2015 Fiscal Year Annual Research Report
重力波天文学のためのＫＡＧＲＡ極低温鏡サスペンションシステムの開発
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15F15323
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
都丸 隆行 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 准教授 (80391712)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
KUMAR RAHUL 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2015-11-09 – 2018-03-31
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| Keywords | 重力波 / 宇宙物理 / 宇宙線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、重力波望遠鏡KAGRAの極低温鏡懸架系の低熱雑音を実験的に検証することを目的としている。具体的には、これまで個々の要素で評価してきた熱雑音を決めるパラメータ（機械的Q値）を全て接合した状態で実測し、シミュレーションと組み合わせることでKAGRAの懸架系の熱雑音を評価する。
本年度は、鏡、耳部、懸架ファイバー、板バネといった各サファイア部品を接合し、サファイア懸架状態を構成させた上で機械的Q値を測定するためのアッセンブリジグの設計を行った。特にサファイア鏡に耳を取り付ける部分ではHydro Cathalysis Bondingという強固な接合が用いられるが、一度接合してしまうと機械的に破断する以外は取り外しが効かないため、正確な位置決めをして接合するジグが必要である。この接合および接合ジグに関してはイタリア・ペルージャ大学の共同研究者がノウハウを有しており、彼と協力しつつデザインを行った。H28年度早々に製作および接合を行う予定である。
また、アッセンブリ状態で機械的Q値を測定するため、測定用クライオスタットの拡張を実施した。これにより直径220mm、高さ400mm程度のサファイア懸架部全体でのQ値測定が可能となった。
最後に、有限要素法を用いたシミュレーションも実施しており、サファイアファイバー部分の弾性モードや熱雑音を計算した。この過程で新しくサファイアファイバーのバイオリンモードを観測帯域から外すアイデアが生まれ、これについても研究をしている。最終的には、実測したファイバー等の機械的Q値をシミュレーションコードに入力することで、システム全体の熱雑音を評価するが、この準備はほぼ整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験で用いる全てのサファイア部品はすでに揃っており、また、正確にアッセンブリを行うためのジグについても設計が完了している。このジグの製作はH28年６月に行われる予定で、接合によるアッセンブリは７月に実施される。サファイア懸架部アッセンブリの開発スケジュールとしては順調である。
クライオスタットの改造工事も完了しているが、装置の移動に伴う不具合等が生じたためにこの解決に若干の時間が取られた。また、期待的Q値測定ではやや感度不足の問題があるが、この解決についても順調に装置改造が進んでいる。
熱雑音のシミュレーションについてもモデル作成は完了しており、順調に推移している。
以上の事から、研究の進捗状況はおおむね順調と判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度は、まず６月にサファイア部品のアッセンブリジグの製作を実施する。この製作ではイタリア・ペルージャ大学の協力を得てイタリアで製作する予定である。製作完了後、７月には日本でサファイア部品の組立、特にプロトタイプサファイア鏡への耳の接合（Hydro Cathalysis Bonding）およびサファイアファイバーの取り付け（Indium Bonding）を実施する。この際、ペルージャ大の共同研究者も招聘し、共同で作業を実施する。サファイア懸架系全体のアッセンブリが完了した後、懸架系の共振周波数計測を実施する。
その後クライオスタットにインストールして機械的Q値の実測を行う。機械的Q値の測定では、サファイアファイバー部分に櫛形コンデンサのエキサイターを設置し、共振周波数を探してこの周波数で励起する。その後エキサイターをオフにして振動の減衰の様子をシャドウセンサーでピックアップして計測する。この減衰の時定数から機械的Q値を求める。計測温度は4K～300Kまでの間である。
機械的Q値の実測値を用いて、サファイア懸架系の熱雑音レベルをシミュレーションにより求める。基本的にはLevinの方法に基づいて評価する。この方法は、有限要素法を用いて各振動モードの応力分布を求め、その応力の重みをかけて熱雑音駆動力および振幅を求めるものであり、サファイア懸架系の熱雑音がKAGRAの設計感度よりも小さい事を確認する。
上記の評価ではまずプロトタイプサファイア鏡を用いて行い、十分な技術的修練を行った上で実機の鏡にサファイア部品接合を実施する。このようにして高額なサファイア鏡懸架系を確実に構成させ、また確実に低熱雑音を実現する。
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