物理学実験Cの概要 山元 一広 富山大学 理学部 物理学科 物理学実験BCレポート指導 富山大学理学部B 年11月29日

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1 物理学実験Cの概要 山元 一広 富山大学 理学部 物理学科 物理学実験BCレポート指導 富山大学理学部B136 2018年11月29日
山元　一広 富山大学　理学部　物理学科　 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. 物理学実験BCレポート指導 富山大学理学部B136 2018年11月29日

2 目的 物理学実験Cの紹介 (1)自分のやっていない実験の概要を知る。
(2)なぜこのような実験をするのか、卒論などにどのように関わるのかを理解する。 実験や自分の得た結果を理解して、記憶することが理想であるが難しい。しかし卒論などでまた必要になってテキストを読み返すと理解が進むことがある。ただしなにもかも忘れてはテキストを読み返すこともないので今日話す内容をなんとなしでよいので覚えておいてほしい。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

3 物理学実験C アナログ・デジタル回路 定在波 周波数 レーザー NMR(核磁気共鳴) 光学測定
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

4 アナログ回路、デジタル回路 アナログ回路（連続的な電圧） オシロスコープの使い方 DC電源作成 オペアンプ（集積回路（IC）の一種）
　オシロスコープの使い方 　DC電源作成 　オペアンプ（集積回路（IC）の一種） デジタル回路（電圧は0Vか5Vか） 　ゲート回路（論理回路） 　デコーダ（LEDによる数字表示） 　カウンタ（パルスを数える） 　タイマ（ある周波数でパルスを生成、一種の時計） At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

5 アナログ回路、デジタル回路 アナログ回路（連続的な電圧） オシロスコープの使い方 DC電源作成 オペアンプ（集積回路（IC）の一種）
　オシロスコープの使い方 　DC電源作成 　オペアンプ（集積回路（IC）の一種） デジタル回路（電圧は0Vか5Vか） 　ゲート回路（論理回路） 　デコーダ（LEDによる数字表示） 　カウンタ（パルスを数える） 　タイマ（ある周波数でパルスを生成、一種の時計） At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

6 アナログ回路、デジタル回路 汎用性が高い。実験ならほぼ逃げられない。物理実験の結果は最後は基本的に電気信号になる。そのための回路。
山元は全員がすくなくともいずれかをおこなうように組んでいる。 我々（物理学科）は専門家でないが、ある程度の知識は実験の上で必要。 IC（オペアンプ含む）:アクティブな素子。外からエネルギー（直流電源）が必要。抵抗、コイル、コンデンサ、ダイオードはパッシブな素子。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

7 アナログ回路、デジタル回路 アナログ回路 増幅：小さい信号を大きくする。 信号の引き算、足し算、微分、積分が可能。電気信号に直接演算できる。
論理ゲート：スイッチ カウンタ：パルスを数える クロック：いろいろな回路を同時に動かしたいときの基準 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

8 アナログ回路、デジタル回路 IC：直流電源が必要。交流から直流を作る。市販のものもあるが自作も可能。
トランスで交流電圧を変圧、ダイオードとコンデンサで整流、平滑化。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

9 アナログ回路、デジタル回路 IC：直流電源が必要。交流から直流を作る。市販のものもあるが自作も可能。
トランスで交流電圧を変圧、ダイオードとコンデンサで整流、平滑化。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

10 アナログ回路、デジタル回路 IC：直流電源が必要。交流から直流を作る。市販のものもあるが自作も可能。
トランスで交流電圧を変圧、ダイオードとコンデンサで整流、平滑化。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

11 アナログ回路、デジタル回路 ICの発明者 Jack Kilby (2000年 ノーベル 物理学賞) Robert Noyce
Wikipedia(English) At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. ICの発明は物理なのか？ ->IC(とその一種であるオペアンプ)は物理実験のための回路に必要不可欠。

12 定在波 マイクロ波の定在波を導波管内に生成する。定在波が導波管端にどのように依存しているか調べる。 ガンダイオード：マイクロ波発信機
スピードガンなどに使用。 電波天文学で使用（一種の復調）。 導波管：中が空洞の金属管。マイクロ波の光ファイバに相当。->4研で使用。 マイクロ波の検出：回路素子の非線形性を利用して振幅の自乗（強度）を測定。信号を自乗する必要は結構ありそれらに利用されている。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

13 定在波 この付近では電流は電圧の自乗に比例。
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. この付近では電流は電圧の自乗に比例。

14 周波数 高周波（MHz）の測定について学ぶ VCO(Voltage Controlled Oscillator)：
発振機。周波数を与える電圧で変えることができる。 音源、function generator（いろいろな周波数の波形を生成する）。 ガンダイオードの発振周波数を測定もしくは制御ための周波数基準としてVCOを使用。 KAGRAでも用いている。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

15 周波数 高周波（MHz）の測定について学ぶ VCO(Voltage Controlled Oscillator)：
発振機。周波数を与える電圧で変えることができる。 音源、function generator（いろいろな周波数の波形を生成する）。 ガンダイオードの発振周波数を測定もしくは制御ための周波数基準としてVCOを使用。 KAGRAでも用いている。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

16 周波数 ターミネーション 同軸ケーブルで電気信号を伝えるとき、高い周波数（波長がケーブルの長さより短い）の場合ターミネーション
が必要（実験テキストを注意深く読むと高い周波数のときしかターミネーションをつけてない）。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

17 周波数 ターミネーション 同軸ケーブルで電気信号を伝えるとき、高い周波数（波長がケーブルの長さより短い）の場合ターミネーション
が必要（実験テキストを注意深く読むと高い周波数のときしかターミネーションをつけてない）。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

18 周波数 ターミネーション 高い周波数では電気信号はケーブル中を波として伝わる。ケーブルの端という条件が変わるところでは反射が起こる（定在波の要因）。測定のためにはこの反射を抑えたい。 50Wの抵抗で電気信号のエネルギーが完全に消費されている。 完全にショートするとそこでは散逸はない（抵抗がない）。 逆に絶縁体をいれると電流が生じず、エネルギーを失わない。 適度な大きさの抵抗が必要。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

19 周波数 LPF(Low Pass Filter) 線形フィルター：正弦波を入れると正弦波が出てくる。 このような場合伝達関数を定義できる。
伝達関数は一般には複素数であり、 絶対値は出力正弦波と入力正弦波の振幅の比 位相は出力正弦波と入力正弦波の位相の差 アナログ回路、光学測定でも伝達関数を測定する。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. 入力 出力

20 周波数 変調と復調 （通信でつかわれるが物理実験でも普遍的な手法） 変調：人為的に物理量を振動させる
　　　（通信でつかわれるが物理実験でも普遍的な手法） 変調：人為的に物理量を振動させる 復調：振動している周波数成分を取り出す（もとに戻す） 例えばゆっくりかつ大きく揺らぐ雑音があるときに有効な方法。 レーザーの実験ではレーザー光の振幅に変調をかける。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

21 周波数 ミキサ：信号と変調周波数で振動している正弦波をかけることにより振動の振幅に比例した直流信号を得ることができる（復調、三角関数の公式より）。この掛け算をするのがミキサー。信号をRF、変調周波数で振動している正弦波がLO、に入れるとこれらの積がIFからでてくる。RFとLOの周波数がすこし異なるとうなりとしてRFとLOの周波数の差の成分がIFに現れる。 ->高い周波数成分を低い周波数に移動させることができる At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

22 周波数 ミキサ：信号と変調周波数で振動している正弦波をかけることにより振動の振幅に比例した直流信号を得ることができる（復調、三角関数の公式より）。この掛け算をするのがミキサー。信号をRF、変調周波数で振動している正弦波がLO、に入れるとこれらの積がIFからでてくる。RFとLOの周波数がすこし異なるとうなりとしてRFとLOの周波数の差の成分がIFに現れる。 ->高い周波数成分を低い周波数に移動させることができる At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

23 レーザー 物理（4,5研）においては測定の基準や道具となる。 振幅や波長を変えることができる。
光速度の測定：振幅を変える。2kmのファイバを通してファイバの前と後での変調の位相差から光速を出す。ガリレイの実験に似ている。 光ファイバ：光の導入に便利な道具。KAGRAでも使用。 ファイバへの光の通し方：ファイバの入口でのビームの位置と進行の向きが重要。 ->2自由度があるので鏡が2枚必要。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

24 レーザー 物理（4,5研）においては測定の基準や道具となる。 振幅や波長を変えることができる。
光速度の測定：振幅を変える（変調）。2kmのファイバを通してファイバの前と後での変調の位相差から光速を出す。ガリレイの実験に似ている。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

25 レーザー 光ファイバ：光の導入に便利な道具。KAGRAでも使用。 ファイバへの光の通し方：ファイバの入口でのビームの位置と進行の向きが重要。
->2自由度があるので鏡が2枚必要。 ファイバの入口に近い鏡の角度を変えるとより効果的に角度を変えることができる。 遠い鏡は位置を 変えることに使用。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

26 レーザー 可変長レーザーを用いた実験：波長（周波数）を変える。 光共振器：2枚の合わせ鏡、光の定在波がたつ。
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. 横軸は周波数。Ch.2の縦軸は光共振器を透過したパワーの大きさ（下になるほどパワーは大きい） 光の波長が合わないと共振器に光が入らない。よい周波数基準。入射する光の波長を変えて共振器を透過する光を観測するのがこの実験の目的。

27 レーザー 可変長レーザーを用いた実験：波長（周波数）を変える。 光共振器：2枚の合わせ鏡、光の定在波がたつ。
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. 横軸は周波数。Ch.2の縦軸は光共振器を透過したパワーの大きさ（下になるほどパワーは大きい） 光の波長が合わないと共振器に光が入らない。よい周波数基準。入射する光の波長を変えて共振器を透過する光を観測するのがこの実験の目的。

28 レーザー 可変長レーザーを用いた実験：波長（周波数）を変える。 光共振器：2枚の合わせ鏡、光の定在波がたつ。
共振器内エネルギーが入射した光より大きい。 レーザー発振に必要：共振器内に媒体 4研：光の周波数の基準（原子の共鳴周波数測定のため） 5研：KAGRA:3kmの光共振器！重力波信号の大きさを2桁大きくする。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

29 NMR 核磁気共鳴 ノーベル物理学賞(1952) Wikipedia(English) Felix Bloch
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. Felix Bloch Edward Mills Purcell 核磁気の精密な測定における新しい方法の開発とそれについての発見（液体や気体中の核磁気の測定が可能に）

30 NMR 核磁気共鳴 ノーベル化学賞(1991) Wikipedia(English) Richard Robert Ernst
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. Richard Robert Ernst 高分解能NMRの開発への貢献 (溶液中の分子構造の決定)

31 NMR 核磁気共鳴 ノーベル化学賞(2002) Wikipedia(English) Kurt Wuethrich
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. Kurt Wuethrich 生体高分子の同定および構造解析のための手法の開発（溶液中での生体高分子の3次元構造の決定に関する核磁気共鳴分光法の開発）

32 NMR 核磁気共鳴 ノーベル生理医学賞(2003) Wikipedia(English) Peter Mansfield
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. Paul Lauterbur Peter Mansfield 核磁気共鳴画像法に関する発見 （生体中の水の水素原子をみる）

33 NMR 核磁気共鳴 ノーベル生理医学賞(2003) Wikipedia(English) Peter Mansfield
At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors. Paul Lauterbur Peter Mansfield 核磁気共鳴画像法に関する発見

34 NMR 核磁気共鳴 原子核は磁気モーメントをもつ（小さい磁石） これに振動する電磁場を当てるとある周波数でのみ 大きく反応（共鳴）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大きく反応（共鳴） その共鳴は核のある場所にそもそも存在する（上記の振動する磁場以外の）磁場にも依存。その磁場は近接する原子がつくるもの。強磁性体の場合それが顕著。 強い磁場をかけて核の磁気モーメントを揃えても熱運動によってばらばらになる（各々の原子での磁場の差異、さらにその磁場の時間変化）。スピンエコー法でそれを調べることができる。Coについて調べるのが目的。 1研とはことなる磁性の研究（共同研究で使うことはあり） At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

35 光学測定 (1)輝線スペクトルの測定 蛍光灯内の原子の共鳴スペクトルを回折格子型分光器で測定しそれはどの原子のどの共鳴モードに対応するか同定。 ->4,5研で共鳴スペクトルの測定とそのスペクトルの同定（未知の！）を行っている。 ピークのあるスペクトルの測定の仕方（広い周波数範囲をどこにピークがあるかをおよその検討をつけ、ピーク付近を細かく調べる）は参考になる。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

36 光学測定 (1)輝線スペクトルの測定 蛍光灯内の原子の共鳴スペクトルを回折格子型分光器で測定しそれはどの原子のどの共鳴モードに対応するか同定。 ->4,5研で共鳴スペクトルの測定とそのスペクトルの同定（未知の！）を行っている。 ピークのあるスペクトルの測定の仕方（広い周波数範囲をどこにピークがあるかをおよその検討をつけ、ピーク付近を細かく調べる）は参考になる。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

37 光学測定 (2)光吸収係数の測定 色ガラスを通したハロゲンランプの光と通していない光のスペクトルを比較して光吸収係数を求める。
光吸収係数a 光のパワーが1/e倍になるまで進む距離の逆数。 光吸収が小さい場合a 、光が1m進むときの光のパワーが減る割合 例）重力波検出器の場合、鏡の基材の吸収はa =0.0001/m、つまり1m通って1万分の1だけ光のパワーが小さくなっている。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.

38 光学測定 (3)ロックインアンプ ある特定の周波数の成分のみ取り出し（復調）、その振幅と位相を測定する装置。これの伝達関数を調べる。
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39 光学測定 (3)ロックインアンプ ある特定の周波数の成分のみ取り出し（復調）、その振幅と位相を測定する装置。これの伝達関数を調べる。
　自分の得たい信号がある単一の周波数をもっているとき、そしてそれよりゆっくり（低周波）もしくは速い（高周波）の雑音があるとき、信号の周波数成分だけ取り出すことにより信号と雑音の比を大きくすることができる。 　非常に広範囲な物理実験で利用できる。 　例：共鳴振動の減衰の観測。”振幅”が減衰する様を観測できる。 At first, thank you for giving a chance talk here. In fact, I have been in Trento in 2002, eight years ago. I am happy because I can visit here again. OK, shall we start ? This is the title of my talk of today. Gravitational wave and detectors.