超伝導磁気浮上を用いた 低周波重力波検出器の開発 石徹白晃治, 安東正樹, 高森昭光A, 坪野公夫 東大理, 東大地震研A 「高エネルギー天体現象と重力波」研究会、2007年11月15-17日
概要 目的：低周波に感度を持つ新しい重力波検出器の開発 序論 検出器構成 プロトタイプ試験 まとめ 低周波重力波 研究目的&目標 重力波検出原理 検出器構成 雑音評価 他検出器、重力波信号との比較 構成 力学的特性 回転方向安定性
序論 --低周波重力波-- 早期の低周波重力波観測は重要 低周波重力波：超巨大ブラックホール合体, 初期宇宙起源の背景重力波 ⇒ 天文学的・宇宙論的に興味深い、振幅が大きい、発生イベントが多い マイケルソン干渉計型検出器：自由質点間距離変動から重力波検出 ⇒ 鏡を懸架することで自由質点を実現 ⇒ 懸架系の共振周波数 (数Hz)以下では感度が(ほとんど)無い 低周波に感度を持たす ⇒ 宇宙へ (DECIGO, LISA) 打ち上げ時期未定 (早くて2015年?) 早期の低周波重力波観測は重要
序論 --研究目的-- 研究目的 目標 地上で低周波に感度を持つ重力波検出器の実現 低周波重力波の観測 早期の完成 (宇宙レーザー干渉計型検出器の観測以前) 十分に重力波を検出できる感度 (h=10-14[Hz-1/2]@1Hz)
序論 --重力波検出原理-- 棒状回転子 ＋偏向重力波 棒状回転子の運動方程式 ピン止め浮上: 回転に自由 (原理的に復元力、減衰力が働かない) 棒状回転子 磁石 磁束 超伝導バルク 周波数依存性が無い ⇒ 低周波まで重力波に対する感度
検出器構成 浮上方法 ：超伝導ピン止め効果 棒状回転子 ：約40cm､250g 回転変動センサー：マイケルソン干渉計 浮上方法 ：超伝導ピン止め効果 棒状回転子 ：約40cm､250g 回転変動センサー：マイケルソン干渉計 アクチュエータ ：静電型 差動回転計測：地面振動キャンセル
検出器構成 --雑音評価-- 10-14[Hz-1/2]@1Hz 計算パラメータ レーザーパワー:30mW 回転共振:1mHz 回転地面振動:並進/100 並進地面振動:10-7m/Hz1/2 真空度:10-6Pa 周波数雑音:1000Hz/Hz1/2 CMRR:100 腕の長さ:40cm 10-14[Hz-1/2]@1Hz
検出器構成 --他検出器、重力波信号との比較-- 比較：大型レーザー干渉計型 1桁以上良い (0.1-1Hz) 比較：重力波信号 104MSUN程度のBH連星 ＠銀河中心 106MSUN程度のQNM @1Mpc以内
プロトタイプ試験 40cm 72cm Laser 目的：棒状回転子の力学的特性、安定性の確認 構成 回転変動センサー：光てこ アクチュエータ : コイル-磁石型 40cm Laser PSD 72cm
プロトタイプ試験 --力学的特性-- 回転共振は100mHz以下 制御のオープンループ伝達関数 (UGF～0.3Hz) 力学的特性 (N -> rad) 理論値 実測値 回転共振は100mHz以下
プロトタイプ試験 --安定性-- 10Hz以下に未知のノイズは無い 10Hz以下は光てこノイズで制限
まとめ プロトタイプ試験 今後の課題 本格的な重力波検出器 回転共振 :100mHz以下を確認 安定性 :起源の不明な変動は無い 安定性 :起源の不明な変動は無い レーザー干渉計の導入 (センサーのアップグレード) 真空槽の使用 静電アクチュエータの使用 本格的な重力波検出器
基礎測定 --回転減衰項測定-- 回転減衰項 結果 γ =1.5x10-9 [N・m・s] @空気中 ピン止め 磁石 Photo Sensor パルス発生周期を評価 結果 γ =1.5x10-9 [N・m・s] @空気中
基礎測定 --浮上力-- 最大 1kgf以上 現実的構成 約300gf
基礎測定 -- 冷凍機振動の評価 -- 冷凍機振動: 10Hz以下では地面振動を 悪化させない (パルス周期を除く) 地面振動 PT off 地面振動 PT on 光学定盤 PT off 光学定盤 PT on RION加速度計による(回転子短軸方向)地面振動測定
基礎測定 -- 冷凍機振動の評価 -- 冷凍機on 冷凍機off 回転方向変動: 10Hz以下で有意な差は無い (4Hz弱パルス周期を除く)
プロトタイプ試験 --ピン止め条件-- 着磁距離 10mm 永久磁石φ70x10 永久磁石φ22x10
プロトタイプ試験 --概念図--
プロトタイプ試験 --写真-- 棒状回転子 PT冷凍機 超伝導バルク レーザー 棒状回転子 PSD 永久磁石 コンプレッサー コイル Gd1Ba2Cu3O6.9 棒状回転子 Gd2Ba1Cu1O7 PSD 永久磁石 コンプレッサー 棒状回転子 コイル アクチュエータ バルブユニット
プロトタイプ試験 --各自由度の変動と共振周波数-- Roll Pitch Roll Pitch z 並進 z x y Roll Yaw z 並進
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