The suspension systems of the interferometric gravitational-wave detector GEO 600 [Elektronische Ressource] / von Stefan Goßler

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
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Extrait

The suspension systems of the interferometric
gravitational-wave detector
GEO600
Vom Fachbereich Physik
der Universit?at Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
– Dr.rer.nat. –
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Stefan Goßler
geboren am 4. Mai 1968 in Westerland/Sylt
2004Referent: Prof. Dr. K. Danzmann
Korreferent: Prof. Dr. M. Kock
Tag der Promotion: 28.05.2004
Druckdatum: 20.06.2004Zusammenfassung
Die Existenz von Gravitationswellen wurde bereits von Albert Einstein, basierend auf seiner All-
gemeinen Relativitats? theorie, vorhergesagt. Gem?aß der Theorie werden Gravitationswellen durch
?dieBeschleunigungvonMassenerzeugt.SiebewirkeneineAnderungderlokalenMetrikderRaum-
?zeit und rufen dadurch eine Anderung von Abst?anden hervor. Aufgrund der extrem schwachen
Kopplung an Materie, kommen nur astrophysikalische und kosmologische Prozesse zur Erzeugung
vonGravitationswellenmitnachweisbarerSignalstark? ein Betracht.DieSuchenachdiesen Wellen
gehort zu den grossten und technisch anspruchsvollsten Herausforderungen der modernen Physik.? ?
Ein weltweites Netzwerk von Gravitationswellendetektoren steht gegenwartig am Beginn der?
AufnahmekontinuierlicherMessungen.EinMitglieddiesesNetzwerkesistGEO600,basierendauf
einemMichelsonInterferometermit600mArmlange.JederInterferometerarmisteinmalgefaltet,?
so dass die effektive Armlange 1200m betragt. Zusatzlich wird die Empfindlichkeit von GEO600? ? ?
durch Dualrecycling, der Kombination von Power- und Signalrecycling, gesteigert.
Die durch die seismische Bodenbewegung verursachte Bewegung der Testmassen muss um
mehr als zehn Grossenordungen reduziert werden um ein seismisch induziertes Positionsrauschen?p
¡20von 2:4¢ 10 m= Hz bei einer Frequenz von 50Hz erreichen zu konnen. Dieses Niveau ent-?
spricht einem Drittel des erwarteten Beitrags durch thermisches Rauschen der Testmassen. Die
erforderliche Isolation der Testmassen und des Strahlteilers wird mit Hilfe von Dreifachpendeln
verwirklicht, w?ahrend alle anderen relevanten optischen Komponenten als Doppelpendel aufge-
hangt? sind. Insgesamt sind 26 Doppel- oder Dreifachpendel in GEO600 installiert.
Um eine Verbesserung der vertikalen Isolation zu erreichen, beinhaltet jedes Dreifachpendel
zwei Blattfederstufen. Die relevanten Eigenmoden aller Pendel werden mittels Magnet-Spulen-
Aktuatoren an der jeweiligen obersten Pendelstufe ged?ampft. Die hierfur? benot? igten Informa-
tionen ub? er die Pendelbewegung werden durch optische Sensoren an den obersten Pendelstufen
erlangt.DieFeedbacksignale,mitdenenGEO600amArbeitspunktgehaltenwird,werdenmitHil-
fe von Reaktionspendeln auf die aufgehan? gten Spiegel ub? ertragen. Diese Reaktionspendel stellen
seismisch isolierte Plattformen zur Verfugu? ng, an denen die Feedbackaktuatoren angebracht sind.
Niedrigfrequentes longitudinales Feedback fur? das Michelson Interferometer wird durch Magnet-
Spulen-Paare auf die vorletzte Pendelmasse ausgeub? t, w?ahrend h?oherfrequentes Feedback durch
elektrostatischeAktuatorenaufdieTestmassenselberausgeubtwird.DieinGEO600installierten?
AufhangungensinddiekomplexestenAufhangungenunterdenbisherbetriebsbereitenDetektoren.? ?
DieuntersteAufhangungsstufejedesDreifachpendelsbestehtvollstandigausfusedsilica.Der-? ?
artige monolithischen Aufhangungen werden bei GEO600 eingesetzt um eine dissipationsarme?
Aufhangung der Testmassen und des Strahlteiler zu erreichen und dadurch das thermische Rau-?
schen zu reduzieren. Zur Herstellung einer monolithischen Aufhangung werden silica Fasern an?
Aufnahmen aus fused silica geschweisst, die zuvor durch silicate bonding an den Mittelmassen
und Testmassen angebracht wurden. GEO600 ist der erste und bislang einzige Gravitations-
wellendetektor mit monolithischen Aufhangungen. Da thermisches Rauschen voraussichtlich die?
erreichbare Nachweisempfindlichkeit im empfindlichsten Frequenzbereich limitieren wird, werden
die zukun? ftigen interferometrischen Detektoren vergleichbare Aufhangun? gen benoti? gen.
Um einen stabilen Betrieb von GEO 600 zu ermogl? ichen, wurden die Violinmoden aller Auf-
hangun? gsfasern gedampf? t, wobei die Gut? e sowie die Eigenfrequenzen der ersten beiden Moden in
einem eng vorgegebenen Rahmen liegen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle Aufhangu? ngen von GEO600 installiert. Im Anschluss
an den mit Testoptiken durchgefuh? rten, vorlaufi? gen Betrieb von GEO600, wurden die monoli-
thischen Aufhangu? ngen produziert und installiert. Dafur? wurde eine Methode zum D?ampfen und
Abstimmen der Violinmoden entwickelt und angewendet.
Stichworte: Gravitationswellendetektor, Monolithische Aufhangungen, Violinmoden?
iiiSummary
The search for gravitational waves, as were predicted by Albert Einstein based on his theory of
general relativity, is among the most ambitious challenges in modern physics. According to the
theory, gravitational waves are generated by strong accelerations of massive objects as happen
in certain astrophysical processes. Gravitational waves change the local metric of spacetime
resulting in an alteration of distances. Due to the minuscule effects caused by gravitational
waves, instruments of an unprecedented sensitivity are required to attempt a detection.
A world-wide network of gravitational-wave detectors is currently approaching the continuous
observation mode. One member of this network is GEO600, based on a Michelson interferometer
with 600m arm length. Each interferometer arm of GEO600 is folded once to obtain an effective
arm length of 1200m. Dual-recycling, a combination of power- and signal-recycling is employed
to enhance the sensitivity.
Due to the ambient seismic noise in the vicinity of GEO600 an isolation of the test masses
fromtheseismicbymorethantenordersofmagnitudeisrequiredtoachievearesidualseismically-p
¡20induceddisplacementnoiseof 2:4¢10 m= Hzat50Hz. Thislevelisafactorofthreebelowthe
expected motion of the test masses due to internal thermal noise. The required seismic isolation
of the test masses and the beamsplitter is accomplished by the use of triple cascaded pendulums.
All other relevant optics are suspended as double pendulums. Altogether 26 double or triple
pendulums are installed in GEO600.
All pendulums are suspended from pre-isolated platforms. In order to further improve the
vertical isolation, each triple pendulum includes two cantilever-spring stages. The relevant eigen-
modes of all pendulums are damped via magnet-coil actuators at the respective uppermost pen-
dulum stage. Optical sensors are co-located with the actuators to provide the required position
and orientation information. The feedback signals required to maintain GEO600 at its operating
point are applied to the suspended mirrors from reaction pendulums. These pendulums provide
seismically isolated platforms to support the feedback actuators. The low-frequency longitudinal
feedback for the Michelson interferometer is applied via magnet-coil actuators at the penultimate
pendulum mass, while the higher-frequency feedback is applied via electrostatic actuators at the
test masses themselves. The GEO600 test-mass suspensions are the most complex among the
detectors so far working.
The last suspension stage of each triple pendulum is entirely made of fused silica. These
monolithic suspensions are employed in GEO600 to obtain a low dissipation support for the test
masses and the beamsplitter, thus reducing the thermal noise. The monolithic stages are realized
by welding flame-drawn silica fibers to silica pieces that were attached to the masses by silicate
bondingpriortothewelding. InGEO600thefirst-everimplementationofmonolithicsuspensions
in an interferometric gravitational-wave detector was realized. Since thermal noise is expected to
set a limit on the achievable detector sensitivity in the most sensitive frequency band, the future
interferometric detectors will require such suspensions.
In order to allow for a stable operation of GEO600, the suspension fiber violin modes are
dampedtoobtaintherequiredmechanicalqualityfactors. Thiswasdoneindividuallyforthefirst
two modes of each fiber. Furthermore the frequencies of the first two modes were individually
tuned for each fiber to obtain a small overall spread centered around the respectively desired
frequency.
During the work this thesis is based on, all suspension systems of GEO600 were installed.
Subsequent to a commissioning phase, during which GEO600 was operated with test optics, the
monolithic suspensions were produced and installed. A method to damp and tune the fiber violin
modes was developed and applied to the monolithic suspensions.
Keywords: Gravitational-wave detector, Monolithic suspensions, Violin modes
iiiivContents
Zusammenfassung i
Summary iii
Contents v
List of figures xi
List of tables xv
Glossary xvii
1 GEO600 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Gravitational-wave sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 The effect of gravitational waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Gravitational-wave detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 GEO600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5.1 The ultra-high vacuum system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5.2 Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .