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Case study

Charakterisierung der Rauheit des Virgo IMC instrumentierten Blendenmechanismus

Case study, Optik, Optische Komponenten
Laia Cardiel
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Das Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) ist ein Konsortium der Generalitat de Catalunya und der Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), das 1991 gegründet wurde. IFAE betreibt theoretische und experimentelle Forschung an der Grenze der Grundlagenphysik und in verschiedenen Bereichen der angewandten Physik, wie der medizinischen Bildgebung und der Quantencomputing. Im Jahr 2019 startete IFAE eine langfristige experimentelle Beteiligung am Virgo-Erd-Fabry-Perot-Interferometer (Cascina, Italien), mit einem Schwerpunkt auf der Erforschung der Grundlagenphysik mithilfe von Gravitationswellen.

„Sensofar wurde aufgrund ihrer Fachkenntnisse und Zugänglichkeit ausgewählt, um diese Messungen durchzuführen.“

Gravitationswellen sind Wellen im Gewebe von Raum und Zeit. Wenn signifikante kosmische Ereignisse wie Supernova-Explosionen oder Wechselwirkungen zwischen Schwarzen Löchern auftreten, werden die erzeugten Gravitationswellen hier auf der Erde nachweisbar. Nach 50 Jahren wissenschaftlicher Forschung und technologischer Entwicklungen ist es möglich geworden, Gravitationswellen zu erfassen.

Der Advanced Virgo ist ein gigantisches Michelson-Interferometer, das in der Lage ist, sie zu detektieren (Abbildung 1). Es verfügt über zwei senkrecht zueinander stehende Arme von je 3 km Länge, aufgehängte Spiegel und andere notwendige Instrumente, um einen Interferometer zu bilden. Die Gravitationswellen verändern die optischen Pfade der Strahlen aufgrund der Bewegung der aufgehängten Spiegel. Die optischen Pfade werden dann modifiziert, was zu einem Interferenzmuster führt.

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Abbildung 1. Bild des Advanced Virgo-Detektors. Mit freundlicher Genehmigung von EGO Virgo.

Das Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) hat eine neuartige instrumentierte Blende für den Advanced Virgo entwickelt. Diese Blende wurde vor dem Endspiegel der Eingangsmodenreiniger (IMC) Kavität installiert (Abbildung 2). Ihre Aufgabe besteht darin, streuendes Licht zu absorbieren, das ihre Oberfläche erreicht. Ein kleiner Teil, der nicht absorbiert wird, wird in Richtung der Wände des IMC-Turms gestreut. Rauheit auf der Spiegeloberfläche führt zu unberechenbarer Lichtstreuung in unbekannte Richtungen. Wenn dieses Licht mit dem Hauptstrahl rekombiniert, könnte es ein gefälschtes Gravitationswellensignal erzeugen.

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Abbildung 2. Bild der Installation der instrumentierten Blende am Advanced Virgo. Bildnachweis: IFAE.

Bestimmung der Oberflächenpolierqualität der instrumentierten Blenden

Am IFAE wurde der S neox Optik-Profilometer verwendet, um die Rauheit des polierten Edelstahls zu bestimmen, der für den Bau der instrumentierten Blende verwendet wurde. Speziell wurden Messungen nach verschiedenen Oberflächenbehandlungen durchgeführt, wie Polieren und Bearbeiten von Löchern (Abbildung 3).

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Abb 3. Charakterisierte Proben.

Die Anforderungen an Auflösung und Wiederholgenauigkeit für die Messung der Proben entsprachen nur der Phasenverschiebungsinterferometrie (PSI), einer der verfügbaren Interferenzmodi im S neox. Diese optische Technik hat eine äußerst geringe Messrauschen, bis auf ein Zehntel Armstrong. Dies war ideal für die untersuchten ultraglatten Oberflächen, die eine Ra-Oberflächenrauheit unter 10 nm aufwiesen (Abbildung 4).

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Einfache Blende
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Probemuster
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Abb 4. Topografische Bilder und Profile der Proben (rechts). Rauheitswerte nach Anwendung der ISO 4287 mit einem Grenzwert von 80 μm (links).

Diese Charakterisierung lieferte Informationen darüber, wie jeder Oberflächenprozess die Rauheitswerte und damit verbunden die Streueigenschaften beeinflusste. Bezüglich dessen musste die durchschnittliche Rauheit der Blende für die Installation im Virgo IMC kleiner als Ra = 0,0069 μm sein. Die instrumentierte Blende erfüllte diese Anforderung.

Zusätzlich wurden auch Flächenparameter für zukünftige Studien untersucht. Die SensoPRO-Software ermöglicht es, Rauheitsparameter zu finden, die verschiedene Oberflächen unterscheiden. Daher wurden die drei Datensätze gleichzeitig analysiert und Rauheitsparameter gemäß ISO 25178 berechnet. Als Ergebnis zeigt Abbildung 5 die potenziellen Rauheitsparameter, die die Oberflächen differenzieren können (grüne Bewertung).

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Abb 5. Bewertung des Unterscheidungsgrades der über die drei analysierten Datensätze berechneten Parameter. Grüner Zustand für gute Unterscheidbarkeit, gelb für mittlere und rot für geringe Unterscheidbarkeit.

Zusätzlich kann SensoPRO eine Streudiagramm anzeigen, das zeigt, wie zwei Parameter kombiniert werden, um mögliche Korrelationen zu erkennen (Abbildung 6).

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Dank des S neox konnte die Poliertechnik zertifiziert werden: Die Blende erfüllte die geforderte durchschnittliche Rauheit von Ra = 0,0069 μm. Dies, zusammen mit einer Gesamtstreuung zwischen 500 und 800 ppm, qualifizierte sie für die Installation im Virgo IMC.

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