Kurzfassung
Die Laserinterferometrie ermöglichte den Nachweis von Gravitationswellen (GW).
Seit der Detektion des ersten Signals durch LIGO im Jahr 2015,
hat das aktuelle Netzwerk von Detektoren zahlreiche bemerkenswerte Ereignisse beobachtet,
wie etwa die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen.
Die aktuellen Detektoren erfassen jedoch nur einen Bruchteil der GWs,
die die Erde erreichen.
Eine höhere Empfindlichkeit wird es ermöglichen
das Universum in weitaus größerem Umfang zu erforschen,
insbesondere für die fast unerforschten Signale unter 20 Hz und über 1 kHz.
Eine Einschränkung bei der GW-Detektion ist der hohe Kühlbedarf für die Spiegel,
die aufgrund des thermischen Rauschens Temperaturen von bis zu 10 K erreichen müssen.
Für die Detektion von Kilohertz-Signalen
erreicht die Anforderung an die Lichtleistung mehrere Megawatt,
was den Kühlbedarf weiter ansteigen lässt.
Aufgrund der extremen mechanischen Isolierung dieser großen Spiegel
müssen innovative Kühlmethoden entwickelt werden.
Diese Arbeit untersucht die Verwendung eines Wärmeaustauschgases an den Spiegel von GW-Detektoren während der Beobachtung.
Gasteilchen übertragen bei der Kühlung Impulse auf die aufgehängten Testmassen.
Für dieses zusätzliche Rauschen habe ich eine Teilchensimulation entwickelt um dessen spektrale Leistungsdichte zu bestimmen.
Diese Simulation,
kombiniert mit einer Finite-Elemente-Analyse der Kühlleistung,
zeigte
die Korrelation zwischen Kühlung und Rauschen.
Dieses Verhältnis beinhaltet einen materialspezifischen Wärmeakkommodationskoeffizienten, alpha.
In Zusammenarbeit,
habe ich ein kryogenes Experiment zur Bestimmung von alpha durchgeführt.
Wir haben Daten für relevante Temperaturen
zwischen 10 K und 31 K für eine Silizium-Testmasse und Heliumgas gemessen und fanden alpha > 0.7 für Siliziumtemperaturen unter 23 K.
Ein Aufbau mit Gaskühlung erfordert einen kryogenisch gekühlten Rahmen in der Nähe der Spiegeloberfläche.
Ich untersuchte die Gravitationskopplung zwischen dem Rahmen und der Testmasse
und erbrachte einen Konzeptnachweis für das Pumpen von überschüssigem Gas, das in den Laserstrahl austritt.
Diese Arbeit endet mit einer Präsentation von Gaskühlen für NEMO,
ein vorgeschlagenes Detektordesign
der für Signale im Kilohertzbereich optimiert ist.
Die Ergebnisse zeigen die Vorteile und potenziellen Herausforderungen
der Verwendung von Gaskühlung als zusätzliches Werkzeug im Designprozess von interferometrischen GW-Detektoren mit hoher Lichtleistung.
Gaskühlen kann die Baukosten senken oder die Empfindlichkeit und Robustheit verbessern.
Im Allgemeinen gilt: Je schwerer die Testmassen oder je höher die Frequenzen, desto nützlicher ist die Gaskühlung.
Bei Testmassen um 100 kg,
ist die Gaskühlung für den Nachweis von Signalen oberhalb von einigen hundert Hertz geeignet.
Bei Testmassen von mehr als einer Tonne und Signalfrequenzen im unteren Audioband kann die Gaskühlung ebenfalls eingesetzt werden.
Laser interferometry enabled the detection of gravitational waves (GWs). Since LIGO detected the first signal in 2015, the current network of detectors observed numerous extraordinary events, such as black hole and neutron star mergers. However, current detectors capture only a tiny fraction of the GWs reaching Earth. Increased sensitivity in next-generation detectors will allow probing of the universe to a far greater extent, especially for the almost uncharted signal frequencies below 20 Hz and above 1 kHz. One primary limitation in GW detection is the high cooling requirement for the mirrors, which may need to reach temperatures as low as 10 Kelvin due to thermal noise. For the detection of signals in the kilohertz regime, light power demands reach several megawatts, further growing the cooling requirements. Due to the extreme mechanical isolation of these large mirrors, innovative cooling methods must be developed. This thesis explores the feasibility of using a heat exchange gas around the mirrors of GW detectors during active observation. I developed a particle-tracing simulation to predict the noise generated by gas particles transferring momentum to the suspended test mass mirrors. The resulting power spectral density, combined with finite element analysis of the cooling power, revealed the correlation between cooling and noise. This ratio includes a material-specific thermal accommodation coefficient, alpha. In collaboration, I conducted a cryogenic experiment to determine alpha for relevant temperatures between 10 K and 31 K for a silicon test mass and helium gas. We found alpha > 0.7 for silicon temperatures below 23 K. A gas-cooling setup requires a cryogenically cooled frame close to the mirror surface. I studied the gravitational coupling between the frame and the test mass and provided proof of concept to pump excess gas leaking into the laser path. I conclude this work by showcasing gas-cooling for NEMO, a proposed detector design optimized for signals in the kilohertz regime. The results demonstrate the benefits and potential challenges of using gas-cooling as an additional tool in the design process of high-power interferometric GW detectors. It may reduce building costs or improve sensitivity and robustness. In general, the heavier the test masses or the higher the frequencies, the more useful gas-cooling becomes. With test masses around 100 kg, gas-cooling is viable for the detection of signals above a few hundert hertz. Test masses surpassing one metric ton and detection frequencies in the lower audioband may also work with gas-cooling.