Artikel 1. Begripsbepalingen
In 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.
Artikel 3. Doel van de regeling
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.
Artikel 4. Subsidiabele activiteiten
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.
Artikel 5. Subsidiabele kosten
-
4 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.
Artikel 6. Hoogte van de subsidie
-
3 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.
Artikel 8. Subsidieaanvraag
-
2 Een aanvraag voor subsidie kan uitsluitend worden ingediend gedurende een door de
minister opengestelde aanvraagperiode zoals aangekondigd in bijlage 2, 4, 5, 6 en 7. Aanvragen die worden ingediend na afloop van een openstellingsperiode worden afgewezen.
Artikel 10. Rangschikking aanvragen
-
2 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.
Artikel 11. Subsidieplafond
-
2 De minister stelt per openstellingsperiode een subsidieplafond vast en werkt de technologiedomeinen
per openstelling uit als bijlage 2, 4, 5, 6 en 7 bij deze regeling die door wijziging van deze regeling aan deze regeling zal worden
gevoegd.
Artikel 12. Weigeringsgronden
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.
Artikel 13. Verplichtingen subsidie
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.
Artikel 14. Subsidievaststelling
-
2 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.
-
3 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.
Artikel 15. Inwerkingtreding
Deze regeling wordt aangehaald als: R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope.
Bijlage 1. Beoordeling aanvragen
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:
-
•
Economisch perspectief:
-
•
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.
Bijlage 2. – Technologiedomein
Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D regeling technologiedomeinen
Einstein Telescope
Openstelling Trillingsvrij koelen
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:
-
• 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.
Bijlage 3. – Kaders intellectueel eigendom in de consortiumovereenkomst
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.
Bijlage 4. Openstelling trillingsdemping
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.
Bijlage 5. – Openstelling Optica
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.
Bijlage 6. Openstelling Thermische deformaties
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.
Uitwerking technologiedomein Thermische deformaties
1. Introductie
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.
2. Uitdaging samengevat
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.
3. Uitdaging van thermische deformaties in meer detail
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.
4. Specifieke doelstelling(en) binnen dit domein
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.
5. Context van het technologiedomein thermische deformaties
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).
6. Gerelateerde projecten
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.
Bijlage 7. Openstelling Vacuümtechnologie
Deze bijlage hoort bij de artikelen 8 en 11 van de R&D-regeling technologiedomeinen
Einstein Telescope
Openstelling- Vacuümtechnologie
De openstellingstermijn, bedoeld in artikel 8, eerste lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope voor het technologiedomein
Vacuümtechnologie loopt vanaf 25 oktober 2024 tot en met 28 november 2024 om 23:59
uur. Het subsidieplafond, bedoeld in artikel 11, tweede lid, van de R&D-regeling technologiedomeinen Einstein Telescope bedraagt € 2.000.000,00.
De uiterste einddatum voor afronding van projecten binnen dit domein is 30 juni 2027.
Uitwerking technologiedomein Vacuümtechnologie
1. Introductie
Voor de Einstein Telescope (hierna: ET) is ongeveer 120 kilometer vacuümbuis nodig
met een binnendiameter van 1 meter om laserstralen ongestoord tussen spiegels te laten
kaatsen.
De huidige detectoren gebruiken roestvrij staal (AISI 304L) voor hun 3 tot 4 kilometer
lange buizen, met een diameter van 0,7 tot 0,9 meter en een wanddikte van 3 tot 4
millimeter. Deze werken bij een totale vacuümdruk van 10-8 millibar (hierna: mbar).
Als deze technologie wordt opgeschaald naar de ET zal dat resulteren in een duur arm-vacuümsysteem.
Daarnaast heeft ET strengere ultrahoogvacuüm (hierna: UHV) eisen.
Binnen dit domein staat de zoektocht naar alternatieven voor dit vacuümsysteem centraal.
Parallel wordt er bij andere instituten – waaronder CERN – nader onderzoek gedaan.
2. Uitdaging van het vacuümsysteem
De hoofdvraag luidt: ‘Hoe bouwen we de 120 kilometer UHV vacuümbuizen voor de armen
van de ET, die aan alle eisen voldoen?’
Specifiek gaat het om de industrialisatie en proof-of-concept van een kostenefficiënte
productie- en ondergrondse installatiestrategie, voor de vacuümsystemen van de ET
op basis van een corrugated buisontwerp. Bij een corrugated buisconcept wordt uit
plaatmateriaal een gegolfde vorm gemaakt om de buis te verstevigen en waardoor de
wanddikte dunner kan zijn.
Hierbij moet rekening worden gehouden met het reduceren van de kosten ten opzichte
van een conventioneel AISI 304L buissysteem, de doorlooptijden, de reductie met betrekking
tot lifecycle-analyse uitkomsten en risico’s. Hierop zijn, onder andere maar niet
uitsluitend, het uitstookproces voor het reduceren van restgassen, de reinheidseisen
van oppervlakken en de betrouwbaarheid van eventuele lassen van grote invloed. Een
algehele systeemintegratie is cruciaal, niet alleen met het oog op de kosten, maar
ook met het oog op de vereiste lange levensduur van minstens 50 jaar met idealiter
weinig onderhoud.
De Einstein Telescope Organisatie heeft een contract met CERN voor de ontwikkeling
van de UHV-buizen. In dit contract is afgesproken dat CERN het Technisch Design Rapport
schrijft, een prototype bouwt en test, workshops organiseert en contact onderhoudt
met de collega’s die werken aan de Cosmic Explorer (toekomstige gravitatiegolfdetector
in de US). Binnen dit project wordt door CERN nog volop gewerkt aan verschillende
werkpakketten. Resultaten vanuit de werkpakketten zullen na goedkeuring worden gedeeld.
CERN is echter een wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit. CERN heeft veel ervaring
met grote projecten, maar voor de fabricage en installatie van 120 kilometer vacuümbuis
is kennis vanuit de industrie nodig. Die kennis is belangrijk om de maakbaarheid en
industrialisatie van de vacuümbuis verder te ontwikkelen.
3. Specifieke doelstelling voor dit domein
De vacuümbuizen moeten voldoen aan de eisen die zijn opgesteld in het document: ‘Einstein
Telescope beampipe requirements’ (ET-0385A-24, 2024; te downloaden via www.einsteintelescopeforbusiness.nl). In dit document staan bijvoorbeeld de eisen over de maximale restgasdrukken in
de buis en eisen over het afvangen van lichtvervuiling door schotten, veroorzaakt
door het weerkaatsen van de laser tegen restgassen, deeltjes en andere vervuiling.
Tabel 1: Partiële drukeisen uit ET-0385A-24
|
Restgas
|
Max. partiële restgasdruk in mbar
|
|
H2
|
5.3 x 10-11
|
|
H2O
|
9.6 x 10-12
|
|
N2
|
5.6 x 10-12
|
|
CO
|
2.2 x 10-12
|
|
CO2
|
2.0 x 10-12
|
|
Hydrocarbons
|
9.1 x 10-14
|
Andere onderwerpen zijn de diameter van de buis, de werkcondities onder de grond en
de uitlijning van de buis. Voortvloeiend uit dit pakket van eisen volgen impliciete
eisen op bijvoorbeeld maakbaarheid en betrouwbaarheid.
Binnen dit domein zijn er een aantal specifieke uitdagingen waarbij de inbreng van
het bedrijfsleven is gewenst. Deze uitdagingen zijn:
-
1. Industrialisatie van 120 kilometer corrugated vacuümbuis (maakbaarheid op grote schaal),
inclusief een supply chain studie.
-
2. Het ontwerpen, maken en waarborgen van de kwaliteit voor het vormen en lassen van
een corrugated buis, die aan de eisen voldoet zoals beschreven in het document Einstein
Telescope beampipe requirements (ET-0385A-24).
-
3. De ontwikkeling van het proces voor het reinigen en controleren van de reinheid van
de buis. Met inbegrip van de logistiek van productie tot installatie en onderhoud.
-
4. Voor alle uitdagingen geldt dat er een inschatting moet worden gemaakt van kosten,
tijd, life-cycle en risico’s voor productie, installatie en operatie.
Een ontwerp van de corrugated buis is beschikbaar, maar dit ontwerp kan aangepast
worden als dat een verbetering voor de productie en/of installatie oplevert. Ferritisch
roestvrij staal AISI 441 / X2CrTiNb18 wordt op dit moment als voorkeursmateriaal beschouwd,
omdat verwacht wordt dat dit een substantiële kostenbesparing kan opleveren (Carlo
Scarcia, ‘Study of selected mild steels for application in vacuum systems of future
gravitational wave detectors,’ Journal of Vacuum Science and Technology, 5 augustus 2024). Roestvrij staal AISI 304L wordt beschouwd als alternatief en back-up
materiaal.
Er zijn – in overleg – mogelijkheden tot samenwerking met en testen bij CERN.
4. Gerelateerde documentatie en projecten
Naast de reeds genoemde documentatie, zijn er diverse rapporten waarin meer informatie
is te vinden:
-
• ET conceptual design report CDR (2011)
-
• Einstein Telescope: Science Case, Design Study and Feasibility Report (‘30 pages’
ESFRI document), ET-0028A-20, 2020
-
• ET design report update 2020 (‘long ESFRI document’), ET-0007A-20, 2020
-
• Science Case for the Einstein Telescope, arXiv:1912.02 622, 2020
-
• ET cost book, ET-0000A-20, 2020
-
• Socio-economic impact of the Einstein Telescope – Executive Summary, ET-0001A-20,
2020
-
• Workshop Beampipes for Gravitational Wave Telescopes 2023: https://indico.cern.ch/event/1208957/timetable/?view=standard
In een aantal gerelateerde projecten is vooronderzoek gedaan naar de uitdagingen:
-
• ET Technologies: In dit afgeronde project is gerelateerd aan vacuümtechnologie materiaalonderzoek
naar metalen en coatings gedaan om alternatieven voor het vacuümsysteem te kunnen
beoordelen;
-
• Beampipes4ET (Interreg-MR): In dit lopende project met leadpartner RWTH Aachen wordt
er onderzoek gedaan naar een nieuw productieconcept voor vacuümbuizen en een nieuwe
lastechnologie. Daarnaast wordt een bestaande productietechnologie voor flenzen en
T-profielen toegepast op vacuümbuizen. Meer hierover op deze website: https://keep.eu/projects/29344.
