Cryogenic sensing and actuation techniques for the Einstein Telescope

Kuhlbusch, Tim Johannes; Stahl, Achim; Hebbeker, Thomas

doi:HT031311913

Cryogenic sensing and actuation techniques for the Einstein Telescope

Kuhlbusch, Tim Johannes^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Tim Johannes Kuhlbusch

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
Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH* ; Hebbeker, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09249
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020812/files/1020812.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Einstein Telescope (frei) ; YBCO (frei) ; additive manufacturing (frei) ; cryogenic (frei) ; gravitational wave (frei) ; gravitational wave detection (frei) ; noise mitigation (frei) ; photodiode (frei) ; superconductor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Durch die Verbesserung der Sensitivität von Gravitationswellendetektoren werden Beobachtungen von weiter entfernten Quellen, präzisere Messungen und die Entdeckung neuer Quellen ermöglicht. Der Frequenzbereich unterhalb von 10 Hz ist für viele wissenschaftliche Anwendungen, zum Beispiel die Multi-Messenger-Astronomie, von entscheidender Bedeutung. Um das thermische Rauschen bei diesen Frequenzen zu minimieren, werden künftige Detektoren, wie zum Beispiel das Einstein-Teleskop, die Spiegel und ihre Aufhängungssysteme kühlen. Viele Komponenten der Spiegelaufhängungen müssen daher angepasst werden um sie bei Temperaturen von 10 bis 300 K zu betreiben. Nur wenige kommerziell erhältliche Komponenten sind für die Anwendung bei Kryotemperaturen spezifiziert. In dieser Arbeit werden die Herausforderungen bei der Auswahl von Komponenten erörtert und mögliche Lösungen evaluiert. Optische Positionssensoren werden benötigt, um die Bewegungen innerhalb der Spiegelaufhängungen zu überwachen, mechanische Eigenschaften zu charakterisieren und Feedbacksignale für die Kontrollsysteme abzuleiten. LEDs werden aktuell in vielen dieser Sensoren genutzt. In dieser Arbeit konnten sie erfolgreich bei tiefen Temperaturen eingesetzt werden, haben aber Einschränkungen hinsichtlich Effizienz, optischer Strahlqualität und Rauschverhalten. Eine Alternative ist die Verwendung von Lichtwellenleitern und Kollimatoren, um Licht von externen Quellen in der Kryoumgebung zu benutzen. Photodioden sind die gängigste Lösung für das Auslesen optischer Sensoren. Die Herausforderungen bei der Auswahl geeigneter Photodioden werden in dieser Arbeit diskutiert, und die Auswahl einer Photodiode für 1550nm dokumentiert. Die vorgestellten Messungen wurden zur Auswahl der optischen Komponenten für Sensoren des E-TEST Prototypen benutzt. Um die Bewegung der Spiegelaufhängungen zu kontrollieren und die Spiegel auszurichten werden Steuerkräfte durch Aktuatoren aufgebracht. In aktuellen Detektoren werden dazu Voicecoil-Aktuatoren eingesetzt. Der Betrieb bei tiefen Temperaturen stellt neue Anforderungen an diese Aktuatoren. Supraleiter sind eine vielversprechende Option, um die Abwärme der Aktuatorspulen zu minimieren, da die für die Supraleitung notwendigen Kryotemperaturen bereits vorhanden sind. Diese Arbeit evaluiert die additive Herstellung des Supraleiters Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) in einem Pulverbettschmelzverfahren und dokumentiert die Charakterisierung der hergestellten Proben. Darüber hinaus werden Techniken zur Vorhersage und Reduktion von Störungen in interferometrischen Detektoren diskutiert und an einem Michelson-Interferometer getestet.

Improving the sensitivity of gravitational wave detectors is essential to increase the observable fraction of our universe and to enable new observation possibilities. The low frequency region below 10 Hz is essential for many science cases like multi-messenger astronomy. Therefore, future gravitational wave detectors like the Einstein Telescope will require cryogenic mirrors and cryogenic suspension systems to decrease thermal noise. Many components of the mirror suspension systems must be improved to work across the temperature range from 10 to 300 K. Commercial availability of components specified for these low temperatures is scarce. This work explores the challenges of selecting components and evaluates possible solutions. Optical displacement sensors are required to monitor the movement of the suspension system, characterize mechanical properties, and derive feedback signals for the control systems. LEDs are used in many sensors of the current generation of gravitational wave detectors. They were successfully operated at cryogenic temperatures as part of this work but have limitations regarding efficiency, optical beam quality, and noise. Another option is to use optical fibers and collimators to make light from stabilized light sources accessible in the cryogenic environment. Photodiodes are the most common solution for reading out optical sensors. The challenges in selecting appropriate photodiodes are outlined in this thesis, and the selection of a photodiode for 1550nm is discussed. Presented measurements were used to select the optical components for sensors of a cryogenic suspension prototype developed in the E-TEST project. To control the movement of the suspension structures and steer the optical components, feedback forces must be applied. Voice-coil actuators are employed in all current detectors. Cryogenic temperatures add new requirements for these actuators, such as compatibility with cryogenic temperatures and low waste heat. Superconductors are a promising option to eliminate resistive heating in actuator coils, as the cryogenic temperatures required for superconductivity are already present. A process for additive manufacturing of the superconductor yttrium barium copper oxide in a powder bed fusion process and the characterization of produced samples are outlined. Additionally, techniques for noise prediction and mitigation in interferometric detectors are discussed and evaluated on a bench-top Michelson interferometer.

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