Thermal diagnostics experiments for LISA Pathfinder
Authors:   , Gibert Gutiérrez Ferran 
Published: October 2023

The LISA Pathfinder project is an ESA/NASA technology demonstrator mission that must test the critical instrumentation required for a future space-borne gravitational wave observatory based on the LISA design. The satellite, to be launched by December 2015, carries two free-floating test masses and an interferometer that measures the relative distance between them. The main objective of the satellite is to demonstrate that the residual acceleration noise between the masses is lower than 3e-14 m/s^2/sqrt(Hz) in the band between 1-30 mHz. To achieve such a high sensitivity, the instrument is provided with an accurate control system that allows to sense and actuate on any of the 18 degrees of freedom of the system composed of the two test masses and the spacecraft, avoiding interfering the scientific measurements. The whole instrument is called the LISA Technology Package (LTP).
At such low frequencies, the system is exposed to a broad list of external perturbations that eventually limit the sensitivity of the instrument. Amongst them, temperature fluctuations at different spots of the satellite can end up distorting the motion of the masses and the interferometer readouts through different mechanisms. In order to measure such fluctuations and to characterise their contribution to the system sensitivity, the satellite is equipped with a thermal diagnostic subsystem composed of a series of heaters and high precision temperature sensors. Three different kind of thermal perturbation mechanisms are to be studied with such a subsystem: (1) thermal effects inducing direct forces and torques to the test masses due to the presence of temperature gradients, (2) thermo-elastic distortion due to temperature fluctuations in the structure hosting the test masses and the interferometer and (3) thermo-optical distortion of two optical parts located outside the ultra-stable optical bench. This thesis focuses on the design of the experiments aimed to study the first two mechanisms. These experiments essentially consist in the injection of a series of heat loads near each of the thermal-sensitive locations in order to stress their associated thermal mechanism. Such an induced perturbation is visible with high SNR at both the optical measurements and the nearby temperature sensors, and allows to derive coupling coefficients for each of the effects or, at least, bound their contribution to the acceleration noise.
The analysis of the impact of forces and torques on the masses has followed two approaches: first, a simulator environment has been designed and implemented to estimate the impact of any kind of heat signal applied close to the test masses and, secondly, a test campaign has been carried out by means of a LTP-test mass replica installed in a torsion pendulum facility. Regarding the simulator, a state-space model has been developed including a thermal system of the whole spacecraft and a specific design for each of the mechanisms that generate forces and torques from temperature gradients: the radiometer effect, the radiation pressure effect and asymmetric outgassing. This model has been integrated to a general simulator of the whole LTP performance, what has allowed to simulate the whole chain between the heater activation and the final impact to the closed-loop performance of the LTP. In parallel, the experimental campaign by means of a torsion pendulum facility of the University of Trento has allowed to characterise the impact of each of the effects in different scenarios of absolute temperature and pressure.
On the other hand, the analysis of thermo-elastic noise in the LTP is based on the results obtained during a spacecraft Thermal Vacuum test campaign. In this test, a series of heater activations in the suspension struts that attach the LTP core assembly to the satellite structure allowed to bound the impact of temperature fluctuations at these locations and to characterise the main mechanical distortion mode associated to them.
LISA Pathfinder és una missió de la ESA amb participació de la NASA que pretén validar la instrumentació necessària per a un futur observatori espacial d'ones gravitatòries basat en el model LISA. Amb data de llançament pel desembre de 2015, el satèl·lit porta dues masses en caiguda lliure i un interferòmetre que mesura la seva distància relativa. L'objectiu principal és aconseguir mesurar una acceleració residual entre masses per sota de 3e-14 m/s^2/sqrt(Hz) en la banda entre 1 i 30 mHz, fet que requereix una precisió de picòmetres en la mesura. Per altra banda, un sofisticat sistema de control regula els 18 graus de llibertat del sistema conformat per les dues masses i el satèl·lit sense pràcticament afectar la mesura principal. El conjunt d'instrumentació que forma part d'aquest experiment s'anomena LISA Technology Package (LTP). Les freqüències d'operació del LTP, a la banda el mili-Hertz, exposen el sistema a una sèrie de pertorbacions externes difícils d'aïllar i que eventualment podrien limitar la precisió de l'instrument. Entre d'altres, fluctuacions de temperatura en punts concrets del sistema poden alterar les trajectòries de les masses i afectar la precisió de l'interferòmetre mitjançant diferents mecanismes tèrmics, per la qual cosa el satèl·lit porta un subsistema de diagnòstics tèrmics format per una xarxa de sensors de temperatura i escalfadors estratègicament col·locats. La finalitat d'aquest subsistema és estudiar tres tipus de pertorbacions tèrmiques mitjançant diferents experiments: (1) les forces i moments que perceben les masses quan estan exposades a gradients tèrmics, (2) les distorsions termo-elàstiques induïdes per fluctuacions de temperatura a l'estructura on es troben les masses i l'interferòmetre i (3) les distorsions termo-òptiques de dos components òptics que es troben fora de l'ultra-estable banc òptic de l'interferòmetre. D'entre tots aquests, aquesta tesi es centra en el disseny associat als experiments (1) i (2). Cada experiment consisteix principalment en la inducció de càrregues tèrmiques a llocs concrets que forcen una pertorbació tèrmica diferent. L'impacte de la pertorbació és visible amb alt SNR (Signal-to-Noise Ratio) tan a l'interferòmetre com als sensors tèrmics propers, cosa que permet extreure els coeficients principals de distorsió de cada cas. L'anàlisis dels efectes tèrmics que provoquen forces directament sobre les masses s'ha fet en dues parts: en primer lloc s'ha desenvolupat un simulador que permet estimar la dinàmica de les masses davant de qualsevol activació dels escalfadors propers i, en segon lloc, s'ha dut a terme una campanya experimental amb una rèplica de les masses de test i els diagnòstics tèrmics que està instal·lada en un pèndol de torsió de la Universitat de Trento. Pel que fa al simulador, s'ha implementant un model d'espai d'estats que inclou un model tèrmic de tot el satèl·lit i submodels per a cada un dels mecanismes que poden generar forces i moments sobre les masses, que són l'efecte radiomètric, la pressió per radiació i el flux de desgasificació (outgassing) de les superfícies. Aquest model s'ha integrat en un simulador global del LTP, cosa que permet estudiar l'impacte que una activació tèrmica acaba induïnt a l'interferòmetre i en els llaços de control. D'altra banda, la campanya experimental ha permès caracteritzar les contribucions de cada un d'aquests efectes tèrmics en diferents condicions de temperature i pressió. Pel que fa a l'anàlisi de la distorsió termo-elàstica, la investigació s'ha centrat en els resultats obtinguts durant una campanya de proves on es va sotmetre el satèl·lit sencer en condicions realistes de pressió, temperatura i radiació solar. Breus activations dels escalfadors col·locats a prop de les barrers que subjecten la part principal del LTP han permès caracteritzar el mecanisme de distorsió principal i definir un límit superior en l'acoblament entre fluctuacions de temperatura en aquesta l'estructura i l'interferòmetre.