Mitigating anthropogenic seismic noise for precision experiments in urban environments

Abstract

Precision experiments, such as gravitational wave detectors, often need to be placed in remote regions of Earth in order to avoid the excess seismic noise that is generated by a multitude human activities. This noise resides at frequencies above 1Hz and, in urban environments, far exceeds the acceleration amplitudes from natural sources.

I enabled low-frequency precision interferometry experiments inside the busy metropolitan area of Hamburg, Germany, by designing and commissioning a laboratory-scale cascaded seismic isolation platform, capable of isolating payloads of multiple tons starting at a frequency of 0.9 Hz with a reduction in seismic noise of up to 45 dB. The isolation was realized by augmenting a pre-existing passive isolation stage, based on a mass-spring system, with a voice coil actuator and a seismic sensor to extend the isolation band below the resonance frequencies of the platform. To further improve seismic isolation, I designed and built a pendulum suspension for a test mass in vacuum with a fundamental resonance frequency of 5 Hz and a Q factor of 750 using a geometry that suppresses most other suspension modes. The suspension design allows for parametric feedback control on the fundamental mode by vertical actuation of the suspension. With this, I was able to reduce the natural ringdown time by a factor of five without increasing mechanical loss. In turn, with parametric amplification, I enhanced and suppressed the effect of resonant seismic forces without adding noise in the process. Using the isolation techniques above and with precise position readout from a Michelson-Sagnac interferometer configuration, I further sensed a force on the nanonewton scale induced via radiation pressure modulation. To mitigate the effect of residual seismic noise, I provided the training data and aided in the conceptualization of a feed-forward seismic noise cancellation scheme that utilizes a convolutional neural network to infer the effect of witnessed seismic noise on the pendulum excitation.

The techniques developed in this thesis enable precision experiments to reap the benefits of a low-noise seismic environment without the need for relocating into remote areas or significant changes to the structure of the laboratory building. Moreover, the large carrying capacity of the isolation platform supports a wide variety of applications.

Um den seismischen Störungen zu entgehen, die mit vielerlei menschlichen Aktivitäten einhergehen, müssen Gravitationswellendetektoren und andere Präzisionsexperimente häufig in entfernten Gegenden der Erde angesiedelt werden. Dieses anthropogene seismische Rauschen ist bei Frequenzen oberhalb von 1 Hz angesiedelt und übersteigt in urbanen Umgebungen die natürliche Seismik bei Weitem.

Ich habe präzisionsinterferometrische Experimente bei diesen Frequenzen in der urbanen Umgebung von Hamburg, Deutschland, ermöglicht, indem ich eine Labor-gestützte mehrstufige seismische Isolationsplattform entworfen und in Betrieb genommen habe, welche Nutzlasten von mehreren Tonnen bei Frequenzen ab 0,9 Hz mit einer Rauschunterdrückung von bis zu 45 dB isoliert. Um diese Isolationsleistung zu ermöglichen, wurde eine auf dem Feder-Masse-Prinzip basierende passive Isolationsplattform mit einem Tauchspulenaktor und einem Seismometer ergänzt. Damit konnte der Frequenzbereich der effektiven Isolation unter die Resonanzfrequenzen der passiven Plattform erweitert werden. Um die seismische Isolation optimal zu ergänzen, habe ich eine Pendelaufhängung mit einer fundamentalen Resonanzfrequenz von 5 Hz und einem Gütefaktor von 750 für eine Testmasse in einer Vakuumumgebung entwickelt. Während die Geometrie der Aufhängung die meisten Schwingungsmoden unterdrückt, erlaubt sie die parametrische Regelung der fundamentalen Pendelmode durch gezielte vertikale Bewegung der Aufhängungsebene. Mit dieser Regelung konnte ich die Abklingzeit der Pendelmode um einen Faktor von fünf verkürzen ohne die mechanische Dissipation zu erhöhen. Weiter habe ich mithilfe parametrischer Verstärkung den Effekt resonanter seismischer Kräfte gezielt verstärkt und abgeschwächt ohne zusätzliche Störungen zu verursachen. Mithilfe der obigen Isolationstechniken und mit präziser Positionsmessung durch eine Michelson-Sagnac-Interferometerkonfiguration konnte ich eine durch Strahlungsdruck auf die Testmasse aufgebrachte Kraftmodulation auf der Nanonewton-Skala messen. Um den Einfluss von verbleibenden seismischen Störungen zu reduzieren, war ich an der Konzeptualisierung und experimenteller Realisierung von einer passiven Rauschreduktion beteiligt, die mithilfe eines neuralen Netzwerks den Einfluss seismischer Störungen auf die Pendelanregung vorhersagt.

Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden ermöglichen die Durchführung umfang- und massereicher Präzisionsexperimente in einer rauschreduzierten seismischen Umgebung ohne die Notwendigkeit einer Platzierung in dünn besiedelte Gegenden oder aufwendige Voraussetzungen bezüglich der Laborgebäudeinfrastruktur.