In this paper, we present the design and performance of the upgraded University of Florida torsion pendulum facility for testing inertial sensor technology related to space-based gravitational wave observatories and geodesy missions. In particular, much work has been conducted on inertial sensor technology related to the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) space gravitational wave observatory mission. A significant upgrade to the facility was the incorporation of a newly designed and fabricated LISA-like gravitational reference sensor (GRS) based on the LISA Pathfinder GRS. Its LISA-like geometry has allowed us to make noise measurements that are more representative of those in LISA and has allowed for the characterization of the mechanisms of noise induced on a LISA GRS and their underlying physics. Noise performance results and experiments exploring the effect of temperature gradients across the sensor will also be discussed. The LISA-like sensor also includes unique UV light injection geometries for UV LED based charge management. Pulsed and DC charge management experiments have been conducted using the University of Florida charge management group’s technology readiness level 4 charge management device. These experiments have allowed for the testing of charge management system hardware and techniques as well as characterizations of the dynamics of GRS test mass charging. The work presented here demonstrates the upgraded torsion pendulum’s ability to act as an effective testbed for GRS technology.

1.
P.
Amaro-Seoane
,
H.
Audley
,
S.
Babak
,
J.
Baker
,
E.
Barausse
,
P.
Bender
,
E.
Berti
,
P.
Binetruy
,
M.
Born
,
D.
Bortoluzzi
,
J.
Camp
,
C.
Caprini
,
V.
Cardoso
,
M.
Colpi
,
J.
Conklin
,
N.
Cornish
,
C.
Cutler
,
K.
Danzmann
,
R.
Dolesi
,
L.
Ferraioli
,
V.
Ferroni
,
E.
Fitzsimons
,
J.
Gair
,
L.
Gesa Bote
,
D.
Giardini
,
F.
Gibert
,
C.
Grimani
,
H.
Halloin
,
G.
Heinzel
,
T.
Hertog
,
M.
Hewitson
,
K.
Holley-Bockelmann
,
D.
Hollington
,
M.
Hueller
,
H.
Inchauspe
,
P.
Jetzer
,
N.
Karnesis
,
C.
Killow
,
A.
Klein
,
B.
Klipstein
,
N.
Korsakova
,
S. L.
Larson
,
J.
Livas
,
I.
Lloro
,
N.
Man
,
D.
Mance
,
J.
Martino
,
I.
Mateos
,
K.
McKenzie
,
S. T.
McWilliams
,
C.
Miller
,
G.
Mueller
,
G.
Nardini
,
G.
Nelemans
,
M.
Nofrarias
,
A.
Petiteau
,
P.
Pivato
,
E.
Plagnol
,
E.
Porter
,
J.
Reiche
,
D.
Robertson
,
N.
Robertson
,
E.
Rossi
,
G.
Russano
,
B.
Schutz
,
A.
Sesana
,
D.
Shoemaker
,
J.
Slutsky
,
C. F.
Sopuerta
,
T.
Sumner
,
N.
Tamanini
,
I.
Thorpe
,
M.
Troebs
,
M.
Vallisneri
,
A.
Vecchio
,
D.
Vetrugno
,
S.
Vitale
,
M.
Volonteri
,
G.
Wanner
,
H.
Ward
,
P.
Wass
,
W.
Weber
,
J.
Ziemer
, and
P.
Zweifel
, arXiv:1702.00786 (
2017
).
2.
G.
Ciani
,
A.
Chilton
,
S.
Apple
,
T.
Olatunde
,
M.
Aitken
,
G.
Mueller
, and
J. W.
Conklin
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
064502
(
2017
).
3.
G.
Russano
,
A.
Cavalleri
,
A.
Cesarini
,
R.
Dolesi
,
V.
Ferroni
,
F.
Gibert
,
R.
Giusteri
,
M.
Hueller
,
L.
Liu
,
P.
Pivato
,
H. B.
Tu
,
D.
Vetrugno
,
S.
Vitale
, and
W. J.
Weber
,
Classical Quantum Gravity
35
,
035017
(
2018
).
4.
F.
Yang
,
Y.
Bai
,
W.
Hong
,
T. J.
Sumner
, and
Z.
Zhou
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
124502
(
2020
).
5.
A.
Chilton
,
R.
Shelley
,
T.
Olatunde
,
G.
Ciani
,
J. W.
Conklin
, and
G.
Mueller
,
J. Phys.: Conf. Ser.
610
,
012038
(
2015
).
6.
M.
Armano
,
H.
Audley
,
G.
Auger
,
J.
Baird
,
P.
Binetruy
,
M.
Born
,
D.
Bortoluzzi
,
N.
Brandt
,
A.
Bursi
,
M.
Caleno
,
A.
Cavalleri
,
A.
Cesarini
,
M.
Cruise
,
K.
Danzmann
,
I.
Diepholz
,
R.
Dolesi
,
N.
Dunbar
,
L.
Ferraioli
,
V.
Ferroni
,
E.
Fitzsimons
,
M.
Freschi
,
J.
Gallegos
,
C. G.
Marirrodriga
,
R.
Gerndt
,
L. I.
Gesa
,
F.
Gibert
,
D.
Giardini
,
R.
Giusteri
,
C.
Grimani
,
I.
Harrison
,
G.
Heinzel
,
M.
Hewitson
,
D.
Hollington
,
M.
Hueller
,
J.
Huesler
,
H.
Inchauspé
,
O.
Jennrich
,
P.
Jetzer
,
B.
Johlander
,
N.
Karnesis
,
B.
Kaune
,
N.
Korsakova
,
C.
Killow
,
I.
Lloro
,
R.
Maarschalkerweerd
,
S.
Madden
,
D.
Mance
,
V.
Martín
,
F.
Martin-Porqueras
,
I.
Mateos
,
P.
McNamara
,
J.
Mendes
,
L.
Mendes
,
A.
Moroni
,
M.
Nofrarias
,
S.
Paczkowski
,
M.
Perreur-Lloyd
,
A.
Petiteau
,
P.
Pivato
,
E.
Plagnol
,
P.
Prat
,
U.
Ragnit
,
J.
Ramos-Castro
,
J.
Reiche
,
J. A.
Perez
,
D.
Robertson
,
H.
Rozemeijer
,
G.
Russano
,
P.
Sarra
,
A.
Schleicher
,
J.
Slutsky
,
C. F.
Sopuerta
,
T.
Sumner
,
D.
Texier
,
J.
Thorpe
,
C.
Trenkel
,
H. B.
Tu
,
D.
Vetrugno
,
S.
Vitale
,
G.
Wanner
,
H.
Ward
,
S.
Waschke
,
P.
Wass
,
D.
Wealthy
,
S.
Wen
,
W.
Weber
,
A.
Wittchen
,
C.
Zanoni
,
T.
Ziegler
, and
P.
Zweifel
,
J. Phys.: Conf. Ser.
610
,
012005
(
2015
).
7.
G.
Ciani
, “
Free-fall of LISA test masses: A new torsion pendulum to test translational acceleration
,” Ph.D. thesis,
University of Trento
,
2008
.
8.
W. J.
Weber
,
L.
Carbone
,
A.
Cavalleri
,
R.
Dolesi
,
C. D.
Hoyle
,
M.
Hueller
, and
S.
Vitale
,
Adv. Space Res.
39
,
213
(
2007
).
9.
Victrex
,
Victrex™ peek 450G™
, www.victrex.com,
2019
.
10.
Epoxy Technology, Inc.
,
EPO-TEK H20E Data Sheet
, https://www.epotek.com/docs/en/Datasheet/H20E.pdf,
2021
.
11.
Engineering ToolBox
,
Coefficients of linear thermal expansion
,
2003
.
12.
G-S Plastic Optics
,
Diamond turning
, https://www.gsoptics.com/single-point-diamond-turning/,
2021
.
13.
F. G.
Gutierrez
, “
Thermal diagnostics experiments for LISA pathfinder
,” Ph.D. thesis,
University of Barcelona
,
2015
.
14.
A.
Cavalleri
,
G.
Ciani
,
R.
Dolesi
,
A.
Heptonstall
,
M.
Hueller
,
D.
Nicolodi
,
S.
Rowan
,
D.
Tombolato
,
S.
Vitale
,
P. J.
Wass
, and
W. J.
Weber
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
140601
(
2009
).
15.
A.
Cavalleri
,
G.
Ciani
,
R.
Dolesi
,
M.
Hueller
,
D.
Nicolodi
,
D.
Tombolato
,
P. J.
Wass
,
W. J.
Weber
,
S.
Vitale
, and
L.
Carbone
,
Classical Quantum Gravity
26
,
094012
(
2009
).
16.
M.
Armano
,
H.
Audley
,
J.
Baird
,
P.
Binetruy
,
M.
Born
,
D.
Bortoluzzi
,
E.
Castelli
,
A.
Cavalleri
,
A.
Cesarini
,
A. M.
Cruise
,
K.
Danzmann
,
M.
de Deus Silva
,
I.
Diepholz
,
G.
Dixon
,
R.
Dolesi
,
L.
Ferraioli
,
V.
Ferroni
,
E. D.
Fitzsimons
,
M.
Freschi
,
L.
Gesa
,
F.
Gibert
,
D.
Giardini
,
R.
Giusteri
,
C.
Grimani
,
J.
Grzymisch
,
I.
Harrison
,
G.
Heinzel
,
M.
Hewitson
,
D.
Hollington
,
D.
Hoyland
,
M.
Hueller
,
H.
Inchauspé
,
O.
Jennrich
,
P.
Jetzer
,
N.
Karnesis
,
B.
Kaune
,
N.
Korsakova
,
C. J.
Killow
,
J. A.
Lobo
,
I.
Lloro
,
L.
Liu
,
J. P.
López-Zaragoza
,
R.
Maarschalkerweerd
,
D.
Mance
,
N.
Meshksar
,
V.
Martín
,
L.
Martin-Polo
,
J.
Martino
,
F.
Martin-Porqueras
,
I.
Mateos
,
P. W.
McNamara
,
J.
Mendes
,
L.
Mendes
,
M.
Nofrarias
,
S.
Paczkowski
,
M.
Perreur-Lloyd
,
A.
Petiteau
,
P.
Pivato
,
E.
Plagnol
,
J.
Ramos-Castro
,
J.
Reiche
,
D. I.
Robertson
,
F.
Rivas
,
G.
Russano
,
J.
Slutsky
,
C. F.
Sopuerta
,
T.
Sumner
,
D.
Texier
,
J. I.
Thorpe
,
D.
Vetrugno
,
S.
Vitale
,
G.
Wanner
,
H.
Ward
,
P. J.
Wass
,
W. J.
Weber
,
L.
Wissel
,
A.
Wittchen
, and
P.
Zweifel
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
061101
(
2018
).
17.
L.
Carbone
,
A.
Cavalleri
,
G.
Ciani
,
R.
Dolesi
,
M.
Hueller
,
D.
Tombolato
,
S.
Vitale
, and
W. J.
Weber
,
Phys. Rev. D
76
,
102003
(
2007
).
18.
M.
Armano
,
H.
Audley
,
G.
Auger
,
J. T.
Baird
,
P.
Binetruy
,
M.
Born
,
D.
Bortoluzzi
,
N.
Brandt
,
A.
Bursi
,
M.
Caleno
,
A.
Cavalleri
,
A.
Cesarini
,
M.
Cruise
,
K.
Danzmann
,
M.
de Deus Silva
,
I.
Diepholz
,
R.
Dolesi
,
N.
Dunbar
,
L.
Ferraioli
,
V.
Ferroni
,
E. D.
Fitzsimons
,
R.
Flatscher
,
M.
Freschi
,
J.
Gallegos
,
C.
García Marirrodriga
,
R.
Gerndt
,
L.
Gesa
,
F.
Gibert
,
D.
Giardini
,
R.
Giusteri
,
C.
Grimani
,
J.
Grzymisch
,
I.
Harrison
,
G.
Heinzel
,
M.
Hewitson
,
D.
Hollington
,
M.
Hueller
,
J.
Huesler
,
H.
Inchauspé
,
O.
Jennrich
,
P.
Jetzer
,
B.
Johlander
,
N.
Karnesis
,
B.
Kaune
,
C. J.
Killow
,
N.
Korsakova
,
I.
Lloro
,
L.
Liu
,
J. P.
López-Zaragoza
,
R.
Maarschalkerweerd
,
S.
Madden
,
D.
Mance
,
V.
Martín
,
L.
Martin-Polo
,
J.
Martino
,
F.
Martin-Porqueras
,
I.
Mateos
,
P. W.
McNamara
,
J.
Mendes
,
L.
Mendes
,
A.
Moroni
,
M.
Nofrarias
,
S.
Paczkowski
,
M.
Perreur-Lloyd
,
A.
Petiteau
,
P.
Pivato
,
E.
Plagnol
,
P.
Prat
,
U.
Ragnit
,
J.
Ramos-Castro
,
J.
Reiche
,
J. A.
Romera Perez
,
D. I.
Robertson
,
H.
Rozemeijer
,
F.
Rivas
,
G.
Russano
,
P.
Sarra
,
A.
Schleicher
,
J.
Slutsky
,
C.
Sopuerta
,
T. J.
Sumner
,
D.
Texier
,
J. I.
Thorpe
,
C.
Trenkel
,
D.
Vetrugno
,
S.
Vitale
,
G.
Wanner
,
H.
Ward
,
P. J.
Wass
,
D.
Wealthy
,
W. J.
Weber
,
A.
Wittchen
,
C.
Zanoni
,
T.
Ziegler
,
P.
Zweifel
, and
LISA Pathfinder Collaboration
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
171101
(
2017
).
19.
M.
Armano
,
H.
Audley
,
J.
Baird
,
P.
Binetruy
,
M.
Born
,
D.
Bortoluzzi
,
E.
Castelli
,
A.
Cavalleri
,
A.
Cesarini
,
A. M.
Cruise
,
K.
Danzmann
,
M.
de Deus Silva
,
I.
Diepholz
,
G.
Dixon
,
R.
Dolesi
,
L.
Ferraioli
,
V.
Ferroni
,
E. D.
Fitzsimons
,
M.
Freschi
,
L.
Gesa
,
D.
Giardini
,
F.
Gibert
,
R.
Giusteri
,
C.
Grimani
,
J.
Grzymisch
,
I.
Harrison
,
G.
Heinzel
,
M.
Hewitson
,
D.
Hollington
,
D.
Hoyland
,
M.
Hueller
,
H.
Inchauspé
,
O.
Jennrich
,
P.
Jetzer
,
N.
Karnesis
,
B.
Kaune
,
N.
Korsakova
,
C. J.
Killow
,
L.
Liu
,
I.
Lloro
,
J. A.
Lobo
,
J. P.
López-Zaragoza
,
R.
Maarschalkerweerd
,
F.
Mailland
,
D.
Mance
,
V.
Martín
,
L.
Martin-Polo
,
F.
Martin-Porqueras
,
J.
Martino
,
I.
Mateos
,
P. W.
McNamara
,
J.
Mendes
,
L.
Mendes
,
N.
Meshskar
,
M.
Nofrarias
,
S.
Paczkowski
,
M.
Perreur-Lloyd
,
A.
Petiteau
,
M.
Pfeil
,
P.
Pivato
,
E.
Plagnol
,
J.
Ramos-Castro
,
J.
Reiche
,
D. I.
Robertson
,
F.
Rivas
,
G.
Russano
,
G.
Santoruvo
,
P.
Sarra
,
D.
Shaul
,
J.
Slutsky
,
C. F.
Sopuerta
,
T.
Sumner
,
D.
Texier
,
J. I.
Thorpe
,
C.
Trenkel
,
D.
Vetrugno
,
S.
Vitale
,
G.
Wanner
,
H.
Ward
,
S.
Waschke
,
P. J.
Wass
,
W. J.
Weber
,
L.
Wissel
,
A.
Wittchen
,
P.
Zweifel
, and
LISA Pathfinder Collaboration
,
Phys. Rev. D
98
,
062001
(
2018
).
20.
H.
Inchauspé
,
T.
Olatunde
,
S.
Apple
,
S.
Parry
,
B.
Letson
,
N.
Turetta
,
G.
Mueller
,
P.
Wass
, and
J.
Conklin
,
Phys. Rev. D
102
,
042002
(
2020
).
21.
S.
Parry Kenyon
,
B.
Letson
,
M.
Clark
,
S.
Barke
,
T.
Olatunde
,
L.
Ritten
,
J.
Schindler
,
T.
Sumner
,
G.
Mueller
,
P. J.
Wass
, and
J. W.
Conklin
, in
IEEE Aerospace Conference Proceeding
,
2021
.
22.
Crystal IS
,
Optan data sheet
, https://www.cisuvc.com,
2021
.
23.
D.
Hollington
,
J. T.
Baird
,
T. J.
Sumner
, and
P. J.
Wass
,
Classical Quantum Gravity
34
,
205009
(
2017
).
24.
S. M.
Apple
,
S. P.
Kenyon
,
S.
Barke
,
M. R.
Clark
,
A. Y.
Davila
,
B. C.
Letson
,
G.
Mueller
,
T. J.
Olatunde
,
J.
Sanjuan
,
O. E.
Sauter
,
J.
Siu
,
T. J.
Sumner
,
P. J.
Wass
, and
J. W.
Conklin
,
Phys. Rev. D
106
,
L101101
(
2022
).
25.
K. X.
Sun
,
B.
Allard
,
S.
Buchman
,
S.
Williams
, and
R. L.
Byer
,
Classical Quantum Gravity
23
,
S141
(
2006
).
26.
K.
Abich
,
A.
Abramovici
,
B.
Amparan
,
A.
Baatzsch
,
B. B.
Okihiro
,
D. C.
Barr
,
M. P.
Bize
,
C.
Bogan
,
C.
Braxmaier
,
M. J.
Burke
,
K. C.
Clark
,
C.
Dahl
,
K.
Dahl
,
K.
Danzmann
,
M. A.
Davis
,
G.
de Vine
,
J. A.
Dickson
,
S.
Dubovitsky
,
A.
Eckardt
,
T.
Ester
,
G. F.
Barranco
,
R.
Flatscher
,
F.
Flechtner
,
W. M.
Folkner
,
S.
Francis
,
M. S.
Gilbert
,
F.
Gilles
,
M.
Gohlke
,
N.
Grossard
,
B.
Guenther
,
P.
Hager
,
J.
Hauden
,
F.
Heine
,
G.
Heinzel
,
M.
Herding
,
M.
Hinz
,
J.
Howell
,
M.
Katsumura
,
M.
Kaufer
,
W.
Klipstein
,
A.
Koch
,
M.
Kruger
,
K.
Larsen
,
A.
Lebeda
,
A.
Lebeda
,
T.
Leikert
,
C. C.
Liebe
,
J.
Liu
,
L.
Lobmeyer
,
C.
Mahrdt
,
T.
Mangoldt
,
K.
McKenzie
,
M.
Misfeldt
,
P. R.
Morton
,
V.
Müller
,
A. T.
Murray
,
D. J.
Nguyen
,
K.
Nicklaus
,
R.
Pierce
,
J. A.
Ravich
,
G.
Reavis
,
J.
Reiche
,
J.
Sanjuan
,
D.
Schütze
,
C.
Seiter
,
D.
Shaddock
,
B.
Sheard
,
M.
Sileo
,
R.
Spero
,
G.
Spiers
,
G.
Stede
,
M.
Stephens
,
A.
Sutton
,
J.
Trinh
,
K.
Voss
,
D.
Wang
,
R. T.
Wang
,
B.
Ware
,
H.
Wegener
,
S.
Windisch
,
C.
Woodruff
,
B.
Zender
, and
M.
Zimmermann
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
031101
(
2019
).
You do not currently have access to this content.