Untersuchungen an Bulkmaterialien für rauscharme, kryogene Interferometer

Von Gravitationswellen verursachte Verzerrungen in der Raumzeit können in einem interferometrischen Detektor mit Spiegeln als Testmassen (TM) durch Intensitätsschwankungen am Ausgang erfasst werden und die erste direkte Detektion im Herbst 2015 verdeutlicht eindrucksvoll deren Potential. Für eine Astronomie wie mit optischen Teleskopen ist die Empfindlichkeit noch zu gering und kann nur durch das Absenken des Gesamtrauschens gesteigert werden. Im empfindlichsten Frequenzbereich der Detektoren um 100 Hz limitiert insbesondere das thermische Rauschen der TM. Es ist eng mit der Temperatur und dem mechanischen Verlust verknüpft. Das Abkühlen der TM stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur Rauschreduktion in Aussicht. Sowohl Silizium als auch Saphir stellen eine geeignete Alternative zum bisher verwendeten Fused Silica für den kryogenen Betrieb dar und wurden daher bezüglich ihrer Verwendung in zukünftigen Gravitationswellendetektoren untersucht. Unter Berücksichtigung der Reinheit bzw. einer möglichen Dotierung sowie der Oberflächengüte kann so eine Minimierung des damit einhergehenden thermischen Rauschens erfolgen. Auch die nötigen Pendelaufhängungen der TM tragen zum thermischen Rauschen bei. Kryogene Detektoren erfordern Fasern mit größeren Durchmessern für eine ausreichende Wärmeabfuhr. Es wurden Saphirfasern aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren im Hinblick auf ihren mechanischen Verlust sowie die Wärmeleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen charakterisiert. Die übliche Verbindung der TM mit den Pendelfasern erfolgt mittels hydroxid-katalytischem Bonden sowie durch Laserschweißen. Während letzteres die bei tiefen Temperaturen für hohe Wärmeleitfähigkeiten erforderliche Kristallinität stört, erlaubt die sehr dünne Bondschicht einen nahezu ungestörten Wärmefluss. Das hydroxid-katalytische Bonden als etabliertes Fügeverfahren sowie eine alternativ dazu entwickelte Verbindung mittels Indium wurden deshalb bezüglich ihrer Tieftemperaturtauglichkeit überprüft.