DECIGO pathfinder用 レーザーセンサーの感度評価 東京大学理学部物理学科坪野研究室4年 正田亜八香 道村唯太，穀山渉，麻生洋一，坪野公夫，安東正樹A，新谷昌人B，佐藤修一C 東大理，京大理A，東大地震研B，法大工C 2010/3/21　春の物理学会

目次 １．イントロダクション ２．実験装置 ３．実験結果 ４．まとめ 2010/3/21　春の物理学会

目次 １．イントロダクション ２．実験装置 ３．実験結果 ４．まとめ 2010/3/21　春の物理学会

背景 DECIGO pathfinder計画 　宇宙空間重力波望遠鏡DECIGOの前哨衛星 重力波観測(FP干渉計) 地球の重力場構造(ジオイド高)の測定 ・Fabry-Perot干渉計を用いた重力偏差測定 ・マスモジュール単体を加速度計として用いた測定 ・Fabry-Perot干渉計を用いた重力偏差測定 ・マスモジュール単体を加速度計として用いた測定 マスモジュールの位置センサーとしてレーザーセンサーを使用 　　　　　　　　　　　　　　　　→感度評価 2010/3/21　春の物理学会

ジオイドとは ジオイドとは ・・・平均海水面とほぼ一致する 等ポテンシャル面 ジオイドとは 　　・・・平均海水面とほぼ一致する 　　　　等ポテンシャル面 ジオイド高とは 　　・・・ジオイドの面によく適合した，基準 　　　　の回転楕円体から，ジオイドまでの 　　　　高さ ジオイド高を測定すると 水の貯蓄量（雪，地下水など）がわかる 水の流れを予想できる （蒸発量，川の流水量など） 水の質を見積もることができる　　　　 etc… GRACE’s data (NASA) 2010/3/21　春の物理学会

今までの衛星による重力場測定 CHAMP (GFZ ドイツ) 2000年7月打ち上げ GRACE (NASA) 2002年3月打ち上げ GOCE (ESA) 2009年3月打ち上げ GPSによる位置測定と，衛星内の加速度計による非重力の力の測定によって観測 2衛星間距離(220km 程度)を精密測定 重力ポテンシャル勾配を測定 衛星内の静電センサー によって重力による加速度勾配を測定 2010/3/21　春の物理学会

原理 外乱 実際の等ポテンシャル面 U+dU 地球が回転楕円体だとしたときの， 衛星の高度におけるポテンシャル面 U GPSで 観測 実際のポテンシャルはU+dUなので， 速度はvm+uにずれる！ 衛星が高度hにいるなら，ポテンシャルUと， 衛星の速度vmがわかる． 地球が回転楕円体だとしたときに， ポテンシャルU+Tをもつ面 高度h ジオイド高Nと ポテンシャルのずれdUの関係 エネルギー保存則 エネルギー保存則 エネルギー保存則 2010/3/21　春の物理学会

マスと衛星が 非接触状態に 保たれるよう，制御をかける 原理２ マスと衛星が 非接触状態に 保たれるよう，制御をかける 制御 相対位置が変化しない ↓ 外乱＝制御信号 マスの受ける力＝ 重力＋制御 衛星の受ける力＝ 重力＋外乱 GPSによる衛星の 速度情報 　　 vm+u +　dv 　　（重力） （外乱） 制御信号による 衛星とマスの相対速度 dv (外乱) 重力に起因する 速度 vm+u 2010/3/21　春の物理学会

1mm程度の精度でジオイド高を決定するには？ 目的 DPFのマスモジュールの位置を測定するレーザーセンサーの 感度評価 1mm程度の精度でジオイド高を決定するには？ 必要な速度の精度 ～1×10-6m/s が必要 cf.) GPS, SLR(Satellite Laser Ranging)の位置測定精度：約1mm 10sに1回GPSで衛星をトラッキングするとすれば， GPSによる衛星の速度の決定精度は0.14mm/s（詳細はまとめにて） 2010/3/21　春の物理学会

目次 １．イントロダクション ２．実験装置 ３．実験結果 ４．まとめ 2010/3/21　春の物理学会

実験装置 レーザー FITAL社製レーザーダイオードモジュール FRL15DCWDを使用 波長:1550nm 最大出力: 40 mW 装置のしくみ 差動マイケルソン干渉計 inline方向のコーナー キューブはモジュール 内に，perpendicular 方向の鏡はマスに 設置される． outp out i 測定量 2010/3/21　春の物理学会

実験装置2 outi コーナーキューブ 130mm 35mm おもて In outp BS うら ref 2010/3/21　春の物理学会

実験装置3 mirror BS ref In(直線偏光) outi 30mm outp mirror PBS BS ふたを開けたところ 2010/3/21　春の物理学会

実験装置4 コーナーキューブ センサーの純粋な感度を見たい 地面振動がなるべく効かないよう にしたい センサーモジュールとコーナー キューブを同じ台に固定． ピエゾなどといった複雑な機構は なるべく増やさない様に設計した． 2010/3/21　春の物理学会

目次 １．イントロダクション ２．実験装置 ３．実験結果 ４．まとめ 2010/3/21　春の物理学会

実験結果 outp出力: -1450mV outi出力: -2000mV 完全にmidfringe には出来ない・・・ Visibility outp: 81％ outi: 74％ ref出力: -6.4V outputのノイズスペクトル 2010/3/21　春の物理学会

実験結果2 ―intensity noise, shot noiseとの比較 intensity noise AOMに信号を入れ， refからoutputの伝達 関数を測定． refのnoise spectrumに 伝達関数をかけて outputに出てくる intensity noiseに換算 shot noise out1とout2の電流値 から算出 output intensity noise shot noise 2010/3/21　春の物理学会

実験結果3 ―地面振動との比較 加速度計によって測った地面振動との比較 地面振動 出力 2010/3/21　春の物理学会

実験結果4 ―周波数ノイズ 周波数ノイズのupper limit 腕の長さ Inline: 13mm Perpendicular: 8mm (調節が難しく， 腕の長さがあまり 合わせられなかった) 2010/3/21　春の物理学会

実験結果4 ―ジオイド高に換算 1Hz以下でのrms 1.3×10-7m ジオイド高に換算したスペクトル センサーのノイズが 全て外力による信号だと考えて，ジオイド高の計算に与える量を見積もる． (実際は制御中なので，十分ゲインが大きいと考える) geoid [m/rHz] 1Hz以下でのrms 1.3×10-7m 1secに1回 トラッキングする場合 2010/3/21　春の物理学会

実験結果5 ―問題点 モジュールの問題点 レーザーの問題点 光軸を合わせるのが難しい 　　原因：ビーム径が細い(0.4mm) コーナーキューブを使用している 　　対策：アルミ箔でコーナーキューブ　　 　　　　　 の高さを調節 レーザー光がきちんとファイバーに 　戻ってくるように調節が必要 　（ネジがゆるむと軸を合わせなおさ 　なければならない） refの出力の時間変化 100mV 長時間のスケールで見るとドリフト 　 している 　　短い周期は約3％のゆらぎ 　　強度安定化が必要 1ksec 2010/3/21　春の物理学会

目次 １．イントロダクション ２．実験装置 ３．実験結果 ４．まとめ 2010/3/21　春の物理学会

まとめ このレーザーセンサーを用いた時に見えるジオイド高 (他の機械の精度に制限されなかった場合) このレーザーセンサーを用いた時に見えるジオイド高 　(他の機械の精度に制限されなかった場合) cf.) レーザーセンサーによる加速度としての精度は 　　　 6×10-10m/s2(1Hz~10-3Hz) CHAMPの加速度計の精度は3×10-9m/s2(10-1Hz~10-4Hz) センサーがベストな状況で動くのは難しい 　ビーム径を広げるなど，改良の余地あり？ レーザーの強度安定が必要 1.3×10-7m 2010/3/21　春の物理学会

GPSやSLRにかわる良い精度での衛星位置決定方法，若しくは良い解析方法を探す必要がある． まとめ2 実はCHAMP方式ではジオイド高精度は上がらない？ 　CHAMPによるジオイド高決定精度　　　　10cm程度 　　　GPSの衛星の位置決定精度によって制限されている A first attempt at time-variable gravity recovery from CHAMP using the energy balance approach; N. Sneeuw et. al. (2002) 光格子時計によるGPSの精度向上？ GPSやSLRにかわる良い精度での衛星位置決定方法，若しくは良い解析方法を探す必要がある． →穀山さん発表 FP干渉計による重力場勾配計 →坪野先生発表 2010/3/21　春の物理学会

ご清聴ありがとうございました 2010/3/21　春の物理学会