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

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

1平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会2009/12/19

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

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 22009/12/19

目次

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 32009/12/19

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 42009/12/19

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）

X [m/rHz]

Y [m/rHz]

f0 [Hz]

防振比

2

0

f

f

X

Y

さらなる防振は・・・(1) 振り子の低周波化(2) 多段 (N) 化

N

f

f

X

Y2

0

共振揺れを抑制する制御が必要

共振ダンプ倒立維持装置

水平防振用倒立振り子

垂直防振用反ばね

単振子

多段低周波振子

1. 実験動機（ CLIO の課題）

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 5

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

2009/12/19

damping stage

cryo baseupper mass

test mass

3-stage vibration isolation system

低温部

常温部

CLIO懸架系

DiodeLaser

Mirror

BS

BS

Mirror

PD

6平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会

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）

L ３

L ４

Mirror

第 1干渉計L １

L ２

2009/12/19

Mirror

第 2干渉計

常温部

低温部

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

2.Local Suspension Point Interferometer

2.LSPI: 実は偏光タンデム干渉計

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 7

HWP-PD 間で

干渉が起こる

PD

DiodeLaser

Mirror

PBS

PBS

Mirror

Mirror

第 1干渉計L １

L ２

L ３

L ４

QWP

QWP HWP

PBS

HWP

PD

2009/12/19

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第 2干渉計

CCM

常温部

低温部

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 82009/12/19

全体図

cryobase

uppermass

testmass

2nd Interferometer

PD

Laser

常温部

低温部

Laser

1st Interferometer

PD

2nd Interferometer

M1M2

M3

activemirror

PBS1PBS3

PBS2

HWP

QWP

QWP

CCM

M4

1st Interferometer

2.LSPI:概略図

干渉に影響を及ぼす変動

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

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

2.LSPI: インストールの流れ

日本物理学会　 @ 甲南大学 92009/12/19

3. 実験装置

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 102009/12/19

Laser

1st Interferometer

PD

M1

M2

M3

active mirror

PBS1

PBS3

2nd Interferometer

PBS2

CCM M4

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 10mmCCM 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

常温部

低温部

4. アナログ制御実験Active Mirror のみでの干渉制御（ 2系統独立）

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 11

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

2009/12/19

Laser

Active Mirror

PD

CCM

PBS PBS

Mirror

Mirror

cryo-base

upper mass

Coil MagnetActuator

offset

error errorFilter for AM

Driver for AM

Filter for CMA

Coil Driver

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

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。

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）

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 122009/12/19

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 @Right6.4×10-8 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

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）

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 132009/12/19

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

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

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）

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 142009/12/19

Lasers

Active Mirrors

PD1,2

CCM

PBS

PBS

Mirrors

Mirrors

cryo-base

upper mass

Coil MagnetActuator

ヨー用フィルター

足し算信号（並進用）

引き算信号（ヨー用）

並進用フィルター信号混合

5. デジタル制御化

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 152009/12/19

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

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

6. まとめ

平成 21 年度 共同利用研究成果発表研究会 162009/12/19