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2015 年度 実績報告書

インフレーション宇宙探索のための低温広帯域偏光変調器の開発

研究課題

研究課題/領域番号 15H05441
研究機関国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

研究代表者

松村 知岳  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 宇宙航空プロジェクト研究員 (70625003)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードインフレーション / 偏光変調機 / 半波長板 / 超伝導軸受け
研究実績の概要

宇宙マイクロ波背景放射のB-mode偏光観測はインフレーション仮説に対し感度を持つ。世界的にその探索へ熾烈な競争があるが、現在の実験感度では強い制限を与えるに至らない。本研究提案では統計、及び系統誤差を同時に低減できる偏光変調器を開発する。特に変調器の広帯域性、そして自身の熱放射を押さえる4 Kでの動作、を同時に達成することで、初期宇宙探索で鍵となる前景放射除去に必須となる広帯域高感度観測が可能となる。これにより代表的な single-field slow-rollインフレー ションモデル(r~0.001)の探索に必要かつ実装可能な偏光計を確立する。現在、この偏光変調器のプロトタイプを作成及び評価を行っている。このプロトタイプは二つに分かれ、回転駆動部と光学素子としての半波長板、である。回転駆動部はφ100MM程度の超伝導軸受け及び保持機構によって構成される。このプロトタイプ回転駆動部はGM冷凍機により4Kに冷却するクライオスタットを持ちいて、5K以下での動作試験を行っている。極低温ステッピングモーターを用いた保持機構の動作、連続回転、エンコーダーを用いた回転位置の決定、回転子の共鳴周波数などの評価を行った。これらの成果はその成果は2本の論文としてまとめた。また、光学素子としての広帯域反射防止膜の研究開発は、φ50mmのサファイア、アルミナサンプルにレーザー微細加工を用いモスアイ加工を行うことで広帯域反射防止膜を作成し、評価結果を論文として投稿し、掲載された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

以下に27年度の掲げた開発項目及び、それぞれについて現在までの進歩状況を示す。

レーザー微細加工による広帯域反射防止膜の開発: ピラミッド形状のモスアイ加工をドイツLaser Zentrum Hannoverにて行った。レーザー加工により現在1:3のアスペクト比を持つピラミッド形状を作ることができ、構築したミリ波透過率測定装置にて60-140GHz程度の周波数領域で透過率特性を評価した。

低温モーターの開発: 低温モーターを試験するために、超伝導磁気軸受けを用いた試験システムを構築した。このシステムは5K程度にて冷却環境下で動作する。一方で、低温モーターのプロトタイプを常温かで準備を行っている。この低温モーターは二つに区分され、ドライブ回路とモーターそのものになる。前者はRaspberry Piを用いてサイン波シグナルを作成し、コイルに供給する。後者は磁石とコイルにてACモーターを構成する。コイルのコアには発熱の低減を考慮しmolyperamalloyを用いたもの、またコアレスコイル(アルミを母材とし、スリットを入れることで発熱の低減を行う)を作成した。

今後の研究の推進方策

以下に28年度に掲げた開発項目及び、それぞれについて今後推進方策を記す。

レーザー微細加工による広帯域反射防止膜の開発: ピラミッド形状にてアスペクト比1:3から1:5、そして1:10に向けて加工の最適化を行う。また、加工速度の最適化も行うことにより、大面積(D~400mm)でも加工可能にする。また、光学評価としては現在140GHzまで評価可能な測定系を拡張し、特に高周波数側の測定環境を整える

低温モーターの開発: すでに準備中の低温用コイルを用いた試験を前述のGM冷凍機クライオスタットにて行う。また、回転子用の磁石の最適化が重要だということが昨年度判明し、回転子の磁場の非一様性を低減するための磁石設計お同時に行う。また、 ~φ250 mmの大型試験環境及び試作機の設計もφ100mmのプロトタイプでの経験を踏まえて進める。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] University of Minnesota, Twin Cities(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Minnesota, Twin Cities
  • [国際共同研究] Laser Zentrum Hannover(Germany)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Laser Zentrum Hannover
  • [雑誌論文] Millimeter-Wave Broadband Anti-Reflection Coatings Using Laser Ablation of Sub-Wavelength Structures2016

    • 著者名/発表者名
      TOMOTAKE MATSUMURA, KARL YOUNG, QI WEN, SHAUL HANANY, HIROKAZU ISHINO, YUKI INOUE, MASASHI HAZUMI, JÜRGEN KOCH, OLIVER STUNTMAN, VIKTOR SCHÜTZ
    • 雑誌名

      Applied Optics

      巻: 55 ページ: 3502-3509

    • DOI

      10.1364/AO.55.003502

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Design and performance of a prototype polarization modulator rotational system for use in space using a superconducting magnetic bearing2016

    • 著者名/発表者名
      Tomotake Matsumura, Hirokazu Kataza, Shin Utsunomiya, Ryo Yamamoto, Masashi Hazumi, Nobuhiko Katayama
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 印刷中 ページ: 1-4

    • DOI

      2016

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Laser Processing of Sub-Wavelength Structures on Sapphire and Alumina for Millimeter Wavelength Broadband Anti- Reflection Coatings2016

    • 著者名/発表者名
      V. Schultz, K. Young, T. Matsumura, S. Hanany, J. Koch, O. Suttmann, O., Ludger, Q. Wen
    • 雑誌名

      Journal of Laser Micro/Nanoengineerin

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] LiteBIRD: Mission Overview and Focal Plane Layout2016

    • 著者名/発表者名
      T. Matsumura , Y. Akiba, K. Arnold, J. Borrill, R. Chendra, Y. Chinone, A. Cukierman, T. de Haan, M. Dobbs, A. Dominjon, T. Elleflot, J. Errard, T. Fujino, H. Fuke, N. Goeckner-wald, N. Halverson, P. Harvey, M. Hasegawa, et al.
    • 雑誌名

      Journal of Low Temperature Physics

      巻: 185 ページ: 1-8

    • DOI

      10.1007/s10909-016-1542-8

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測を用いたインフレーション仮説の検証と超伝導軸 受けを用いた半波長板偏光変調器の開発2016

    • 著者名/発表者名
      松村知岳
    • 学会等名
      第28回電磁力関連のダイナミクスシンポジウムSEAD28(機械力学・計測制御部門企画)
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス
    • 年月日
      2016-05-18 – 2016-05-20
    • 招待講演
  • [学会発表] インフレーション仮説探索のための半波長板を用いた連続回転偏光変調器の熱特性について2016

    • 著者名/発表者名
      松村知岳, 片坐宏一, 宇都宮真, 山本亮、桜井雄基
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      東北学院大学
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Polarization modulator for LiteBIRD2015

    • 著者名/発表者名
      Tomotake Matsumura
    • 学会等名
      B-mode from Space
    • 発表場所
      Kavli-IPMU, Japan
    • 年月日
      2015-12-10 – 2015-12-16
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic Gear Drive Mechanism for Non-Contact Continuous Rotation using the Superconducting Magnetic Bearing2015

    • 著者名/発表者名
      Tomotake Matsumura, Shin Utsunomiya, Hirokazu Kataza, Ryo Yamamoto
    • 学会等名
      28th International Symposium on Superconductivity
    • 発表場所
      TOWER HALL FUNABORI, Tokyo, Japan
    • 年月日
      2015-11-16 – 2015-11-18
    • 国際学会
  • [学会発表] 宇宙マイクロ波背景放射偏光観測衛星LiteBIRDに向けた半波長板偏光変調器開発2015

    • 著者名/発表者名
      松村知岳, 石野宏和, 宇都宮真, 片山伸彦, 片坐宏一, 菅井肇, 関本裕太郎, 永田竜, 羽澄昌史, 舟木巧, 山本亮
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      大阪市立大学
    • 年月日
      2015-09-25 – 2015-09-28
  • [学会発表] Prototype design and performance of superconducting magnetic bearing system for a space compatible polarization modulator operating at 4 K2015

    • 著者名/発表者名
      MATSUMURA Tomotake, KATAZA Hirokazu, UTSUNOMIYA Shin, YAMAMOTO Ryo
    • 学会等名
      12th European Conference on Applied Superconductivity
    • 発表場所
      Lyon, France
    • 年月日
      2015-09-06 – 2015-09-10
    • 国際学会

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公開日: 2017-01-06   更新日: 2022-10-14  

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