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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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: V outputのノイズスペクトル 2010/3/21 春の物理学会
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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ご清聴ありがとうございました 2010/3/21 春の物理学会
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