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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 1 目次 1. 実験動機 2. LSPI (Local Suspension Point Interferometer) 3. 実験装置 4. Analog回路での制御結果 5. デジタル化 6. まとめ 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 2 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 ・・・・ 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 3 0.地面振動防振用振り子 共振ダンプ倒立維持装置 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） 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 Y f0 X f 2 さらなる防振は・・・ (1)振り子の低周波化 (2)多段(N)化 Y f0 X f 2009/12/19 垂直防振用反ばね 2N 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 4 1.実験動機（CLIOの課題） CLIO懸架系 常温部 3-stage vibration isolation system damping stage upper mass 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。 低温部 CLIOで初めて認識された問題 cryo base 新しいダンピング装置が必要 test mass 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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 5 2.Local Suspension Point Interferometer LSPIとは (Local Suspension Point Interferometer) Mirror 常温部 第1干渉計 L１ Diode Laser BS Mirror L２ Mirror 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 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 BS L３ PD L４ 第2干渉計 Mirror 低温部 2009/12/19 タンデム干渉計型 ローカルコントロール装置 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） 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 6 2.LSPI:実は偏光タンデム干渉計 Mirror 常温部 第1干渉計 Diode L１ Laser HWP 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 QWP Mirror PBS L２ HWP-PD間で起こる 光の取り回しがしやすい CCM L３ QWP 第2干渉計 Mirror 低温部 2009/12/19 PBS PBS L４ HWP PD PD 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 HWP-PD間で 干渉が起こる 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 7 2.LSPI:概略図 全体図 Laser 1st Interferometer 1st Interferometer active mirror Laser QWP M1 cryo base upper mass 常温部 PD M2 HWP PBS1 PBS3 M3 PD 2nd Interferometer 干渉に影響を及ぼす変動 test mass CCM PBS2 低温部 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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 QWP M4 2nd Interferometer 8 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 2009/12/19 日本物理学会 @甲南大学 9 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 PBS1 M3 PBS3 M2 低温部 PD active mirror 1st Interferometer 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 PBS2 CCM M4 2nd Interferometer 低温部 2009/12/19 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 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 10 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 Laser Mirror Coil Magnet Actuator cryo-base PBS PBS 左図のセットがもう一 Active Mirror CCM upper mass Mirror Coil Driver Filter for CMA 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 2009/12/19 PD error error Driver for AM 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 変位スペクトル測定のた Filter for AM offset 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 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。 11 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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 CLIO要求値: 1×10-512m 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 2009/12/19 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 13 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 Lasers ただし、磁石コイル力の Mirrors Coil Magnet Actuator cryo-base Active Mirrors PBS CCM 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 PBS upper mass PD1,2 信号 混合 2009/12/19 Mirrors 足し算信号（並進 用） 引き算信号（ヨー 用） 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 14 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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 15 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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会 16
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