2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of rotating cold half wave plate for the next generation CMB experiment
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17H01125
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
片山 伸彦 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50290854)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺尾 悠 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (00777823)
大崎 博之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10203754)
菅井 肇 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (50291422)
金子 大輔 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (60790342)
松村 知岳 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (70625003)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 宇宙マイクロ波背景放射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙初期の急激な加速膨張を予言するインフレーション仮説は、宇宙開闢後10**-38秒、またエネルギースケールで10**16GeVという極限の物理現象にもかかわらず、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の偏光観測により実験的な検証が可能である。現在、B-modeと呼ばれるこの偏光シグナルの発見に向け世界的に熾烈な競争がある。日本では将来衛星計画LiteBIRD、またチリの地上望遠鏡POLARBEARの計画が進められている。本研究提案では、CMB偏光観測において検出器の1/fノイズや系統誤差の要求を劇的に軽減する偏光変調器の開発を行う。本研究の計画は以下の通りである。
(1) インフレーション信号強度から観測機器の統計及び系統誤差までの応答関数を導出するため、シミュレーションパイプラインを構築する。
(2) 変調をかける光学素子はミリ波の広い観測帯域にて高い透過率及び変調効率が求められる。サファイアを用いて広帯域半波長板を実機サイズにて開発する。この半波長板は液体ヘリウム温度下で連続回転する必要があり、高温超伝導体を用いた浮上式磁気軸受を採用する。回転機構に半波長板を搭載した実証器にて低温下での偏光特性、熱的成立性を実験にて検証し、実現性評価を行う。
(1) については、国際共同実験LiteBIRDチームによる共同作業により、シミュレーションパイプラインを構築中である。我々の研究チームは、積層半波長板の34GHzから161GHzまでの帯域における偏光効率を最適化する事や、反射防止構造における透過率を最大化する事を行い、その結果をパイプラインに組み込んだ。
(2) については、大型の高温超伝導体を用いた浮上式磁気軸受と回転機構を製作し5Kにおいて発熱を測定し、シミュレーション等を行い解析した。回転機構の駆動用のドライバの動作を解析し、低電力になる様に最適化した。
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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
レーザー加工技術を用いてモスアイ構造をサファイア表面に製作し、広帯域な反射防止を実現した。また、サファイア半波長板を５、７、９枚積層する構造において、各層の厚み、相対角度を変数として、34GHzから161GHzまでの広帯域において変調効率を最適化する設計とそのプロトタイプの作成、評価を行った。約20Kで低温光学測定が出来るクライオスタットを開発し、プロトタイプの積層型半波長板が十分な性能(全観測帯域で90%以上の透過率と変調効率)を有していることを実験的に示した。
極低温回転機構として超電導磁気軸受と同期モーターを使用した完全非接触の回転機構を開発・製造し、20K 以下で安定動作することを実証した。モーターのコイルに使用される銅線を高純度の無酸度銅に置き換え、アニールして、低温時の抵抗を極限まで減らし、発熱を抑えることができた。また駆動ドライバを解析して、低発熱化を計った。回転速度を正確に測定する為の低温で動作するエンコーダーとその読み出し回路を製作し、回転速度を測定した。不安定性の原因を追求する為、エンコーダーディスクを精密に測定し、その非均一性が不安定性の一因になっていることを示した。
直径500mmのサファイア円盤を製作するため、サファイアバルク材を購入し、企業と共同で厚さ7mmのサファイア板を切り出して研磨した。実機製作のため、企業と概念設計検討を行った。その中では、軽量化、検証試験時の偏光変調器の設置の向きの検討を行った。
積層サファイア板のホルダーをCFRPで製作した。積層サファイアを接着によって行うが、水ガラスを接着剤として使う可能性を検討し、接着力の試験を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに開発した磁気浮上機構、低温保持機構、回転機構と積層サファイア板、反射防止構造を全て組み合わせて低温光学測定系において回転時の発熱及び温度安定性、回転安定性、変調効率と透過率の測定を含めた偏光変調器の総合的な性能評価を行う。現在製作した部分のうち、不均一性があり、そのために発熱量の多い所があり、それを改良する予定である。またジュール熱を減らすために高温超伝導体の厚さを減らすなどの検討を行い、可能であれば新たに高温超伝導体を購入するなどして、発熱を改善したい。
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