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CLIO 用 LSPI の開発（１） Development of L ocal S uspension P oint I nterferometer for CLIO

CLIO 用 LSPI の開発（１） Development of L ocal S uspension P oint I nterferometer for CLIO. 東大宇宙線研・産総研 A ・天文台 B ・ KEK C ・ JST D 斎藤陽紀 (D1 ・主実験者 ) ・寺田聡一 A ・内山隆・三代木伸二 D （発表者） 宮川治・我妻一博・大橋正健・黒田和明・中谷一郎、 ・石塚秀喜 上田暁俊 B ・鈴木敏一 C 平成２１年度・共同利用研究費： 50 万円. 目次. 実験動機

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CLIO 用 LSPI の開発（１） Development of L ocal S uspension P oint I nterferometer for CLIO

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Presentation Transcript

  1. CLIO用LSPIの開発（１）Development of Local Suspension Point Interferometer for CLIO 東大宇宙線研・産総研A ・天文台B ・KEK C・JST D 斎藤陽紀(D1・主実験者)・寺田聡一A ・内山隆・三代木伸二D（発表者） 宮川治・我妻一博・大橋正健・黒田和明・中谷一郎、 ・石塚秀喜 上田暁俊B ・鈴木敏一C 平成２１年度・共同利用研究費：50万円 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  2. 目次 • 実験動機 • LSPI (Local Suspension Point Interferometer) • 実験装置 • Analog回路での制御結果 • デジタル化 • まとめ 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  3. 0.LSPIの位置づけ • 重力波望遠鏡の感度を犯す原因リスト • 地面振動防振装置が必要。その防振装置の共振揺れ安定化@低温 • 環境重力揺らぎ雑音 • 残留ガス雑音 • レーザー周波数雑音・強度雑音・ビーム出射方向揺らぎ雑音 • 鏡の熱雑音 • 鏡の振り子の熱雑音 • 制御回路雑音（長さ制御、鏡姿勢制御） • 制御信号混合による雑音（最大５個の制御すべき長さの自由度） • 磁石コイルアクチュエーターへの電気雑音 • 磁石と金属間に働く渦電流経由の熱雑音 • 音響雑音 • ・・・・ 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  4. 0.地面振動防振用振り子 • 振り子で鏡を地面振動から防振。 • （共振周波数以上で自由落下質点としてふるまう） 共振ダンプ倒立維持装置 X[m/rHz] 多段 低周波振子 単振子 水平防振用倒立振り子 f0[Hz] Y[m/rHz] 共振揺れを抑制する制御が必要 防振比 垂直防振用反ばね さらなる防振は・・・ (1)振り子の低周波化 (2)多段(N)化 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  5. 1.実験動機（CLIOの課題） CLIO懸架系 常温部 3-stage vibration isolation system CLIOでのローカルコントロール • 低温動作時にマグネットダンピングとしての効果が弱まる。 • 力が弱くなるのでなく、強すぎて、DampingStageとCryoBaseが一体のように動き出す。 • かといって、低温に最適な振り子は、常温調整中にダンピングがかからない。 CLIOで初めて認識された問題 新しいダンピング装置が必要 • CLIOのタンクを改造することなく設置 • 低温時の振り子の高さ調整に追従するような変位センサーが必要 damping stage 低温部 cryo base upper mass test mass 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  6. 2.Local Suspension Point Interferometer LSPIとは (Local Suspension Point Interferometer) タンデム干渉計型 ローカルコントロール装置 メイン鏡の懸架点（Cryo Base）で干渉計を構成し、その懸架点の揺れの検出を行い、感度を犯さないようにダンプするための装置 Mirror 常温部 第1干渉計 L１ Diode Laser BS Mirror L２ • タンデム干渉計とは • マイケルソン干渉計を2つ直列構成 • タンデム干渉計の長所 • 干渉計のアライメント調整は常温部（第1干渉計）だけで行うことが可能 • BS間の距離は光路長差に影響がない • 振り子の上下移動に追従させたことによる光路長合わせの必要がない。 • （振り子は、冷却すると、5mm短縮する） Mirror BS L３ PD L４ 第2干渉計 Mirror 低温部 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  7. 2.LSPI:実は偏光タンデム干渉計 Mirror 常温部 第1干渉計 Diode Laser L１ • 偏光がπ/2ずれるため、各干渉計だけで干渉は起こらない • HWP-PD間で起こる • 光の取り回しがしやすい • 最大効率を得るためには、干渉計1台につき2つPDが必要 • 差動を取ることで信号取得 QWP HWP Mirror PBS L２ CCM L３ PBS PBS PD HWP L４ QWP 第2干渉計 Mirror PD HWP-PD間で 干渉が起こる 低温部 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  8. 2.LSPI:概略図 全体図 1st Interferometer active mirror Laser Laser 1st Interferometer QWP M2 HWP PBS3 M1 PBS1 常温部 cryo base PD M3 PD upper mass 2nd Interferometer PBS2 干渉に影響を及ぼす変動 CCM test mass QWP 低温部 M4 Yaw運動を検出するため 干渉計を2台設置し、 各CCMの変位を独立に検出 2nd Interferometer 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  9. 2.LSPI:インストールの流れ CLIOへのインストールまでの流れ • 原理検証実験・・・斎藤君の修士論文成果 この成果をもとに、共同利用申請 • CLIOへインストール(Per-arm End Cryostat) • 実機のインストール（光学系など） • Actuator付Mirror (Active Mirror)のみで干渉計制御 • 各CCMの変位スペクトル測定（近状態では、CryoBaseは制御されてない） • Coil-Magnet Actuator（振り子）のみで干渉計制御 • ローカルコントロール • 性能評価 • 振り子の共振をダンプしつつ、干渉計感度を犯さない。 • デジタル制御化 日本物理学会　@甲南大学

  10. 3.実験装置 常温部 Laser M1 常温部 • Laser波長 633nm, Power 0.9mW • コヒーレンス長が短いものをわざと選定 • 2本のLaserの高低差は10mm CCMの中心の距離だけ離れている • 干渉計1台につき1つのPDで信号取得 低温部 • PBS, QWP, Mirrorを1つのmass (reference mass)に取り付け、斜め張りに吊るした • Φ100μmのボルファーを4本吊り、長さ938.5mm • 常温部クランプ点間隔90mm, 低温部クランプ点間隔50mm • 外乱が加わると振り子振動が止まらなくなるため、reference massにはマグネットダンピングをかけている 振動しないように、吊り方やreference massを改良する必要がある PBS1 M3 PBS3 M2 PD active mirror 1st Interferometer PBS2 CCM M4 2nd Interferometer 低温部 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  11. 4.アナログ制御実験Active Mirrorのみでの干渉制御（2系統独立） • 制御 • 左図のセットがもう一セットあり、2系統から信号取得。 • Error信号を振り子とActive Mirrorにfeedbackし、ミッドフリンジにロックさせる Laser Mirror Active Mirror Coil Magnet Actuator cryo-base PBS PBS CCM upper mass Mirror Coil Driver Driver for AM • 変位スペクトル測定のため、Active Mirrorのみでフリンジロック • 2台の干渉計の同時ロックに成功。 PD Filter for AM Filter for CMA error error 変位スペクトル測定のため、振り子にフィードバックしていない offset 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  12. 4.アナログ制御実験結果Active Mirrorのみでの干渉制御（2系統独立） • CCM変位スペクトル • 現在は0.48Hzの振り子振動が支配的 • RMS • 1.8×10-7 m @Right • 6.4×10-8 m @Left • 現在、cryo baseには弱いマグネットダンピングがかけられている • 最終的にはマグネットをはずすため、振り子（cryo base）に取り付けるアクチュエーターはこれ以上押せるものが必要 • CLIO要求値: 1×10-5m 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  13. 4.アナログ制御実験結果Active Mirrorのみでの干渉制御（2系統独立） • 生のfeedback signalと差動を取ったfeedback signalで比較 • 生の変位を超えるピークが現れない 現在見えている振動は並進運動 • 弱い磁石ダンピングをはずしたときはYawにも揺れる • 2台の干渉計のfeedback signalの周波数応答を見ると、1〜2Hz間で位相差が180°になる周波数がある Yawの振動はダンプされている可能性 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  14. 4.アナログ制御実験結果Cryo -Baseの磁石コイル力のみでの制御（並進・ヨー独立） • 制御成功 • ただし、磁石コイル力の力不足か、予期せぬ振り子の共振揺れのせいで、不安定化する事あり。原因究明中。 • 振り子のメカモデル再検討 Lasers Mirrors Coil Magnet Actuator Active Mirrors cryo-base PBS CCM PBS upper mass Mirrors 足し算信号（並進用） 引き算信号（ヨー用） PD1,2 信号 混合 並進用フィルター ヨー用フィルター 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  15. 5.デジタル制御化 • アナログ制御と同等の制御成功 • フィルターの変更の簡易化で、開発スピードアップ 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

  16. 6.まとめ • LSPI (Local Suspension Point Interferometer)とは • Cryo Baseの揺れを感度を犯さないように抑えるためのタンデム干渉計型ローカルコントロール装置 • LSPIをCLIO (Per-arm End Cryostat)にインストール • タンデム干渉計2台をインストールし、干渉信号取得に成功 • 2台の干渉計をActive Mirrorのみで同時ロックに成功 • Cryo Base (CCM)の変位スペクトル測定し現在の振り子の揺れの把握 • CryoBaseを使って、並進とヨーの独立制御成功、も問題あり。 • 原因究明中 • 制御フィルターの最適化速度向上のためデジタル制御へ移行中 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

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