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DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

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.

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DECIGO pathfinder 用 レーザーセンサーの感度評価

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Presentation Transcript

  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 2010/3/21　春の物理学会

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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 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 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！ 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 実験装置2 コーナーキューブ outi 130mm 35mm おもて In outp BS うら ref 2010/3/21　春の物理学会

  13. 実験装置3 ふたを開けたところ mirror BS ref In(直線偏光) 30mm outi outp mirror PBS BS 2010/3/21　春の物理学会

  14. 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

  15. 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

  16. 実験結果 outputのノイズスペクトル • outp出力: -1450mVouti出力: -2000mV完全にmidfringeには出来ない・・・ • Visibilityoutp: 81％outi: 74％ • ref出力: -6.4V 2010/3/21　春の物理学会

  17. 実験結果2―intensity noise, shot noiseとの比較 • 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 output intensity noise shot noise 2010/3/21　春の物理学会

  18. 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

  19. 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

  20. 実験結果4―ジオイド高に換算 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rms1.3×10-7m 1secに1回トラッキングする場合 2010/3/21　春の物理学会

  21. 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

  22. 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

  23. 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) 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

  24. 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 fromCHAMPusing 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

  25. 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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