suspensions pisa s.braccini c.bradaschia r.cavalieri g.cella v.dattilo a.di virgilio f.fidecaro...

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SUSPENSIONS Pisa S.Braccini C.Bradaschia R.Cavalieri G.Cella V.Dattilo A.Di Virgilio F.Fidecaro F.Frasconi A.Gennai G.Gennaro A.Giazotto L.Holloway F.Paoletti R.Passaquieti D.Passuello R.Poggiani Florence-Urbino E.Cuoco G.Calamai G.Guidi G.Losurdo M.Mazzoni R.Stanga F.Vetrano A.Vicere’ Rome M.Bonafede E.Bompiani E.Majorana P.Puppo P.Rapagnani F.Ricci Naples E.Calloni L.DiFiore M.Varvella Perugia P.Amico L.Carbone F.Marchesoni L.Gammaitoni M.Punturo H.Vocca S.Braccini EGO G.Ballardin A.Gennai G.Gennaro P.Lapenna R.Taddei LIGO-G030017-00- D

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SUSPENSIONS

PisaS.Braccini

C.BradaschiaR.Cavalieri

G.CellaV.Dattilo

A.Di VirgilioF.FidecaroF.FrasconiA.Gennai

G.GennaroA.GiazottoL.HollowayF.Paoletti

R.PassaquietiD.PassuelloR.Poggiani

Florence-UrbinoE.Cuoco

G.CalamaiG.Guidi

G.LosurdoM.MazzoniR.StangaF.VetranoA.Vicere’

RomeM.BonafedeE.BompianiE.Majorana

P.Puppo P.Rapagnani

F.Ricci

NaplesE.CalloniL.DiFioreM.Varvella

PerugiaP.Amico

L.CarboneF.MarchesoniL.Gammaitoni

M.PunturoH.Vocca

S.Braccini

EGOG.Ballardin

A.GennaiG.GennaroP.LapennaR.Taddei

LIGO-G030017-00-D

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Introduction

Mirror Swing Reduction

Mirror Local Controls

Attenuation Measurements

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Extend the detection banddown to a few Hz

VIRGO GOAL

Ground Seismic Vibrations are very strong below several

tens of Hz

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VIRGO Suspensions

SA designe freccette

Residual seismic mirror vibrationsbelow the thermal noise floor

starting from a few Hz

Ground

Mirror

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SA designe freccette

Seismic Noise 10 -7 f -2 m Hz -1/2

~ 3 10 -15 f -5/2 m Hz -1/2 Mirror Thermal

Displacement

Specification onHorizontal transmission

8 orders of magnitudeattenuation @ a few Hz

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Specification onVertical transmission

SA designe freccette

Seismic Noise 10 -7 f -2 m Hz -1/2

~ 3 10 -15 f -5/2 m Hz -1/2 Mirror Thermal

Displacement

Several orders of magnitudeattenuation @ a few Hz

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Suspension Working Principle

ground

mirror

Horizontal Attenuation

Long Pendula !!!

resonances f -2N

Tra

nsfe

r F

unct

ion

Frequency (Hz)

2 Hz

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SA designe freccette

8 m

Chain maximum horizontalfrequency around 2 Hz

Suspension Working Principle

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Suspension Working Principle

resonances f -2N

Tra

nsfe

r F

unct

ion

Frequency (Hz)

Vertical Attenuation

Soft Springs !!!

ground

mirror

2 Hz

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Suspension Working Principle

SA designe freccette

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3.5 mm

Blade rest shape

Blade shape under load

Load

10 cm

Clamp

37.5 cm

14 cm

375 mm20 mm

Variable

Blade Spring Top View

Blade Spring Side View

Blade Springs

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Mechanical Filter

setting screw

centering wires

crossbar

central column

BladeSprings

magnets

Ktot = Kblades- Kmagnets

Chain maximum verticalfrequency around 2 Hz

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6 m-longInverted Pendulum

Top filter

Pre-Isolator

Ground

Flex Joint

FilterChain

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Pre-Isolator

M

L

Flex joint(elastic element)

L

g

M

kf

2

10

Ultra - low frequency oscillator (30 mHz)

INVERTEDPENDULUM

g

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6 m-longInverted Pendulum

Filter Chain

Ground

Pre-Isolator

F = K x = M x

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Expected Performances

Hor

Ver

1

10 -10

10 -20

1 10 1000.1

Transfer Function

Freq (Hz)

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Crossing point

Expected Residual Seismic Noise

“Seismic Wall”

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Beam Splitter

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SA designe freccette

Top Stage Actuators

3 Lines2.25 Hz4.1 Hz9.8 Hz

Direct Measurement

Central Interferometerused as sensor

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Results forHorizontal Transmission

@ 2.25 Hz5 10e-6

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Results forHorizontal Transmission

@ 4.1 Hz< 6 10e-8

This is only an upper limit !!!

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SA designe freccette

Attenuationby Inverted Pendulum

MeasuredHorizontal Transmission

Ground Seismic Noise

10 -7 f -2 m Hz -1/2

Input Top Seismic Noise

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Top Stage Seismic Noiseon beam direction

7 10-11 m Hz-1/2

Top

Ground

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Residual Mirror Seismic Noise

Input Seismic Noise on Top Stage7 10-11 m Hz-1/2

X

Chain Transmission Upper Limit6 10-8

Upper Limit of Residual Noise4 10-18 m Hz-1/2

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Residual Seismic Noise Upper Limit @ 4.1 Hz

4 10-18 m Hz-1/2

< <Thermal Noise @ 4.1 Hz

9 10-17 m Hz-1/2

!!!

Mirror displacement induced by horizontal seismic noise

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MeasuredVertical Transmission

@ 2.25 Hz1.5 10e-6

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MeasuredVertical Transmission

@ 4.15 Hz< 10e-8

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Top Stage Seismic Noise

2 10-9 m Hz-1/2

Top

Ground

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Residual Seismic Noise Upper Limit @ 4.1 Hz

2 10-17 m Hz-1/2

< <Thermal Noise @ 4.1 Hz

9 10-17 m Hz-1/2

!!!

Mirror displacement induced by vertical seismic noise

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Passive attenuation isenough but ….…....

Chain resonant frequencies (0.1 Hz < f < 2 Hz)

induce tens of microns mirror swings

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Mirror swing reduction

1 – Help locking acquisition

Crossing

Permanence timehas to be small

Mir

ror

Opt

ical

Sur

face

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2 - Allow noiseless controlof the interferometer

Maximum compensation “close tothe mirror” is about one micron

Mirror

Mirror swing reduction

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Specificationsfor mirror swing

rms mirror velocitysmaller than a few tenths

of micron per second

rms mirror displacementsmaller than one micron (on a time scale of 10 s)

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6 m-longInverted Pendulum

Filter Chain

Top stage Fixed Stars

Floor

Inertial Damping

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ADC DSP DAC

Inertial Damping

Coil-Magnet Actuators

Accelerometers

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AccelerometerSignal

Lp Butterworthfilter

Integrator

T

… N Slices

rms rms rmsrms

Inertial DampingStability

N consecutive measurements of rms velocity

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WIPR

BSNI

Distribution of 10 s velocity rms

Inertial DampingStability

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Top-stage RMS

0.01

0.1

1

10

1 10 100

Time (s)

rms

velo

city

(m

/s)

Open Loop Closed Loop

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m/s

H

z -1

/2

Hz

Mirror velocity spectrum

Inverted PendulumSpectral Region

Pendulum Chain Mode

0.45 Hz Mode

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Inverted PendulumSpectral Region

Pendulum Chain Mode

0.45 Hz Mode

Mirror velocity spectrum

m

Hz

0.5 microns per second

f

rms dxfx )(~)( 2

m/s

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Mirror velocity spectrum

Fringe signal

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Actual Contribution to velocity rms is 0.37 m/s

CureBetter crossing

LVDT-Accelerometers in Inertial Damping Loopor Top Stage Control

IP Contribute

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Pendulum Contribute

Actual Contribution to velocity rms is 0.26 m/s

CureDamping from ground based

actuators

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Actual Contribution to velocity rms is 0.13 m/s

CureInertial Damping from Top

0.45 Hz Contribute

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Inverted PendulumSpectral Region

Pendulum Chain Mode

0.45 Hz Mode

Mirror velocity spectrum

m

Hz

0.5 microns per second

f

rms dxfx )(~)( 2

m/s

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SA designe freccette

Is the mirror slow ?

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Is the mirror slow ?

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Is the mirror slow ?

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Mirror Displacement

Rms displacement is afew tenths of m @ 100 mHz

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Mirror SwingSpecifications

rms mirror velocitysmaller than a few tenths

of microns per second

rms mirror displacementsmaller than one micron

on time scales larger than 10 s

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Last Stage

Coils

Marionetta

MirrorReference Mass

Beam

ReferenceMass

Mirror

Beam

Coils

Marionetta

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Digital Camera reads the mirrorposition in all degrees of freedom

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Mirror Angular ControlSpecifications

To reduce angular swings from a few tens of microradiansdown to one microradian

Pitch Swingx

Yaw Swing y

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Angular displacements

x

y

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0.1 1 10 100 1000

rms

angu

lar

disp

lace

men

t (m

icro

radi

ans)

Theta x

Theta y

Angular rms

1 rad

1 10 100 1000

Time (seconds)

0.1

1

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CONCLUSIONS

Vertical and horizontal seismic vibrations induce mirror displacements

smaller than thermal noise even around 4 Hz

The mirror swing amplitude has been decreased within the

specifications

Camera control reduces the angularswings of the mirror down to less than

one microradian