Ministeriële regeling · BWBR0048766
R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope
Gelet op artikel 1.2. van de Kaderregeling subsidies OCW, SZW en VWS;
Besluit:
De Minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap,R.H.DijkgraafIn deze regeling wordt verstaan onder:
aanvrager: organisatie die, al dan niet namens een consortium, optreedt als aanvrager van de subsidie;
AGVV:Verordening (EU) nr. 651/2014 van de Europese Commissie van 17 juni 2014, waarbij bepaalde categorieën steun op grond van de artikelen 107 en 108 van het Verdrag met de interne markt verenigbaar worden verklaard (PbEU 2014, L 187/1);
arm’s length-voorwaarde: voorwaarde tussen verschillende rechtspersonen die zijn aangegaan volgens het zakelijkheidsbeginsel zoals bedoeld in artikel 2, onderdeel 39bis, van de AGVV;
consortium: samenwerkingsverband tussen ten minste twee niet aan elkaar gelieerde partijen;
consortiumovereenkomst: schriftelijke ondertekende overeenkomst waarin de afspraken van het consortium met betrekking tot het project zijn vastgelegd;
Einstein Telescope: nog te bouwen geavanceerd observatorium voor zwaartekrachtsgolven;
experimentele ontwikkeling: activiteiten als bedoeld in artikel 2, onderdeel 86, van de AGVV;
fundamenteel onderzoek: activiteiten als bedoeld in artikel 2, onderdeel 84, van de AGVV;
industrieel onderzoek: activiteiten als bedoeld in artikel 2, onderdeel 85, van de AGVV;
Kaderregeling:Kaderregeling subsidies OCW, SZW en VWS;
minister: Minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap;
onderneming: onderneming als bedoeld in artikel 2, tweede lid, van de Verordening (EU) nr. 1407/2013 van de Commissie van 18 december 2013 betreffende de toepassing van de artikelen 107 en 108 van het Verdrag betreffende de werking van de Europese Unie op de-minimissteun (PbEU 2013, L 352/9);
project: geheel van onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten dat aansluit bij het doel van deze regeling, bedoeld in artikel 3 en waarvoor subsidie wordt gevraagd op grond van deze regeling;
technologiedomein: kennisgebied waarbinnen in het kader van de mogelijke bouw van de Einstein Telescope ontwikkeling en toepassing van innovaties nodig zijn.
Deze regeling geldt in aanvulling op de Kaderregeling subsidies OCW, SZW en VWS.
De regeling heeft als doel eraan bij te dragen dat de voor de Einstein Telescope relevante technologiedomeinen worden (door)ontwikkeld, om daarmee het hightech bedrijfsleven de mogelijkheid te bieden zich te positioneren op potentiële directe en indirecte valorisatie-effecten en om bij te dragen aan een optimaal innovatief ecosysteem voor de Einstein Telescope, mede om daarmee de kans te maximaliseren dat de Einstein Telescope in de Euregio Maas-Rijn kan worden gerealiseerd. Daartoe worden op grond van deze regeling subsidies verstrekt aan kwalificerende aanvragers voor het uitvoeren van onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten, voor technologiedomeinen die relevant zijn voor de Einstein Telescope.
De minister kan subsidie verstrekken voor de volgende activiteiten binnen een project:
- a.
het uitvoeren van fundamenteel onderzoek;
- b.
het uitvoeren van industrieel onderzoek of;
- c.
het uitvoeren van experimentele ontwikkeling.
De volgende kosten zijn overeenkomstig artikel 25, derde lid, van de AGVV, subsidiabel:
- a.
personeelskosten: voor onderzoekers, technici en ander ondersteunend personeel, voor zover het desbetreffende personeel zich met het onderzoeksproject bezighoudt;
- b.
kosten van apparatuur en uitrusting voor zover zij worden gebruikt voor het project.
- c.
kosten van gebouwen en gronden voor zover zij worden gebruikt voor het project, waarbij:
- 1°.
de kosten voor gebouwen zijn beperkt tot de afschrijvingskosten overeenstemmend met de looptijd van het project, berekend volgens algemeen erkende boekhoudkundige beginselen; en
- 2°.
de kosten voor gronden worden berekend aan de hand van de kosten voor commerciële overdracht of de daadwerkelijk gemaakte kapitaalskosten.
- 1°.
- d.
kosten van contractonderzoek, kennis en octrooien die op arm's length-voorwaarden zijn overeengekomen voor zover deze zijn gekocht bij of waarvoor een licentie wordt verleend door externe bronnen, alsmede kosten voor consultancy en gelijkwaardige diensten die uitsluitend voor het project worden gebruikt;
- e.
bijkomende algemene kosten en andere operationele uitgaven, waaronder die voor materiaal, leveranties en dergelijke producten, die rechtstreeks uit het project voortvloeien.
Kosten zijn subsidiabele na afloop van de openstellingsperiode van het technologiedomein als bedoeld in artikel 8, eerste lid.
Kosten zijn uitsluitend subsidiabel als deze aantoonbaar en direct zijn gerelateerd aan de subsidiabele activiteiten en de doelstelling van deze regeling en noodzakelijk voor de uitvoering van het project.
Wanneer de kosten zoals genoemd in het eerste lid niet tijdens hun volledige levensduur voor het project worden gebruikt, worden alleen de afschrijvingskosten overeenstemmend met de looptijd van het project, berekend volgens algemeen erkende boekhoudkundige beginselen, als subsidiabele kosten beschouwd.
De subsidie bedraagt per aanvraag ten minste € 125.000,00.
De subsidie bedraagt ten hoogste:
- a.
100% van de subsidiabele kosten voor zover deze betrekking hebben op uitsluitend fundamenteel onderzoek;
- b.
50% van de subsidiabele kosten voor zover deze betrekking hebben op industrieel onderzoek;
- c.
25% van de subsidiabele kosten voor zover deze betrekking hebben op experimentele ontwikkeling.
De minister verhoogt de in het tweede lid onder b en c genoemde percentages als voldaan is aan de in artikel 25, vijfde tot en met zevende lid, van de AGVV bedoelde voorwaarden, met:
- a.
10 procentpunten, indien de aanvrager een middelgrote onderneming zoals bedoeld in de AGVV is en de subsidiabele kosten worden gemaakt en betaald door deze middelgrote onderneming;
- b.
20 procentpunten, indien de aanvrager een kleine onderneming zoals bedoeld in de AGVV is en de subsidiabele kosten worden gemaakt en betaald door deze kleine onderneming.
- c.
15 procentpunten, indien voldaan wordt aan ten minste één van de voorwaarden, bedoeld in artikel 25, zesde lid AGVV.
De subsidie wordt verleend aan en verantwoord door de aanvrager.
Op de aanvrager rusten alle aan de subsidie verbonden verplichtingen, ongeacht welke partij feitelijk is belast met de uitvoering van de daarop betrekking hebbende werkzaamheden.
De aanvrager kan subsidie aanvragen gedurende de openstellingsperiode voor een technologiedomein.
Een aanvraag voor subsidie kan uitsluitend worden ingediend gedurende een door de minister opengestelde aanvraagperiode zoals aangekondigd in bijlage 2, 4, 5 en 6. Aanvragen die worden ingediend na afloop van een openstellingsperiode worden afgewezen.
De subsidieaanvraag wordt ingediend met gebruikmaking van het aanvraagformulier dat door de minister beschikbaar is gesteld.
Het aanvraagformulier gaat in ieder geval vergezeld van:
- a.
een activiteitenplan;
- b.
een begroting.
Indien een aanvraag wordt ingediend namens een consortium, wordt bij de aanvraag tevens een consortiumovereenkomst ingediend, die ten minste voldoet aan de volgende criteria:
- a.
de samenwerkende partijen binden zich op basis van een gezamenlijk plan een bijdrage willen leveren en aan de doelstelling van deze regeling;
- b.
in de consortiumovereenkomst wordt de beoogde start- en einddatum van het project benoemd;
- c.
de samenwerkende partijen leggen de gemaakte inhoudelijke en financiële afspraken voor de samenwerking in het project schriftelijk vast;
- d.
de samenwerkende partijen leggen de gemaakte afspraken voor wat betreft intellectuele-eigendomsrechten vast binnen de kaders zoals aangegeven in bijlage 3;
- e.
de samenwerkende partijen machtigen de aanvrager om de subsidie namens hen aan te vragen en (tussentijds) te verantwoorden;
- f.
de samenwerkende partijen verbinden zich te voldoen aan het gevraagde subsidiebesluit en bijbehorende rapportage- en verantwoordingsverplichtingen en andere uit de subsidierelatie voortvloeiende subsidieverplichtingen en verantwoordelijkheden.
De minister besluit over een subsidieaanvraag, bedoeld in artikel 8 aan de hand van de volgende criteria:
- a.
aansluiting bij het technologiedomein van de openstelling;
- b.
economisch perspectief:
- c.
kwaliteit van de aanvrager of het consortium; en
- d.
kwaliteit van het activiteitenplan en de begroting.
De beoordelingscriteria zijn uitgewerkt in het beoordelingskader, dat als bijlage 1 bij deze regeling is gevoegd.
Subsidie wordt slechts verleend indien alle criteria tenminste als voldoende worden beoordeeld.
De aanvragen worden gerangschikt volgens de systematiek zoals bedoeld in Bijlage 1 bij deze regeling.
Indien door toekenning van alle daarvoor in aanmerking komende aanvragen met betrekking tot een bepaald technologiedomein het toepasselijke subsidieplafond zou worden overschreden, kent de minister subsidie toe, op basis van de in het eerste lid bedoelde rangschikking in volgorde van de hoogst gerangschikte aanvragen.
Voor subsidieverstrekking op grond van deze regeling is in totaal een bedrag van € 12.085.000,00 beschikbaar. Van dit bedrag is voor het technologiedomein:
- a.
Trillingsvrij koelen een bedrag van € 2.585.000,00 beschikbaar;
- b.
Vacuümtechnologie een bedrag van € 2.000.000,00 beschikbaar;
- c.
Trillingsdemping een bedrag van € 2.750.000,00 beschikbaar, waarvan € 1.375.000,00 voor Thema A als bedoeld in bijlage 4 en € 1.375.000,00 voor Thema B als bedoeld in bijlage 4;
- d.
Optica een bedrag van € 2.500.000,00 beschikbaar; en
- e.
Thermische deformaties een bedrag van € 2.250.000,00 beschikbaar.
Onverminderd artikel 4:35 van de Algemene wet bestuursrecht kan de subsidieverstrekking worden geweigerd, indien:
- a.
ten aanzien van de aanvrager of één of meer van de deelnemers aan het desbetreffende consortium een bevel tot terugvordering uitstaat als bedoeld in artikel 1, vierde lid, onder a, van de AGVV;
- b.
de aanvrager of één of meer van de deelnemers aan het desbetreffende consortium doelen nastreeft of activiteiten ontplooit die in strijd zijn met de wet of de openbare orde;
- c.
gegronde reden bestaat om aan te nemen dat de te verlenen subsidie niet of in onvoldoende mate zal worden besteed of bijdragen aan het doel waarvoor de subsidie is bedoeld;
- d.
een aanvraag inhoudelijk overwegend overlapt met een hoger gerangschikte aanvraag na rangschikking op grond van artikel 10.
Aan de aanvrager worden de volgende verplichtingen opgelegd:
- a.
de aanvrager start uiterlijk binnen zes maanden na verlening van de subsidie met de projectactiviteiten;
- b.
de aanvrager voert de activiteiten waarvoor subsidie wordt verstrekt uit binnen drie kalenderjaren, gerekend vanaf het moment van subsidieverlening;
- c.
de aanvrager rapporteert na zes maanden na verlening van de subsidie en vervolgens in ieder geval jaarlijks over de start en de voortgang van het project;
- d.
de aanvrager verspreidt de resultaten van de subsidiabele activiteiten waar geen intellectuele-eigendomsrechten op rusten ruim, via conferenties, publicaties, open access-repositories of gratis of opensource-software;
- e.
de aanvrager verplicht zich desgevraagd mee te werken aan publicaties en publiciteitsactiviteiten in het kader van deze regeling;
- f.
uiterlijk tot vijf jaar na de het moment van subsidievaststelling is de aanvrager verplicht desgevraagd mee te werken aan rapportages en onderzoeksdoeleinden, monitoring en evaluaties;
- g.
de aanvrager is verplicht om in het geval van een publicatie over het project de tekst ‘mede ondersteund door de ‘R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope’ te vermelden.
Een aanvraag om subsidievaststelling wordt ingediend met gebruikmaking van een modelformulier dat daartoe door de minister beschikbaar wordt gesteld.
De aanvrager legt, overeenkomstig artikel 1.5, onderdeel d, en 7.8 van de Kaderregeling, rekening en verantwoording af aan de hand van een activiteitenverslag en een financieel verslag, inclusief een controleverklaring opgesteld door een accountant.
Indien de aanvrager een bekostigde onderwijsinstelling is, wordt de financiële verantwoording over de verleende subsidie, in afwijking van het eerste en tweede lid, gedaan in de jaarverslaggeving overeenkomstig de Regeling jaarverslaggeving onderwijs met model G, onderdeel 2. De verantwoording gaat tevens vergezeld van een activiteitenverslag.
De subsidie wordt uitsluitend besteed aan de activiteiten waarvoor deze wordt verleend. Niet-bestede middelen worden teruggevorderd.
Deze regeling treedt in werking met ingang van de dag na de datum van uitgifte van de Staatscourant waarin zij wordt geplaatst.
Deze regeling vervalt met ingang van 1 januari 2028, met dien verstande dat de regeling van toepassing blijft op subsidies die zijn verleend op grond van deze regeling.
Deze regeling wordt aangehaald als: R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope.
Deze bijlage hoort bij de artikel 9 en 10 van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope.
In de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope is opgenomen dat de aanvragers per technologiedomein en binnen een vast te stellen periode aanvragen kunnen indienen. De minister beoordeelt de aanvragen op grond van een aantal beoordelingscriteria zoals in de regeling zijn opgenomen. In deze bijlage is uitgewerkt hoe de aanvragen beoordeeld worden en worden de beoordelingscriteria nader uitgelegd. Iedere subsidieaanvraag wordt beoordeeld op basis van het aanvraagformulier (plus bijlagen) aan de hand van de beoordelingscriteria die in dit artikel zijn opgenomen.
Om de besluitvorming zorgvuldig voor te bereiden heeft de minister een groep van deskundige partijen samengesteld om de aanvragen te toetsen aan de beoordelingscriteria die in deze regeling zijn vastgesteld. In deze bijlage wordt de groep aangeduid als de begeleidingsgroep. De leden van deze groep zijn onafhankelijk en de namen van de begeleidingsgroep staan gepubliceerd op de website waar de regeling is aangekondigd.
Bij de beoordeling gaat LIOF uit van de onderstaande scores.
Duiding van de scores |
0 Slecht |
1 Onvoldoende |
2 Voldoende |
3 Goed |
4 Zeer goed |
De minister kent totaalscores toe aan de verschillende beoordelingscriteria. Hieronder staat een beschrijving van de beoordelingscriteria:
- •
Aansluiting bij technologiedomein:
- ○
Mate waarin het project aansluit bij en bijdraagt aan het specifieke technologiedomein.
- ○
- •
Economisch perspectief:
- ○
Mate van het economisch perspectief van de innovatie richting Einstein Telescope
- ○
Mate van toekomstige verwaarding naar andere productmarktcombinaties (binnen en buiten de deelnemende partijen).
- ○
- •
Kwaliteit van de aanvrager of het consortium:
- ○
De aanwezigheid van de benodigde expertise van de aanvrager of leden van het consortium voor een effectieve uitvoering van het project.
- ○
De mate van samenhang van de partners.
- ○
De aanvraag krijgt meer punten naarmate de kwaliteit van de R&D-samenwerking hoger is. Dit moet ten minste blijken uit hoe de deelnemers elkaar aanvullen, de capaciteiten van de deelnemers en de kwaliteit van de projectorganisatie.
- ○
- •
Kwaliteit projectplan:
- ○
Degelijkheid en haalbaarheid van het projectplan.
- ○
Verhouding tussen het projectbudget, de verdeling ervan tussen de partners en de geplande activiteiten (prijs/kwaliteitverhouding van het plan).
- ○
Voor elk beoordelingscriterium zoals hierboven genoemd kent elk lid van de eerdergenoemde begeleidingsgroep punten toe op een schaal van 0 tot en met 4. De minister berekent het ongewogen gemiddelde van alle vier beoordelingscriteria. Als het project op één van de beoordelingscriteria lager scoort dan een ongewogen gemiddelde van 2 (waarbij wordt afgerond op 1 decimaal), komt het project niet voor subsidie in aanmerking.
De minister berekent vervolgens de totaalscore door de (afgeronde, ongewogen) gemiddelde score voor elk beoordelingscriterium bij elkaar op te tellen. De projecten met de hoogste totaalscores ontvangen de subsidie. Als meerdere subsidieaanvragen dezelfde gemiddelde beoordeling hebben, dan bepaalt de minister op basis van loting welke partij voor subsidie in aanmerking komt.
Het Limburgs Instituut voor Ontwikkeling en Financiering (LIOF) is belast met de uitvoering van de regeling en is gemandateerd te besluiten op de aanvragen en is verantwoordelijk voor de organisatie van de beoordeling.
Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope
De openstellingstermijn, zoals bedoeld in artikel 8, lid 1 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein Trillingsvrij koelen loopt vanaf het moment van publicatie van deze R&D regeling tot en met 24 november 2023 om 23:59.
Het subsidieplafond, zoals bedoeld in artikel 11, lid 2 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.585.000,00
Uitwerking technologiedomein Trillingsvrij koelen
- 1.
Introductie
Om de Einstein Telescope mogelijk te kunnen maken moeten er manieren komen om grote spiegels tot 10K trillingsvrij te koelen. In deze openstelling kunnen partijen aanvragen indienen voor projecten die bijdragen aan de ontwikkeling en kwalificatie van trillingsvrije koelingseenheden die gekoppeld kunnen worden aan een Einstein Telescope-achtige omgeving. Deze eenheden moeten tevens voorzien in de strenge lage trillingsvereisten die nodig zijn voor het realiseren van de Einstein Telescope. Hieronder staat een nadere toelichting.
- 2.
Uitdaging samengevat
De geplande strategie voor de koeling van de spiegels in een Einstein Telescope is een combinatie van cryo-koelers met ultra-lage trillingen, actieve trillingsisolatie van de cryo-cooler cold head en thermische verbinding met lage stijfheid om deze te verbinden met de cryogene payload.
- 3.
Uitdaging van de trillingvrije koelunits in meer detail
De Einstein Telescope (ET) zal naar verwachting drie detectoren moeten hebben met kernoptieken die werken bij 10K. Om deze reden zullen er 12 UHV cryostaten met een groot volume (10m3) moeten worden gebouwd, die elk een cryogene payload omringen die bestaat uit een spiegel (200kg massa, monokristallijn siliciumsubstraat met een diameter van 450 mm) en de ophanging en besturing daarvan.
Na de initiële afkoeling moet de bedrijfstemperatuur van de payload alleen worden gehandhaafd via geleiding door thermische verbindingen met een zeer lage stijfheid (heat links), om ervoor te zorgen dat de prestaties van de telescoop niet worden beïnvloed door trillingen van de cryogene installatie. In dit scenario is de beschikbaarheid van ultralage cryokoelers en actieve trillingsisolatoren die compatibel zijn met de UHV-omgeving bij lage temperaturen essentieel.
De in bestaande installaties (bijvoorbeeld een bestaand Japans observatorium voor zwaartekrachtgolven genaamd KAGRA) bereikte ruis van de cryogene installatie en bleken niet compatibel met de eisen van de Einstein Telescope zoals die nu bekend zijn. Om die reden zijn er stillere cryokoelers en beter presterende trillingsisolatie voor de warmteverbindingen nodig. Dat is waar deze openstelling voor trillingsvrij koelen zich op richt.
Een koeleenheid zal uiteindelijk in een opzet voor een Einstein Telescope moeten komen. Hieronder staat een schematische weergave hiervan. Dit is bij de huidige kennis het Europese ontwerp waarnaar gestreefd wordt. De positie van de koeler is hieronder weergegeven (zie rode kadering):
- 4.
Specifieke doelstelling voor deze openstellng
In deze openstelling kunnen partijen een aanvraag indienen voor R&D-projecten die bijdragen aan de oplossing voor deze bovenstaande uitdaging. Het beoogde project moet in ieder geval het volgende bevatten:
- •
Het ontwerp en productie van drie prototypes van koelunits op een niveau dat compatibel is met cryogene spiegel ruisverplaatsingen van gelijk of lager dan 10-18m/sqrt(Hz) bij Hz.
- •
Elke koeleenheid moet in drie fasen koelvermogen kunnen leveren, waarbij in minder dan vier weken 10K, 20K en 50K (of lager) worden bereikt, waarna stabiele bedrijfsomstandigheden worden bereikt met de volgende koelvermogens:
- ○
Minimaal 50 mW bij een temperatuur onder 10K
- ○
Minimaal 0,5 W bij een temperatuur onder 20K
- ○
Minimaal 2,5 W bij een temperatuur onder 50K
- ○
- •
De thermische massa van de drie bovengenoemde fasen is respectievelijk:
- ○
8 kg silicium, 20 kg koper en 40 kg aluminium
- ○
40 kg aluminium
- ○
130 kg aluminium
- ○
- •
Onder bedrijfsomstandigheden moeten de trillingen op het niveau van de cold finger (contactpunt met spiegelophanging) lager zijn dan 2x10-8m/sqrt(Hz) voor alle frequenties boven 1 Hz en onder 5x10-6m rms. Tijdens de afkoelperiode gelden er geen strenge trillingseisen.
- •
De te ontwikkelen koeleenheid moet compatibel zijn met vloeibare stikstof als backend-koelbron.
- •
De koelunits dienen te kunnen functioneren in een geïntegreerd systeem. Als onderdeel van deze aanvraag dient de aanvrager deze geïntegreerde werking te kwalificeren en valideren.
- •
- 5.
Context van het technologiedomein trillingsvrij koelen
Hieronder is de context weergegeven waarin de trillingsvrije koeleenheid gaat opereren.
Waarneming van zwaartekrachtgolven is alleen mogelijk als de trilling van de spiegels miljarden keren wordt verminderd in vergelijking met de huidige stilste onderzoekslaboratoria.
Hoewel deze uitstekende prestaties met de huidige detectoren bij kamertemperatuur zijn bereikt, brengt de werking onder cryogene temperaturen nieuwe uitdagingen met zich mee en is de controle en beheersing van geïntroduceerde trillingen van cruciaal belang. De geplande strategie voor de koeling van de spiegels is een combinatie van cryo-koelers met ultra-lage trillingen, actieve trillingsisolatie van de cryo-cooler cold head en koude overbrengingen met lage stijfheid om deze te verbinden met de cryogene payload.
Er is gekozen voor een mono-kristallijne silicium vezels voor de ophanging van de ET-kernoptieken, omdat dit materiaal de beste prestaties levert in termen van hoog efficiënte warmte-extractie uit de spiegel bij 10K en de laagst mogelijke mechanische demping, een eigenschap die cruciaal is om de wetenschappelijke doelen te bereiken van het project.
Binnen dit domein zijn onder andere deze uitdagingen te onderkennen:
- •
Spiegel gekoeld tot cryogene temperatuur, vrijwel zonder mechanisch contact: spiegel opgehangen in UHV-omgeving via vier dunne en lange vezels;
- •
Grote onderdrukking van trillingen afkomstig van de cryogene koeler;
- •
Verkorting van de afkoeltijd voor een hogere werkcyclus van de telescoop;
- •
Ontwikkeling en productie van mono kristallijne silicium vezels;
- •
Beheersing van ijsfilmvorming op het spiegeloppervlak.
De projecten moeten zijn gericht op de volgende verbeteringen:
- •
De saffiervezels die in KAGRA worden gebruikt zijn niet ideaal voor ET omdat de thermische geleidbaarheid van het materiaal aanzienlijk daalt onder 20K. Silicium is een beter materiaal in termen van thermische eigenschappen en mechanische demping. De productie is op dit moment de grootste uitdaging op weg naar een praktische implementatie.
- •
De ET cryogene payload zal een paar honderd kg massa toevoegen (bijna een factor 10 groter dan in KAGRA) om tot 10K afgekoeld te worden. Methoden en technologieën (coatings met hoge emissiviteit, stralingswarmtewisselaars met hoog rendement, enz.) om de afkoeltijd te minimaliseren zijn van het grootste belang om de telescoop een hoge inschakelduur te garanderen.
- •
Standaard superisolatie (MLI of vergelijkbaar) is niet compatibel met de spiegelomgeving vanwege de vereisten voor vervuiling. Er moet worden gezocht naar een alternatieve ontwerpoplossing.
- •
Dunne ijslaagvorming (nanometerniveau) op het spiegeloppervlak zal naar verwachting de prestaties van de telescoop verminderen. Er moeten methoden en strategieën worden ontwikkeld om de ijsvorming te minimaliseren en het oppervlak periodiek te regenereren.
- •
- 6.
Gerelateerde projecten
In een aantal gerelateerde projecten is reeds vooronderzoek gedaan naar deze technologie:
- •
ET Technologies: In dit project is gerelateerd aan trillingsvrij koelen gewerkt aan de koude aansluiting van koeler naar vacuümsysteem en de cold finger van koude leidingen naar spiegel.
- •
E-TEST: In dit project is gerelateerd aan trillingsvrij koelen gewerkt aan het cryo shield en de spiegelophanging.
- •
ETpathfinder: In dit project – tevens de R&D faciliteit voor de Einstein Telescope – kan de opstelling worden geïntegreerd en getest.
- •
Deze bijlage hoort bij artikel 8, vijfde lid, onderdeel d, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope
De samenwerkende partijen leggen afspraken vast met betrekking tot intellectuele-eigendomsrechten, en daarmee verband houdende toegangsrechten. De toekenning van de rechten is een passende afspiegeling van de werkpakketten, bijdragen en respectieve belangen van de samenwerkende participanten.
Er wordt vastgelegd welke partij de rol van IP coördinator op zich neemt.
Tevens worden afspraken gemaakt over i) het eigenaarschap van en toegang tot achtergrondkennis, zijgrondkennis en voorgrondkennis; ii) de kostenverdeling met betrekking tot het creëren en onderhouden van de portfolio van intellectuele-eigendomsrechten; iii) de keuzes die gemaakt zullen worden met betrekking tot de geheimhouding en beveiliging van informatie, alsmede de besluitvorming met betrekking tot het publiceren dan wel patenteren van nieuwe resultaten; iv) beëindiging en overdraagbaarheid van eigenaarschap van intellectuele-eigendomsrechten binnen het consortium; v) het toetreden van nieuwe partijen tot het consortium; vi) geschilbeslechtingsregelingen.
Tenslotte worden er afspraken vastgelegd over het gebruik en exploitatie van voorgrondkennis. Hierbij valt o.a. te denken aan het gebruik voor onderzoeksdoeleinden door (andere) participanten, commercieel gebruik van voorgrondkennis door participanten, en gebruik van voorgrondkennis voor commercieel gebruik door derden.
Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D regeling technologiedomeinen Einstein Telescope
Openstelling Trillingsdemping
De openstellingstermijn, zoals bedoeld in artikel 8, eerste lid van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein Trillingsdemping loopt vanaf [22 april 2024] tot en met 31 mei 2024 23:59 uur. Het subsidieplafond, zoals bedoeld in artikel 11, tweede lid van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.750.000,00.
Uitwerking technologiedomein Trillingsdemping
- 1.
Introductie
Om de waarnemingsgevoeligheid van de Einstein Telescope (hierna: ET) te kunnen bereiken, moet het grootste deel van het instrument gemaakt zijn van uiterst nauwkeurige componenten, drastisch geïsoleerd van alle storingsbronnen en in het bijzonder van seismische bewegingen. Alleen op die manier kan ruis dusdanig worden verminderd dat het mogelijk is zwaartekrachtgolven te meten. Binnen dit domein staat de ontwikkeling van geavanceerde trillingsisolatiesystemen voor de kern- en hulpoptiek van de ET centraal. Hieronder staat een nadere toelichting.
- 2.
Uitdaging samengevat
Om aan de eisen voor ET-suspensies te voldoen, zijn nieuwe mechanische ontwerpen/configuraties van seismische isolatoren nodig: de ontwikkeling van verbeterde traagheids- en relatieve verplaatsingssensoren, de implementatie van geavanceerde besturingsmethoden en vooruitgang op het gebied van dataconversie-elektronica met lage frequentie en weinig ruis. Voor ET-Low Frequency (hierna: ET-LF) interferometers moeten oplossingen worden bedacht om overtollige trillingen te verminderen die worden doorgegeven via de mechanische interface tussen de cryokoelers en de cryogene stadia van de spiegelophanging.
- 3.
Uitdaging van trillingsisolatie in meer detail
Grondtrillingen zijn een belangrijke bron van ruis in aan de aarde gebonden laserinterferometer-detectoren voor zwaartekrachtgolven. Omgevingsgeluid van seismische aard, veroorzaakt door natuurlijk microseismiek en menselijke activiteiten, zou verplaatsingen van de optica van de interferometers veroorzaken die tien orden van grootte groter zijn dan het effect dat verwacht wordt van gravitatiegolfsignalen. Om deze reden worden seismische isolatiesystemen gebruikt als mechanische interface tussen de omgeving en de optiek van de detector.
Seismische isolatoren zijn complexe mechatronische systemen die compatibel zijn met ultrahoog vacuüm (hierna: UHV) en die de volgende hoofdfuncties hebben: langzame grootschalige positionering en uitlijning; onderdrukken van trillingsruis onder de gevoeligheidseisen in de waarnemingsband van de detector (10Hz-10kHz voor interferometers van de huidige generatie zoals LIGO en VIRGO); en het verminderen van de totale RMS-beweging van elk hangend optisch element, in het bijzonder de bijdragen van veerresonanties en oceanische micro-seismische piek. Deze functies worden bereikt door een actief bestuurd platform van zes vrijheidsgraden te combineren met een keten van passieve mechanische filters, waarvan de laatste fase de hangende optiek zelf is. Meerdere besturingslagen, op spiegelniveau en stroomopwaarts langs de keten, worden gebruikt om de uitlijning van de detector te regelen op basis van globale (geleverd door de optische sensoren van de interferometer) en lokale (verplaatsingssensoren) foutsignalen. In de ET stelt de uitbreiding van de waarnemingsband voor zwaartekrachtgolven tot 3 Hz ons voor grote technologische uitdagingen, omdat de prestaties met enkele orden van grootte moeten worden verbeterd ten opzichte van de allernieuwste technieken voor het isoleren van laagfrequente trillingen.
De uitdaging wordt verdeeld in twee thema’s:
Thema A
Geavanceerde verplaatsings- en traagheidssensoren met ultralage ruis voor actieve trillingsonderdrukking
Cruciaal, voor het verminderen van overtollige ruis van koppelingen in de besturing van de globale vrijheidsgraden van de interferometer (longitudinale en angulaire uitlijning), is de onderdrukking van residuele RMS-bewegingen van de hoofdoptiek van de detector tot op nanometerniveau. Deze eis heeft te maken met beperkingen in het dynamische bereik van actuatoren en het vermogen van mechanische filters om een dergelijke door controle veroorzaakte ruis buiten de waarnemingsband van de interferometer te houden. De oplossing voor dit probleem vereist een multilaterale aanpak:
- •
Reductie van de RMS-beweging van het seismische platform: actieve trillingsisolatie is gebaseerd op terugkoppeling en feed-forward ruisonderdrukking op basis van foutsignalen van versnellingsmeters met hoge resolutie; betere prestaties kunnen worden bereikt door de ontwikkeling van laagfrequente (0,01-1Hz) ultralage ruis inertiële rotatiesensoren om kantelvervuiling uit versnellingsmetersignalen te onderdrukken;
- •
Vermindering van de RMS-beweging van de keten van mechanische filters: verbeterde demping van de starre lichaamsmodi van de passieve isolatieketen kan worden bereikt met nieuwe geoptimaliseerde mechanische configuraties met lokale controles op basis van relatieve verplaatsingssensoren met ultralage ruis; en
- •
Verbetering van het dynamische bereik van de feedback actuatoren: vermindering van de krachtinvoer moet gepaard gaan met verbetering van de dynamica van de actuatoren, met name die dichter bij de spiegel.
Thema B
Actieve trillingsisolatie en controle-instrumentatie in de cryogene omgeving van ET-LF
Drie van de zes interferometers van de ET, de zogenaamde ET-LF's, zullen werken met spiegels die gekoeld zijn tot minder dan 20 K om de prestaties bij lage frequenties te optimaliseren. Dat temperatuurbereik vereist geleidingskoeling, wat betekent dat er een permanente mechanische verbinding (heat-link) tussen de cryokoeler en de laatste stadia van de ophanging, d.w.z. de spiegel en zijn stuurtrap, tot stand moet worden gebracht. Een ideale cryokoeler introduceert geen trillingen die het seismische omgevingsgeluid overschrijden. Dit is op zich echter geen garantie dat de warmteverbinding het restbewegingsniveau van de spiegel niet bederft. De oplossing voor deze complexe uitdaging ligt in de ontwikkeling van thermomechanische verbindingen met zeer lage stijfheid en lage effectieve massa en in de ontwikkeling van actieve trillingsisolatiemethoden, inclusief sensoren en actuatoren, voor de koude kant van de warmteverbinding zelf.
- •
- 4.
Specifieke doelstelling(en) voor dit domein
Binnen dit domein zijn er twee specifieke uitdagingen waarbij de inbreng van het bedrijfsleven is gewenst. Het budget van deze call wordt gelijk verdeeld over beide onderwerpen.
Het beoogde project moet in eerder geval het volgende bevatten:
Thema A – € 1.375.000,00
- •
Inertiële rotatiesensoren met ultralage ruis voor actieve kantelisolatie. Om relevant te zijn voor de ET moet het instrument een resolutie bereiken die beter is dan 0,1 nanoradiaal over de gehele frequentieband van 0,01-1Hz, en compatibel zijn met een ultrahoog vacuümomgeving.
- •
Interferometrische relatieve verplaatsingssensoren met ultralage ruis, compatibel met ultrahoog vacuüm, voor lokale demping van starlichaamtrillingsmodi van de passieve seismische dempingstadia. De sensoren moeten een sub-picometerresolutie bereiken geïntegreerd over de 0.1-10Hz frequentieband.
- •
Interferometrische optische verbindingen voor het implementeren van laagfrequente stabilisatie van de relative positie tussen hulpoptica en kernoptica voor ruisonderdrukking door strooilicht. Het systeem moet de afstand kunnen meten tussen objecten die enkele tientallen meters van elkaar verwijderd zijn met een resolutie van één nanometer RMS geïntegreerd over de frequentieband van 0,01-10 Hz.
Thema B – € 1.375.000,00
- •
Cryogeen compatibele, hoog compliante, zeer betrouwbare thermomechanische interfaces voor het verbinden van cryokoeler en spiegelophangingstadia in ET-LF. De interface moet een actief trillingsisolatiesysteem bevatten (met sensoren en actuatoren) om de hoeveelheid geïnjecteerd seismisch geluid te verminderen.
- •
- 5.
Gerelateerde projecten
In een aantal gerelateerde projecten is reeds vooronderzoek gedaan naar deze technologie:
- •
ET Technologies: in dit project werd, met betrekking tot trillingsdemping, gewerkt aan een cryogene compatibele actieve trillingsisolator voor de koude vinger van de cryokoeler in ET-LF; het technologiedemonstratiemodel is gepland om getest te worden in ETpathfinder.
- •
E-TEST: in dit project is een alternatief ontwerp voor het seismische platform bestudeerd en geïmplementeerd in een prototype op ware grootte. Het systeem bestaat uit een actief isolator met zes vrijheidsgraden die een omgekeerde slingertrap ondersteunt om de demping van de microseismische piek door de oceanen te versterken. De besturing van het systeem maakt gebruik van geavanceerde versnellingsmeters en verplaatsingssensoren op basis van laser interferometrische uitlezing. De isolator ondersteunt een cryogene dubbele slingerlading waarvan de tweede trap een dummyoptiek van 100 kg is. Het prototype-experiment E-TEST bevindt zich momenteel in het Centre Spatiale de Liege (hierna: CSL).
- •
ERC OmniSense-project: in dit project wordt een seismometer met zes vrijheidsgraden en laserinterferometrische uitlezing ontwikkeld en gedemonstreerd bij de besturing van een actief trillingsisolatieplatform. Er wordt verwacht dat het nieuwe inertiële detectieconcept aanzienlijke vooruitgang zal brengen in kantelstabilisatie. Het OmniSense-experiment wordt gebouwd op Nikhef, Amsterdam.
- •
ETpathfinder: deze faciliteit in Maastricht is de belangrijkste R&D-infrastructuur voor de ET in de EMR Euregio. Het bestaat uit twee complete interferometers, met cryogene kernoptiek, met hetzelfde complexiteitsniveau als een zwaartekrachtgolfdetector. De spiegels worden opgehangen in ultrahoog vacuüm met behulp van ultramoderne technologie; de infrastructuur zal echter het testen van geavanceerde ophangingsregelingen en nieuw ontwikkelde componenten mogelijk maken.
- •
Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope
De openstellingstermijn, bedoeld in artikel 8, eerste lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein Optica loopt vanaf 7 juli 2024 tot en met 12 september 2024 om 23:59 uur. Het subsidieplafond, bedoeld in artikel 11, tweede lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.500.000,00.
Uitwerking technologiedomein Optica
- 1.
Introductie
De toekomstige Einstein Telescope (hierna: ET) is een observatorium voor zwaartekrachtgolven dat afhankelijk is van de meting van minieme relatieve lengteverschillen tussen de kilometerslange armen van een laserinterferometer. Optische systemen zijn een cruciaal aspect van ET; de 200 kg super gepolijste spiegels met speciaal geoptimaliseerde coatings aan de uiteinden van de armen dienen als testmassa's; een ultrastabiele laser levert de monochromatische laserstralen die de testmassa's peilen; talloze extra optische systemen en sensoren dienen om het instrument te controleren en te stabiliseren om de signatuur van de passage van een zwaartekrachtgolf door ET te kunnen detecteren als een minuscule 'flikkering' in de fotodetector (fotodiode) die de intensiteit van de samengevoegde laserstralen registreert. Hieronder staat een nadere toelichting.
- 2.
Uitdaging samengevat
Ontwikkelen en interferometrisch testen van grote (10–45 cm diameter) siliciumspiegels met een bulkabsorptie voor 1.550 Newtonmeter (hierna:nm) laserlicht van minder dan een paar delen per miljoen (hierna: ppm) per cm en super gepolijste oppervlakken met een vlakheid van minder dan ±2 nm, een kwadratisch gemiddelde ruwheid van minder dan 100 picometer (hierna: pm). De gepolijste oppervlakken moeten een gemiddelde laserlicht absorptie van minder 50 ppm hebben (waarvan de oorsprong bekend moet zijn) en gecoat zijn met een ruisarme, hoge reflectiviteit coating met een absorptie van minder dan 5 ppm.
- 3.
Uitdaging van optica in meer detail
Een van de unieke eigenschappen van ET is het gebruik van cryogeen gekoelde silicium spiegels om de gevoeligheid voor lage gravitatiegolffrequenties (onder de 20 Hertz (hierna: Hz) aanzienlijk te verbeteren door de thermische ruis in met name de spiegelcoatings en -suspensies te verminderen. Bepaalde types kristallijn silicium, een bekend materiaal uit de halfgeleiderindustrie, zijn ideaal voor dit doel; naast zijn uitstekende mechanische kwaliteitsfactor vertoont silicium een verwaarloosbare thermische uitzettingscoëfficiënt bij temperaturen rond de 120 en onder de 20 Kelvin (hierna: K), en, wat nog belangrijker is, het wordt een uitstekende thermische geleider bij een lage temperatuur. Thermische spiegelvervormingen zullen sterk verminderen in vergelijking met glazen (amorfe siliciumdioxide) spiegels.
Wat betreft het kristallijne siliciumsubstraat, of ingot, moet de bulkabsorptie van het laserlicht dat de spiegels verwarmt onder ongeveer 5 ppm/cm worden gehouden om de spiegels, met name bij 20 K, op een stabiele cryogene temperatuur te kunnen houden. Aangezien resterende vrije ladingsdragers de absorptie domineren bij de beoogde golflengten van 1,5 – 2,0 micrometer (hierna:µm), zijn substraten met een hoge weerstand (beter dan 10 kΩcm) vereist. Terwijl float-zone gegroeid silicium de vereiste hoge weerstand bereikt, is het technisch beperkt tot kleinere diameters. Groeiprocessen die grote substraten bereiken met weinig onzuiverheden, zoals magnetisch ondersteunde Czochralsky-processen, moeten verder worden onderzocht.
Polijstprocessen die dezelfde specificaties kunnen leveren op siliciumsubstraten moeten onderzocht worden en hun kwaliteit moet bewezen worden door geschikte metrologie, inclusief parameters zoals doorgelaten golffrontvervorming en absorptie op het oppervlak en in de bulk. Met het oog op de verschillende golflengtes en de cryogene temperaturen moeten er geheel nieuwe meerlaagse coatings worden ontwikkeld.
- 4.
Specifieke doelstelling(en) binnen dit domein
Binnen dit domein zijn de volgende specifieke uitdagingen waarbij de inbreng van het bedrijfsleven is gewenst.
Ontwikkelen en interferometrisch testen van grote (10–45 cm diameter) siliciumspiegels met een bulkabsorptie voor 1.550 nm laserlicht van minder dan een ppm per cm en super gepolijste oppervlakken met een vlakheid van minder dan ±2 nm en een kwadratisch gemiddelde ruwheid van minder dan 100 pm.
Hierbij zijn de volgende elementen van belang:
- •
Het onderzoeken van de correlatie van het polijstproces en de absorptie van de 1.550 nm laserlicht aan de oppervlakte van de spiegels met het doel de absorptie te reduceren.
- •
Het ontwikkelen en testen van nieuwe materialen voor coatings met een hoge reflectiviteit, lage thermische ruis bij een temperatuur van 20 K en een lage absorptie voor 1.550 nm laserlicht.
- •
- 5.
Gerelateerde projecten
In een aantal gerelateerde projecten is reeds vooronderzoek gedaan naar deze technologie:
- •
ETpathfinder: In dit project – tevens de R&D faciliteit voor de Einstein Telescope – kan de opstelling worden geïntegreerd en getest.
- •
LIGO / VIRGO: De polijstspecificaties van het silicium zullen voor de meeste parameters vergelijkbaar zijn met de zeer hoge eisen die momenteel worden gesteld aan amorfe siliciumdioxide voor de LIGO- en Virgo-observatoria. Deze spiegels (ongeveer 40 kg per stuk) worden gepolijst met een kromtestraal van ongeveer 2 km, met een vlakheid van ±2 nm en een ruwheid van minder dan 0,1 nm. Deze precisie wordt bereikt met behulp van elektrolytisch polijsten, beitsen met ionenbundel en corrigerende coatings. De reflectiviteit van deze spiegels is 99,999%, de gemeten bulkabsorptie van de spiegel substraat is minder dan 1 ppm/cm, en de absorptie van de coatings is minder dan 0.5 ppm per coating.
- •
Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope
Openstelling Thermische deformaties
De openstellingstermijn, bedoeld in artikel 8, eerste lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein Thermische Deformaties loopt vanaf 2 september 2024 tot en met 17 oktober 2024 om 23:59 uur. Het subsidieplafond, bedoeld in artikel 11, tweede lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.250.000,00. De uiterste einddatum voor afronding van projecten binnen dit domein is 30 juni 2027.
Detectoren van zwaartekrachtgolven gebruiken krachtige laserstralen om de kilometerslange afstand tussen supergepolijste spiegels te meten. Het interferometrische proces vergelijkt twee bundels voor een differentiële meting. Om de interferometer de extreme gevoeligheid te laten bereiken die voor Einstein Telescope (hierna: ET) wordt beoogd, moeten de optische verliezen in het systeem niveaus van tientallen paar delen per miljoen (hierna: ppm) bereiken en moet het golffront van de hoofdlaser onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te bereiken. Hieronder staat een nadere toelichting.
Elk defect in de grote optiek van ET kan de prestaties van de detector op verschillende manieren verminderen, bijvoorbeeld via optisch verlies, door vervorming in de stuursignalen van de interferometer of door het opwekken van stralingsdrukgestuurde resonanties in het opto-mechanische systeem. Niet alle defecten kunnen worden vermeden tijdens de fabricage. We gebruiken optische uitlezingen van de hoofdlaserbundel om extra vervormingen te meten en te beperken.
We hebben ruimtelijk opgeloste, zeer nauwkeurige metingen van de optische fase op verschillende locaties nodig. Er moet een gedetailleerd opto-mechanisch model worden gebruikt om een globaal detectie- en regelsysteem te ontwerpen. We moeten informatie over individuele defecten afleiden uit de globale toestand van de interferometer. Tot slot moeten we contactloze actuatoren ontwikkelen die de gemeten optische defecten in-situ kunnen verminderen of compenseren.
Kortom, we hebben een continu en contactvrij detectie- en regelsysteem nodig met een interferometrische fasenauwkeurigheid van beter dan 10-14 voor een 10 km lange interferometer met vrij bewegende spiegels met een massa van ongeveer 200 kg.
De transversale ruimtelijke eigenschappen van een laserbundel spelen een belangrijke rol in de laserinterferometers van ET. Elk verschil in de vorm van de hoofdlaserbundel tussen de interferometerarmen veroorzaakt imperfecte interferentie, wat leidt tot signaalverlies. Bovendien worden radiofrequente zijbandcomponenten van de bundel gebruikt om de positie en oriëntatie van de interferometeroptiek uit te lezen. Elke ruimtelijke vervorming van deze velden kan leiden tot systematische fouten in de optische uitlezing, waardoor de regelsystemen de spiegels verkeerd richten, wat leidt tot signaalverlies. Daarnaast zijn verschillende opto-mechanische systemen afhankelijk van een gecontroleerde vorm van de bundel, en afwijkingen kunnen de oorzaak zijn van instabiliteiten, zogenaamde parametrische instabiliteiten, en hoekcontrole-instabiliteiten, die het onmogelijk kunnen maken om de interferometer operationeel te krijgen en te houden.
De huidige Virgo en LIGO interferometers hebben veel last gehad van dergelijke problemen. In Virgo en LIGO in het bijzonder, is de thermische vervorming van het optisch systeem als gevolg van de resterende zeer kleine absorptie van de laserbundels met hoog vermogen een groot probleem. Dat probleem verhindert het gebruik van het volledige laservermogen tot op de dag van vandaag. Gedetailleerde studies met deze experimenten hebben geleid tot de identificatie van de belangrijkste uitdagingen die we voor ET moeten aanpakken.
ET bestaat uit drie detectoren die samengevouwen zijn in een driehoek. Iedere detector wordt gevormd door twee interferometers, een voor de laagfrequente zwaartekrachtsgolven (hierna: LF) en een voor de hoogfrequente zwaartekrachtsgolven (hierna: HF). In totaal huisvest ET daarom zes 10 km lange interferometers.
Het gebruik van twee interferometers voor elke detector, één werkend bij hoog optisch vermogen (ET HF) en één bij laag optisch vermogen (ET LF), helpt om de invloed van de thermisch geïnduceerde effecten te verminderen. Resterende bundelvormdefecten moeten echter nog steeds worden gecontroleerd en onze huidige hulpsystemen voor het meten en compenseren van spiegeldefecten voldoen niet aan de ET-eisen.
Nauwkeurige golffrontmetingen: we kunnen optische uitlezingen van de hoofdlaserbundel of van radiofrequentie-componenten (hierna: RF-componenten) die meebewegen met de hoofdbundel gebruiken om golffrontfouten te meten en daaruit de defecten af te leiden van de 7 hoofdoptieken in de grote interferometer. De bundel is van uitstekende kwaliteit in fase, amplitude en vorm en levert dus een zeer nauwkeurige aflezing. Maar omdat het de impact van 7 optieken in gekoppelde optische resonatoren mengt, is de afleiding van deze metingen een uitdaging. Nauwkeurigere golffrontsensoren, met een hoge ruimtelijke en tijd oplossing, kunnen de basis vormen voor een krachtiger systeem.
Detectie van de hulpspiegelkwaliteit: Sommige specifieke defecten, zoals vervormingen door puntabsorbers in de spiegelcoating, kunnen veel nauwkeuriger worden gemeten met een speciale hulpbundel dan met de optische uitlezing van de hoofdbundel. Speciale Shack-Hartmann en Hartmann sensoren zijn ontwikkeld en getest in LIGO en Virgo, maar voldoen nog niet aan de ET eisen. Bovendien zijn deze tot nu toe gericht op oppervlaktevervormingen, terwijl een thermisch geïnduceerde gradiënt van de brekingsindex in het hoofdmateriaal het dominante probleem kan zijn, vooral in de hoofdbundelsplitser met de gecompliceerde geometrie van 4 invallende bundels.
Afleiding van de interferometertoestand uit optische detectie: golffrontwaarnemingen van de hoofdbundel leveren informatie over de globale toestand van de interferometer, door de gecombineerde vervormingen van 7 optieken (reflecties en transmissies) te meten. We zijn succesvol geweest in het ontwerpen van schema's voor positie- en oriëntatieregeling, die alle vrijheidsgraden van de optische systemen kunnen uiteenrafelen uit de uitlezingen van de hoofdbundel. Een soortgelijk schema is nog niet volledig gedemonstreerd voor het meten van vervormingen van spiegeloppervlakken.
Modellering van de opto-mechanische dynamica van de interferometer: De toestand van de interferometer hangt het sterkst af van de positie en oriëntatie van de spiegels. De regelkringen voor deze vrijheidsgraden kunnen worden beïnvloed door veranderingen in de vorm van de bundel. Stralingsdrukeffecten veroorzaken extra koppelingen tussen de optica en hun mechanische ophangsystemen, wat leidt tot een nauw gekoppeld systeem dat meer dan 10 km lang is en optische, mechanische en elektronische regelsystemen koppelt. De meeste systemen zijn zeer niet-lineair en gekoppeld via meerdere kanalen, tenzij het systeem zich al in een stabiele toestand bevindt in een zeer klein volume van de beschikbare parameterruimte. Vanwege dit specifieke type optische en opto-mechanische koppeling dat inherent is aan de ET interferometers, kunnen we geen modelagnostische inferentiemethoden gebruiken, maar zijn we afhankelijk van gedetailleerde numerieke modellen van de hardware. Door nauw samen te werken met de Virgo- en LIGO-detectoren moeten we modellen ontwikkelen die correct overeenkomen met de gemeten gegevens van de belangrijkste typen fouten gerelateerd aan spiegeloppervlaktedefecten.
Contactloze compensatie van spiegelvervormingen: In de huidige detectoren gebruiken we ruimtelijk gestuurde verwarming van de spiegels om thermisch geïnduceerde defecten te compenseren. Verschillende soorten actuatoren zijn speciaal ontwikkeld voor gebruik in interferometers voor zwaartekrachtsgolven, zoals ringvormige verwarmers, gesegmenteerde verwarmingsarrays en CO2-lasers die een programmeerbaar warmteprofiel op het spiegeloppervlak kunnen leveren. Sommige van deze systemen kunnen verder ontwikkeld worden voor ET-HF, dat gesmolten siliciumdioxide optica gebruikt bij kamertemperatuur. Maar voor ET-LF, met de hoofdspiegels op een cryogene temperatuur onder 20 Kelvin (hierna: K), kan dezelfde benadering niet worden gebruikt. We moeten een nieuw contactloos schema ontwikkelen voor golffrontcompensatie in cryogene omgevingen.
Adaptieve optiek in hulpsystemen: de optische hulpsystemen rond de hoofdinterferometer maken gebruik van optische telescopen, periscopen, Faraday isolatoren, enzovoort-. Elk optisch defect in deze systemen kan de signalen van de hoofdinterferometers maskeren. We zijn bijvoorbeeld van plan om kleine-bundel stuurinrichtingen te gebruiken om de optische bundels gecentreerd te houden op optische sensoren, zelfs als de oriëntatie van de hoofdspiegels verandert. Deze systemen moeten deel uitmaken van een gecombineerd systeem dat golffrontvervormingen en uitlijnfouten in hulpoptieken kan compenseren. In de meeste hulpsystemen is de straal van de optische bundel aanzienlijk kleiner dan in de hoofdinterferometer (een paar mm tot een paar cm) en we verwachten dat bekende technieken uit de adaptieve optica gebruikt kunnen worden in deze systemen.
Oppervlaktekwaliteit van optiek met vrije vorm: de huidige optiek voor detectoren voor zwaartekrachtgolven is afhankelijk van de nieuwste polijsttechnieken die beschikbaar zijn voor bolvormige oppervlakken. In de afgelopen decennia hebben we een uitgebreide kennis ontwikkeld over cilindrische substraten met supergepolijste sferische oppervlaktevormen. Voor sommige toepassingen zou vrije-vorm optiek echter interessante voordelen bieden, bijvoorbeeld door de footprint van hulpsystemen te verkleinen of door compactere bundel-expander-telescopen in de hoofdinterferometers mogelijk te maken. We moeten een demonstratiemodel ontwikkelen om de prestaties van moderne vrije-vorm optica te testen door de hele keten heen: vanaf het formuleren van eisen, fabricage, validatie en bedieningsgemak.
Binnen dit domein is er een aantal specifieke uitdagingen waarbij de inbreng van het bedrijfsleven is gewenst. Deze uitdagingen zien er als volgt uit:
- •
Wavefront sensing bij RF modulatiefrequenties, met hoge ruimtelijke en temporele resolutie.
- •
Hulpsystemen om vervormingen van spiegeloppervlakken lokaal te volgen.
- •
Inferentie van bundel- en spiegelvervorming binnen het volledige optische systeem uit golffrontsensorgegevens.
- •
Modellering van een complex opto-mechanisch systeem van 7 hangende spiegels met een nauwkeurigheid van sub-pm RMS and 10-20m in the measurement zone.
- •
Contactloze actuatie van golffronten van de belangrijkste testmassa's (d.w.z. over een gebied van >50 cm).
- •
Adaptieve golffrontcorrectie in bundeltelescopen voor hulpsystemen.
- •
Vrije-vorm optiek met een golffrontkwaliteit vergelijkbaar met supergepolijste sferische of parabolische optiek.
Detectoren van zwaartekrachtgolven gebruiken krachtige laserstralen om de kilometerslange afstand tussen supergepolijste spiegels te meten. Het interferometrische proces vergelijkt twee bundels voor een differentiële meting. Om de interferometer de extreme gevoeligheid te laten bereiken die voor ET wordt beoogd, moeten de optische verliezen in het systeem niveaus van tientallen ppm bereiken en moet het golffront van de hoofdlaser onvervormd blijven om contrastdefecten op een vergelijkbaar niveau te bereiken. Hieronder staat een nadere toelichting.
Delen van het optische systeem in ET kunnen meerdere Megawatt (hierna: MW) continu laservermogen aan. Restabsorptie zorgt ervoor dat de optische testmassa's opwarmen en mechanisch vervormen, wat op zijn beurt leidt tot golffrontvervormingen en hoger optisch verlies door verstrooiing. Om dit effect te beperken, voorzien we een feedbacksysteem met gesloten lus dat continu de kwaliteit van de optische bundel meet en contactloze activering gebruikt om de vervorming van de testmassa's te corrigeren.
Soortgelijke systemen zijn ontwikkeld voor de huidige detectoren LIGO en Virgo, en we kunnen profiteren van ontwikkelingen in adaptieve optica op andere gebieden. We worden echter geconfronteerd met extra uitdagingen die specifiek zijn voor onze toepassingen: de vereiste golffrontnauwkeurigheid voor de hoofdbundel ligt op een niveau waarop gewone golffrontsensoren niet volstaan. Ruimtelijk opgeloste fase- en intensiteitsmetingen bij radiofrequenties en een hoge temporele en ruimtelijke resolutie zijn vereist. Daarnaast vereist de interpretatie van de sensorgegevens een gedetailleerd model van het dynamische gedrag van een complex opto-mechanisch systeem. De stralingsdruk van de laserbundel vormt een sterke elastische koppeling tussen de spiegels, waardoor een zeer complex opto-mechanisch systeem ontstaat dat zich uitstrekt over de gehele 10 km van ET. Zogenaamde parametrische instabiliteiten kunnen zich onder specifieke omstandigheden ontwikkelen en resonanties van de gekoppelde opto-mechanische resonatoren opwekken.
Last but not least hebben we alleen ervaring met contactvrije golffrontcorrectie bij kamertemperatuur, terwijl voor sommige systemen in ET een dergelijke actuatie nodig kan zijn bij of in de buurt van spiegels bij cryogene temperaturen (10K).
In een aantal gerelateerde projecten is reeds vooronderzoek gedaan naar deze technologie:
- •
Finesse: Dit project ontwikkelt geavanceerde software voor het modelleren van het optische systeem in detectoren voor zwaartekrachtgolven. De software bevat veel speciale eigenschappen van de ET interferometers, zoals vervorming van het spiegeloppervlak, optische veren, RF detectie, complexe terugkoppelingsschema's en injectie van squeezed licht. De software wordt wereldwijd gebruikt in alle zwaartekrachtgolfprojecten. De projectontwikkeling wordt geleid en gecoördineerd door Nikhef in Amsterdam.
- •
Virgo Phase Camera: De Virgo gravitatiegolfdetector bij Pisa is een grote faciliteit die ondersteund wordt door een internationale samenwerking. Nikhef levert zogenaamde Phase Camera's voor de hoofdinterferometers. De Nikhef Phase Camera maakt gebruik van een scanning beam systeem en RF modulatie om ruimtelijk opgeloste metingen te doen van het golffront van verschillende RF componenten van de hoofdbundel. De eerste versie van de Phase Camera werkt in de Virgo-detector. Op Nikhef in Amsterdam loopt een onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma voor toekomstige upgrades van het systeem.
- •
ETpathfinder: deze faciliteit in Maastricht is de belangrijkste O&O-infrastructuur voor de ET in de EMR Euregio. Het bestaat uit twee complete interferometers, met cryogene kernoptiek, met hetzelfde complexiteitsniveau als een zwaartekrachtgolfdetector. De spiegels worden opgehangen in een ultrahoog vacuüm door gebruik te maken van de modernste technologie. De interferometerconfiguraties zullen verschillen van de optische lay-out van ET, maar de infrastructuur zal het testen van geavanceerde optische sensoren en mogelijk nieuw ontwikkelde actuatoren mogelijk maken.