专利名称：引力波发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高频引力波的产生，这种高频引力波可被调制并可用于通信，推进及用于测试新的物理理论，概念，及猜想。更具体来说，本发明涉及可操作连接到计算机协同工作的小赋能元件的组合，以产生附近物质或机电元件的三次导数的运动，这种运动产生高频引力波。本发明还涉及引力波的检测。
背景技术：
阿尔伯特 爱因斯坦在其广义相对论中预测到引力波(GW)。这种波从未被检测到，但低频GW的地外源，即中子双星对已被观察到，如果它发射的是GW则精确按预测的速率聚结。高频的GW的产生，并是由作用于相对小的质量的相对强的磁，电和机电力，而不是由作用于巨大天体质量相对微弱的重力产生，尚不知道。
先有技术指出，引力波发生器是理论化的，虽然尚未归结为实践。Joseph Weber在“Detection and Generation of Gravitational Waves”，Phisical Review，Volume 117，Number 1，January，1960，p.313中提出使用压电晶体机电力产生的GW“通过一侧大约五十厘米尺度的晶体能够辐射一米长的波。如果它恰好的断开点之下被驱动，则每一晶体将辐射≈10-20[瓦特]，假设Pmax为其静态公布值”。然而还没有人将这种装置付诸实践。
根据Robert L.Forward，引力波发生器可借助于一种管子构成，其中引起非常密的原元素(元素127)以便高速上下运动管子(实际上不是偶极子，因为如Joseph Weber指出{“Gravitational Waves”inGravitation and Relativity，Chapter 5，W.A.Benjamin，Inc.，NewYork，1964，p.91}，从一系统重力辐射的最低阶不可能是偶极子，但必须是四极)。然而，没有提供这种发生器的图示或其它说明，足以使业内专业人员能够实施这种发生器。
如在母专利中的说明，在引力波检测方面有相当多的先有技术，这包括U.S.Patent 5,646,728，该专利涉及适用于检测引力波的很低振幅的干涉仪。这一先有技术仅涉及由自然过程，诸如天体物理或天体事件，产生的低频(低于一MHz)引力波的检测。可认为在人工产生用于通信或其它目的的高频引力波的检测方面还没有先有技术。
发明内容
本发明依赖于这样的事实，即通过本发明的操作所引起的质量在诸如微微秒时间周期上的快速运动或“冲击”或角动量对时间的快速变化或“冲击”，将产生四极运动并引发一系列或一串有用的高频例如兆兆赫兹(THz)引力波(GW)。所述装置将以基于通过相对强的磁、电和机电力作用的装置的旋转和非旋转，对称和非对称质量的若干可选择的方式实现这一GW的产生。这种力由一组在装置的计算机控制下协同操作的非常小的小于毫米的可赋能元件产生。可注意，这一过程基本上不同于通过相对微弱重力作用的非常大的旋转或非旋转天体质量的低频GW的地外产生。
引力波以不同于电磁波的方式被吸收并通过物质和空间传播。这样引力波可能呈现胜过电磁波的优点在于，它们可通过对于电磁波不能传导的物质传输，并且它们的强度随距离衰减速度可能比电磁波慢。至今，使用中的人造的机器还没有产生明显的或可测量的GW。
根据本发明，提供了一种引力波检测装置，包括多个收集器元件；多个连接到元件的电子开关；计算机控制的逻辑系统，连接到信息处理装置，用于有选择地以预定时序连接元件；以及接收器，连接到信息处理装置，以指示引力波的检测。
通过结合附图参照本发明以下详细的说明，本发明以上的特性和优点将可被更充分地理解，其中图1A和1B是线圈组56的图示，该线圈组嵌入或印到硅芯片57上并连接到晶体管或超快速开关58，以便在永久磁体60的磁场中产生电流脉冲59；图2是引力波发生器装置的单个部分或线性电动机实施例的图示。部分是指母专利U.S.Pat.6,160,336中所示主轴装置轮边平面图的圆环部分，因而是轮边单个的独立段落。嵌入在个别地或集体地连接到计算机控制的晶体管或超高速开关的半导体芯片57中线圈的护套68，环绕与芯活塞或鼓形63结合的磁点57组成的中心磁体；图3涉及到平行板导体66的无限半径线圈的图示，平行板导体可附加有稳定器67以便改变它们的质量，连接到开关58以便产生协同作用的电流脉冲59，产生一串引力波29(其在从冲击的两个方向传播，因为有与四极方程式(3)的核相关联的正方形—因而没有沿冲击轴优选的方向)；以及图4是协同作用以产生并检测引力波29的机电元件65的应用图示。
具体实施例方式
二元脉冲星PSR 1913+16的分析由于二元脉冲星PSR 1913+16的观察表示着唯一的GW的实验确认，因而通过这种双星系统的分析将对本发明的特性和优点有更好的理解。由于GW辐射这对中子星将3.5×108年后结合，并到那时将产生更连续的GW。根据J.H.Taylor，Jr.In“Binary pulsars andrelativistic gravity”，Reviews of Modern Physics，Volume 66，Number3，July，1994，pp.711-719，它们的相互旋转周期是7。75小时(或2.79×104[秒])，近星点是1.1太阳半径(一个太阳半径为6.965×108[m])，远星点为4.8太阳半径。其回转半径基本上是半主轴＝(1.1+4.8)/2＝2.95太阳半径＝(2.95)(6.965×108)＝2.05×109[m]。该中子星呈现的质量大约为1.4太阳质量的质量，因而总共它们的质量为(2)(1.4)(1.987×1030)＝5.56×1030[kg]。这样该双脉冲星系统的惯性矩大约为(5.56×1030)(2.05×109)＝2.34×1049[kg-m2]。系统的当前角速度为＝2π/2.79×104＝2.25×10-4[弧度/秒]。这样系统的角动量当前为Iω＝(2.34×1049)(2.25×10-4)＝5.27×1045[kg-m2/sec]。根据由Griffith Observatory的John Mosley提出的二元星分类观察，二元脉冲星PSR 1913＝16与我们的太阳距离为23，300光年。如果很少或没有GW衍射，则基准面积是中子星直径3×104[m]的宽度的一圆形带或条带。这样基准面积等于(3×104)(2π)(2.33×10-4)(9.5×1015米每光年)＝4.17×1025[m2]。
在诸如PSR 1913+16二元星对的情形下，GW功率P从四极矩计算，例如这是由以下文献上一方程式对两个质量在彼此靠近的轨道上给出的，p.356 of L.D.Landau and E.W.Lifshitz，The ClassicalTheory of Fields，Forth Revised English Edition，Pergamon Press，1975。它们作为如下的真近点角v与轨道偏心率e的函数给出P中时变的因子(1+ecosv)4([1+{e/12}cosv]2+e2sin2v)/(a[1-e2])5。(1)按传统的天体动力学/天体力学表示法这因子为p/r6+(dr/dτ)2/12μr4，(2)其中p是轨道“参数”或半正焦弦[AU]，r是两个质量之间的径向距离[AU]，τ是以对于太阳中心单位系统的ks天或5.0022×106[s]测量的特征时间，而μ是两个质量的和[太阳质量]。注意，一个AU(天文单位)＝1.496×1011[m]，而一个太阳质量＝1.987×1030[kg]。dr/dτ项与以下相关dI/dτ(＝2μr[dr/dτ])，d3I/dτ3(＝2μ2[dr/dτ]/r2)，d2v/dτ2(＝-√μp[dr/dτ]/r3)，以及d3v/dτ3(＝-2μ√μp[1/r-1/a-4{dr/dτ}2/μ]/r4)，其中a＝轨道的半主轴[AU]，并对于圆形轨道dr/dτ＝0。这些时间导数与本发明的实施例直接相关。
在半主轴a中引起扰动(以及轨道周期中的伴随的长期的降低)的辐射的GW功率P，是通过异常使用正比于时间的均值M在轨道周期上对时间变量因子，方程式(2)求积分而获得的，(即M＝n[t-T]，其中n是平均运动[＝ω，在Landau与Lifshitz的{同上，p.357}的表示法中]，而T则是近星点通过的时间)。功率P的平均值从观测资料计算，这些资料定义了PSR 1913+16的偏心率(主要基于在近星点与远星点的临近速度多普勒位移的确定)，半主轴，及轨道方向角。P的计算值的误差与导致轨道要素确定及中子星对的质量μ＝m1+m2＝1.4+1.4＝2.8[太阳质量]的确定的观察误差相关。例如，近星点临近速度测量中0.1百分比的变化结果造成GW功率P的0.28百分比的变化，而星球质量0.1百分比的变化结果造成GW功率的0.33百分比的变化。
由PSR 1913+16的轨道周期长期缩短所引起的近星点通过时间观察到的累计位移，在观测误差内，仔细与通过广义相对论预测的位移比较并确认GW辐射的存在。类似地确认与d2ω/dt2(≈d3v/dτ3)及d3I/dt3相关的成分dr/dτ的存在，这就涉及到本发明的GW-发生器实施例。
由Landau与Lifshitz的{同上，p.357}通过解析积分建立并作为偏心率e给出的平均GW功率P，是对于e＝0.641，9.28×1024[瓦特]，因而对于盘基准面积在太阳距离的GW通量＝9.28×1024/4.17×1025＝0.222[瓦特/m2]。如果GW全部被衍射且传播是球面上各向同向的，则GW在太阳距离的通量＝9.28×1024/(4π[2.33×104×9.5×1015]2)＝1.51×10-17[瓦特/m2]。通过对均值不规则(与时间成正比)数值积分(例如参见在以下文献中可找到的算法，R.L.M.Baker，Jr.，New York，1967，pp.263-272)，平均GW功率P为9.296×1024[瓦特]。峰值GW功率1.73×1026[瓦特]出现在近星点通过(每7.75小时)时间，并如果GW全部衍射且传播在球面上是各向同性的，则在太阳距离结果将是GW通量为1.73×1026/(4π[2.33×104×9.5×1015]2)＝2.81×10-16[瓦特/m2]。假如GW检测器足够灵敏，以至可检测到原来它们不能检测到的这样的强度，那么便可认为GW波呈盘状传播或至少是GW的衍射在太阳距离从PSR 1913+16的轨道平面小于45度。
单个独立的可编程线圈系统(IIPCS)母专利U.S.Patent No.6,160,336中所述将所示的单个独立的可编程线圈系统(IIPCS)对本发明的操作有基本重要性。能够由计算机及相关的计算机软件使这系统控制晶体管或超快速开关系统。这些开关使无数的小于毫米的线圈断，携带电流的导体和/或机电元件开或接通，并产生磁(或电磁)力，以便产生三次导数或“冲击”，或换言之是质量或多个质量谐振。
对于本发明某些实施例中衰减的非常大量超小的，小于毫米线圈元件可采用小型化集成电路。它们被嵌入或印刷到硅芯片，有机材料上，或与基于聚合物装置连接。它们由多层组成，有适当按顺序的时间延迟，以保证如图1A所示磁场与各元件，或如图1B所示横穿设置在芯片各层上每一线圈的大约一微微秒的脉冲直流电流串相互作用几近同时，并能够与超快速结果或晶体管或其它半导体集成在芯片中。虽然在许多例子中采用了具有微微秒能力开关或晶体管，但可用采用慢得多的开关或晶体管以成功地实施本发明。一个优选实施例采用了传统的计算机芯片，包含大约18微米更小间隔的IIPCS电路元件，同步时钟，输入/输出端口，及在50到100微米中心小于毫米的线圈。芯片为大约6mm到9mm的方形并从硅晶片获得。使用大约25微米直径的金线这些芯片被缝合为电路板滚筒。几层这样的滚筒(例如25层)连接在固定的位置，或与移动主轴边缘相邻结合并在主轴边缘磁场中形成IIPCS。这种滚筒通常由French-owned Oberthur Card System(plant in Rancho Dominguez，California)，French-based Gemplus，Schlumberger(Paris and New York)，及Californi-based Frost &Sullivan制造。
如图1A所示的小型化集成电路情形下，有非常大数量的小的，小于毫米的线圈集或元件56嵌入到或印刷到多层硅芯片57上。IIPCS58的超高速开关或晶体管及发出一系列大约微微秒持续时间以电子迁移速度c运动的电流脉冲59，如图1A所示，它们将分别沿若干导线定时几乎同时到达各线圈集或元件，或每线路一个单个的导线，如图1B所示，因而与磁场60协同相互作用。这种相互作用的结果将是磁性物质的三次导数运动或冲击，以产生一串引力波。超快速开关最好是基于半导体的，诸如半导体光学放大器(SOA)，半导体非线性干涉仪诸如磷化物半导体芯片上的非线性的Sagnac干涉仪等(例如参见D.Cotter，et al，“Non-linear Optics for High-speed DigitalInformation Processing”，Science，Volume 286，November19，1999，pp.1523-1528)。通1B中，IIPCS及其超快速开关阵列被编程以便发出一串电流脉冲或大约一微微秒持续时间的区间59，使得脉冲串的每一成员将同时到达每一线圈或线圈集。脉冲串可由不变展宽的或零电流组成。这样脉冲持续时间在其通过线圈时将完全激发给定的线圈集，以便产生磁场相互作用。这种相互作用的结果将是通2所示的圆柱形中心磁芯63的三次导数横向运动或冲击，并如以下所讨论，产生GW串29，它在与U.S.Patent No.6,160,336通8A与8B所示的冲击方向及其相反方向两个方向传播。这个核心，活塞或圆筒63由IIPCS控制的线圈集64的外套环绕并与之紧密相邻。在互连线圈或线圈集的线路的单个导线上的脉冲串的情形下，在电流脉冲串沿线圈集的线路行进时形成全值脉冲。对每一线圈或线圈集的线路使用单个导线降低电阻功率损耗。为了传输信息，串中的所有脉冲可能不出现或它们以可能以不同的振幅出现因而调制GW。脉冲串的部分或展宽也可能是区间或定常的电流。在沿一个导体导线61串联的线圈集的每一线路中，将在线圈集之间有时间延迟62以保证电流脉冲到达任何给定的线圈集的同时性。
图3中，IIPCS 58的超快速开关或晶体管将发出一系列电流脉冲，以电阻迁移速度c沿着各导体或单个互连导线，作用在两个方向59大约微微秒持续时间，以便产生电流脉冲59，协同作用以产生调制的引力波29。电流脉冲将定时到达各平行板导体66，它们有不同的质量，或附有配重67，和/或携带不同的电流，和/或有不同的的弹性模量，和/或它们在安装上结构不同以便形成高频非对称质量位移。
图4中，IIPCS 58的超快速开关或晶体管将发出一系列大约微微秒持续时间以电阻迁移速度c运动的电流脉冲59，顺序地沿将定时到达各小于毫米的电的或电磁力元件55各导体或单个的互连导线，以增强GW束29的建立或调制。电或电磁力元件的总体将以多层被嵌入或印刷到硅芯片57上。
四极矩虽然对于GW产生的具体关系将是本发明实验应用的一个结果；作为这种关系的一例考虑标准的GW四极Eq.(110.16)，p.355 of L.D.Landau and Lifshitz(opcit)or Eq.(1)，p.463 of J.P.Ostrikeer，(“Astrophysical Sources of Gravitational Radiation”in Sources ofGravitational Radiation，Edited by L.L.Smarr，CambridgeUniversity Press，1979)，该文献给出GW辐射功率[瓦特]为P＝-dE/dt＝-(G/45c5)(d3Dαβ/dt3)2[瓦特] (3)其中E＝能量[焦耳]T＝时间[秒]G＝6.67432×10-11[m3/kg-s2](万有引力常数)，C＝3×108[m/s](光速，大约为电阻在导体中的迁移速度)，以及Dαβ[kg-m2]是装置质量的四极惯性矩张量，以及α和β是表示张量分量与方向的下标。
特别注意在方程式(3)的三次导数或核(即(d3Dαβ/dt3)2)。这种二次导数(“加速度”)的时间变化率常常称为“冲击”。因为这一核的因子是非常之小的1.76×10-52，核因而冲击必定是非常大的。在通过各种装置GW产生的以下例子中，我们将常常引述相同的GW公式的天文物理分析。然而应当认识到，虽然在本发明中以及天体的天文物理系统(或事件)中核心是类似的，但它们的操作迥然不同。在大多数情形下，天文物理上产生的GW依赖于较慢速运动、低频事件(不足一赫兹到MHz)及微弱的重力。另一方面，本发明的各实施例依赖于各种快速运动、高频事件(THz范围)及相对强的磁、电或电磁力。
优选实施例的详细说明为了理解本发明的各实施例宜参照GW产生的的历史根源。从Eq.(1)，p.90 of Joseph Weber(opcit，1964)，对于绕通过其中点旋转轴杆件的引力波(GW)辐射功率的爱因斯坦原始公式，该公式具有时间不变的惯性矩I[kg-m2]和角速度ω[弧度/s]，有
P＝-(G/45c5)([√{2×12}][Iω3])2＝-G(Iω3)2/5(c/2)5[瓦特]。(4)方程式(4)是一种近似，严格来说只长度对大大小于GW波长且杆件旋转速度小于c有效。
这是与关于p.356 of Landau and Lifshitz，opcit(在它们的记法中I＝μr2)对圆形轨道上两个物体(也呈现时间不变惯性矩)给出的方程式相同的方程式，其中ω＝n，轨道中点运动，并类似于与本发明各实施例相关的所有方程式。虽然方程式(3)和(4)结果是来自相对论力学，经典力学(诸如方程式(4)中传统的惯性矩的使用)将在这里用来提供有用的结果。
主轴装置GW产生实施例有理由(通过求得简化，就是说通过Ockham`s Razor)猜测，对于主轴装置的上/下旋转，对照母专利申请中(这里称为“(Id2ω/dt2)2公式或成分”)P＝-GKIω2dot(Id2ω/dt2)2/5(c/2)5[瓦特] (5)其中KIω2dot＝无量纲常数或通过实验建立的函数，并且d2ω/dt2＝主轴角速度ω的二次导数，或其角度的三次导数，称为“冲击”。实际上，正如由M.S.Turner and R.V.Wagoner“Gravitational Radiation from Slowly Rotating‘Supernova’Preliminary Results，”in Sources of GravitationalRadiation，Edited by L.L.Smarr，Cambridge Universiry Press，1979，p.383所述“如果角速度ω...是不均匀的，则产生八极(后牛顿)辐射(除了四极(牛顿)辐射之外...”(强调是添加的)，并在p.385上他们称“这种辐射不是由物质的非球形分布产生的...，而是由内部运动产生的。”这种三阶导数d2ω/dt2是通过对旋转体引入运动方程式计算的Idω/dt＝rf(6)其中r＝主轴边缘的半径[m]以及f＝与边缘的相切的力[N]。
导数由以下近似计算Id2ω/dt2≅Δ(Idω/dt)/Δt=Δ(rf)/Δt=rΔf/Δt---(7)]]>其中Δf是当由各独立可编程线圈系统(IIPCS)晶体管或超快速开关接通或断开或脉动时，磁场引起的与边缘相切的力或冲击或切向冲击中的近似瞬时增量。这样P＝-1.76×10-52(KIω2dotrΔf/Δt)2[瓦特]。
(8)(1)数值例作为数值例子(对于主轴GW产生装置稍微不同于Patent No.6,160,336中的示例性主轴)，设KIω2dot＝1(稍后由实验确定)，r＝1000[m]，Δf＝1.8×107[N]，及Δt＝10-12[s]。这些数是如下引起的边缘是径向面向外的铝镍钴永磁合金5个永久磁体(或电磁体)的薄(大约一cm厚)带。一般来说，永久磁体呈现不规则磁场及相关的力。凭经验这种并列的磁体带将产生超过每1.75英寸30磅(或每英尺206磅)的边缘切向力。每1.75-英寸磁体有大约2,600高斯或每4.4cm生成0.26[特斯拉]的磁通密度B。如母这里所述的千米-半径边缘是与中心主轴/鼓连接的大环带。IIPCS线圈设置在边缘周围，当开关接通时产生每0.044[m]0.26[特斯拉]的磁通密度，并产生每英尺超过200磅或3000[N/m]，这定义为Δf/Δl，或边缘上每米的切向力脉冲(就是说，在上旋期间大约一微微秒中力形成到几乎全值，并类似的在下旋期间是阻滞力的形成)。由于边缘周长是2π(1000)(每米3.28英尺)＝20,600英尺，当线圈被全赋能时所产生的切向边缘力为4.1×106磅或1.8×107[N]。区间10-12[s]随着线圈的接通和然后断开，将产生一串直流电，大约一微微秒的脉冲。在线圈的每一线路中将有一超快速的开关(这种开关可位于线圈附近且每一对大量的线圈集赋能，否则由中心IIPCS控制计算机协同定位)。
在用于切向冲击的主轴引力波(GW)功率的方程式(8)中插入数产生P＝-1.76×10-52(2×103×1.8×107/10-12)2＝-2.3×10-7[瓦特]。(9)1cm厚边缘的基准面积为(0.01)2π(1000)＝63[m2]，于是GW能量通量为3×10-9[瓦特/m2]。对于I的时间不变的值，可以有较简单的KIω2dotω([dω/dt]ω)2，用于上下旋转的GW功率公式或成分，但是如将可看到，对于大多数应用更希望的结果是KIω2dot(Id2ω/dt2)2或(Iω3)2公式或成分较小功率而不是较大的功率。
注意，线圈集必须是相互非常靠近。为了使线圈场与整个边缘磁场相互作用并产生继续脉冲或冲击，它们分开的间隙必须不大于0.3mm或300[微米](距离浅，因而磁场浅，且永久磁体上所得脉冲以微微秒行进)。如果一个行线圈集中所有的线圈集都以同一导体串联，则脉冲串的每一成员穿越300微米长度线圈集，与下一个线圈集由时间延迟电路分开。这种时间延迟电路可以是线圈集之间简单300微米长跳线(参见图1B中62)。在这种连接中注意，如果每一线圈集如图1A所示由其本身唯一的导体连接，而不是沿每一线圈行的一单一导体连接，则从控制计算机的逻辑电路到所有线圈开关的通信线或导体最好必须等于0.01mm或10[微米]，以便保证近似同时性或适当的定时。就是说，电子必须以小于大约微微秒时间差的适当时间到达所有线圈集。
(2)磁场建立和热损耗虽然在许多应用中不太关心，但这里“建立”线圈磁场的时间长度是重要的。当它与由边缘携带的永久或电磁体的静态磁场或其它磁物质相互作用时，电子必须在大约一微微秒内完成足够的线圈匝(以电子迁移速度或光速运动)，以便“启动”产生脉冲力“捶击”或捶击的大部分磁场。这样它们必须与具有总长小于0.3mm(0.0003[m]或300微米)的每一线圈“集”紧密缠绕。如果每一超小的、小于毫米的线圈集由两个线圈或匝组成，如母专利图7A，7B，7C，7D，7E，7G和7F中所示，则它们的直径数量级为d＝0.3/2π＝0.05[mm]＝50[微米]或更小。线圈导线可由大约0.015mm或15微米直径的金制成。这种导线在室温的电阻大约为135[欧姆/m]—高温超导材料在这里将是有用的。在上旋方式中，IIPCS将需要建立每0.044[m]的0.26[特斯拉]磁通密度(对于下旋方式的要求基本上类似，但反向)。这样
B＝μ0ni/1[特斯拉](10)其中μ0＝4π×10-7(自由空间的磁导率)，n是线圈匝数，i是通过线圈的电流[amps]，l是线圈导体的长度[m]。双线圈集将置于50到100[微米]中心上，使得在25个线水平或层的叠层的每一平方厘米水平上将有大约2×100×100＝2×104线圈匝。其中l＝0.044[m]，B＝0.26[特斯拉]，ni＝9.1×103[安培匝]。对于n＝25×2×104＝5×105，I＝9.1×103/5×105＝0.018[安培]或18毫安。穿过任何给定层或水平的15微米直径的金导线的总长度为100(行)×100(线圈&跳线/时间-延迟)×(600微米)＝6[m]。对于25层或水平将是150[m]导线，电阻为150[m]×135[ohms/m]＝2.025×104[ohms]。由于穿过导线的平均每隔一脉冲或电流区间并带电流，由于为了调制GW串中某些脉冲或电流区间将失去，因而芯片叠层或半导体层的每厘米热损耗为(1/2)i2R＝3.28[瓦特] (11)使用25微米直径导线用于时间延迟跳线能够降低这种热损耗32％，但为此目的高温超导体是值得期待的。此外在GW产生过程期间可能有由所产生的电磁辐射引起的某些能量损耗或阻力。可通过例如对线圈、元件赋能设计并通过IIPCS控制电流脉冲方向而降低这种损耗。顺便来说，借助于在GW通路中插入对于EM辐射是不透明的而对于GW是透明的导体，能够易于屏蔽EM辐射。
整个边缘的上/下旋不是瞬时的，并且预料以光速在边缘从边缘上由线圈磁场作用的并列的永久磁体位置行进。(上/下旋不以局部声速行进，但预期以光速行进，如同信号由无摩擦杆推动传输那样。就是说，在GW峰顶由它们的磁场推动以光速通过磁体运动时，包括边缘周围上的磁体的所有铁磁分子都协同运动。另一方面，主轴或哑铃装置中的脉冲应力在装置的材料内则是以声速而不是光速向内传播的)。这样，例如以一微微秒周期或切换速率，3×108[m/s]的边缘内光速，在线圈激活后每一微微秒期间并列线圈/磁体作用位置的每一侧上边缘的大约(10-12)(3×108)＝0.0003[m]或0.3[mm]或300微米将响应(上/下旋)。在哑铃形边缘的情形下这一过程将产生如母专利图8B所示引力波加宽的扇形51。本发明的示例性装置很多多于4,290个线圈位置可围绕边缘分布(大概只在单个扇形或选择的与边缘相邻的扇形；因而大大降低了所需的线圈数并使GW“聚焦”)。大量的最好是基于半导体的超快速开关，将由IIPCS线圈控制计算机以到所有的开关几乎等长的通信线同时激活。
(3)边缘材料加速度正和负冲击的随机序列趋向以随机游动形成在时间上的正加速度。然而考虑极端的情形，其中最大冲击在δt＝10-7[s]或100纳秒时间长度上连续形成边缘加速度(上旋，或减速，下旋)。对于母专利申请的示例性实施例边缘磁物质每单位长度的质量为Δ质量/Δl＝3.83[kg/m]。冲击为da/dt＝d3s/dt3＝([Δf/Δl]/[Δ质量/Δl])/Δt＝(3000[N/m]/3.8[kg/m]/10-12＝7.89×1014[m/s3](12)其中S是位移。因而在δt＝100纳秒(10-7[s])连续且定常冲击时，加速度da/dt将成为a(t)=∫0δt(da/dt)dt=(7.89×1014)(10-7)=7.89×107[m/s2],---(13)]]>(当然，由IIPCS进行的冲击的控制永远不会允许这样高的加速度的形成)速度将形成为da/dt=∫0δt(da/dt)dt=(da/dt)δt2/2=]]>(7.89/2)×1014×(10-7)=3.9[m/s],---(14)]]>且位移将成为S=∫0δt(ds/dt)dt=(da/dt)δt3/6=(7.86/6)×1014×(10-7)3]]>=1.315×10-7[m].---(15)]]>在100纳秒上形成的角速度为3.9[m/s]/1000[m]＝3.9×10-3[弧度/s]，例如与双星PSR1913+16的2.25×10-4[弧度/s]平均运动相比。这样在磁物质中有可观的“运动”，但实质上物质只行进很小的距离。就此来说，IIPCS能够被编程以保证没有磁物质位移超过一定的预规定的限制值的长期增加或加速度。例如，如果冲击每两秒钟被反向(往复)，则加速度将形成小于200[g]。应力以声速(例如5000[m/s])离开磁物质运动，或100纳秒中大约500毫米。它们表示将消散的微观冲击波。
径向冲击GW产生实施例在边缘扇形或多个扇形的定向辐射脉冲或位移的情形下，它们的结果是惯性矩的时变值I。这些位移在径向由在边缘或哑铃的给定的、单个楔形的扇形或并列扇形中线圈的径向弧的顺序激活形成。在IIPCS控制下，上述的电路板或计算机芯片滚筒的径向条被顺序激活以形成或产生(d3I/dt3)2公式或GW成分，作为GW以光速向外运动。径向位移应当是非对称的(在IIPCS控制下)，以便产生四极矩或使得GW将不会抵消。天文物理的类比在这里是振动的白矮星发射GW(例如参见D.H.Douglas，p.491，of L.L.Smarr，opcit)。
如在由国家安全局技术与系统代理局长Geoff Burdge在说明中所知指出(书写的通知日期2000年1月19日)“因为对称性，能够使四极矩与系统的三维张量的主惯性矩相关，并...能够由以下近似表示-dE/dt≈G/5c5(d3I/dt3)2＝5.5×10-54(d3I/dt3)2。”(16)其中k在Burdge的记法中是G，且单位是MKS制[瓦特]，而非cgs。这种情形下P＝-GKI3dot(d3I/dt3)2/5c5[瓦特] (17)其中I＝δm r2[kg-m2]，δm＝各边缘扇形或扇形成员(或哑铃)的质量[kg]，以及r＝相反的δm之间距离的一半[m]。这样d3I/dt3＝δm d3r2/dt3＝2rδm d3r2/dt3+... (18)并且注意到以下可计算d3r2/dt32rδm d2r/dt2＝2rfr[N-m] (19)其中fr＝单个边缘扇形、多个边缘扇形或哑铃上的径向力。(本发明的这种单个扇形实施例也可形象化为线性电动机)。
导数计算表示为d3I/dt3≅2rΔfr/Δt,---(20)]]>其中Δfr是当磁场由IIPCS的晶体管或超快速开关接通或断开时磁场引起的边缘上径向力中近似瞬时增量，即径向冲击。就此而言，线圈由IIPCS在径向向外顺序排序(以光速)以便产生或建立高频引力波。这样P＝-5.5×10-54KI3dot(2rΔfr/Δt)2(21)又KI3dot将是由经验确定的函数，考虑这样的事实即r对于大多数有关的高频GW不可能小于GW波长。
作为一个数值例，对于类似于先有的数值例子中所述的主轴，但带有周围磁体的一米宽防护板且IIPCS线圈集在顶部和底部(这样沿边缘周边每米长2×100cm/m＝200倍力)，KI3dot＝32，Δf＝3.6×109[N]，r＝1000[m]且Δt＝10-12[s]，于是(待实验验证)P＝-1.76×10-52(2×1000×3.6×109/10-12)2＝-9.12×10-3[瓦特](22)又基准面积为63[m2]，于是装置附近GW能量通量大约为1.45×10-4[瓦特/m2]。
单扇形或线性电动机，切向冲击GW产生实施例本发明的单扇形或线性电动机实施例(有时称为线性感应电动机或LIM)是本发明的最佳实施例。可以形象化涉及带有切向而不是径向脉冲力的边缘单个扇形。另外，可以概念化为边缘磁体和相邻线圈从边缘剥离并扁平配置。这种情形下，示例性装置将是2000[m]长度和3[m]直径。大约一厘米宽的芯片滚筒沿中心圆柱永久-(或电-)磁芯、活塞或圆筒放置，如图2所示。滚筒的每米长段将产生大约3000[N]纵向力f1，所有它们共同形成围绕由磁点组成中心磁芯、活塞、或滚筒的小于毫米的线圈的护套。注意，这种情形下磁物质的运动是非对称的(或者“入”或者“出”)，使形成四极且GW不会相消而变为零。IIPCS控制电流可在任一方向行进，并在本发明实施例线圈单互连线中交替线圈线可由相反方向运动的脉冲串赋能以使磁物质振动。磁物质本身可由带或不带芯的电磁体构成，这可由IIPCS控制，以增加GW产生。
(1)数值例作为一个数值例，有大约一个滚筒或25层条带芯片在纵向围绕并与圆筒相邻间隔开(平行于圆筒轴)，每2厘米形成护套。这样将有π×3[m]×100[cm/m]/2[cm]＝471条带，2000[m]长或Δf1＝(471)(2000[m])(3000[N/m])＝2.83×109[N](23)并有Kmr3dot＝32(待实验建立)，P＝-1.76×10-52(2×2000×2.83×109/10-12)2＝-2.26×10-2[瓦特](24)这样，使用两3[m]直径端头的基准面积2π(1.5)2＝14[m2]，(GW在两个方向的传播)产生的GW通量对于为1.6×10-3[瓦特/m2]。
(2)扇形材料加速度这种情形下冲击从以下获得(da/dt)每单位面积＝(Δf/Δt)/(Δ质量/ΔA) (25)其中Δf＝Δf1[N]/(2000[m]×3[m]π)＝2.83×109/1.885×104＝1.5×105[N/m2]，于是Δf/Δt＝1.5×105/10-12＝1.5×1017[N/m2-s]以及 (26)Δ质量/ΔA＝每面积质量(条带的3.8[kg/m])(每米471条带)＝1.79×103[kg/m2]，于是da/dt＝1.5×1017/1.79×103＝8.83×1013[m/s3]。因而，在100微微秒连续冲击中加速度将形成a＝d2s/dt2＝(da/dt)δt＝(8.38×1013)(10-7)＝8.38×106[m/s2]。(27)如已注意到，IIPCS将被编程，使得加速度不会接近这一值！作为一例，对于一THz交变冲击加速度将只形成为(8.38×1013)(10-12)＝83.8[m/s2])＝8.6[g`s](交变或往复的“捶击”作用在单个质量或单个质量{诸如磁点}；两个质量发协同振动)。在100个微微秒同一方向连续捶击的极端情形下，速度将形成为dS/dt＝(da/dt)δt2/2＝(8.38×1013)×10-14＝0.42[m/s](28)且磁物质的位移(单个扇形、活塞或圆筒的磁表面)为S＝(da/dt)δt3/6＝(8.38×1013/6)×10-21＝1.40×10-8[m] (29)又有相当的磁物质的“运动”，但它在IIPCS使形成的加速度、速度、位移反向之前它行进很小的距离。
为了与本发明先前的实施例比较，考虑线圈对或线圈集演变为位于彼此非常靠近并在同方向携带大电流(并因而彼此吸引)的平行导线扁平对。这种可在任一方向行进的电流通过PIICS大约每微微秒由大量的超快速开关或晶体58(图3)脉冲化，以产生通过导线的电流脉冲。为了简化，作为例子考虑扁平的导线，如图3中所示一米方板(因而一平方米GW基准面积或更小(例如为了实现r＜＜λGW)下降到横向电流脉冲波长，或通过构成各板对的镶嵌形成较大)。作为一数值例，设每一板携带一千安培电流，且对中的板设置分开一微米(10-6[m])，且这些对分开更大距离例如0.1[mm]。为了实现非对称质量位移(以产生四极矩)每一对或每一“线圈集”的一个板可比另一个更为粗大，就是说呈现相当大的截面积，或结合图3中的配重67，或携带比另一个大得多的电流，或具有不同弹性模量，或在其安装中约束不同。如果PIICS以微微秒持续时间的脉冲对这些导电板加脉冲，则每一周期对每一线圈对或线圈对集合的吸引和排斥力(横向冲击)将是Δf＝(μ0/2π)(1000[amps]×[1000[amps])/10-6[m]＝2×105[N]. (30)图3中的IIPCS控制开关58将对大约以光速c运动的电流脉冲59排序，形成引力波29。
设GW辐射功率由以下给出P＝G(md3r2/dt3)2/5(c/2)5∝G(Δf/Δt)2/5(c/2)5＝1.76×10-52(Δf/Δt)2[瓦特] (31)其中Δf/Δt＝2×105/10-12＝2×1017[N/s]。
这样待实验验证P∝1.76×10-52(2×1017)2＝7.04×10-18[瓦特] (32)并由于基准面积是两平方米(GW出入板传播)，因而GW通量＝3.5×10-18[瓦特/m2]。例如两个板的安培数乘积将需要大约以105的因子上升(到大约一百万安培)，或板之间的距离以同样的因子降低(到十微微秒或10-11[m])，或板对数目按一千因子增加，或每层镶嵌许多板对(并且是多层)，或它们的某种组合，以便达到本发明其它实施例的GW通量值。然而这种电流超过了通过Sandia Laboratory Z-夹紧机一千八百万安培电流(A.Wilson，“Z Minics X-rays from Neutron Stars”，Science，Volume 286，December 10，1999，p.2059)。这种机器的电流产生的冲击预料将产生GW脉冲，其务导线彼此崩溃，如果它们以非对称形式进行。
机电力GW产生实施例在一THz，GW波长为3×10-4[m]或300微米。于是根据JosephWeber，p.313，1960 opcit，半波长和最佳晶体尺寸为150微米，当然为了使近似四极方程式成立甚至更小。如果例如压电晶体机电元件的组合由IIPCS控制并代替线圈，并在芯片中160微米中心上，则将有每平方厘米大约60×60＝3.6×103。如果有25个芯片级或层，则每平方米大约有25×3.6×103＝9×104晶体或每[m2]有9×109，如图4所示。能量将是每晶体10-20[瓦特](如果每一个正好在其下面间断点通过低温和高频操作被驱动)乘以9×109(晶体) 10-11[瓦特](受到实验验证)。使晶体适当地指向并由IIPCS编程控制以便使GW辐射从厘米厚度、一平方米晶体阵列传播(其面积大约是一厘米乘一米)，即2×10-2[m2]的基准面积，GW通量是1/2×10-11/10-2＝5×10-10[瓦特/m2]。如Joseph Weber(同上)所指出，可采用这种系统“...产生并检测引力波辐射”(强调点是添加的)。就检测来说，晶体将表示非常小的谐振器，其自然排量在兆兆赫兹范围。替代本发明使用压电晶体的优选实施例包括但不限于或者P或者N处理的应变计硅半导体，薄膜压电晶体，机电毫微级机，电容器，介电谐振器，螺线管和压电聚合物。机电毫微级机是诸如活塞激励器，电动机，振荡器泵等的装置。对于具体设计细节可采用G.L.Wojcik，et al，“Electromechanical Modeling Using ExplicitTime-Domain Finite Elements”，IEEE 1993 Ultrasonics SymposiumProceedings，Volume 2，pp.1107-1112或Jan Kocback`s“Finite-Element-Modeling Analysis of Piezoelectric Disks，--Method andTesting”，Master of Science Thesis，Department of Physics，Universityof Bergen，Bergen，Norway。
如以上引述的在1960和1964 Joseph Weber文章中详细所讨论的，在其通过它们时引力波的通过使物体和物体集变形。例如，作为收集器元件功能的压电聚合物，硅半导体，薄膜压电谐振器，压电晶体是通过GW被变形的，并产生小电流。类似地，作为收集器元件功能的的电容器板彼此相对轻微运动因而产生信号。实际上，这些元件既是可赋能的并产生GW，又是收集器并通过相同的导体检测GW。毫微级机收集器以类似的方式工作。毫微级机是微观的或分子尺度的机器，例如母专利的哑铃电动机/发动机的微观版本。在GW通过收集器时，哑铃轻微运动，并且亚微观线圈响应这一运动而产生小电流。类似地，以电动机方式对微观线圈赋能由于哑铃运动将产生GW。电换能器或微型应变仪毫微级机响应GW通过引起的形变，恰如其对机械引导应变相同的方式，因而作为GW检测器的功能。毫微级机压力换能器收集器元件响应在组成流体的颗粒集GW通过它时压力的轻微变化。收集器元件的位置与其同超快速开关或晶体管的连接与赋能器元件的位置等同，如图4所示，并且已所示，可以是作为赋能器或收集器而起作用的同一元件。
使用GW的通信作为与用于高频THz引力波串的可能引力波检测器相关的一个近似数值例，考虑对于诸如由Joseph Weber(opcit，1964，p.99)给出的天线的吸收截面σ[m2]σ＝15πGIQβ2N2/8ωc[m2](33)其中G＝6.67423×10-11[m3/kg-s2](万有引力常数)I＝检测器元件(多)的惯性矩或四极矩[kg-m2]，Q＝在其以e因子振幅延迟之前π倍自由振荡器经受的振动数，β＝2π/λ[1/m](传播常数)，λ＝c/v[m](引力波波长)，N＝天线中耦合在一起的四极数目(参见Eq.(2.9A)，p.62，ofGravitational Radiation and Relativity，Edited by J.Weber and T.M.Karade，World Scientific Publishing Co.，Singapore，1986)，c＝3×108[m/s](光速)，
v＝引力辐射频率[1/s或Hz]，以及ω＝角频率(或平均运动)[1/s]。
对于Q＝106(如由以下文献所述Joseph Weber opcit，1960，p.308，“A practical antenna might be expected to have Q≈106.”大的Q意味着需要长时间使四极元件达到热平衡。而且，Weber所设想的检测装置是一种大的隔离铝圆柱体面，被悬挂并与环境良好隔离。用于本装置的收集器元件大概包含在带有阻尼约束的芯片，且Q可能小得多)。
v＝1012[Hz]或一[THz]，以及β＝2πv/c＝2.09×104[1/m]。以及ω＝v/2＝5×1011[1/s]；参见Weber，1964，opcit p.990，我们有σ＝1.15×10-15IN[m2]。
这一值与I及天线中耦合在一起的四极数N(质量与特性几乎等同)相关，最好与在同上on p.102 of Weber给出的Weber Bar的σ＝10-20[m2]比较。
引力波(GW)通信系统要达到怎样的带宽的近似估计是如下获得的假设GW产生或传输装置与接收器或检测器之间的距离大约一个地球半径7,000[km]或7000边缘半径。而且假设通过地幔传输百分之10的GW能量得以通过。这样，对于切向冲击的情形，通过由IIPCS调制电流脉冲获得的“信号”(某些脉冲消失且某些形成较长持续不同振幅的脉冲或多个脉冲)使用由方程式(9)给出的主轴装置附近的功率，且有2×10-9[瓦特/m2]的平均功率通量S＝(2×10-9)(0.1)/7000＝2.8×10-14[瓦特/m2](34)在接收器或检测器处(假设GW在单平面中很少或没有衍射传播)。对于径向冲击主轴情形，使用由方程式(22)给出的装置附近的功率，且有1×10-4[瓦特/m2]的平均功率通量S＝(1×10-4)(0.1)/7000＝1.4×10-9[瓦特/m2] (35)对于纵向冲击，线性电动机情形，带有来自方程式(24)的平均功率(如果随“边缘”半径中范围有下落)，带有2000[m]长度或回转半径，并且1×10-3[瓦特/m2]结果的平均功率我们有，S＝(1×10-3)(0.1)/7000＝1.4×10-8[瓦特/m2](36)我们来估计THz带中的“噪声”N＝10-20[瓦特/m2](大概没有很多GW源，但布朗运动，热和量子扰动等可能造成比这更多的噪声)，并且GW检测器呈现对这同一量级的灵敏度。然而应当认识到，长基线的带宽，现在构成的干涉测量的GW检测器至多是大约为几个kHz，并且它们并不是为THz检测设计的。此外，42年前由Joseph Weber考虑的单晶体检测器灵敏度六到十量级的改进可能需要被实现(如在p.313 of Weber opcit，1960给出的大约10-10[瓦特]灵敏度)。然而最近，Weber已经乐观地推测(opcit，1986，p.30)，“...(弹性固体)引力辐射天线的理论灵敏度是没有限制的，并且改进现有天线的灵敏度新方法的数目可能也是没有限制”。
使用香农(shannon)经典方程式(C.B.Shannon，Bell SystemTechnical Journal，Volume 27，Number 379，p.623，1948)，对于主轴切向冲击GW实施例信息传输的最大速率C由以下给出C=Blog2(1+2.8×10-14/10-20)≅(1012)(20)=2×1013[bps],---(37)]]>对于径向冲击GW实施例C=Blog2(1+1.4×10-9/10-20)≅(1012)(30)=3×1013[bps],---(38)]]>并对于纵向冲击(线性电动机)GW优选实施例C=Blog2(1+1.4×10-8/10-20)≅(1012)(40)=4×1013[bps],---(39)]]>在每一实施例中，带宽B取为IIPCS开关通-断或“切换”速率，大约为每秒1012往复“捶击”或冲击的速率(一个THz和多个GW发生器或“发送器”能够进而增加带宽)。
对于本发明纵向冲击(单扇形或线性电动机)优选实施例存在涉及接收信号有用的品质因数或交替函数S∝([2πrl{lΔf1/ΔA}/Δt]2/[πr2])α (40)∝(l2[Δf1/ΔA]/Δt)2α (41)(注意，单扇形圆柱磁芯、活塞或圆筒的半径抵消)其中S＝检测器(接收器)处的信号[瓦特/m2]。
r＝单扇形磁芯、活塞或圆筒的半径[m]，l＝磁芯、活塞或圆筒的半径处的单扇形半径或长度[m]，Δf1/ΔA＝作用在单扇形磁芯、活塞或圆筒的每单位面积的纵向力[N/m2]，Δt＝脉冲时间[s]，α＝由于GW发生器(发送器)和检测器(接收器)之间插入的材料的衰减[无量纲]，以及假设对于本发明的单扇形或线性电动机优选实施例，如果很小没有GW衍射，则没有ρ相关的范围(待实验测试)。
作为一数值例，考虑对于长度l的解，l＝4√(S/α)×(Δt/[Δf1/ΔA])2(42)其中S＝4.5×10-4乘以额定＝(4.5×10-4)(1.4×10-8)＝6.26×10-12[瓦特/m2](假设{1/4.5}×104更灵敏的检测器或接收器)，α＝10乘以额定＝(10)(0.1)＝1[无量纲](假设没有衰减)，Δt＝10-1乘以额定＝10-13[s](由100毫微微秒超快速开关和脉冲持续时间可能的设计引起)，以及Δf1/ΔA＝100乘以额定＝(100)(5.64×109/[2000×3π])＝(100)(3.0×105)＝3.0×107[N/m2](假设例如由于使用高温超导和电磁体增加了磁效率)。
这样，在这种情形下，GW发生器的长度将是(去除7000边缘半径因子；这样因子为10-3/7)l＝4√([6.26×10-12/10][10-3/7]/[100/0.1]2)(2000)＝6.15×10-3[m]＝6.15[mm]。 (43)方程式(41)能够由业内一般专业人员使用，以实施采用具有不同能力的快速或超快速开关或晶体管的本发明，即不同的Δt，不同的检测能力S，不同的力Δf，及不同的长度l，包括显著小于GW波长的长度。
推进没有疑问，高频GW实验将揭示GW借助于远程GW发生器对推进式航天器的许多应用。就此而言，在p.349 of Landau andLifshitz(opcit)，他们评论“由于它具有确定能量，GW本身是模制附加的引力场源。如同产生它的能量，这种场是hik(描述伽利略度量的弱扰动的张量)中二阶效应。但在高频引力波的情形下，该效应被明显增强...”(重点是添加的)。
主轴GW-产生装置的转轴定义了一种优选的，单个的，空间中唯一方向以及优选的，单个的，唯一平面。单-扇形，线性电动机GW发生器装置的轴也定义了优选的，空间中唯一方向。这样对于引力辐射有一种非球面性或模式，各向异性或聚焦，这与场强辐射天线模式类似。作为这种模式的一部分，在没有衍射时引力波被约束在边缘的“优选”的平面，或空间中线性电动机的“优选”线的轴，这一概念也将被测试。这些概念对航天器推进具有潜在的应用，或者是通过远程“引力场”产生，或者通过把各向异性GW发生器装载在航天器上-“相对式火箭”。
权利要求
1.一种引力波检测装置，包括多个收集器元件；多个连接到元件的电子开关；计算机控制的逻辑系统，连接到信息处理装置，用于有选择地以预定时序连接元件；以及接收器，连接到信息处理装置，以指示引力波的检测。
2.根据权利要求1的装置，其中多个元件是压电晶体。
3.根据权利要求1的装置，其中多个元件硅半导体。
4.根据权利要求1的装置，其中多个元件是薄膜压电谐振器。
5.根据权利要求1的装置，其中多个元件毫微级机。
6.根据权利要求5的装置，其中毫微级机是活塞激励器。
7.根据权利要求5的装置，其中毫微级机是发生器。
8.根据权利要求5的装置，其中毫微级机是电换能器。
9.根据权利要求6的装置，其中毫微级机是压力换能器。
10.根据权利要求1的装置，其中多个元件是压电聚合物。
11.根据权利要求1的装置，其中多个元件是电容器。
12.根据权利要求1的装置，其中多个元件尺寸小于毫米并结合到半导体芯片中。
13.根据权利要求1的装置，其中多个元件尺寸小于毫米并与基于聚合物的装置集成。
全文摘要
一种引力波发生装置包括可赋能元件总体，涉及在计算机与伴随的计算机软件系统控制下的磁，电和机电功能。磁和电力元件当在计算机引导下被赋能时协同操作，产生了物质的快速的三次导数运动。这一行动引起高频引力波的产生，它们能够被调制和整形，以便用于通信，推进及各种物理实验。可赋能元件可以是嵌入计算机芯片，电流携带导体，或小机电装置的非常小的线圈或线圈集。受到线圈元件作用的物质可用是永久磁体或多个磁体，或电磁体。在机电元件结构中，该装置即可用于引力波的产生也可用于引力波的检测。
文档编号H02N11/00GK1654978SQ20051005588
公开日2005年8月17日 申请日期2001年7月13日 优先权日2000年7月14日
发明者小罗伯特·M·L·贝克 申请人:小罗伯特和邦尼·贝克家庭信托公司, 小罗伯特·M·L·贝克