基于扭摆的空间引力波探测中检验质量磁性干扰及磁性测量的研究

Gravitational wave is one of the important predictions of Einstein's general theory of relativity, and also is the last one to be observed directly. Gravitational wave detection is very important for the research in physics and astronomy. Performing space-borne laser interferometer gravitational wave detection not only can reach high precision, but also can detect very low frequency gravitational wave signal which is quite difficult for the ground-based experiments, so the different astronomical phenomena will be observed and studied. Inertial sensor is a key unit in space-borne gravitational wave detection. During the experiment we should measure the movement variation of the test mass in the inertial sensor caused by gravitational waves. The magnetic properties of the test mass is one of the main disturbances in gravitational wave detection, so measuring the test mass remnant dipole moment and the magnetic susceptibility would be very important. With a precise torsion pendulum not only the test mass magnetic properties can be measured, but also the magnetic disturbance can be observed, so this method has been selected by LISA team, which is a NASA-ESA joint team for space-borne laser interferometer gravitational wave detection. In this project we will use the precise torsion pendulum which was well studied in our laboratory for many years, to measure the test mass magnetic properties with difference method. This will be an experimental basis for studying the magnetic properties of the test mass in space-borne gravitational wave detection which is being considered in China.

引力波是爱因斯坦广义相对论里最后一个得到直接实验验证的重要预言。引力波的探测对物理学以及天文学等基础科学的研究，具有十分重要的意义。在空间开展激光干涉引力波探测实验，不仅可获得极高的实验精度，而且还具有地面探测实验难以达到的极低的测量频段，因而可观测与研究完全不同的天体物理现象。惯性传感器是空间引力波探测实验中的一个核心装置，实验中需要检测惯性传感器中的检验质量在引力波作用下的运动变化。检验质量的磁性是空间引力波探测实验中的一个很重要的干扰因素，因此对检验质量的剩磁和磁化率进行测量将十分重要。用精密扭摆不仅可实现检验质量磁性的测量，而且还可直接观测磁性所产生的干扰，因此该方法被欧美合作的空间引力波探测组LISA组所选用。本项目将利用实验室有多年研究基础的精密扭摆，并创新性地采用差分测量的方法来对检验质量的磁性进行精密测量，为我国正在酝酿的空间引力波探测实验中检验质量的磁性研究打下实验基础。

引力波的探测对物理学以及天文学等基础科学的研究，具有十分重要的意义。在空间开展激光干涉引力波探测实验，不仅可获得极高的实验精度，而且还具有地面探测实验难以达到的极低的测量频段，因而可观测与研究完全不同的天体物理现象。检验质量的磁性是空间引力波探测实验中的一个很重要的干扰因素，因此对检验质量的剩磁和磁化率进行测量将十分重要。本项目基于精密扭摆系统，创新性地采用差分测量的方法对检验质量的磁性进行了精密测量，实验结果表明，该方法对我国以及国外空间引力波探测实验中检验质量的磁性测量要求都能满足。.本项目研究了基于扭摆系统测量检验质量磁性的实验方案，分析了磁场调制线圈与检验质量之间的相对位置、调制线圈磁场的变化、检验质量的剩磁和磁化率等多种因素对悬挂检验质量的扭摆所产生的干扰力矩，并基于扭摆的动力学方程，建立了剩磁和磁化率测量的数学模型，从而对实验设计提供指导。实验中研究了实验装置的搭建、调试和灵敏度标定，给出了实验测量结果。后续引力波探测实验中在检验质量的选材方面，可先根据理论指导选择不同材料（成分以及比例）加工成检验质量，然后利用本项目的研究装置对其磁性进行测量，从而为空间引力波探测实验中检验质量的材料选择提供实验依据。.针对本项目的具体任务和实验中所遇到的困难，在本项目的实施过程中，主要取得了两个技术的进步和一个方法的验证。两个技术分别是悬挂kg量级的扭摆悬挂技术和高精度静电控制扭摆技术，一个方法指的是通过构建调制变化的匀强磁场和带空间梯度的磁场实现对检验质量剩磁分量和磁化率测量的方法。这些技术和方法对今后类似特殊扭摆系统的研究具有很重要的借鉴作用。在这些实验研究的基础上，最终成功研究了基于静电控制扭摆系统和磁场调制方式的检验质量剩磁和磁化率的测量方法，剩磁的测量精度优于1 nAm2，磁化率测量精度优于8×10-7，可满足我国以及国外空间引力波探测实验中检验质量磁性的测量需求。