Abstract:
Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein in Planung befindlicher interferometerbasierter Gravitationswellendetektor der dritten Generation, dessen Ziel es ist, die Nachweisempfindlichkeit gegenüber der derzeitigen, zweiten Detektorgeneration signifikant zu erhöhen.
Dies gilt insbesondere für den niederfrequenten Bereich unterhalb von etwa 30 Hz.
Die vorgesehene Weiterentwicklung der Detektorempfindlichkeit erfordert die Absenkung der thermisch bedingten Beiträge zum Detektorrauschen durch Kühlung der an Pendelenden aufgehängten Interferometerspiegel auf Temperaturen zwischen 10 K und 20 K.
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Dies bedingt die Entwicklung eines technologisch anspruchsvollen Konzepts zur Integration eines kryogenen Kühlsystems innerhalb der komplexen Detektorarchitektur.
Das Design dieser Architektur wird maßgeblich durch Anforderungen bestimmt, die sich aus der Notwendigkeit zur extremen Unterdrückung des Messrauschens in den hochsensiblen Interferometern ergeben.
Es existieren mehrere technologische Ansätze zur Integration kryogener Kühlung in Gravitationswellendetektoren (GWDs), deren Ziel jeweils darin besteht, thermisch bedingtes Rauschen zu minimieren, ohne durch andere Störquellen wie seismische Vibrationen die Gesamtleistung des Detektors zu beeinträchtigen.
Die Strategien stützen sich auf den Einsatz von Kleinkühlern, Sorptionskühlern, reiner Strahlungskühlung oder suprafluidem Helium (He II).
Die jeweilige Schnittstelle zwischen Kühlsystem und interferometrischem Nutzlastsystem (`Payload') im Herzen des Detektors muss hochpräzise an die spezifischen Anforderungen des gewählten Ansatzes angepasst werden.
Mehrere Projekte zur Kühlung kryogener Nutzlasten, die Kleinkühler, Sorptionskühler oder ausschließlich Strahlungskühlung einsetzen, wurden in jüngster Vergangenheit in die Wege geleitet.
Jedem dieser Ansätze, von denen keiner bislang ausreichend ausgereift ist, um die Anforderungen der kryogenen Nutzlastkühlung gänzlich zu erfüllen, wird in dieser Arbeit in einer bündigen Darstellung Rechnung getragen.
Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt allerdings auf dem Einsatz von suprafluidem Helium und einer rein heliumbasierten kryogenen Infrastruktur für ET insgesamt.
Dieser Ansatz erweist sich als äußerst vielversprechend hinsichtlich geringem Rauscheintrag, Kälteleistung und Betriebseffizienz im Vergleich zu anderen Methoden und wird hier detailliert auf seine Anwendbarkeit in interferometrischen Gravitationswellendetektoren untersucht.
Mit der heliumbasierten Kühlung für ET als Leitmotiv widmet sich das vorliegende Werk vier grundlegenden Aspekten einer entsprechenden Systemkonzeption.
Zunächst wird die effektive Wärmeabfuhr von den kryogenen Nutzlasten mittels einer Schnittstellengestaltung betrachtet.
Weiterhin wird die Auslegung einer Heliumversorgungsinfrastruktur für die Nutzlasten sowie andere relevante Kälteleistungsverbraucher untersucht.
Ein zusätzlicher Schwerpunkt liegt auf dem Design eines innersten thermischen Schilds zur schützenden Einhausung der kalten Nutzlasten.
Schließlich wird die Konzeption geeigneter Geometrien zur rauscharmen Wärmeabfuhr sowohl aus den Payloads als auch aus den zugehörigen thermischen Schilden behandelt.
Der zunächst thematisierte technische Aspekt ist die Integration der Schnittstelle zum heliumbasierten Kühlsystem in die Payloadstruktur unter der Randbedingung, dass die angestrebte Interferometersensitivität nicht beeinträchtigt wird.
Hierfür wird eine doppelwandige Rohrstruktur als kombinierte Aufhängungs- und Wärmeableitungsgeometrie der sogenannten Interferometerspiegelmarionette vorgesehen.
Das Rohr führt in seinem Inneren Helium als Kühlmittel und stellt gleichzeitig im Vergleich zu existierenden, bei Raumtemperatur betriebenen GWDs eine geringinvasive Lösung zur Implementierung einer Kühlsystemschnittstelle in Payloads dar.
Thermodynamische Modellierungen und Simulationen belegen, dass durch geeignete Dimensionierung der Rohrgeometrie stationäre Betriebstemperaturen der Spiegel von bis zu 17.5 K erreichbar sind, während die Marionetten bei ca. 2 K in Kontakt mit suprafluidem Helium betrieben werden können.
Darüber hinaus zeigen instationäre Analysen, dass mit dem gewählten Designansatz die Spiegel innerhalb von etwa zwei Wochen von Umgebungs- auf Betriebstemperatur abgekühlt werden können.
Im Anschluss ist, aufbauend auf der Betrachtung der Payloads als prominente Kälteleistungsverbraucher innerhalb des Detektorgesamtsystems, die Gestaltung einer umfassenden Heliuminfrastruktur beschrieben, die sämtliche Verbraucher innerhalb des ET-Systems versorgt.
Hierzu zählen neben den Payloads auch thermische Schilde, bei kryogener Temperatur betriebene optische Blenden, sowie leistungsstarke Kryopumpen.
Das vorgestellte Infrastrukturkonzept basiert auf einer geschlossenen Kältemittelkreislaufarchitektur mit zentral gelegenen unterirdischen Coldboxen und oberirdisch installierten Verdichterstationen.
Innerhalb des Konzepts wird die Verteilung von Helium über Transferleitungen auf zwei wesentlichen Temperaturniveaus, 5 K und 80 K, ermöglicht. Basierend auf dieser Systemarchitektur ergibt sich ein elektrischer Eingangsleistungsbedarf der gesamten kryogenen Infrastruktur im stationären Betrieb von 3×850 kW.
Dieser Wert basiert auf der Auslegung mit drei Kühlanlagen, angepasst an ein existierendes dreieckiges Detektorlayout des ET.
Weiterhin wird unter Nutzung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen zur kryogenen Infrastruktur und zur Payloadkühlung ein Konzept für die Gestaltung des innersten thermischen Schilds vorgestellt.
Dieses gewährleistet eine homogene, konstante Umgebungstemperatur von 2 K für die Payloads und minimiert somit die Wärmelast auf die letzteren.
Die vorgesehene Schildgeometrie ermöglicht ein vollständiges Kaltfahren desselben in wenigen Stunden und sorgt für geringe thermische Gradienten während des stationären Betriebs.
Gezielte strukturelle Maßnahmen stellen sicher, dass die Eigenfrequenzen des Schilds außerhalb des relevanten Frequenzspektrums für die Gravitationswellendetektion liegen, wodurch stochastische Bewegungen die Messgenauigkeit des Interferometers nicht beeinträchtigen.
Im Zusammenhang mit der Kühlung sowohl der thermischen Schilde, als auch der Payloads wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von He II-Phasengrenzen in exemplarischen Geometrien für ET analysiert.
Ein entwickeltes numerisches Modell zeigt, dass die Umwandlung von He I zu He II innerhalb von Minuten erfolgen kann, selbst bei Entfernungen ≥10 m der externen Wärmesenke zur Schnittstelle im Payload.
Abschließend werden verschiedene Konfigurationen zur Anbindung der Subsysteme zur Wärmeableitung aus Payload und innerstem thermischem Schild erörtert.
Diese fügen sich nahtlos in das übergeordnete Heliuminfrastrukturkonzept ein.
Die konkrete Umsetzung kann durch dünnwandige Rohre mit einer exemplarischen Länge von 10 m realisiert werden.
Beispielhafte Rohrkonfigurationen, die den thermischen und hydraulischen Anforderungen zur Kühlung eines Payloads mit 1 W bei ca.\ 2 K entsprechen, bestehen aus insgesamt 10 bis 40 Rohren.
Innerhalb dieses Intervalls nimmt der Innendurchmesser mit steigender Rohranzahl von 5.0 mm auf 2.5 mm ab.
Weiterhin beinhalten die Untersuchungen Maßnahmen zur Verringerung der mechanischen Kopplung zwischen Payloads bzw. Schilden und deren Umgebung über die Rohrbündel.
Hierzu zählen mehrstufige Entkopplungseinheiten, kleinskalige Metallbälge, sowie ergänzend implementaierte pendelbasierte Dämpfungen.
Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse belegen die prinzipielle Umsetzbarkeit der entwickelten, heliumbasierten kryogenen Infrastruktur.
Ebenso wird die Realisierbarkeit des darin eingebetteten Konzepts zur Kühlung der Payloads und innersten thermischen Schilde zur Erfüllung der betrieblichen Anforderungen im Einstein-Teleskop nachgewiesen.
Damit wird die Grundlage für spezifische Entwicklungsarbeiten zur Überführung der umfassend untersuchten Konzepte in ein physisch realisierbares und betriebssicheres System gelegt.
Neben der Konzeption und detaillierten Modellierung neuartiger Bauteile eines maßgeschneiderten Kühlsystems leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Vorbereitung zukünftiger zielgerichteter Testkampagnen.
Auf diese Weise werden die Voraussetzungen für die Durchführung experimenteller Machbarkeitsnachweise des suprafluiden Heliumkühlkonzepts in interferometrischen Gravitationswellendetektoren geschaffen.
Abstract (englisch):
The Einstein Telescope (ET) is a proposed third-generation gravitational-wave detector (GWD) based on interferometers. It aims at significantly enhancing detection sensitivity compared to second-generation detectors, particularly in the low-frequency range below about 30 Hz. The sensitivity evolution requires cooling the suspended interferometer mirrors to between 10 K and 20 K to minimize thermally induced noise. This necessitates the development of an advanced technological approach to the cryogenic cooling system integration in the detector framework.
In fact, different technological approaches for implementing cryogenics into GWDs exist, each ultimately aimed at minimizing thermal noise without compromising detector sensitivity by introduction of other noise sources such as seismic noise. ... mehrThese approaches rely on the use of cryocoolers, sorption coolers, exclusive thermal radiation, or superfluid helium. The cooling system interface to the interferometric payload must be adapted for each of these strategies. Several research and development (R&D) projects on cryogenic payload cooling have been initiated using cryocoolers, sorption coolers, or exclusively thermal radiation. Each of these concepts, none of which is yet mature enough to meet the ET cryogenic payload cooling requirements, is accounted for and outlined in this thesis. The focus, however, is specifically on the superfluid helium approach, thereby contributing to its application in cryogenic cooling for gravitational-wave detectors.
With helium-based cooling for ET as leitmotif, this work focuses on four pivotal aspects: heat extraction from the cryogenic payloads via an integrated interface design, a helium supply infrastructure for the payloads and all other consumers, an architecture for the innermost thermal shield around the cold payloads as well as configurations for low-noise heat extraction paths from both the payloads and the corresponding thermal shields.
The first critical challenge addressed is the integration of the helium cooling system interface within the payload, while ensuring that the performance of the highly sensitive interferometer is not compromised. This work explores a double-walled tube as the suspension geometry for the cryogenic mirror marionette. The tube carries helium as coolant and represents the least-invasive cooling system interface geometry possible. Thermodynamic analyses show that suitable tube geometries enable steady-state operating temperatures of the mirrors down to approximately 17.5 K with marionettes kept at approximately 2 K superfluid helium temperature. Additionally, the suspension tube is shown to facilitate sufficiently fast mirror cooldowns in approximately two weeks. In detail, the analyses demonstrate an accelerated initial cooldown of silicon mirrors due to their higher emissivity compared to the steel- or aluminum-based marionette.
Following the examination of the cryogenic payloads as the critical consumers of cooling power in ET, this thesis elaborates on the design of a helium-based cryogenic infrastructure. This system ensures the provision of refrigeration capacity to all consumers within the ET installation, including thermal shields, cooled optical baffles, and cryopumps. The presented concept introduces a large-scale helium infrastructure based on a closed refrigeration loop, with coldboxes at central underground locations and surface compressor stations. This system ensures transport of helium at different temperature levels (5 K and 80 K). Based on the outlined system, the scale of required electrical input power to the complete ET cryogenic infrastructure is determined as 3×850 kW, considering the developed concept comprising three cryoplants, which is adapted to an existing triangular total detector layout plan.
Building upon both the helium infrastructure and the superfluid helium approach for payload cooling, an innermost thermal shield architecture is presented, which is designed to maintain the low temperatures required for the payload. The presented geometry enables rapid cooldowns in a few hours and minimizes thermal gradients across the structure during steady-state operation at approximately 2 K. The thermal shield's design further considers low mechanical vibration transfer, with structural resonant frequencies kept outside the relevant gravitational-wave detection band, ensuring that the shield's motion does not interfere with the sensitive measurement system. In the context of both thermal shield and payload cooling, particular attention is given to the investigation of He II phase front propagation speed from remote heat sinks to interfaces within the interferometer. In exemplary connection geometries for ET, conversion of He I to He II is calculated via a numerical model to be achievable within minutes.
Finally, potential arrangements for the connecting heat extraction geometries from both the payload and thermal shield are presented, seamlessly integrating the cooling interfaces into the comprehensive cryogenic infrastructure concept. This is envisioned to be realized by means of thin tubes measuring 10 m in length. Exemplary tube arrays identified to meet thermal and hydraulic requirements for payload cooling provision of 1 W at approximately 2 K consist of 10 to 40 tubes in total, with inner diameters decreasing from 5.0 mm to 2.5 mm as the tube count increases. The helium tube investigations conducted in this work include the consideration of various vibration attenuation strategies, such as the incorporation of designated heat link vibration isolation systems, small-scale bellows, and auxiliary super-attenuators. Each of these contributes to minimizing vibration transmission from the ambiance along the heat extraction path.
The results presented in this thesis demonstrate the feasibility of the developed helium cooling system aspects to meet the operational and thermal requirements of ET and therefore set the stage for future engineering work, which will translate the extensively investigated concepts into a practical and operational system. Besides novel concept development and detailed modeling of pioneering tailor-made cooling system parts, this PhD project made major contributions to envisioning tangible future testing, laying the groundwork for an experimental proof-of-concept of the proposed superfluid helium cooling approach in interferometric gravitational-wave detectors.
