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）

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1 CLIO用LSPIの開発（１） Development of Local Suspension Point Interferometer for CLIO
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 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

2 目次 実験動機 LSPI (Local Suspension Point Interferometer) 実験装置
Analog回路での制御結果 デジタル化 まとめ 　今回発表する順番として、本実験の実験動機について述べた後、LSPIという装置の概要を紹介します。CLIOにインストールされている実機と現状をお話しします。最後に今回の実験についてまとめて、発表を終わりにいたします。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

3 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 ・・・・ 　今回発表する順番として、本実験の実験動機について述べた後、LSPIという装置の概要を紹介します。CLIOにインストールされている実機と現状をお話しします。最後に今回の実験についてまとめて、発表を終わりにいたします。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

4 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] f0 [Hz]
共振ダンプ倒立維持装置 X [m/rHz] 多段 低周波振子 単振子 水平防振用倒立振り子 f0 [Hz] Y [m/rHz] 共振揺れを抑制する制御が必要 防振比 　今回発表する順番として、本実験の実験動機について述べた後、LSPIという装置の概要を紹介します。CLIOにインストールされている実機と現状をお話しします。最後に今回の実験についてまとめて、発表を終わりにいたします。 垂直防振用反ばね さらなる防振は・・・ (1)振り子の低周波化 (2)多段(N)化 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

5 3-stage vibration isolation system
1.実験動機（CLIOの課題） CLIO懸架系 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 常温部 damping stage cryo base upper mass test mass 3-stage vibration isolation system 低温部 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　まず、実験の動機についてお話します。左図はCLIOの6段振り子になっています。CLIOでは振動を抑制するのに、damping stageに取り付けられた磁石とcryo baseとのカップリングによるマグネットダンピングを使用しており、これは室温では十分な効果が得られます。しかし、低温になるとダンピング効果が弱まるという現象が生じました。その結果、振り子振動が止まらず、100m cavityの制御が難しくなりました。そのため、新たなダンピング装置が必要となりました。タンデム干渉計型のダンピング装置を開発し、その性能試験を行いました。 受動：エネルギーを供給しなくても目的の動作を行う 能動：エネルギーを供給し、目的の動作を行う Yawの動きが問題なっていることが判明したわけ FP共振器の反射光や透過光量がYawの動きで増減したから 低温でのダンピングの効きの弱まりについて： 低温になると磁石とcryo baseのカップリングが強まってしまい、磁石とdamping stageが一体となり、相対変位が小さくなってしまうため、ダンピングが弱まると考えられている。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

6 2.Local Suspension Point Interferometer
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 Mirror 常温部 第1干渉計 Diode Laser L１ BS Mirror L２ 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） Mirror BS L３ PD L４ ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　タンデム干渉計とは、左図のように、2つの干渉計（上にある第1干渉計と下にある第2干渉計）が直列につながった干渉計です。光源には低コヒーレンス光源を用います。第1干渉計の光路差を光源のコヒーレンス長以上にすると、第1干渉計だけでは干渉は起きません。しかし、2つの干渉計の光路差を等しくなるように第2干渉計を設置することによって、第1干渉計との連携で干渉が起こるようになります。 第2干渉計 Mirror 低温部 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

7 2.LSPI:実は偏光タンデム干渉計 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 光の取り回しがしやすい
Mirror 常温部 第1干渉計 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 Diode Laser L１ QWP HWP Mirror PBS L２ CCM L３ PBS PBS PD HWP QWP L４ ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　光の経路を明確にするために、センサーには偏光タンデム干渉計を用います。そのために、BSをPBSにし、それぞれのMirrorの前には1/4波長板を設置します。赤線のようにPBSを反射した光は、1/4波長板を2度通過することによって、偏光軸がπ/2回り、PBSを透過する光になります。第2干渉計ではPBSを透過する光なので、PBSを反射する光となって第2干渉計を出ます。青線も同様です。ここで、第2干渉計を出た光は偏光軸がπ/2すれているので、1/2波長板によって偏光軸を傾けます。それによって、干渉は緑の丸で囲まれた部分で起きます。偏光軸をπ/4傾けることで、最大の効率が得られるので、PDは2ついるのですが、本実験では簡易性のためにPD1つで行いました。 (1)光源の波長の変動に鈍感 何故、鈍感なのか？　　答.光路長差が小さいから。 レーザーダイオードの波長は、電源の電圧（正しくは電流）で結構変化する。でも、このメリットがあるので、問題ない。 第2干渉計 Mirror PD HWP-PD間で 干渉が起こる 低温部 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

8 2.LSPI:概略図 全体図 常温部 低温部 Laser 1st Interferometer cryo base PD upper
active mirror Laser 1st Interferometer Laser QWP M2 M1 HWP PBS3 PBS1 常温部 cryo base PD M3 upper mass PD 2nd Interferometer 干渉に影響を及ぼす変動 CCM PBS2 test mass ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　インストールまでの流れをお話します。CLIOへインストールするのにタンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールの原理実験、CLIOへインストールするための具体的なデザイン設計、インストールする部品の製作を経て実際にインストールします。本実験では、この原理実験を行いました。この実験でローカルコントロールの効果を実証することで次のステップへ進むことができます。次にこの実験の評価方法について述べていきます。 低温部 QWP M4 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 2nd Interferometer 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

9 2.LSPI:インストールの流れ 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 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　インストールまでの流れをお話します。CLIOへインストールするのにタンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールの原理実験、CLIOへインストールするための具体的なデザイン設計、インストールする部品の製作を経て実際にインストールします。本実験では、この原理実験を行いました。この実験でローカルコントロールの効果を実証することで次のステップへ進むことができます。次にこの実験の評価方法について述べていきます。 2009/12/19

10 3.実験装置 常温部 低温部 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10mm CCM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 Laser M1 PBS1 M3 PBS3 M2 PD active mirror 1st Interferometer PBS2 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　インストールまでの流れをお話します。CLIOへインストールするのにタンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールの原理実験、CLIOへインストールするための具体的なデザイン設計、インストールする部品の製作を経て実際にインストールします。本実験では、この原理実験を行いました。この実験でローカルコントロールの効果を実証することで次のステップへ進むことができます。次にこの実験の評価方法について述べていきます。 CCM M4 2nd Interferometer 低温部 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

11 4.アナログ制御実験 Active Mirrorのみでの干渉制御（2系統独立）
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 Laser Mirror Active Mirror Coil Magnet Actuator cryo-base PBS PBS CCM upper mass Mirror Coil Driver Driver for AM 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。 PD Filter for CMA Filter for AM error error ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　次に、制御についてお話します。図の真ん中にあるタンデム干渉計によって、干渉信号をPDで受け取ります。この干渉信号を定点に留めるような制御を行います。PDで得られた信号から、offset電圧を引くことによってError信号にします。そのError信号をもとに、それぞれのFilterを通して、一方は振り子に、もう一方は鏡に取り付けたPZTに負帰還させます。Error信号のうち、共振のピークを抑えるために低周波の信号を振り子側が、高周波の信号をPZT側が受け持つことによって制御を行います。これは振り子の制御だけでは干渉信号を定点に留めておけないためです。 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 offset 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

12 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）
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 6.4×10-8 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 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　インストールまでの流れをお話します。CLIOへインストールするのにタンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールの原理実験、CLIOへインストールするための具体的なデザイン設計、インストールする部品の製作を経て実際にインストールします。本実験では、この原理実験を行いました。この実験でローカルコントロールの効果を実証することで次のステップへ進むことができます。次にこの実験の評価方法について述べていきます。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

13 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）
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 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　インストールまでの流れをお話します。CLIOへインストールするのにタンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールの原理実験、CLIOへインストールするための具体的なデザイン設計、インストールする部品の製作を経て実際にインストールします。本実験では、この原理実験を行いました。この実験でローカルコントロールの効果を実証することで次のステップへ進むことができます。次にこの実験の評価方法について述べていきます。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

14 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）
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 Lasers Mirrors Coil Magnet Actuator Active Mirrors cryo-base PBS CCM PBS upper mass Mirrors ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　この実験のまとめです。タンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールを行うための装置を作り、振り子のlength方向の制御を行いました。その結果、0.83Hzの共振ピークを約1/3.7倍に抑えることができました。しかし、RMS振幅はほとんど差がありませんでした。課題として、2つの共振周波数間で変位が大きくなった原因を調べ、RMS振幅を抑えることと、CLIOで問題になっている自由度である振り子のYaw方向の制御を行うことです。 足し算信号（並進用） 引き算信号（ヨー用） PD1,2 信号 混合 並進用フィルター ヨー用フィルター 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

15 5.デジタル制御化 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 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
　この実験のまとめです。タンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールを行うための装置を作り、振り子のlength方向の制御を行いました。その結果、0.83Hzの共振ピークを約1/3.7倍に抑えることができました。しかし、RMS振幅はほとんど差がありませんでした。課題として、2つの共振周波数間で変位が大きくなった原因を調べ、RMS振幅を抑えることと、CLIOで問題になっている自由度である振り子のYaw方向の制御を行うことです。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会

16 6.まとめ 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 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 　この実験のまとめです。タンデム干渉計を変位センサーとするローカルコントロールを行うための装置を作り、振り子のlength方向の制御を行いました。その結果、0.83Hzの共振ピークを約1/3.7倍に抑えることができました。しかし、RMS振幅はほとんど差がありませんでした。課題として、2つの共振周波数間で変位が大きくなった原因を調べ、RMS振幅を抑えることと、CLIOで問題になっている自由度である振り子のYaw方向の制御を行うことです。 2009/12/19 平成21年度 共同利用研究成果発表研究会