2017 Fiscal Year Annual Research Report
R&D of a resonant cavity for dark matter axion search with photonics crystal technique
| Project/Area Number |
17H02883
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
岸本 康宏 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (30374911)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小川 泉 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (20294142)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 暗黒物質 / アクシオン / ALP粒子 / マイクロ波共振空胴 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
フォトニック結晶技術を用いて，大型マイクロ波共振空胴の開発を行った．フォトニック結晶構造とは，金属等を周期的に配置した構造であり，この周期構造の長さによって，共振周波数が決定づけられる．
本研究では，暗黒物質アクシオン又は暗黒物質アクシオン様粒子の探索を行うため，大型で且つTM010と呼ばれる基本モードで発振する空胴を開発している．
H29年度は，二次元のシミュレータ（SuperFish）を用いて，Ｚ軸に無限遠の空胴の計算を実行した．この結果，我々が対象とする周波数帯でのフォトニック構造の概略を決定した．次に三次元のシミュレーター（HFSS）を用いて，計算を行い，次の結果を得た．１）直径20センチ，長さ10センチの円筒空胴で共振周波数5.7ＧＨｚ，Ｑ値4,600の共振モードが得られること，２）この空胴に銅の棒または誘電体棒を導入することで，共振周波数の周辺7.3％周波数掃引が可能であることが分かった．
１）で特記すべき事項は，シミュレーション上では，空胴の大型化可能性が示された点である．例えば，長さを10 cmから50㎝にまで延長しても基本モードの発振が見られた．また，空胴を直列に連結した場合にも，5.7 GHzの基本モードの同位相の共振（これを０モードという）が得られ，連結可能数として４０～６０個程度以上との結果を得た．5.7GHzのマイクロ波の場合，立方体の空胴では一辺3.7㎝，つまり体積が５１ｃｃである．しかるに１）の空胴体積は約3.1Ｌと約60倍の体積を有する．この空胴を直列に40個連結したと仮定すると，体積は約180Ｌとなり，アクシオンを高感度に探索するに必要な体積500Ｌの1/3に相当する．このシミュレーション結果は，大型空胴の実現に向け，非常に期待を抱かせるものであった．
このシミュレーション結果から，直径20cm長さ10cm（体積3.14L）の空胴作成に着手した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では，フォトニック構造を用いた大型空胴の開発を行っている．H29年度の成果としては，シミュレーションによって，本研究の目標とする大型空胴の実現可能性が確認された点が最も大きい．
2次元のシミュレーションでデザインの概略を決定し，次に3次元のシミュレーションで空胴の動作を確認するという手法を確立した．しかし3次元のシミュレーションの結果をどのように評価するか，という点で苦労し，多くの時間を費やしたことも事実であり，研究の進捗としてはやや遅れていると言わざるを得ない．
しかし，シミュレーションの結果，大型化の可能性が確認された．大型化の手法としては，空胴の連結，空胴長の延長の2つともが可能とのシミュレーション結果を得ている．これは本研究の最終目的である，大型共振空胴の開発という点では大きな進捗となった．
大型化に加え，本研究では周波数掃引機構のデザインも研究の重要な要素となっている．現状，周波数掃引幅は7.4％程度であり，1つのマイルストーンとして考えている10％まであともう少しの状況である．
先にも述べたように，シミュレーション研究に時間を割いたため，結果としてテスト機を作成して，フォトニック結晶の原理を検証することがH29年度には遂行できなかった．現在アルミ製のテスト空胴を作成しており，これを用いて，フォトニック結晶空胴の研究を遂行する．
|
| Strategy for Future Research Activity |
先述のように，時間はとられたものの，シミュレーション結果ではフォトニック結晶構造を用いて，大型空胴の実現性が見えてきた．今後，直径20センチ，長さ10センチのアルミ製のテスト空胴を作成し，この空洞の共振周波数とQ値を測定する予定である．この測定では，ベクトルネットワークアナライザを使用する．
更に，目的の共振モードが，アクシオン探索に用いる基本モード（TM010）で発振しているかを確認する．このモードプロファイル測定は，ビーズプル法を用いる．ビーズプル法は，空胴内に小さな導体または誘電体を摂動として導入し，摂動による周波数変化と摂動部分の電場を対応させる手法である．
テスト空胴が納入されるまでの期間に，これら２つの測定の準備を完成させ，テスト空胴納入後，即座にテストを実施する予定である．
また，このテスト機による測定と並行して，周波数掃引機構の開発を，シミュレーションによって推進する．現状では，掃引幅が７％程度であるため，さらに大きな掃引幅を実現したい．一方で，シミュレーションでは，実際の機器に比して単純化したデザインとなっており，それを取り込んで，周波数，周波数掃引幅，Q値等への影響を見る必要がある．
テスト機による測定と，シミュレーションによる掃引機構の開発・研究を並行して進める必要がある．
|
Research Products
(1 results)
