decigo pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

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2010/3/21 春春春春春春 1 DECIGO pathfinder 春 春春春春春春春春春春春春春 春春春春春春春春春春春春春春春春 4 春 春春春春春 春春春春 春春春春 春春春春 春 春春春春春 春春春春 ,,一,, A 春春春春 B 春春春春 ,一 C 春春春 春春春 A 春春春春春 B 春春春 C

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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. 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. 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. 背景. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

2010/3/21  春の物理学会1

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

Page 2: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

目次

2010/3/21  春の物理学会2

1.イントロダクション2.実験装置3.実験結果4.まとめ

Page 3: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

目次

2010/3/21  春の物理学会3

1.イントロダクション2.実験装置3.実験結果4.まとめ

Page 4: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

背景

2010/3/21  春の物理学会4

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

・ 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

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

Page 5: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

ジオイドとは

2010/3/21  春の物理学会5

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)

Page 6: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

今までの衛星による重力場測定

2010/3/21  春の物理学会6

CHAMP(GFZ  ドイツ )2000 年 7 月打ち上

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

Page 7: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

原理

2010/3/21  春の物理学会7

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に,ポテンシャル U+T をもつ面高度

h

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.

実際のポテンシャルはU+dU なので,

速度は vm+u にずれる!

実際のポテンシャルはU+dU なので,

速度は vm+u にずれる!

エネルギー保存則

)(2

1 2 constEUmv

エネルギー保存則

EdUUuvm m )()(2

1 2

ジオイド高 N とポテンシャルのずれ dU の

関係

ジオイド高 N とポテンシャルのずれ dU の

関係N

n

UdU

GPSで

観測

外乱

エネルギー保存則

dEEdUUdvuvm m )()(2

1 2

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

Page 8: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

原理2

2010/3/21  春の物理学会8

マスと衛星が非接触状態に保たれるよう,制御をかける

衛星の受ける力=重力+外乱

制御

マスの受ける力=重力+制御

相対位置が変化しない↓

外乱=制御信号

相対位置が変化しない↓

外乱=制御信号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

Page 9: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

目的

2010/3/21  春の物理学会9

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

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)

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

Page 10: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

目次

2010/3/21  春の物理学会10

1.イントロダクション2.実験装置3.実験結果4.まとめ

Page 11: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験装置

2010/3/21  春の物理学会11

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

Page 12: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験装置 2

2010/3/21  春の物理学会12

130mm

outi

In

outp

ref

コーナーキューブ

BS

おも

うら

Page 13: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験装置 3

2010/3/21  春の物理学会13

ref

In(直線偏光 )

outi

outp

BSmirror

mirror

BS

PBS

ふたを開けたところ

Page 14: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験装置 4

2010/3/21  春の物理学会14

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.

コーナーキューブ

Page 15: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

目次

2010/3/21  春の物理学会15

1.イントロダクション2.実験装置3.実験結果4.まとめ

Page 16: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験結果

2010/3/21  春の物理学会16

outp出力 :-1450mV

outi出力 :-2000mV

完全に midfringeには出来ない・・・

Visibilityoutp: 81%outi: 74%

ref出力 :-6.4V

output のノイズスペクトル

Page 17: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験結果 2 ―intensity noise, shot noiseとの比較

2010/3/21  春の物理学会17

output

intensity noise

shot noise

intensity noiseAOM 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 noiseout1 と out2 の電流値から算出

Page 18: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験結果 3 ―地面振動との比較

2010/3/21  春の物理学会18

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

Page 19: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験結果 4 ―周波数ノイズ

2010/3/21  春の物理学会19

周波数ノイズの upper limit

腕の長さInline: 13mmPerpendicular: 8mm( 調節が難しく,腕の長さがあまり合わせられなかった )

Page 20: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験結果 4 ―ジオイド高に換算

2010/3/21  春の物理学会20

1Hz以下でのrms

1.3×10-7m

1Hz以下でのrms

1.3×10-7m

1sec に 1 回トラッキング

する場合

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 )

Page 21: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

実験結果 5 ―問題点

2010/3/21  春の物理学会21

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)

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

100

mV

ref の出力の時間変化

Page 22: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

目次

2010/3/21  春の物理学会22

1.イントロダクション2.実験装置3.実験結果4.まとめ

Page 23: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

まとめ

2010/3/21  春の物理学会23

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

Page 24: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

まとめ 2

2010/3/21  春の物理学会24

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

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.

FP 干渉計による重力場勾配計

→ 坪野先生発表

A first attempt at time-variable gravity recovery from CHAMPusing the energy balance approach; N. Sneeuw et. al. (2002) 光格子時計

による GPSの精度向

上?

→ 穀山さん発表

Page 25: DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

2010/3/21  春の物理学会25

ご清聴ありがとうございました