レーザー干渉計型重力波検出器TAMA300のパワーリサイクリングVI

長野重夫、新井宏ニ、高橋竜太郎、佐藤修一、辰巳大輔、常定芳基、安東正樹G、三尾典克E、森脇成典E、武者満C、川村静児、福嶋美津広、山崎利孝、藤本眞克、坪野公夫G、大橋正健D、
黒田和明D、神田展行H、他TAMA collaboration
国立天文台、京大基研A、高エ研B、電通大C、東大宇宙線研D、
東大新領域E、東大地震研F、東大理G、阪大理H
JPS Conference Spring 03 @ Tohoku Gakuin Univ.

Outline
TAMA300 ‑基線長300mレーザー干渉計型重力波検出器‑
干渉計実験の現状 (2002/10〜)
光源：周波数・強度安定化システムの改良、光軸制御の導入
主干渉計：リサイクリングミラーアライメント制御の導入
自動化
TAMA300の感度と安定度
現状 : TAMA300のベスト感度と最長連続動作時間の更新
重力波に対する感度 : h=2.6x10-21/sqrtHz
最長連続動作時間 : 20時間31分今後の計画
まとめ

JPS Conference Spring 03 @ Tohoku Gakuin Univ.

レーザー干渉計型重力波検出器 TAMA 3 0 0
基線長300mのファブリー・ペロー・マイケルソン干渉計
国立天文台三鷹キャンパス
プロジェクトの目的
1. 近傍銀河における大振幅重力波イベントの検出
2. 将来のkm級大型干渉計のための技術開発
目標感度
重力波振幅の大きさ h=1.7x10-22/sqrtHz (@150Hz~450Hz)

TAMA300 Bird's eye view

Suspended Mirror

300m Vacuum Tube

重力波検出器TAMA300の構成 (2001/10〜)
10W 注入同期型Nd:YAGレーザー
10m リング型モードクリーナー
300m ファブリー・ペロー・マイケルソン干渉計
パワーリサイクリングミラー

10m モードクリーナー
300m

10W レーザー

10m

300m ファブリー・ペロー・マイケルソン干渉計

パワーリサイクリングミラー
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干渉計実験の現状 ‑レーザー周波数安定化の改良‑
パワーリサイクリング導入によるショット雑音の減少‑>レーザー周波数安定度の向上
10W 注入同期レーザー

DC-600kHz

10m モードクリーナー

300m ファブリー・ペロー・干渉計

DC-1kHz

DC-40kHz

DC-600kHz

L+ サーボ(同相制御)

モードクリーナー
サーボ
1kHz-40kHz

MCループの広帯域化 ユニティゲイン 300kHz ‑> 600kHz (〜2002/10)‑>同相(L+)制御系の広帯域化 ユニティゲイン 20kHz ‑> 40kHzJPS Conference Spring 03 @ Tohoku Gakuin Univ.

干渉計実験の現状 ‑レーザー周波数安定化の改良‑
NSアーム誤差信号スペクトル

0Frequency Noise Hz/Hz

1/2

10-110-210Old Servo-310-410-510New Servo-610-710110231041051010Frequency Hz‑>同相(L+)制御系の広帯域化 ユニティゲイン 20kHz ‑> 40kHz-2

周波数安定度 @10kHz: 4x10 Hz/Hz

1/2-2

1/2‑> 2x10 Hz/Hz

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干渉計実験の現状 ‑レーザー強度安定化の改良‑
パワーリサイクリング導入によるショット雑音の減少‑>レーザー強度安定度の向上

To Perpendicular Arm

Laser Intensity
Stabilization
Servo

20MHz
Phase Lock
Servo
LD

Error Signal

Intensity Noise

DBM1PO2LD
PD1PD5

EOM3VCM

EOM4

PD4FI
AOM

NPRO EOM1 EOM2

BSIM

OM

PO1To In-line Arm

PRC

VCXO
20MHz

PZT
Thermal15.235MHz

PD212MHz
DBM2

Beamsplitter
Vacuum Chamber

Mode Cleaner
ServoSideband
Transmission
ServoLock In Amp.

Mode Cleaner
Vacuum Chamber

30kHz
Monitor15.235MHz

DBM4EM

InQ

PD3

DBM3

PRC内のゲイン変動によるAOMのダイナミックレンジを飽和制御帯域不足(UGF=50kHz)による高周波の強度安定度の制限
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干渉計実験の現状 ‑レーザー強度安定化の改良‑
パワーリサイクリング導入によるショット雑音の減少‑>レーザー強度安定度の向上

To Perpendicular Arm

20MHz
Intensity Noise

Phase Lock
ServoLDDBM1PO2LD
PD1
EOM3

VCM

PD5
EOM4

NPRO EOM1 EOM2

AOM

BSPD4

FIIM

OM

PO1To In-line Arm

PRC

VCXO
20MHz

PZT
Thermal15.235MHz

12MHz

PD2
DBM2

Beamsplitter
Vacuum Chamber

Mode Cleaner
ServoMode Cleaner
Vacuum Chamber
EMLaser Intensity
Stabilization
ServoPD3Error Signal

モードクリーナー透過光を強度安定化に利用‑>低周波のフィードバック信号量の減少‑>パワーリサイクリング共振器によるフィルター効果
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干渉計実験の現状 ‑レーザー強度安定化の改良‑
3Intensity Noise /Hz

1/2

10Stabilized (MCend PD)

410510Free running

610

Stabilized (WE PD)

7108101102

31041051010Frequency Hz

モードクリーナー透過光を強度安定化に利用-8

強度安定度 @10kHz: 8x10 /Hz

1/2-8‑> 2x10 /Hz

1/2

700Hz以下の散乱光ノイズ等 ‑> 真空中で検出することで除去

JPS Conference Spring 03 @ Tohoku Gakuin Univ.干渉計実験の現状 ‑光軸制御‑
QPD4

M2
QPD2
M1

QPD3
QPD1BS+Laser

入射光学系定盤上の４分割光検出器による入射光軸決め (QPD1, QPD2)+ 腕共振器透過光による光軸制御 (QPD3, QPD4)‑> MCアライメント制御の長期安定度向上
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‑> 干渉計動作安定度の向上

干渉計実験の現状 ‑主干渉計‑
リサイクリングミラーアライメント制御の導入
機械変調法による制御信号取得 (Pitch 60Hz, Yaw 70Hz)
制御帯域 < 1Hz ‑> 長期的なミラードリフトの抑圧‑> 主干渉計の全ミラーの全アライメント自由度を制御
70Hz Lock in Amp2

Yaw Control

Perpendicular Arm
Alignment Control

60Hz Lock in Amp1

300-m Fabry-Perot-Michelson Interferometer

Pitch ControlQPD2

Injection-Locked
LD-pumped
Nd:YAG Laser

NSPD

EOM

15MHz

DBM2
15MHz

10-m Ring-type
Mode Clenaer

300-m FP cavity

QPD1
15MHz
DBM1

In-Line Arm
Alignment Control

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Transmitted light level [a.u.]Transmitted light level [a.u.]

干渉計実験の現状 ‑RMアライメント制御の導入‑
1.10
1.05

RMアライメント制御導入前
WE透過光変動 > 9%without RM alignment control

1.00

リサイクリングミラーのドリフト大‑>長期安定度を制限していた原因の一つ

0.95
0.90
0.85
0.80
12:00
8/31/02

18:00

0:00
9/01/02

6:00

1.10
1.05

RMアライメント制御導入後
WE透過光変動 < 3%(リサイクリングゲイン 4.5+- 0.14)

with RM alignment control

1.00
0.95

長期的なドリフトの制御‑>リサイクリングゲイン変動減少による動作安定度の向上と感度の維持

0.90
0.85
0.80
12:00
2/16/03

18:00

0:00
2/17/03
Time

6:00

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干渉計実験の現状 ‑自動化‑
長期観測運転への対応‑> 将来の無人運転へ光源部(レーザー＋MC)のスタンドアローン化
MC周波数安定化、MCアライメント制御、レーザー強度安定化、光軸制御、レーザー注入同期ロック
主干渉計の計算機と利用した制御
ロックアクイジション、アライメント、ステータスモニター
ハードウェア: PC + DAQ board
ソフトウェア: National Instruments LabVIEW
コードの簡素化と信頼性の向上

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TAMA300の感度 ‑感度スペクトル‑-12Strain Sensitivity /Hz

1/2

10TAMA300 Goal Sensitivity-1410(2002/08/31)(2003/02/20)-1610-1810-2010-2210110210310410510Frequency Hz

重力波に対する感度: h=2.6x10-21/sqrtHz @2kHz (ベスト感度の更新)
200Hz~3kHz ‑>広帯域アライメント制御による非定常雑音の抑制
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3kHz~60kHz ‑>レーザー安定化の改良による雑音の減少

TAMA300の安定度
Transmitted light level [a.u.]

最長動作時間:20時間31分
1.2

20h31m

0.8
0.4
0.0
12:00
2/16/03

WE ArmNS Arm

18:00

0:00
6:00
2/17/03Time
リサイクリングミラーの姿勢制御・光軸制御の導入‑>パワーの長期ドリフトの減少、制御系の長期的な安定動作の実現
リサイクリングに対応したオペレーションの自動化システムの導入‑>アンロックからの復旧時間は約10分
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今度の計画検出器の感度の向上
数100Hz以下の帯域での雑音除去
SASの導入 ‑> アライメント制御帯域の減少
数100Hz帯域での雑音除去
雑音メカニズムの調査
数kHz帯域でのショット雑音限界の向上
リサイクリングゲインの増加 (現在G=4.5)
検出器の安定度の向上
差動・同相アライメント制御の導入
コイルドライバーの改良・MCアライメント制御の改良‑>ロックアクイジションの改善
干渉計の完全自動化‑>無人運転による常時稼動の実現
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まとめ
TAMA300の現状
TAMA300のベスト感度を更新
重力波に対する感度: h=2.6x10-21/sqrtHz
NS binary 1.4Msolar (SNR10): 42kpc
リサイクリングの安定動作に成功
最長連続動作時間: 20時間31分
アンロックからの復旧時間: 10分
光源：周波数・強度安定化システムの改良、光軸制御の導入
主干渉計：リサイクリングミラーアライメント制御の導入
自動化
今後の計画
検出器の感度と安定度の向上
SASの導入、数100Hz帯域の雑音メカニズムの調査、リサイクリングゲインの増加、差動・同相アライメント制御の導入
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TAMA300の感度 -SNRによる比較‑
Distance of detecting inspirals with SNR=1080

Observable Distance [kpc]2003/02/20

4.3Msolor 64kpc

2002/08/03
60NS binary
1.4Msolar 33‑>42kpc
40Steller BH binary
10Msolor 34‑>15kpc

20Macho BH binary
0.5Msolor 14‑>20kpc

010-123456 7 8 90102

3mass [Msolar]456 7 8 91012

1.4-1.4Mおよび0.5-0.5Mに対する感度の向上
10-10Mに対する感度の悪化‑>狭帯域アライメント制御を使わないことによる低周波感度の悪化
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Control topology
δL-:
δL+:
δl-:
δl+:

Front mirrors ~ differential
MC length & MC loop
Beamsplitter
Recycling Mirror
δLy3fm

δlδL+

δl+

δLx

δLδL-, δL+

drift compensation~ active isolator

Estimation of noise contributionsl Noise estimation based on signal injection
Artificial
Sinusoidal
Signaldxdx

Laser
Frequency
Noisedxffrequency

GWSignalportdx

dxfff

Displacement noise level of TAMA300-7(September, 29 2002)

Preliminary

10-8

10-9102002/9/29 Displacement sensitivity
Alignment noise (2001/06/03)
Detector noise
Shot+Detector noise
Modulation noise
Recycled Michelson noise
Intensity noise
Frequency noise
Filter noise (feedback)
Seismic noisedl- feedback noisedl+ feedback noise

-10

1/2

Displacement noise [m/Hz ]

10-11

10-12

10-13

10-14

10-15

10-16

10-17

10-18

10-19

10-20

10010

1102

3

10

10
Frequency [Hz]410

510