TAMA干渉計報告
国立天文台
新井 宏二
andthe TAMA collaboration

干渉計型重力波検出器TAMA300●TAMA300検出器の概要●感度●観測〜Data Taking 6●パワーリサイクリング実験

K. Arai
02/02/22
YITP Meeting

TAMA300 detector

300m
FP armGravitational
Wave

300m FP arm
Recycling
Mirror10m
Mode
Cleaner

VacuumChamber
Suspension
SystemPhotodetector

MirrorVibration
isolation
stack

10W
Laser
Data Acquisition
Storage/Analysis

TAMA300 Bird’s view
●国立天文台三鷹キャンパス
West
EndRoomSouthEnd
RoomCenterRoom

Center Room (BS)

300m vacuum tube

防振システム
アクティブ
防振装置＋防振スタック＋二段振り子
地面振動減衰比@150Hz<10-8(上限値)反射鏡●溶融石英製 φ100mm x 60mm
High quality
mirroroptical quality+mechanicalquality

Fabry-Perot-Michelson interferometerwith an arm length of 300 m
QPD

EM2

Injection-locked
10 W laser

To End Mirror

BSorientationcontrol

MC alignment
control(digital)

Mixer

δLy

Mixer

Differential motion
control (δL-)

QPD
Mixer

QPD

Mixer

FM2

PO2FI

YAG

BS

MMT

QPD

300 m arm cavity(WE arm)

PD
PD

Fiber LD

FM1

EOM

IM

EOM

PO1

OM

VCM

15.235MHz

LD pumped
10 W laser

Mixer

PD

WE arm cavity
alignment control

10 mringcavity

12 MHzMixer

20 MHz

NPRO700 mWEOMPD

Fromalignment
controller

EOM

Interference fringe
control (δl-)

Mixer

Mixer

QPDMixer

PDPDMixer

δLxEM

SUM

Laser frequency
stabilization

To inputorientation
control

10 m Mode cleaner

20 MHzInjection locking
control

NS armcavityalignment
control

300 m
arm cavity(NS arm)

Inputorientation
control(digital)

Lengthdrift
control(digital)

To MCalignment

50 kHz

QPD

Gravitational wave signal (δL-)

MC mass loop
SUM

Feed around loop

Common motion
control (δL+)

EM1

Control Electronics

Progress of TAMA300 development
Recombine IMode Cleaner
97/4 - 97/12300m
FP cavity

Mode Cleaner+ 10W Laser
98/1 - 99/1
10W Laser

98/5 - 99/1

Recycling I
01/10 - Present

10mMode Cleaner

1995 Project started
1996 Facilities construction
completed1997 Vacuum systemcompleted
1999/8300m
FP cavity

One Arm

97/8 - 98/4

Recombine II
Recombine III

99/2 - 00/6
00/9 - 01/9

2002/2

Data Taking 1(engineering run)
11 hours
1999/9 Data Taking 2(first data run)
31 hours
2000/4 Data Taking 3
13 hours
2000/8~9 Data Taking 4
167 hours
2001/3 Data Taking 5111 hours
2001/8~9 Data Taking 61038 hours
2001/10 Recycling experiment2001/12 Recycling locked

TAMA300
5x10-21 / Hz
1.5x10-18 m/ Hz

2001/6/2
TAMA
Phase Igoal(~1kHz)

SN(10kpc)

2001/8/3
DT6~ matched filtering

Macho binary:
0.5M~17
NS binary:
1.4M~33
BH binary
10M~34

1999/2

2001/62~3

Displacement noise level of TAMA300(June 2, 2001)

3

TAMA RUN history
periodactual data amount

Data Taking 1 (DT1)

8/6-7/1999 (one night)~3 + ~7 hours continuous lockDT2 first Phyics run

9/17-20/1999

31 hours

DT3

4/20 - 4/23/2000

13 hours

DT4

8/21 - 9/3/2000

167 hours

DT5

3/1 - 3/8/2001

111 hours

Test Run 1

6/4 - 6/6/2001
Continuous lock of 24hours 50min.
The interferometer was operated in the daytime of weekday.

DT6

8/1 - 9/20/2001

1038 hours with duty cycle 86%
×10-21 [1/√√Hz]h ~ 5×01.12.10

TAMA300
6

Data Taking 6

8/1~9/20 (50days)
1000(duty =83%)

,6$
duty

3()
(LISM)

1107(92.3%)

1038(86.5%)

709(59.1%)

20m

DT6 ~

DT6 ~

Data Taking 6 (2)— Continuous operation —• Continuous operation· Longest — 22 hours, Averaged— 3 hour 23 min.
· Histogram → Exponential distribution.
102Counts

DT6 result
Fitted(avg. 3h23m)
101

1000481216Time [hour]32024

On-line analysis (2)— On-line monitor —• One of the monitor screens for HDAQ
· Obs. status, power, servo gain, averaged noise level, excess.
Observation
StatusHDAQ Data Analysis and Monitor (ver 2.10), Run : 107, File : 1200
Start : 52155 MJD, Sep 02, 2001, Sun, 09:35:21 JST, Current : 52155 MJD, Sep 02, 2001, Sun, 11:23:29 JST
ObsObs.

0.5
0.4
0.30.20.10Open−LoopGain

Dark PortPowerN/O
0102030405060708090100
0.07192 [V]
0.0117 [Vrms]

0102030405060708090100
1.676432.3 [deg]010102030405060

708090100−19109.762e−211/2[1/Hz ]

−2010−2110Excess(Gaussianity)

Noise Level (935Hz)−180100102030

405060708090100

2
10.222300102030

405060Time (min.)12708090100

Detector diagnosisl Histogram of the noise level
1min. average(f=935Hz, df=1Hz)- χ2 distribution
All DT6 data
Typ.: 9.5x10-21 /Hz1/2
Within +3dB: 78.9% ... (A)Counts–211/Hz )8910–20[1x10 ]

(Typ. noise level : 9.5x101/2

1

Typ. +3dB(F.A. <10ppm)

01001012

34
5
671/2
Noise level [1/Hz ]4

DT6 total
102

c2=110(A) AND (B) = 74.3%

DT6 total

21010Countsl Histogram of Gaussianity
Higher order statistics
evaluated in every 1min.
Excess: c2
c2=0 Gaussianc2<1:86.0% ... (B)

310(F.A. <10ppm)

00510
Excess1520TAMA300リサイクリング実験● TAMA300リサイクリング 2001/10~● 目的
リサイクリングで感度の改善 ⇒ 観測
これまでの R&D ⇒ TAMAに集結 ⇒ 将来に活かす● 現状
リサイクリングした干渉計の動作に成功
リサイクリングゲイン
連続動作

感度も向上しつつある~4~ 2時間以上

パワー・リサイクリング● ダークフリンジ条件
入射パワーのほとんどがレーザー側に反射される● リサイクリング
リサイクリングミラーにより共振器を形成し、レーザーパワーを蓄積するリサイクリングの目的● TAMA300リサイクリング
リサイクリングで感度の改善
改善した感度での観測● 1st step: 低ゲインリサイクリング(RRM~48%, G~4.6)
目標: 迅速な干渉計動作の確立> 早期の全制御系動作 / 早期の観測> 高ゲインリサイクリングへの情報のフィードバック> 干渉計の診断・解析法の確立● 2nd step: 高ゲインリサイクリング (RRM~90%, G~10)
目標: 干渉計動作・感度の最適化

パワーリサイクリングによる感度向上●皮算用
仮に検出系雑音以外が現在のレベルのままとしてもパワーリサイクリングによりNS binaryに対するSNが向上できる
80
TAMA300 2001/6/2
Recycling (gain=4)
Recycling (gain=10)

60

40

20

1.4 Msolar
NS binary
0102-13

4 5 6 72010
m1 [Msolar]3

4 5 6 72101

動作状態への引き込み● ロック用の光路長制御系
日本独自の手法を使用
より動作状態に引き込みやすい
I Q
Phase
Shifter

LASER & MC

EOM

signals
fromarm Pick-offs

Faraday
Isolator

δ l+
δ l−
fx3 fx3

frequency
triplers

3fm demodulation

δ L1

動作状態への引き込み● ロック時の時系列データ
片方の腕以外は既にロックされた状態
ロックしていない腕の制御を試行中
一瞬だけロック
安定にロックへ引き込んだLock Stability
5Recycling gain

432hours 03min

2100102030405060 70 80
Time [min]90

100 110 120 130

Sensitivity●リサイクリング時の感度 ~ TAMA bestより3倍悪いδx = 4.5x10-18 m/Hz1/2 ⇒ h = 1.5x10-20 /Hz1/2
Displacement noise level of TAMA300(Feb 13, 2002)-8

10
Displacement noise [m/Hz1/2]

2001/06/02 (Recombine3)
2002/01/23 (Recycling1)
2002/02/01 (Recycling1)
2002/02/13 (Recycling1)

-10

10-12

10-14

10-16

10-1810-20

100101

102

103

10

410510Frequency [Hz]低出力(1W)レーザーを使用／まだすべての制御系を使用していないリサイクリング実験の現状● 2001/10に実験スタート◆ 2001/11末にリサイクリングミラー導入● 2001/12にリサイクリング状態で初動作● TAMA独自の技術で制御を容易に◆ 腕の制御にピックオフからの光を使用する手法◆ 干渉計反射光を変調の3倍波で復調する手法● 干渉計の安定度◆ 現在の最長連続動作 2時間3分● 感度〜雑音低減の作業中◆ リサイクリングなしの状態より3倍悪いレベル