1. Экспериментальная база Объединенной Экспериментальной Лаборатории Гравитационно-Оптических Исследований (ОЭЛГОИ).

Основной экспериментальной базой ОЭЛГОИ являются специализированные помещения на территории ФНПЦ НПО ГИПО, оснащенные всем необходимым оборудованием:лазеры, высокоотражающие зеркала, поляризационные призмы, голограммные дифракционные решетки, пьезоэлементы, фазовые модуляторы, многоканальные анализаторы спектральной информации, фотоприемники, радио- и оптоэлектронное оборудование и компьютеры.

Все исследования проводятся в специализированной экспериментальной кабине (ЭК), размещенной в подземной лаборатории (ПЛ) на глубине 12 м от нулевой отметки, что обеспечивает минимизацию влияния вибрационного фона и упрощение задачи температурной стабилизации. Стены и пол лаборатории размещены в цельнометаллической емкости, которая покоится на песчаной подушке и со стороны стен гидроизолирована. Лаборатория имеет техническое помещение, глубиной 2 м ниже уровня пола, которое служит для установки фундаментов основного оборудования ПЛ, а также размещения электрокоммуникаций и систем электроснабжения основного оборудования. Экспериментальная кабина состоит из двух вмещающих друг друга помещений. Во внутренней кабине все высокочувствительное оборудование, в том числе и разрабатываемая двухрезонаторная лазерная система, установлено на специальном фундаменте, который в свою очередь виброизолирован от основания помещения. Фундамент представляет собой железобетонный блок весом 100 т и виброизолируется с помощью спиральных вагонных пружин. Дополнительно оборудование виброизолируется с помощью различных специальных виброизоляторов.

Для создания необходимых температурных условий предусмотрена трехступенчатая система термостабилизации. Первая ступень обеспечивается кондиционером, который обогревает воздушный поток, поступающий в качестве приточной вентиляции в ПЛ, и поддерживает стабильность температуры в пределах ±0.250C от заданного номинального значения. Вторая и третья ступени обеспечиваются специально разработанной автономной системой стабилизации температуры. Вторая ступень обеспечивает температурную стабилизацию во внешнем помещении кабины в пределах десятых долей градуса от номинального значения, третья - соответственно во внутреннем помещении кабины в пределах сотых долей градуса.

2. Пассивный вариант ГВ-детектора.

Первым шагом в реализации комплексной программы гравитационных экспериментов Проекта "Дулкын" было создание пассивного варианта ГВ-детектора на основе пентагонального кольцевого двухконтурного интерферометра, у которого источник оптического излучения находится вне интерферометра.

Пентагональный интерферометр, работающий на длине волны 0.63 мкм, был собран и отъюстирован в декабре 1995 года на полированной круглой стеклянной плите толщиной 10 см и диаметром 65 см, причем сторона пятиугольника равнялась 30 см. В ходе тестовых экспериментов с пассивным интерферометром были решены следующие технические задачи.

1. Разработана и внедрена оригинальная методика юстировки сложного двухконтурного пентагонального оптического резонатора, построенного на общих оптических элементах, два из которых являются голограммными дифракционными решетками, специально изготовленными в ОЭЛГОИ. Эксперименты в условиях сильных механических помех показали, что пентагон, как двухконтурная оптическая конфигурация, устойчив и не требует вспомогательного юстировочного мониторинга. Установлены требования к степени идентичности первого и второго голограммных отражательных элементов. Данная методика целиком использована при построении активного варианта ГВ-детектора - пентагональной двухрезонаторной лазерной системы.
2. Опробованы различные схемы формирования интерференционного поля на выходе детектора и соответствующие методики обработки интерференционной картины; максимально использована двухконтурность интерферометра и возможность создания двух информационных каналов. Созданные и опробованные компьютерные алгоритмы целиком использованы в активном варианте.
3. Смоделирована и протестирована в условиях реальных помех и шумов система корреляционной автокомпенсации помех (СКАП). Для пассивного интерферометра найден порог чувствительности СКАП. Сделан вывод, что СКАП в данном исполнении может быть использован для первичной грубой фильтрации сильных коррелированных помех.
4. Создана и отработана на пассивном интерферометре оригинальная система стабилизации разности фаз оптических излучений в первом и втором контурах пентагона, которая позволила на несколько порядков уменьшить фазовый шум в низкочастотной области.
5. В области инфра-низких частот 10^-5 - 10^-1 Гц (рабочий диапазон для детекторов периодического гравитационного излучения от двойных релятивистских астрофизических объектов) - исследована реальная спектральная плотность фазового шума (стохастической составляющей разности фаз первого и второго каналов интерферометра). С этой целью была проведена серия непрерывных долговременных измерений с выключенной и включенной системой стабилизации. Соответственно, получены спектральные кривые для нередуцированного и редуцированного шума.
6. Проведена серия экспериментов с аналоговой и цифровой имитацией воздействия ГВ. Периодический сигнал с амплитудой 10^-4 - 10^-6 рад подавался в сигнальный контур, смешивался с реальными помеховыми сигналами (при работающей и выключенной системе стабилизации), а затем выделялся из выходного сигнала с помощью специально разработанного порогового алгоритма. Для пассивного интерферометра найдены соотношения между амплитудой сигнала, порогом стабилизации и уровнем нередуцированного шума, при которых выполняется "критерий распознавания" имитационного периодического сигнала.
7. Разработаны и опробованы методы межпериодного и внутрипериодного накопления периодических сигналов, позволяющие уверенно выделять слабый низкочастотный полезный сигнал на фоне больших помех.
8. Выполнена комплексная проверка работоспособности всего рабочего цикла "имитации - распознавания" периодического сигнала на инфра-низкой частоте в автоматизированном режиме с длительностью циклов от 2 до 8 суток. Это позволило протестировать систему компьютерного управления режимом детектирования, которая будет использована при работе активного варианта ГВ-детектора.

3. Активный вариант ГВ-детектора.

Вторым шагом в реализации Проекта "Дулкын" является создание прототипа активного варианта ГВ-детектора - компактной двухрезонаторной лазерной системы.

Летом 1999 года были собраны и отъюстированы двухрезонаторные лазерные системы пентагональной кольцевой конфигурации (бегущие волны) [2] и треугольной линейной конфигурации (стоячие волны) [6]. На этих схемах была получена устойчивая генерация на длине волны 3.39 мкм.

Все оптические элементы, образующие конкретную духрезонаторную лазерную систему, были жестко закреплены на едином основании. Для пентагональной конфигурации резонатора использовалась плита-основание диаметром 1.4 м и толщиной 8 см, сделанная из алюминиевого сплава Д16 (вес 400 кг), подвергнутого специальной термической обработке для стабилизации его размеров. Термическая обработка включала четыре режима нагревания и охлаждения при различных температурах для снятия всех внутренних напряжений в металле.

В настоящее время на прототипах активного варианта ГВ-детектора проводятся работы по настройке и отладке сервосистем частотной и фазовой стабилизации генерируемого оптического излучения.

4. Вакуумная камера.

Изготовлена специализированная вакуумная камера (ВК) диаметром 1.7 м и высотой 0.67 м (вес 550 кг), предназначенная для изоляции двухрезонаторной лазерной системы от внешней среды. Остаточное давление внутри вакуумной камеры не превышает 10^-3 Тор.

Плита-основание двухрезонаторной лазерной системы свободно лежит внутри ВК на трех опорах, расположенных в вершинах правильного треугольника и отстоящих от центра плиты на расстоянии 2/3 её радиуса.

5. Подготовка к проведению калибровки ГВ-детектора по первому уровню имитационного сигнала ("Лунный тест").

После возобновления финансирования с февраля 2006 года по март 2007 года выполнены следующие работы:

• проведены расчеты для теоретического сопровождения эксперимента по калибровке ГВ-детектора и проверке концепции его построения по выполнению Принципа Эквивалентности Эйнштейна при лунно-солнечных вариациях геопотенциала. В текущем году опубликовано теоретическое обоснование Лунного теста в двух ведущих Российских научных журналах «Гравитация и Космология» и «Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики»;
• испытана специализированная вакуумная камера (ВК) диаметром 1.7 м и высотой 0.67 м (масса 550 кг), предназначенная для изоляции двухрезонаторной лазерной системы (ДЛС) от внешней среды. Остаточное давление внутри вакуумной камеры не превышает 10-3 Тор. Плита-основание ДЛС свободно лежит внутри ВК на трех опорах, расположенных в вершинах правильного треугольника и отстоящих от центра плиты на расстоянии 2/3 её радиуса;
• проведена модификация форвакуумной системы с целью оптимизации работы вакуумных насосов в течение длительного времени непрерывной работы ГВ-детектора;
• по результатам предварительных испытаний произведена доработка механических узлов ДЛС;
• разработано техническое задание на специализированные газоразрядные трубки (активные элементы для ДЛС) с блоками питания и балластными сопротивлениями;
• исследованы токовые шумы активных элементов; установлено, что уровень шумов удовлетворяет требованиям технического задания;
• получена одновременная генерация на длине волны 3,39 мкм в опорном и сигнальном резонаторах ДЛС; исследованы режимы генерации в ДЛС, устранена конкуренция во всем диапазоне значений разностной частоты резонаторов и отстройки частоты генерации от центра линии усиления активного элемента;
• приобретен и введен в эксплуатацию прецизионный моноблочный стабилизированный He-Ne/CH4 лазер, обеспечивающий высокую точность и высокую стабильность как оптический стандарт частоты;
• проведена проверка системы стабилизации (СС) и системы частотно-фазовой автоподстройки (ЧФАП) по эталонному стандарту частоты;
• проведена стыковка СС и ЧФАП с ДЛС треугольной конфигурации внутри вакуумной камеры;
• разработана и изготовлена специализированная система измерения выходных сигналов ДЛС;
• разработан и изготовлен прецизионный фазовый модулятор (ФМ) для имитации полезного сигнала с целью проведения калибровки ГВ-детектора «Дулкын»; создана схема контроля угла поворота ФМ и проверена работоспособность ФМ при углах поворота в диапазоне 1?0,001 угловых секунд с периодами колебаний от 0,5 часа до 6 часов в течение 14 суток;
• приобретены дополнительные комплектующие компьютерно-электронного оборудования и произведена их установка в блоки и узлы ГВ-детектора;
• получен режим синхронизации излучений опорного и сигнального резонаторов ДЛС с одновременной привязкой частоты генерации опорного резонатора к частоте моноблочного стабилизированного He-Ne/CH4 лазера; проверена возможность при работе внутри зоны захвата выделения периодического сигнала, имитированного ФМ в сигнальном резонаторе ДЛС;
• установлены датчики температуры и давления внутри вакуумной камеры; проведены работы по стыковке электрокоммуникаций с ДЛС через разъемы вакуумной камеры;
• начаты работы по созданию системы информационно-технического обеспечения последующих (после «Лунного теста») экспериментов;
• установка готова к началу проведения «Лунного теста» (длительность эксперимента 6 месяцев).

6. Результаты эксперимента «Лунный тест».

8 сентября 2008 года Научным центром гравитационно-волновых исследований «Дулкын» Академии Наук Республики Татарстан начат и 5 марта 2009 успешно завершен долговременный непрерывный эксперимент «Лунный тест». Его проведение подтвердило правильность концепции построения гравитационно-волнового детектора «Дулкын», и ознаменовало завершение первого из трех последовательных этапов создания детектора низкочастотного гравитационного излучения.

Проведение «Лунного теста» это итог более чем 15 летней теоретической, опытно-конструкторской и экспериментальной работы целого ряда научных коллективов и ведущих предприятий: НЦ ГВИ «Дулкын» АН РТ, КГУ, ФГУП НПО ГИПО, ООО «ФИТРАН» и др.

Успех научного коллектива закономерен: по результатам представления проекта «Дулкын» на международной выставке инноваций в Брюсселе в 2005 году были получены диплом и золотая медаль.

В ходе выполнения 1 этапа («лунный тест») III (заключительной) стадии научно-технического проекта «Дулкын» были:

• – проведены все необходимые работы по созданию детектора «Дулкын-1» первого уровня (монтаж, сборка, настройка и отладка всех узлов и систем детектора);
• – обеспечены условия для круглосуточного наблюдения за работой аппаратуры и записи вариаций фазы, температуры и давления;
• – 8 сентября 2008 г. начат долговременный эксперимент по калибровке детектора «Дулкын-1» и набора базы экспериментальных данных для проверки принципа эквивалентности Эйнштейна;
• – проведена калибровка детектора «Дулкын-1», доказана линейность отклика детектора на воздействие периодических сигналов во всем рабочем диапазоне частот;
• – получен спектр фазового шума детектора «Дулкын-1»;
• – 5 марта 2009 г. благополучно завершен долговременный эксперимент «лунный тест», во время которого все системы, блоки и узлы детектора «Дулкын-1» сохраняли свою работоспособность, т.е. в течение шести месяцев непрерывной круглосуточной эксплуатации.

Подводя итоги проведенного уникального эксперимента «лунный тест» необходимо отметить, что все цели и задачи 1 этапа Ш (заключительной) стадии научно-технического проекта «Дулкын» достигнуты.

Задача калибровки детектора «Дулкын-1» – выделение калибровочных сигналов в заданном инфра-низкочастотном диапазоне – полностью выполнена. Доказана работоспособность детектора и всей вспомогательной аппаратуры в течение многих месяцев.

Достигнутая чувствительность детектора «Дулкын-1», которая составляет 10^-12 - 8*10^-16 в диапазоне частот 10^-5 - 1 Гц, соответствует значениям, предъявляемым к детектору первого уровня, и является на сегодняшний день (до запуска в 2015 году международного космического проекта LISA) единственной в мире для данного диапазона инфра-низких частот.

Проверен принцип эквивалентности Эйнштейна (в части универсальности закона гравитационного «красного» смещения для часов разной физической природы) на уровне 0.9% , что почти вдвое превышает лучшее мировое достижение (1.7% - США, 1983г.)! Эксперимент такого рода проводился в России (и бывшем СССР) впервые.

Подтверждена правильность концепции построения ГВ-детектора «Дулкын», в основе расчета эластодинамического отклика которого лежит подход Ж. Можена, соответствующий значению феноменологического параметра ξ=1, в отличие от альтернативного подхода Дж. Вебера (ξ=0), поскольку экспериментальное значение, полученное при проверке принципа эквивалентности, составило ξ=1±0.009.

В целом, успешное завершение «лунного теста», богатый накопленный в ходе его проведения материал и опыт, вселяют уверенность в скором успешном выполнении задач 2 и 3 этапов заключительной стадии проекта «Дулкын», конечная цель которого создание гравитационно-волнового детектора и начало астрофизических исследований в области гравитационно-волновой астрономии.

В случае продолжения финансирования научно-технического проекта «Дулкын» будет начато выполнение 2 этапа проекта – создание детектора второго уровня «Дулкын-2» с чувствительностью на три порядка выше, чем «Дулкын-1». Предполагаемое время создания и калибровки детектора «Дулкын-2» – 3 года.

Конечная цель – построение детектора третьего уровня «Дулкын-3», имеющего чувствительность на три порядка выше, чем «Дулкын-2», т.е. создание реального гравитационно-волнового детектора, способного обнаружить низкочастотное гравитационное излучение от двойных релятивистских астрофизических объектов. НЦ ГВИ «Дулкын» готов сотрудничать с научными и коммерческими организациями, которые заинтересованы в продолжении данной работы.