当中子星或黑洞等大质量物体加速并彼此靠近旋转时,便产生引力波。它以波的形式光速传播,同时引起极小的时空变形。自从爱因斯坦提出相对论,众多科学家一直相信一定有方法可以探测到引力波。最初的考虑始于 20 世纪 60 年代。当时的想法是基于探测器。通过合适的探测器,据信便可探测到引力波在激光上的相互作用。挑战在于,这样的仪器当时很难找到。引力波的强度为:h = ΔL / L。在位于地球上、长度为 4 km 的法布里干涉仪上,对应的 ΔL 为 10-18 米。要测量到这一偏移,需要极端精密的测量仪器。
此类仪器最初的两台建造于美国,一台在华盛顿州,另一台在路易斯安那州,名为 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,激光干涉引力波天文台)。世界各国众多大学和研究机构都参与其中。

它是如何工作的?
探测器按迈克尔逊 (Michelson) 干涉仪原理运行。在该设备中,一束激光被分束器分开,经两条尽可能长的光路穿过一个光学镜面系统。随后,激光束在探测器中结合。通过这种方法可以测量引力波产生的激光束的最小“飞行时间”差。
至于个中的真空技术挑战,重点在于以下几个方面:

  • 反射镜安装在真空室内,对任何污染均高度敏感。
  • 射束管内需要超高真空,以最大程度减少残留气体造成的光散射相位噪声。
  • 整个结构,包括真空泵,振动必须极低

Scheme of the LIGO interferometer for the detection of gravitational waves
用于探测引力波的 LIGO 干涉仪示意图

真空需求
LIGO 实际上包含两种真空系统:射束线站和终端/转角站。
射束管容积 V = 2000 万升(每处)。此类管体的内表面积为 6 亿 cm²(每处)。这一真空系统处于已抽空状态,无法再次排气。需要水平低于 10-7 Pa (10-9 mbar) 的真空,以避免残留气体分子的前向散射造成干涉仪输出中的相位噪声。
终端和转角站处的腔室内安装着反射镜和探测器,确保极端洁净是重中之重。反射镜吸收率应小于 0.1 ppm。光学器件的污染必须小于每 10 年一个碳氢化合物层。与射束管相反,转角和终端站可以排气,而腔室内的真空水平也应低于 10-7 Pa (10-9 mbar)。

产品组合
LIGO是世界上最大的真空技术设施之一。与粒子加速器和聚变反应堆不同,其中没有放射性环境、没有高温、也没有离子产生。普发真空为 LIGO 天文观测台上进行的许多实验提供了真空设备。HiPace涡轮泵配合干式前级泵,可以抽空各种腔室。LIGO 装置的不同部分采用了许多由普发真空出品的残留气体分析质谱仪及检漏仪。

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