低温レーザー干渉計CLIO(29)〜 LSPIの導入 (II)〜

東大宇宙線研、産総研 A

斎藤陽紀、寺田聡一 A、内山隆、三代木伸二、宮川治、大橋正健

and CLIO Collaborators

1　日本物理学会 @岡山大学2010/03/22

1. 実験動機2. LSPI (Local Suspension Point Interferometer)

タンデム干渉計

3. CLIO 用 LSPI のインストール4. 制御

方法 Coil-Magnet Actuator デジタル制御システム

5. 実験結果6. まとめと今後の課題

　日本物理学会 @岡山大学 22010/03/22

目次

1. 実験動機（ CLIO の課題）

3　日本物理学会 @岡山大学2010/03/22

CLIO で起きた問題CLIO 干渉計の低温動作時に、 eddy

current damping としての効果が弱まる（ CLIO での経験から）

新しいダンピング装置が必要

ダンピング装置への要求CLIO の真空タンク内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 冷却完了時には、懸架ワイヤー長が約 5mm 縮む レーザーの高さは固定されているため、 Test Mass

を最適な位置に移動する必要がある 結果、懸架点も高さ変化が起きる

Cryo Base

Test Mass

低温部

常温部

CLIO 懸架系

3-stage vibration isolation system

Damping Stage

Upper Mass

真空タンク

Laser

Mirror1

BS1

BS2

Mirror4

PhotoDetector

2. LSPI

4　日本物理学会 @岡山大学

タンデム干渉計マイケルソン干渉計を 2 つ直列につなげた

干渉計メリット

干渉計のアライメント調整は常温部 (Upper Interferometer) 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冷却時の振り子の高さ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

Mirror2

Upper Interferometer

2010/03/22

Mirror3

LowerInterferometer

常温部

低温部

LSPI(Local Suspension Point Interferometer)

タンデム干渉計型ローカルコントロール装置

メイン鏡の懸架点に取り付けた鏡と固定鏡で干渉計を構成し、その懸架点の揺れの検出及びフィードバックを行い、感度を犯さないようにダンプするための装置

2. 偏光タンデム干渉計

5　日本物理学会 @岡山大学2010/03/22

PBS3-PD 間で

干渉が起こる

PD

PBS1

PBS2

QWP1

QWP3

HWP2

PBS3

HWP1

PD

HWP1 によってレーザー光源の偏光軸を P波、 S 波が 1:1 になるように傾ける

PBS1 、 PBS2 を出た 2 本の光は偏光が π/2ずれているため、各干渉計だけで干渉は起こらない 干渉は HWP2 で偏光軸を傾ける事によって

PBS3-Photo Detector (PD) 間で起こる PBS3 を分離後の信号が干渉信号となるた

め、変位信号の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

差動をとる事で変位信号取得

光の経路が明確化（取り回しが簡易） 低温部にある Lower Interferometer の光学素子

は一体となるため、直接触る事が出来ない（全体を間接的に動かす事は可能）

CCM (Corner Cube Mirror) 、 Mirror4 に当てた後、再度常温部に持って来る必要がある

Upper Interferometer の一方のパスを隠す事によって、もう一方の Lower Interferometer からの光路を容易に把握できる

CCM

Upper Interferometer

LowerInterferometer

Mirror1

Mirror2

Mirror4

QWP2

QWP4

S 波

P 波Laser

CLIO へのインストールまでの流れ原理検証実験1 台目インストール (Per-arm End Cryostat) 実機のインストール（光学系など） Actuator 付 Mirror (Active Mirror) のみでフリンジ

ロック各 CCM の変位スペクトル測定

Coil-Magnet Actuator （振り子）、 Active Mirror でフリンジロックローカルコントロール

性能評価 鏡の速度低減効果 ロックアクアイヤーのしやすさ

低温動作試験2 台目以降のインストール

3. LSPI インストール

　日本物理学会 @岡山大学 62010/03/22

今回の発表

Per-arm End Cryostat

CLIO全体図

最終目標全 4 台インストールをし、全ての振り子のモニター及びローカルコントロールを行い、20Hz 以上の CLIO 感度を犯すことなく、ロックアクアイヤー速度向上を提供する

cryobase

uppermass

testmass

LowerInterferometer

PD

LaserUpper Interferometer

干渉に影響を及ぼす変動

　日本物理学会 @岡山大学 72010/03/22

全体図

常温部

低温部

Laser

Upper Interferometer

PD

Lower Interferometer

M1M2

M3

activemirror

PBS1PBS3

PBS2

HWP

QWP

QWP

CCM

M4

3. CLIO 用 LSPI 概略図

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

3. LSPI setup

　日本物理学会 @岡山大学 82010/03/22

Laser

Upper Interferometer

PD

M1

M2

M3

active mirror

PBS1

PBS3

Lower Interferometer

PBS2

CCM M4

LSPI 常温部Laser 波長 633nm, Power 0.9mW2 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

今後、 2 つの PD で信号取得を行う予定

LSPI 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 eddy current damping をかけている

常温部

低温部

4. 制御

　日本物理学会 @岡山大学 92010/03/22

1. 干渉計のエラー信号を並進と Yaw に分離

2. それをさらに振り子とActive Mirror (AM) のパスに分離

3. それぞれの並進と Yawフィルターに通し、結合して feedback

4. 干渉信号をミッドフリンジにロック　　

制御フィルターのパラメータやゲインの微調整を行えるように、デジタル制御を導入

振り子ループ、 AM ループともにデジタル制御で行う

cryobase

uppermass

CoilMagnet

Actuators

Mirror

Mirror

ActiveMirrors

Lasers

PDs

PBS

Yaw用フィルター

信号混合

並進用フィルター

並進用フィルター

Yaw用フィルター

信号混合

足し算信号（並進成分）引き算信号（ Yaw成分）

Cross over frequency：約 2HzUnity gain frequency： 10 ~ 20Hz

振り子 Active Mirror

cryobase

uppermass

CoilMagnet

Actuators

Mirror

Mirror

ActiveMirrors

Lasers

PDs

PBS

4. 制御

　日本物理学会 @岡山大学 102010/03/22

LSPI 用 Coil-Magnet Actuator アクチュエーターのダイナミックレンジの要求値 1×10-5 m @DC Test Mass 制御用 Coil-Magnet Actuator と同等のものを使用

（要求値を満たすため、 Test Mass 制御用より 4 倍強くしている）

CLIO Digital System

　日本物理学会 @岡山大学

（エムティティ社製） s-BOX64 TI 社製 TMS320C6416 DSK 、 ADC 、 DAC を搭載 制御フィルターのみ作成

信号演算及びモニター、データ取得などは全てアナログ ゲイン調整、パラメータ変更の際には、プログラムを

止める必要あり 初使用のフィルターを組み込むと、プログラムの設計ミス等により

不具合を起こしやすい アナログほどではないが、大きなタイムロスをすることもある

CLIO Digital System LIGO との共同開発を行っているもの すでに開発されているツールのみで LSPI は制御可能 信号演算、フィルター作成、モニター、データ取得な

ど全てデジタル パラメータの微調整などプログラムを停止する事なく

容易に変更可

作業効率化が見込まれるため、CLIO Digital System へ移行中

112010/03/22

s-BOX64

4. デジタル制御システム

Sampling Rate : 5kHz

Sampling Rate : 16kHz

€

1

15

並進同相モード(0.48Hz)

並進逆相モード(1.18Hz)

5. 実験結果 1

　日本物理学会 @岡山大学 122010/03/22

ダンピング効果測定1. Per Arm Fabry-Perot 共振器を周波数ロック2. ロックが落ちない程度に Per End Test Mass にラ

ンダムノイズを入れる3. 周波数ロック状態の Laser の PZT の feedback 信

号と入れたノイズの比（伝達関数）を測定

振り子の 2 つの並進モードのダンピングに成功

1.18Hz の共振を 1/15 程度低減 0.48Hz の共振を 1/3.5 程度低減

0.50 ~ 1.10Hz の振動は増大 制御フィルターの導入で低減を目指す

　（ ~ 0.1Hz 以内で周波数決定デジタル制御）

Frequency [Hz]

Arb

itrar

y U

nit

€

1

3.5

5. 実験結果 2

　日本物理学会 @岡山大学 132010/03/22

CLIO 感度への影響振り子の並進フィルターには flatを使用して制御

20Hz 周りの感度を悪化させていた振り子の並進フィルターに 6Hz

LPF を追加して制御 10Hz 以上の感度を改善 2.09×10-17 m/rtHz @21.9Hz (CLIO Best) 1.30×10-16 m/rtHz @21.9Hz (6Hz LPF) 2.25×10-15 m/rtHz @21.9Hz (flat)

測定日が異なるため、感度悪化の原因はLSPI 起因か地面振動の揺れかは調査中

低ノイズな回路と適切な制御フィルターの導入で CLIO 感度を犯さずに制御可能

Frequency [Hz]

Dis

plac

emen

t [m

/rtH

z]

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

2 台の干渉計を Mass, Active Mirror による同時制御に成功 振り子の共振周波数 (0.48Hz, 1.18Hz) のダンピングに成功 適切な制御フィルターの導入で、 20Hz 周りの CLIO 感度を犯さない制御は可能

作業効率化のために CLIO Digital System に移行中

今後の課題制御により増大させてしまったノイズの低減を目指すEddy Current Damping をはずしてのローカルコントロールテスト低温動作前の予備実験を経て、低温動作でのローカルコントロールテスト

6. まとめと今後の課題

　日本物理学会 @岡山大学 142010/03/22