanno un potenziale per superare l’attuale limite. Lo scopo di questa parte dell’attività è in sostanza quello di arrivare ad un “LTP terrestre” che consenta di testare il modo differenziale di due sensori inerziali di LISA in condizioni molto simili a quelle di volo, riducendo così fortemente il rischio intrinseco alla missione. Si propone dunque di effettuare un breve studio di fattibilità, simultaneamente allo sviluppo dell’elettronica di levitazione per SMART-2, per individuare il metodo preferenziale per ottenere i risultati suaccennati, insieme ad una stima delle sue prestazioni potenziali. L’attività richiede anche la messa a punto di qualche semplice prototipo delle parti più critiche, come per esempio un’elettronica di controllo del tilt a basso rumore ed una piattaforma sospesa a pendolo per la cancellazione della parte dominante del tilt. A questa attività sono interessate tutte le sezioni citate. 3.2.3.2 Misura di spostamento ed attuazione con metodi interamente ottici Una gran parte dei disturbi sulla massa di prova di LISA sono di origine elettromagnetica. L’accoppiamento residuo al satellite, ad esempio, è dominato dalla forza, dipendente dalla posizione, dovuta al campo elettrico applicato alla massa di prova. Una serie di disturbi non molto ben modellati, charge patches, interazione con la carica della massa di prova dovuta ai raggi cosmici, dipendono dal gap fra la massa di prova e gli elettrodi , o comunque, le pareti del suo alloggiamento. Aumentare questo gap è dunque la principale arma contro l’effetto di disturbi non modellati. Tuttavia sia la sensibilità delle misure di spostamento che la possibilità di applicare forze di attuazione alla massa di prova, decrescono, per i metodi capacitivi, con una potenza elevata, quadrato o cubo, di detta distanza. L’alternativa ovvia ai metodi capacitivi sta nei metodi ottici. Mentre la sensibilità allo spostamento richiesta non è un grande problema, 0.1 nm/√Hz, anche se le frequenze del mHz non sono usuali per i metodi ottici, il vero problema sta nell’attuazione. Con una forza massima di ≈7 pN/mW, un fascio

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laser di pochi mW può esercitare forze non superiori a ≈ 10-11-10-10 N senza provocare problemi di riscaldamento della massa di prova che potrebbero risultare non tollerabili. Tuttavia le speranze di compensare le forze dc su LISA a livelli paragonabili a questi, o anche meglio, sono piuttosto elevate. In aggiunta su SMART-2 sono disponibili i canali di misura della posizione di una massa di prova rispetto al banco ottico lungo un asse, e di due rotazioni della stessa. Si è anche programmato di effettuare un esperimento di attuazione ottica usando un segnale modulato ad una frequenza compresa nella banda di misura. Si propone quindi di studiare un sistema per la lettura e l’attuazione ottica di tutti e 6 i gradi di libertà della massa di prova di LISA. A questo task sono interessate le sezioni di Napoli e di Trento/PD 3.2.3.3 La modellazione della carica sulla massa di prova dovuta ai raggi cosmici Uno dei disturbi dominanti nell’error budget di LISA è quello dell’interazione fra la carica che si accumula sulla massa di prova a causa dei raggi cosmici e i potenziali elettrici esistenti all’interno dell’alloggiamento della massa di prova. Per dare un’idea dell’entità del disturbo, la parte casuale di questa interazione ha una densità spettrale

( ) 1 21 2

16 V12

o eff

S m 30 mm 0.1mHz3.7 10m 10 mV f16 ss Hz

−−

ω σ λ = × l 3

dove λ è la rate di eventi di carica, f è la frequenza, σV è la tensione dc che si trova sugli elettrodi e effl è una lunghezza efficace direttamente proporzionale al gap. I numeri riportati nell’eq. 3

corrispondono ad un gap di 4 mm ed alla rate di carica stimata nel 95 da Jafry et al. Per mezzo di GEANT3 . Essi presuppongono inoltre che le differenze di potenziale residuo dc, presumibilmente dovute ai charge patches, non eccedano i 10 mV. Con questi numeri il fenomeno contribuisce all’error budget per un po’ più dell’1%, quando sommato quadraticamente, il livello considerato accettabile. Tuttavia molti di questi valori sono incerti, primo fra tutti σv che, senza particolari accorgimenti e su superfici non particolarmente trattate può raggiungere l’ordine dei 100 mV o più. Diventa dunque fondamentale accertare se la stima di λ≈ 16 e/s sia una stima conservativa o non. Poiché il caricarsi della massa di prova è dovuto essenzialmente ai secondari generati all’interno del satellite quando un protone lo colpisce, la rate di carica dipende fortemente dalla distribuzione di materia intorno alla massa di prova e va dunque calcolata per una configurazione realistica. Il risultato dei calcoli potrebbe anche influenzare il disegno portando a scegliere fra soluzioni diverse che portano a diverse rate di carica. Il calcolo delle rate per mezzo di GEANT4 viene ora portato avanti da un piccolo gruppo a Imperial College. I primi tentativi hanno dato risultati sorprendenti mostrando alcuni errori in GEANT4 e la necessità di un aggiornamento del modello spettrale dei raggi cosmici sulla base degli ulteriori dati accumulati dopo il 95. Per un task così critico si ritiene dunque necessario che oggi più di un gruppo calcoli nuovamente, possibilmente con metodi indipendenti, la rate di carica per LISA. Il risultato di questo sforzo dovrebbe essere anche quello di accertare se sia necessario mettere a punto addirittura un tool di disegno che, data una configurazione, calcoli il disturbo dovuto alla carica, permettendo dunque di iniettare nel trade-off di disegno anche questo parametro Le sezioni interessate a questo lavoro sono Ub/Fi, Roma e Pg. Data la sua collocazione, Trento si incaricherebbe di coordinare inizialmente il lavoro con il gruppo di Imperial College.

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ID Nome attività1 Levitazione elettrostatica quasi inerziale2 Disegno elettronica di levitazione3 Acquisto parti per realizzazione prototipo4 Costruzione prototipo5 Test su prototipi del sensore inerziale6 Studio di fattibilità metodo ad alte prestazioni7 Disegno dispositivo ad alte prestazioni

8 Realizzazione dispositivo ad alte prestazioni9 Test dispositivo ad alte prestazioni10 Misura ed attuazione ottica11 Studio preliminare ed adozione del concetto12 Prove preliminari su componenti critiche13 Disegno di un prototipo compatibile con modelli

esistenti di sensore inerziale14 Realizzazione di un prototipo e sua

integrazione su un sensore15 Test su pendolo di torsione o su banco a

levitazione16 Calcolo della carica da raggi cosmici17 Studio preliminare, acquisizione del software e

dell'hardware18 Calcoli preliminari su geometrie semplificate19 Interfacciamento con un modellatore solido20 Test del tool di modellazione

2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 22 2003 2004 2005 2006

Figura 15 Sviluppo temporale delle attività

4 Piano finanziario 2003-2005 Il seguente piano finanziario è basato su alcuni elementi di contesto descritti nel seguito.

4.1 Elementi di contesto: il ruolo dell’ESA, dell’ASI e dell’INFN. LISA è un Cornerstone ESA e SMART-2 è il suo precursore tecnologico. Nella prassi portata avanti fino ad ora, il payload scientifico delle missioni ESA non è finanziato dall’ESA, ma da uno o più stati membri. I potenziali Principal Investigators (PI) vengono scelti, in una gara competitiva, sulla base delle competenze e sulla base della disponibilità delle agenzie dei loro paesi a finanziare l’elemento di payload di cui essi si candidano ad essere responsabili. E’ stato un caso molto raro, se mai avvenuto, che se un PI fosse risultato decisamente il vincitore, il suo paese gli abbia rifiutato il finanziamento. La conseguenza di questa prassi è che, all’atto dell’approvazione del programma scientifico ESA, i delegati dei paesi membri davano implicitamente l’assenso a questo finanziamento. L’LTP, ed il “tubo ad Y” di LISA sono considerati payload scientifici e come tali ci si aspetta che essi vengono finanziati dai paesi membri. Per l’Italia, l’agenzia finanziatrice dei payload è da sempre l’ASI. Dunque la procedura tradizionale implicherebbe che l’ASI finanziasse la partecipazione Italiana all’LTP e al payload di LISA. L’ESA ha finanziato gli sviluppi preliminari del payload usando i fondi del suo “Technology Research Programme”. Questi fondi hanno una natura di “seme” per lo sviluppo del payload e non possono essere spesi per materiale da volo. Già negli ultimi due anni l’ASI ha integrato questi fondi per lo sviluppo dei sensori inerziali. Ci sono tuttavia alcune difficoltà ed eccezioni nel caso specifico di SMART-2 e LISA, che qui elenchiamo:

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• La separazione fra payload e satellite nel caso di LISA o di SMART-2 è molto difficile. Se un PI non consegna in tempo un pezzo dell’LTP o del payload di LISA, la missione non si può fare. In una missione tradizionale, in genere un rivelatore o una fotocamera possono essere sostituiti con un “dummy” e la missione parte lo stesso.

• Il costo del payload sta diventando sempre di più una parte importante se non la principale del costo delle missioni scientifiche. Questo non è vero per SMART-2 e LISA, ma ha fatto si che la questione del finanziamento del payload è uno degli argomenti caldi delle relazioni fra l’ESA ed i paesi membri

• La comunità che sta dietro LISA e SMART-2 è relativamente piccola. Detto con una punta di orgoglio, se l’Italia si ritira dallo sforzo, diventa molto difficile rimpiazzare le conoscenze nel campo dei sensori inerziali e dell’architettura del test in volo senza incorrere in ritardi di alcuni anni

• La comunità Italiana che sta dietro LISA e SMART-2 ha costruito il suo expertise lavorando, con fondi INFN, ed all’interno della comunità INFN, ai rivelatori terrestri. Dunque, anche se l’ASI è l’interlocutore standard dell’ESA, è opinione condivisa della comunità che l’INFN debba avere un forte coinvolgimento e la giusta visibilità in quest’impresa di portata planetaria nel campo delle onde gravitazionali. Fino a questo punto questo si è concretizzato nel focalizzare l’intervento dell’INFN sugli aspetti più “da laboratorio” e sulla fisica dei disturbi.

• Il cambio del management ASI attualmente in corso sta portando ad una fase di ri-definizione e ristrutturazione dell’agenzia che rende i processi di decisione necessariamente rallentati e mette in discussione l’automaticità della decisione di finanziare i payload ESA. Ad esempio, i 500 k€ richiesti all’ASI sul bando 2001, in appoggio al contratto concesso dall’ESA per il sensore inerziale, non sono stati ancora approvati, nonostante un “endorsement” ufficiale dato dall’ASI all’atto della partecipazione del gruppo italiano alle gare per il contratto ESA. Questo sta mettendo in forte difficoltà il contrattore industriale che ha la responsabilità della consegna del sensore all’ESA.

Sulla base di queste premesse, il piano finanziario che segue fa le seguenti assunzioni/richieste: • Il finanziamento INFN all’impresa dovrebbe:

• Garantire la partecipazione dei ricercatori alle attività specifiche della collaborazione (gruppi di lavoro etc.) quando non coperto da ESA

• Sostenere le attività di laboratorio e di progettazione di più lungo periodo • Sostenere la partecipazione ai task di analisi dati e volti in generale a garantire il ritorno

scientifico di LISA • Il finanziamento dell’ASI dovrebbe coprire la parte riguardante la realizzazione dell’hardware

di volo, inclusi i modelli ingegneristici, di qualificazione etc., che fossero necessari • E’ altamente auspicabile che l’INFN fornisca un endorsment scientifico alla collaborazione,

endorsement di grandissima utilità per la negoziazione con l’ASI. • Qualora il meccanismo di finanziamento dei payload si dovesse inceppare, i costi per i modelli

di volo andrebbero negoziati, in via preliminare, con l’ESA. Tuttavia sarebbe fondamentale che eccezionalmente l’INFN potesse intervenire in questo negoziato per evitare ritardi fatali per il progetto.

4.2 Dettaglio del piano di spesa e sviluppo temporale Non si ha una valutazione industriale unica del costo dell’LTP. Alcune valutazioni industriali fatte in passato collocano l’intero costo nella fascia 20-25 M€. Una stima industriale più dettagliata sarà disponibile prima dell’estate. Esiste tuttavia una stima del costo delle parti di interesse italiano:

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Tabella 4 Stima dei costi totali

Elemento Costo (k€) Sensore inerziale: Costi industriali comprendenti fabbricazione, integrazione, test ambientali e apparati di supporto

2,800

Costi del team scientifico: Test di performance, coordinamento tecnico, leggi di controllo, elettroniche di supporto, studi di dettaglio

465

LTP Costi industriali comprendenti fabbricazione, integrazione dei sottosistemi, test ambientali, apparati di supporto.

3,900

Costi del team scientifico: disegno dell’architettura, algoritmi, verifiche, misure di performance, etc.

124

Totale 7,289

A questo vanno aggiunti i costi per l’avvio di nuove attività Elemento Costo (k€)

SMART-2 Elettronica di levitazione 150 Sviluppo di fibre ad alto Q 90 Analisi dati 60 LISA Levitazione quasi inerziale 160 Sensing ed attuazione ottici 199 Stima della carica 92 Totale 751

Ne segue un piano temporale di costi che è illustrato in Tabella 5

Tabella 5 Piano temporale dei costi

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Se si assume che i costi del modello di volo saranno imputati all’ASI, ne segue un piano di costi per l’INFN che si riduce a quello del team scientifico come in Tabella 6

Tabella 6 Finanziamento richiesto all’INFN

Anno

Sezione 2003 2004 2005 Totale

triennio

Trento(Pd) 219 292 78 589

RomaII 60 85 65 210Urbino

(Fi) 46 66 60 172

Napoli 55 72 72 199Perugia 40 70 60 170Totale

nuove sezioni 201 293 257 751

Totale 420 585 335 1340 Il dettaglio del finanziamento e la sua ripartizione sotto le singole voci sarà presentato negli appositi moduli. Sarebbe utile anticipare una quota di circa 60 k€ al 2002 per appoggiare la costruzione prototipi di Trento, in difficoltà con l’ASI, e per iniziare l’attività di RomaII sull’elettronica di levitazione.

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5 Appendice: il LIST, Lisa International Science Team, e l’Integrated Design Team Tabella 7 il LISA International Science Team

ESA NASA Alain Brillet (Nice observatoire) Massimo Cerdonio (U. Padova) Mike Cruise (U. Birmingham) Curt Cutler (Max Planck, Golm) Karsten Danzmann (U. Hannover) Gunther Hasinger (Max Planck, Garshing)Jim Hough (U. Glasgow) Bernard Shutz (Max Planck, Golm) Pierre Touboul (ONERA, Paris) Stefano Vitale (U. Trento)

Tuck Stebbins (Goddard) Bill Folkner (JPL) Peter Bender (U. Colorado) David Shoemaker (MIT) Craig Hogan (U. Washington) Sasha Buchman (Stanford U.) Sterl Phinney (Caltech) Doug Richstone (U. Michigan) Chris Stubbs (U. Washington) Kip Thorne (Caltech)

Tabella 8 L’ Integrated Design team (Provvisorio)

ESA NASA Karsten Danzmann (U. Hannover)Rita Dolesi (U. Trento) Alberto Gianolio (ESA-ESTEC) Gerhard Heinzel (Hannover) Marcello Sallusti (ESA-ESTEC) Maurice Te Plate (ESA-ESTEC) Stefano Vitale (U. Trento)

Alex Abramovici (JPL) Sasha Buchman (Stanford U.) Richard Burg (Goddard) Bill Folkner (JPL) Coleen Mc Graw (Goddard) Stephen Merkowitz (Goddard) Tuck Stebbins (Goddard)

6 Riferimenti

1 LISA Tecnology Package Architect, “System Requirement Definition for the LISA Technology Package on board SMART-2”, University of Trento, Unitn-Int 2-2001, Jan. 2002 2 LISA Tecnology Package Architect, “LTP operating modes”, University of Trento, Unitn-Int 3-2002, Mar. 2002 3 LISA Tecnology Package Architect, “LTP configuration”, University of Trento, Unitn-Int 5-2002, Apr. 2002 4 LISA Tecnology Package Architect, “LTP mathematical model”, University of Trento, Unitn-Int 4-2002, Mar. 2002 5 LISA Tecnology Package Architect, “Gravitational field comepensation”, University of Trento, Unitn-Int 4-2001, Nov. 2001 6 Inertial Sensor Definition for LISA and SMART-2, “Top level science requirements and preliminary definition of critical interfaces for SMART-2 inertial sensor” University of Trento, Unitn-Int 1-2002, May 2002 7 Inertial Sensor Definition for LISA and SMART-2, “Electrode configuration trade-off” University of Trento, Unitn-Int 6-2002, May 2002 8 Inertial Sensor Definition for LISA and SMART-2, “Inertial Sensor Core material trade-off” University of Trento, Unitn-Int 7-2002, May 2002 9 Inertial Sensor Definition for LISA and SMART-2, “Contact and charge” University of Trento, Unitn-Int 6-2001, Dec. 2001

L’esperimento LISA e’ dedicato alla rivelazione delle onde gravitazionali di bassissima frequenza. Il rivelatore e’ composto da una costellazione di tre satelliti disposti su un triangolo equilatero di circa 5 milioni di km di lato. Ogni satell ite e’ collegato agli altri due mediante fasci laser. Due telescopi permettono di inviare i fasci generati da un laser locale verso gli altri satell iti e di raccogliere la luce proveniente da questi e portarla ad interferire con quella della sorgente locale. In questo modo si realizza un sistema di transponder ottici che permette di misurare le variazioni della distanza relativa dei satelliti. In definitiva i tre satelliti costituiscono un gigantesco interferometro di Michelson con un braccio aggiuntivo che fornisce una certa ridondanza. LISA permettera’ la rivelazione di onde gravitazionali in un intervallo di frequenza compreso tra circa 100 µHz e circa 100 mHz. All’ interno di ogni satellite si trovano due masse in caduta libera che devono essere isolate dalle fonti esterne di rumore. Le superfici di queste masse sono gli specchi dell’ interferometro su cui vengono riflessi i fasci provenienti dagli altri satelliti e sono quindi le masse di test dell ’antenna. Un punto particolarmente delicato del progetto e’ lo sviluppo del cosiddetto “sensore inerziale” che permette di misurare la posizione relativa tra le masse di test e il corpo dello spacecraft che, essendo soggetto alle forze esterne di natura non gravitazionale (soprattutto l’azione della pressione di radiazione solare) seguirebbe una traiettoria diversa rispetto alle masse stesse. Il segnale del sensore inerziale serve per controllare, su sei gradi di liberta’ , la posizione del satellite in modo da fargli seguire quello delle masse di test al suo interno (sistema “drag free” ). Attualmente si prevede di utilizzare a tal fine dei sensori di tipo capacitivo sviluppati presso l’Universita’ di Trento.

Tali sensori, che pure presentano potenzialmente una sensibilita’ in accordo con le specifiche (~10-9 m/Hz1/2) presentano alcuni problemi legati alla necessita’ di una gap molto piccola (pochi mm) tra la massa di test e l’altra armatura del condensatore (solidale al satellite). Inoltre il sensore capacitivo puo’ a sua volta esercitare forze indesiderate sulla massa di test disturbando la misura (back action). Per quest’ultimo aspetto la specifica e’ molto stringente in quanto le accelerazioni della massa di test dovute a back action devono essere, nella banda di misura, minori di 10-15 m⋅s- 2/Hz1/2. Per frequenze molto piu’ basse della banda di misura, e’ invece la massa di test a dover seguire il satell ite; per tale scopo si prevede l’utili zzo di attuatori elettrostatici.

Un approccio alternativo, che si propone di studiare, prevede l’util izzo di un sistema di lettura ottica della posizione relativa massa/satellite. Questo presenta il vantaggio di consentire una gap molto maggiore (alcuni cm) permettendo di ridurre l’ interazione relativa (dovuta per esempio a cariche elettrostatiche). Inoltre un sistema ottico permette di ridurre drasticamente l’effetto del sistema di misura sulla massa di test; in definitiva questo sarebbe dovuto essenzialmente alla pressione di radiazione dei fasci di luce util izzati per la misura.

In questo contesto si prevede di studiare, sia in modo preliminare con stime teoriche che sperimentalmente mediante lo sviluppo di opportuni prototipi, differenti tipi di sensori ottici di posizione e tutti gli aspetti legati al loro utilizzo; in particolare limiti di sensibilita’ ed effetto della pressione di radiazione.

A tal scopo si possono individuare alcune alternative come sensori interferometrici, sensori di posizione ad occultazione (shadow meters) e leve ottiche con opportuni sensori di posizione (a quadrante o position sensing).

E’ da notare che le sensibilita’ richieste (~10-9 m/sqrt(Hz) sono facilmente raggiungibil i con sensori di tipo ottico limitati dallo shot noise. In particolare, per un sensore ottico di posizione il limite di sensibilita’ teorico e’ dato dalla formula δx = (2hν/ηP)1/2· L dove ν e P sono la frequenza e la potenza della sorgente usata, η l’eff icienza quantica del rivelatore, h la costante di Plank e L in range di misura; assumendo una potenza di 1 mW nel vicino infrarosso e un range di 1 cm, si ottiene δx ~ 2.6 10-10 m/Hz1/2. Nel caso di sensori interferometrici (non risonanti) L deve essere sostituito con la lunghezza d’onda utilizzata e si arriva a sensibilita’ dell’ordine di 10-14 m/Hz1/2. I principali problemi sorgono a causa delle bassissime frequenze di interesse dove altre sorgenti di rumore (come ad esempio fluttuazioni di potenza o drift nell ’elettronica, jitter angolare delle sorgenti etc.) possono essere dominanti e vanno accuratamente valutate per poter scegliere la soluzione piu’ soddisfacente.

Come spiegato precedentemente l’utilizzo di un sistema di lettura ottico ha come principale vantaggio quello di consentire gap molto piu’ grandi rispetto al sensore capacitivo. In questo modo pero’ il sistema di attuazione elettrostatica che permette di controllare, fuori della banda di misura, la posizione della massa di test rispetto allo spacecraft, non potra’ piu’ essere utilizzato.

Dovra’ quindi essere studiato un sistema di attuazione alternativo mediante pressione di radiazione; la richiesta di forze massime dell’ordine di 10-10 N impone l’util izzo di potenze luminose dell’ordine di una decina di mW (per ogni grado li liberta’) . Questa potenza puo’ essere facilmente ottenuta, per esempio usando diodi laser, e la specifica puo’ essere eventualmente rilassata util izzando linee di ritardo che permettono riflessioni multiple del fascio incidente. Il limite superiore sara’ presumibilmente imposto dal riscaldamento della massa di prova dovuto all ’assorbimento della radiazione incidente. Un altro aspetto da valutare sono le fluttuazioni di potenza della sorgente che dovra’ essere probabilmente stabilizzata attivamente per non introdurre rumore nella banda di misura.

Per questo tipo di ricerca si potra’ util izzare l’esperienza pluriennale nello sviluppo

di sensori ottici e in misure di precisione dei ricercatori della sezione di Napoli che partecipano all’esperimento VIRGO.

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Esperimento Struttura Flag Resp. Naz. LISA-RD NAPOLI LISA … · 2002. 7. 25. · informazioni generali. ricerca di onde gravitazionali di bassa frequenza trento interferometro in