The Einstein Telescope beam pipe vacuum system: exploring novel techniques and materials for a cost-effective design solution

Scarcia, Carlo; Stahl, Achim; Krupp, Ulrich; Hebbeker, Thomas

doi:10.18154/RWTH-2025-06498

The Einstein Telescope beam pipe vacuum system: exploring novel techniques and materials for a cost-effective design solution

Scarcia, Carlo^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carlo Scarcia, M. Eng.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06498
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015643/files/1015643.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Einstein Telescope (frei) ; beampipe (frei) ; ferritic stainless steel (frei) ; mild steel (frei) ; strain noise (frei) ; ultra-high vacuum (frei) ; vacuum (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In den kommenden Jahrzehnten wird die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren (3G-GWDs), wie der Cosmic Explorer (CE) und das Einstein-Teleskop (ET), es ermöglichen, die Entwicklung des Universums bis zurück zur Entstehung der ersten Sterne zu erforschen. Diese Detektoren sind so konzipiert, dass sie mit einer um eine Größenordnung besseren Empfindlichkeit arbeiten als die der aktuellen Generation (2G-GWDs). Um diese verbesserte Leistungsfähigkeit zu erreichen, sind deutlich längere Detektorarme erforderlich, die unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) betrieben werden, mit einem Partialdruck, der um eine Größenordnung niedriger ist als in den bestehenden großmaßstäbigen Interferometern. Die Skalierung der derzeitigen Produktions- und Vakuumlösungen würde jedoch dazu führen, dass die Vakuumsysteme der Strahlrohre etwa ein Drittel des prognostizierten Budgets ausmachen und fast zwei Jahrzehnte für ihre Fertigstellung benötigen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, ist es entscheidend, kostengünstigere UHV-kompatible Legierungen zu identifizieren, die den derzeit verwendeten austenitischen Edelstahl ersetzen können. Darüber hinaus ist die Entwicklung eines zuverlässigen Vakuumsystems, das die strengen Anforderungen erfüllt und gleichzeitig eine effiziente Betriebsweise gewährleistet, von entscheidender Bedeutung. Diese Dissertation liefert zwei zentrale Beiträge: Zunächst, eine umfassende Untersuchung der UHV-Kompatibilität kommerziell verfügbarer ferritischer Legierungen. Die ausgewählten Legierungen, die aus den Familien von Baustahl und ferritischem Edelstahl stammen, werden quantitativ analysiert und mit dem unbehandelten sowie ausgeheiztem austenitischen Edelstahl verglichen. Mittels Thermischer Desorptionsspektroskopie (TPD) wird der Wasserstoffgehalt und die charakteristische Desorptionskurve untersucht. Da in der Literatur entsprechende Daten nicht vorhanden sind, wurden speziell angepasste Tests entwickelt, um die Bindungsenergien von Wasserdampf zu bestimmen. Diese Ergebnisse wurden anschließend durch Simulationen von Ausheizzyklen validiert, um den resultierenden ultimativen Wasserdampfpartialdruck vorherzusagen. Außerdem wird die Wirksamkeit der Ausheizens bei niedrigen Temperaturen als potenzielle wirtschaftliche Lösung zur Reduzierung der Inbetriebnahmekosten untersucht. Zusätzlich wurden dünnwandige, gewellte Prototypen aus drei verschiedenen Legierungen – austenitischer Edelstahl, Baustahl und ferritischer Edelstahl – entwickelt und getestet. Diese Prototypen wurden unter Ausheizung und skalierbaren Pumpbedingungen getestet, um die Umgebung eines GWD-Strahlrohr-Vakuumsektors zu simulieren. Nachdem die Randbedingungen auf Grundlage des Experiments festgelegt wurden, wird in dem zweiten Beitrag der Dissertation die Vakuumeigenschaften der analysierten Legierungen und des entwickelten Modells genutzt, um das ET-Strahlrohr-Vakuumsystem zu entwerfen und ein Inbetriebnahmeverfahren zu skizzieren. Es wird eine vorläufige Kostenabschätzung erstellt und mit früheren Kostenvorhersagen verglichen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass mit der Verwendung kostengünstiger Stahllegierungen und einem durchdachten Design das Strahlrohr-Vakuumsystem für Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation zu einem Bruchteil der zuvor prognostizierten Kosten gebaut werden kann ohne die UHV-Leistung zu beeinträchtigen und möglicherweise sogar die ursprünglichen Vakuumeigenschaften übertrifft.

In the coming decades, the next generation of gravitational wave detectors (3G-GWDs), such as the Cosmic Explorer (CE) and Einstein Telescope (ET), will enable us to study the universe's evolution back to the formation of the first stars. These detectors are designed to operate with sensitivities an order of magnitude better than those of the current generation (2G-GWDs). Achieving this improved performance will require significantly longer detector arms operating in Ultra High Vacuum (UHV) conditions, with partial pressures one order of magnitude lower than those in existing large-scale interferometers. Scaling current production and vacuum solutions would lead to beam pipe vacuum systems costing around 1/3 of the forecasted budget and requiring nearly two decades to complete. To overcome these challenges, it is crucial to identify more cost-effective UHV-compatible alloys to replace the currently used austenitic stainless steel. Additionally, designing a reliable vacuum system that meets stringent requirements while ensuring operational efficiency is essential. This thesis provides two key contributions: First, a comprehensive study of the UHV compatibility of commercially available ferritic alloys. The selected grades, from the mild steel and ferritic stainless steel families, are quantitatively analysed and compared with as-received austenitic stainless steel in unbaked and baked conditions. Thermal Programmed Desorption (TPD) is used to study hydrogen content and the characteristic desorption curve. Due to a lack of data in the literature, custom tests were developed to determine water vapour binding energies. These findings were then validated through simulations of bakeout cycles, predicting the resulting ultimate water vapour partial pressure. Furthermore, the effectiveness of low-temperature bakeout is explored as a potential economical solution for reducing commissioning costs. In addition, thin-walled corrugated prototypes made from three different alloys—austenitic stainless steel, mild steel, and ferritic stainless steel—were developed and tested. These prototypes were tested under bakeout and scaled pumping conditions to simulate the environment of a GWD beam pipe vacuum sector. After setting the boundary conditions based on the experiment, the second contribution utilises the vacuum properties of the analysed alloys and the developed model to design the ET beam pipe vacuum system and outline a commissioning procedure. A preliminary cost estimation is provided and compared to previous cost projections. In summary, this thesis demonstrates that using inexpensive steel grades and a well-considered design, the beam pipe vacuum system for next-generation gravitational wave detectors can be constructed at a fraction of the cost previously forecasted without compromising UHV performance—and potentially even surpassing the original vacuum performances.

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