CMB 観測実験におけるアクティブ除振装置の設計開発○金山 高大 A)、鈴木 純一 A)、山岡 広 A)、長谷川 雅也 B)、金子 大輔 B)、五十嵐 悟 C)A)

高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 メカニカルエンジニアリンググループB)

高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 CMB グループC)

株式会社エイ・イー・エス 宇宙・航空機試験チーム

1. 研究背景宇宙の起源は、ビックバンと呼ばれる超高温・超実験装置の望遠鏡は、大気の影響が地表の約半分高密度の火の玉が急膨張することによって誕生したであるチリのアタカマ高地で観測が行われており、とされている。しかし、ビックバン以前に宇宙の急主鏡、副鏡、レシーバーシステムから構成される反膨張があり、その際に放出された熱エネルギーがビ射型望遠鏡である。レシーバーシステム内部には、

ックバンの火の玉になったとするインフレーション

1 K 以下に冷却された超伝導検出器(Transition Edge

宇宙仮説は初期宇宙を説明する有力な仮説である。

Sensor：TES)と呼ばれる高感度で温度変化を測定で宇宙誕生から 38 万年後は、宇宙の温度が 3000 Kきる技術を用いた TES ボロメータと呼ばれる検出まで下がることで電子や陽子と衝突を繰り返してい器が組み込まれており、アンテナに入射した CMB のた光が宇宙空間を長距離進めるようになった。このパワーを高精度に測定することを可能にしている。

光 は 宇 宙 マ イ ク ロ 波 背 景 放 射 (Cosmic Microwave

また、検出器を極低温に保つために複数の冷却シス

Background：CMB)と呼ばれ、2.7 K の電磁波としてテムが搭載されており、その 1 つにパルスチューブ宇宙のどの方向からも一様に飛来し観測できる。光冷凍機(CRYOMECH：PT415-RM)が採用されている。

や電磁波には、偏光(Polarization)という振動をしながPOLARBEAR はこれまでに、重力レンズ効果によら進行する状態が存在し、CMB の偏光には偏光 B モる偏光 B モードを世界で初めて観測した。[1] また、ードと呼ばれる特殊な渦状の偏光パターンが存在すより高精度な測定が可能な POLARBEAR-Ⅱを設置る。もしインフレーションが起きた場合、原始重力して重力レンズ・原子重力波起源の偏光 B モードの波と呼ばれる時空が振動することで生じる波により精密測定を行う試みや、望遠鏡を 3 台同時に使用す

大きな渦の偏光 B モードができるとされ、観測するることで観測の感度を高める Simons Array 実験も進と宇宙誕生の様子を理解できると考えられている。

められている。しかし、精密測定を行う中で、低周また、CMB が地球に届くまでの間に重力レンズ効果波ノイズが観測範囲を制限してしまうため大きな問と呼ばれる宇宙空間内に分布する物質の影響で曲が題となっている。[2]その主要な原因の 1 つとしてパることで小さな渦の B モードができるとされ、宇宙ルスチューブ冷凍機の冷媒であるヘリウムの循環に大規模構造の鍵を握ると考えられている。

起因する低周波振動が考えられる。低周波振動はパ高エネルギー加速器研究機構(以下 KEK)の CMBッシブな除振を行うことが難しく、アクティブな除グループでは、インフレーションのエネルギースケ振を行う手法を採用し R&D を行っている。図 2 にール決定を目的とした POLARBEAR という国際実験装置の構造を示す。

コラボレーション実験を行っている。また、KEK のメカニカルエンジニアリンググループはその設計に関わっている。図 1 に実験装置を示す。
KEK/POLARBEAR
Collaboration

図1

POLARBEAR 望遠鏡

図2

実験装置の構造

2.設計開発(1) 設計要求
KEK では、チリの実験装置を模擬した R&D 用のクライオスタットを用いて実験を行っている。問題となるパルスチューブ冷凍機も組み込まれており、KEK でアクティブ除振装置の設計開発及び実験を行った上でチリの望遠鏡に組み込む方針となった。
冷凍機の振動が TES ボロメータへ伝達する経路として①TES ボロメータを冷却するためのヒートリンクからの伝達、②筐体からの伝達、が考えられる。このことから、筐体に伝達する前にレシーバーシステム外部で振動を除去する必要があった。
振動状態を明らかにするために R&D 用クライオ
スタットの冷凍機上で、鉛直方向振動を分解能 0.25µm のレーザー変位計(キーエンス：CL-P015)で計測すると、1 - 10 µm , 1.4 - 1.5 Hz 程度の振動だった。
測定箇所によって振幅は異なり、水平方向も同様であった。図 3 に鉛直方向の振動を示す。

図3(3)部品の選定
ピエゾアクチュエータは振動と荷重の設計要求をカバーできる可動域 90 µm , Push force capacity が3000 N のもの(PI：P-844.60)が採用された。また、
ピエゾアクチュエータは構造上せん断や曲げ応力に非常に弱いため、取り付け面の角度誤差によって生じる力や取付け面が移動する際に生じる偏心を吸収する許容角度±0.5°のフレキシブルカップリング(メステック：M-9914-FB88)を採用した。また、クライオスタットや実際の装置は角度をつけて運用する場合が多く、ピエゾアクチュエータのみで荷重を支持するのはリスクがあることから、荷重を分散する目的で防振ゴム(NBK：FGBAS-30-40-M8-EE-55)を採用した。
(4)アクティブ除振装置の設計開発
まずは試験機を製作して真空引きの確認や荷重をかけた状態での駆動などを確認した後、R&D 用のクライオスタットへ組み込んでアクティブ除振の試験を行った。図 5 に R&D 用クライオスタットと設計した除振装置を示す。

レーザー変位計による振動計測

また、レシーバーシステムは内部を真空にするため、装置には気圧による負荷がかかる。除振装置はその荷重を支える必要があり、断面積から概算すると約 2000 N だった。図 4 に内部の様子を示す。
図5

図4

装置内部における真空引き荷重

更に、実験装置は既に運用されているため、組み込める場所や加工範囲は限られていた。これらの振動条件と荷重条件、組み込み可能範囲などの要求を満たすように設計を行った。
(2)除振方法
防振ゴムなどのパッシブな除振方法は、1 Hz の振動を防振するばね定数を算出すると耐荷重の要求を満たすことが困難であり、アクティブな除振を行うことに決まった。重力波実験の 1 つである TOBA実験で用いられているアクティブ防振装置[3]を参考にピエゾアクチュエータを使用したアクティブ除振の方法を採用することになった。

アクティブ除振装置試験機

振動の方向は鉛直と水平のどちらでも確認できたため、振動を打ち消すにはピエゾアクチュエータを斜めに取り付けることが考えられた。しかし、せん断や曲げに弱い特性があることや組み込み可能範囲からまずはピエゾアクチュエータを鉛直方向に取り付けてアクティブ除振の原理実証を行い、水平方向の振動はその結果によって検討することになった。
鉛直方向の除振を行うにあたって、ピエゾアクチュエータを鉛直に取り付ける必要があったが、パルスチューブ冷凍機を取り付けているベローズフランジには組み込むスペースが無かったため、このフランジは追加工を行うことにした。
また、限られたスペースの中での除振装置の取り付け方法が難しい点だったが、ピエゾアクチュエータにキャップのような機構を取り付けて 3 箇所で間接的にフランジを押し上げる構造を考えた。また、ピエゾアクチュエータのカップリングはタップ部分で回転させて締結するため位置が定まらないが、そのキャップがどの位置に来ても固定できる設計にすることで問題を解決した。

3.実験・結果(1)駆動試験
各部品を選定した際、3 つのピエゾアクチュエー

今回はオープンループ制御によって周波数や電タ単体での駆動や制御方法の確認のため駆動試験を圧を調整してピエゾアクチュエータを駆動させた。

行った。ピエゾ素子には圧電効果を応用した逆圧電

3 つのピエゾアクチュエータは 3 又の BNC コネクタ効果と呼ばれる現象が利用されており、電圧をかけで駆動を同期させた。電圧や周波数などの制御にはることで伸び縮みさせることができる。今回は電圧

マルチファンクションジェネレータ WF1974 を用いを上げた時の変位と、電圧を下げた時の変位も記録てオシロスコープでモニタした。レーザー変位計はした。アクチュエータの変位はレーザー変位計で計冷凍機鉛直方向に取り付けた。初めは電圧などの調測した。図 6 に電圧と変位の関係を示す。

整が難しく、振動が増大することもあったが、調整すると振動を減少させることができた。また、位相などの細かいパラメータを上手く調整するとレーザー変位計で計測している冷凍機の 1.4 Hz ピークの鉛直方向の振動を約 7 µm から 1 µm 程度に除振させることができた。図 8 にアクティブ除振試験の結果(ピエゾ ON と OFF の比較)を示す。

図6

電圧と変位の関係

電圧に応じて変位がある程度決まることや、ヒステリシスなどの特徴、個体差がほとんど無いことが確認できた。
(2)真空・耐荷重試験
試験機を製作してクライオスタットに組み込む前(a) 除振前後の時間と振幅に、真空引きをした状態でアクチュエータを駆動させることでリークの確認や耐荷重を満たせているか確認する試験を行った。真空状態にして荷重がかかると 3 つのアクチュエータそれぞれの変位は小さくなったが、10 µm 1.4 - 1.5 Hz 程度で押し上げる要求は十分に満たせることが確認できた。
(3)アクティブ除振試験①
これらを踏まえて R&D 用のクライオスタットにアクティブ除振装置と冷凍機を組み込み、アクティブ除振の試験を行った。図 7 に試験の様子を示す。

(b) 除振前後の周波数と振幅

図8アクティブ除振の結果

図 8 (a)は時間と振幅の関係、図 8 (b)はフーリエ変換して求めた周波数と振幅の関係である。図より、1.4Hz ピークの振動を 60 秒間除振できていることが分かる。ただし、今回はオープンループでの制御だったため、長時間の安定した除振はできなかった。データは取れなかったが、鉛直方向と水平方向の振動を同時に 1 µm 程度まで除振することも検証できた。
図7アクティブ除振試験の様子

(4) アクティブ除振試験②次にレーザー変位計での振動減少は確認できたが、レーザー変位計はある 1 点しか計測していないため、全体的に振動がどのように変化したのかわかりづらい。そのため、計測範囲 0.1 - 400 Hz, 1 V 3.16cm/s^2 (Gal) の加速度計(特許機器：MG-102S)を加えて試験を行うことになった。アクティブ除振によって、レーザー変位計鉛直方向の振動を 1 µm 以下に

図 10解析の様子した状態で加速度計の鉛直方向の振動がどのように構造解析では、変位計の自重によるたわみは最大なるか検証した。図 9 に振動計測の結果を示す。

60 μm 程度だった。モーダル解析では、1 次モードが 60 Hz 程度であることから 1.4 Hz の振動では共振しないと考えられた。ランダム振動解析では、クライオスタット上の振動データを入力したが応答振幅は計測に影響が無いことを確認した。
4.結論・展望アクティブ除振装置の設計開発を行い、KEK にあ(a) 除振前後の周波数と振幅る R&D 用のクライオスタットへ組み込み実験を行った。実験の結果より、アクティブ除振装置を搭載することによってパルスチューブ冷凍機の 1.4 Hz ピークの振動は、レーザー変位計による計測では 7 μm程度から最大 1 μm 程度に除振できた。しかし、加速度計による計測では減少していなかったため、引き続き原因究明が必要である。振動の低減は CMB の観測精度向上につながると考えられるが、今後はこれを検証するために実験装置にヘムトアンプや実際の実験で用いられる TES を搭載し、アクティブ除振(b) 除振前後の周波数と加速度装置が ON の時と OFF の時の比較をする性能評価試

図 9 振動計測結果
図 9 (a)は周波数と振幅の関係、図 9 (b)は周波数と加験を行う予定である。また、ピエゾアクチュエータ速度の関係を表している。図 9 (a)で 1.4 Hz ピークの性に関しても検証や改良を行い、オープンループ制振動はレーザー変位計の値は減少しているが、図 9御から、振動の値をフィードバックするクローズド(b)で加速度計の値は減少していない結果となった。

ループ制御のシステムを確立する予定である。これ

図 9 (b)で高周波の値が大きいのは、加速度計が空調らが完成次第チリの検出器に導入する。

を 3 つから 6 つに増やすことで全方向の除振や安定や周りの音による影響を受けてしまうためである。

最後に、設計開発における機械加工は KEK の機

また、図 9 (a)では、図 8 (b)と比べると、1.4 Hz 以械工学センターに依頼し大変お世話になりました。

外の振動が減らせていないことが分かる。以上より、変位計の値だけを用いてアクティブ除振を行うのは難しく、複数のセンサが必要になると考えられる。
(5) 振動解析
レーザー変位計はクライオスタットの上でスタンドにより固定しているため、振動が変位計に伝わってしまい共振する可能性があった。レーザー変位計の 振動 の 様 子 を明 ら か に す るた め に 解 析ソ フ ト
ANSYS を用いて構造解析やモーダル解析、ランダム振動解析を行った。図 10 に解析の様子を示す。

参考文献
[1]
P. A. R. Ade et al. (POLARBEAR Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 113, 021301 – Published 9 July 2014[2]Satoru Takakura et al JCAP05(2017)008
Published 3 May 2017[3]
正田 亜八香(2014) Development ofa High-Angular-Resolution Antenna
for Low-Frequency Gravitational-Wave
Observation 東京大学大学院理学系研究科
物理学専攻学位論文 (未公刊)