TAMA300:

Fabry-Perot Michelson
TAMA300:(DT8 / DT9)TAMA300
10W Nd:YAG

10m
300mFabry-Perot
30010W
Laser

10m
Mode
Cleaner

power
recyclingmirror300m
Fabry-Perot
arm cavity

300m Interferometer

TAMA300
10W Nd:YAG

10m
300mFabry-Perot
300
10W
Laser

10m
ModeCleaner

5.0

power
recyclingmirror300m
Fabry-Perot
arm cavity

300m Interferometer

LOCK

10m
EOMs
11.97 15.235
MHz MHz

OPR

300m
Faraday Rotatorδ l+ BN!
δ l− BN!

3
LOCKOPR

10W Nd:YAG laser

δ L2

δ l−δ L+OPR
LOCKOPRδ L−δ L1LOCK

10m
EOMs
11.97 15.235
MHz MHz

OPR

300m
Faraday Rotatorδ l+ BN!
δ l− BN!

3
LOCKOPR

10W Nd:YAG laser

δ L2

δ l−δ L+OPR
LOCKOPRδ L−δ L1

QPDs

10m
EOMs
11.97 15.235
MHz MHz

Gouy phasetelescopes

300m
Faraday Rotator

QPDs

10W Nd:YAG laser

Gouy
phase
telescopes

QPDs

10m
EOMs
11.97 15.235
MHz MHz

Wave 300m
Front Sensor

Gouy phasetelescopes

Quadrant Photo Detector
Faraday Rotator

QPDs

10W Nd:YAG laser

Gouyphasetelescopes

DT9: Sensitivity 〜フロア感度レベル-1010-11

Displacement noise [m/Hz1/2]

10-1210-1310-1410-1510-1610-1710-1810-1910110210310
Frequency [Hz]104105DT9での感度: 変位雑音レベル 6x10-19 m/Hz1/2
歪感度2x10-21 /Hz1/2(700Hz~1.5kHz)

DT9: Sensitivity 〜観測毎の感度の向上-1010-11

Displacement noise [m/Hz1/2]

102001/08/03 DT6
2003/02/20 DT8
2003/11/04 DT9-1210-1310-1410-1510-1610-1710-1810-1910

110210345101010
Frequency [Hz]DT6: 15 x10-19 m/Hz1/2 = 5 x10-21 /Hz1/2

DT8: 8 x10-19 m/Hz1/2 = 3 x10-21 /Hz1/2
DT9: 6 x10-19 m/Hz1/2 = 2 x10-21 /Hz1/2

DT9: Sensitivity 〜観測毎の感度の向上-1010-11

Displacement noise [m/Hz1/2]

10

2001/08/03 DT62003/02/20 DT8
2003/11/04 DT9-1210-1310

リサイクリングによる光量増加
周波数安定化制御の改善
で感度の向上-1410-1510-1610-1710-1810-1910

1102

10345101010
Frequency [Hz]DT6: 15 x10-19 m/Hz1/2 = 5 x10-21 /Hz1/2

DT8: 8 x10-19 m/Hz1/2 = 3 x10-21 /Hz1/2
DT9: 6 x10-19 m/Hz1/2 = 2 x10-21 /Hz1/2

DT9: Observable Distance●連星合体をSN=10で捕らえることのできる距離
Distance of detecting inspirals with SNR=10

Observable Distance [kpc]10090

2.7Msolar - 96.3kpc

2001/06/02 DT62003/02/20 DT8
2003/11/04 DT980
70

1.4Msolar - 72.8kpc

60
50
0.5Msolar - 32.7kpc

40
30

10Msolar - 19.8kpc

2010010-1

2

3

4 5 6 7 89

02

310mass [Msolar]

4 5 6 7 89

1010.3~10Msolar に対し、Dobs > 20kpc

2

DT9: Observable Distance●連星合体をSN=10で捕らえることのできる距離
Distance of detecting inspirals with SNR=10Observable Distance [kpc]10090

2.7Msolar - 96.3kpc

2001/06/02 DT6
2003/02/20 DT8
2003/11/04 DT980
70

1.4Msolar - 72.8kpc

銀河系内で起こる6050
連星中性子星合体イベントなら0.5Msolar - 32.7kpc
40
捉えることができる感度
3010Msolar - 19.8kpc

2010010-1

234 5 6 7 89

02

310mass [Msolar]

4 5 6 7 89

1010.3~10Msolar に対し、Dobs > 20kpc

2

干渉計自動化＆リモート観測体制の整備
l 干渉計自動ロック・自動調整システム
ロックアクイジション
初期アラインメント調整
アラインメントドリフト調整
自動調整用
モニタ情報提供

手動調整

異常通報

l リモート通報・操作システム
携帯電話による異常通報
干渉計手動調整

検出器状況提供l Webベースの検出器モニタ
干渉計の感度の推移
干渉計の各種状態 (各種光量・制御信号) 監視
サイトの環境 (地面振動・気象条件等)
Web Log

モニタ情報提供

LabView

Data Acquisition System

EPICS80

Web

Web

Web

現在までに行われた観測l 第1次〜第6次観測 (パワーリサイクリング導入前)
DT1 1999 Aug. 6~ 7

1夜

11 時間

DT2 1999 Sep. 17~20

3夜

31 時間

DT3 2000 Apr. 20~23

3夜

13 時間

DT4 2000 Aug. 21~Sep. 4

13 夜

167 時間DT5 2001 Mar.

6日

2~ 8

DT6 2001 Aug. 1~Sep. 20

50 日

111 時間 Coincidence
1038 時間 LISM(20m)l 第7次〜第9次観測 (パワーリサイクリング導入済)
DT7 2002 Aug, 31~Sep. 2

1日

25 時間

DT8 2003 Feb. 14~Apr. 15

59 日1158 時間DT9 2003 Nov. 28~Jan. 1043 日

558 時間LIGO & GEO
LIGO
LIGO & GEO

第8次観測 Data Taking 8 (DT8)l DT8: 2003/2/14~4/15の2ヶ月間の観測-

米国LIGO計画の3台の干渉計との初の完全同時観測
パワーリサイクリング導入(2001/10〜)
してから初めての長期運転

リサイクリングによる感度改善
h = 2.7 x 10-21 /√Hz @1.5kHz改善された安定度
1424時間中 1158時間稼動 => 稼働率 81.3%
稼働率は主に地面振動(近隣での工事)で決まっているObservation calendar
l 1157h51m (out of 1424 hours, duty cycle 81.3%)
Mon

Tue

Wed

Thu

Date and Time in JST (UTC +9 hours)

FriFeb. 14, 2003

15Sat16171819202122232425262728Mar. 01

0203040506

07080910111213141516171819202122232425262728293031

Apr. 01

02030405

06

0708

09101112131415Sun

第9次観測 Data Taking 9 (DT9)l DT9: 2003/11/28~2004/1/10- パワーリサイクリング干渉計での観測
主干渉計入射 P=2 [W]
パワーリサイクリングゲイン G=4.5
フロア感度: h = 2 x 10-21 [/sqrtHz] (700Hz~1.5kHz)

DT8とくらべるとDT9は実質約2倍の感度
24時間以上の連続動作 (3回)
558時間稼動- 国際共同観測
米LIGO計画の干渉計(3台)
独英によるGEO600干渉計

DT9: 干渉計の稼動状況
l 10分以上連続動作した時間帯
Mon

Tue

WedThuDate and Time in JST (UTC +9 hours)

Fri

Nov. 28, 2003

29Sat

30

Dec. 12345678

910

11

12

13

1415

16

1718

1920

21

22232425262728

2930

31Jan. 1

2

34

5

6

78

910

11

全観測データ量 558時間

SunDT9: 干渉計の稼動状況
l 10分以上連続動作した時間帯
Mon

Tue

Wed

Thu

Date and Time in JST (UTC +9 hours)

Fri

Nov. 28, 2003

29Sat

30

Dec. 1

2

3

4

5

6

7

8

910

11

12

13

14

15

16

1718

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31Jan. 1

2

34

5678

91011Sun

日中の工事・干渉計の調整・自動化システムの改良TAMA300サイトの予定停電の準備・復旧

DT9: 干渉計の稼動状況
l 10分以上連続動作した時間帯
Mon

TueWedThu

Date and Time in JST (UTC +9 hours)

FriNov. 28, 2003

29Sat

30

Dec. 1

2345678910111213

1415

16

1718

1920

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

Jan. 1

2

34

567

8

91011Sun

自動化システム稼動・干渉計安定・静かな地面振動安定度の改善l DT9中に24時間以上の連続動作を3回達成

Arm Transmitted Power [a.u.]

干渉計内光量の変動
2003/12/27 03:39~ 28h07m(TAMAでの最長連続動作記録)

2003/12/29 13:56~ 26h42m

2004/1/3 03:52~ 24h47m

05101520
Time [hour]

2530地面振動さえ静かであれば長時間連続に動作できるシステム

Known noise sources
Displacement noise level of TAMA300-610-7dL- displacement
Laser frequency noise
Laser intensity noise
Detection+Shot noise
Shot noise
Detection noise
mirror thermal noise Q=3e6
suspension thermal noise Q=5e5
dl- feedback noisedl+ feedback noisedL- filter noise
Alignment noise
Seismic noiseElectronics noise (matrix)
Oscillator Amplitude Noise
Oscillator Phase Noise

10-8

1/2

Displacement noise [m/Hz ]10-91010-1010-1110-1210-1310-1410-1510-1610-1710-1810-1910-2010010

1102103

Frequency [Hz]104105Noise hunting(DC~200Hz)(DC~20Hz)(20Hz~200Hz)(~(200Hz~2kHz))(2kHz~50kHz)(50kHz~)Noise hunting(DC~200Hz)(DC~20Hz)((20Hz~200Hz)
Recycled Michelson
Dark Port
Photo Detector(200Hz~2kHz))
Signal Whitening-Dewhitening~Oscillator Phase/Amplitude noise(2kHz~50kHz)(50kHz~)Noise hunting(DC~200Hz)(DC~20Hz)(20Hz~200Hz)

SAS (Seismic Attenuation System)(~(200Hz~2kHz))(2kHz~50kHz)(50kHz~)0.05%ND Filter
6.4x10-5

7.5x104.5x10-5-2

5.6x10-3
4.2x10-4

6.0x10-4
1Recycled Michelson Interferometer〜感度の向上
Recycled Michelson ~ displacement noise level

-10

10

2004/01/15 Just after DT9
2004/01/29 PO removal, Dark WFS
2004/02/05 4PD->1PD, servo filter noise improv.
2004/02/12 PD modified
2004/04/23 Scattered light in the vacuum chamber
2004/12/10 PO reinstallation

-11

1/2

Displacement noise [m/Hz ]

10-12

10-13

10-14

10-15

10-16

10-17

10

1

102

10

3

10

Frequency [Hz]

104

10

5

Against scattered light noise

Digital control
Error
200kHz~800Hz300mmass

high gain recycling / RSESummary
TAMA300

DT8/ DT9activity

TAMAIIntroduction

TAMA300検出器
l 300m基線レーザー干渉計型重力波検出器TAMA300
サイト: 国立天文台 三鷹キャンパス (東京都)l TAMA300の目的
1. 近傍銀河で発生する重力波イベントを検出可能な実証型検出器の開発

West End Room

Center Room

2. 将来のkm級干渉計に必要な技術の確立
理論感度限界 ~ hRMS = 3 x 10-21
観測帯域の中心周波数300Hz(バンド幅300Hz)
South End RoomTAMA300検出器 〜 概略

300mFabry-Perot
光共振器

リサイクリングミラー

重力波

o 超新星爆発o 中性子星連星
o 非軸対称パルサー

300m Fabry-Perot
光共振器

真空槽 / 真空ダクト
鏡懸架システム

10mモードクリーナ
10W
レーザー光源鏡

光検出器

防振スタック
データ取得系
データ解析システム

能動防振装置Center room

300m vacuum tube

Vibration Isolation Systeml 3 layer system
Actively-controlled
air spring+
Stack(Sandwitches of rubbers
and metal blocks)+
Double pendulum
suspension

Achieved performance~ better than 10-8
at 150HzMirrorl Fused silica (SiO2) φ 100mm x 60mm
Mechanical quality
Intrinsic Q ~ 3x106

Optical quality
substrate absorption
3ppm/cm
total loss in reflection
30ppm
figure error<λ/40
surfaceo roughness<1 A

Control electronics

Control electronics

o Analog servo circuits for the most systemso Digital control/switching capabilityof the analog circuits for automatic locko Several digital servos

ControlOptical Config. and control systeml Length control for lock acq.
l Alignment control for test massl High S/N length control
10m MCEOMs
15.235 11.97
MHz MHz300m IFO

6W

Faraday Rotator

Inj. lock
Nd:YAG
laser(8.6W)

3rd
harmonicdemod.

δL−δL1
PickoffSignals

LOCK

O p t ic a l C o n f ig . a n dc o n t r o l s y s t e ml Lengt
hcontrolforlockacq.
l Alignmentcont
rolfortestmassl HighS/
Nlengthcont
rol
10m MCEOMs
15.
235 11.
97
MHz MHz

Inj.lock
Nd:YAG
laser
(8.
6W )

300m IFO

6W

Far
adayRotatorδl+ fx3
δl− fx3

3 r dh a r m o n ic
d e m o d .
LOCKδL−δL1
P ic k o f f
S ig n a ls

LOCK

O p t ic a l C o n f ig . a n dc o n t r o l s y s t e ml Lengt
hcont
r
olf
orlockacq.
l Alignmentcont
rolf
ort
estmassl HighS/
Nlengthcontrol
10m MCEOMs
15.
235 11.
97
MHz MHz

Inj.lock
Nd:YAGlaser
(8.
6W )

A lig n m e n t
C o n t r o l
QPDs

Gouyphasetelescopes

300m IFO6W

Far
adayRot
ator

OPR
QPDs

Gouy
phase
telescopes

P ic k o f f
S ig n a ls

A lig n m e n t
C o n t r o l

O p t ic a l C o n f ig . a n dc o n t r o l s y s t e ml Lengt
hcont
rolf
orlockacq.
l Alignmentcont
rolfortestmassl Hi
ghS/
Nlengthcont
rol
10m MCEOMs
15.
235 11.
97
MHz MHzInj.lock
Nd:YAG
laser
(8.
6W )

6W

Far
adayRotator

Alignment control
Alignment control servo for the recycling mirror
Mechanical modulation technique (Pitch 60Hz, Yaw 70Hz)
Suppress long-term drift => bandwidth < 1Hz=> All of the five mirrors are controlled
70Hz Lock in Amp2
Perpendicular Arm
Alignment Control

60Hz Lock in Amp1
Yaw Control

300-m Fabry-Perot-Michelson Interferometer

Pitch Control

QPD2

Injection-Locked
LD-pumped
Nd:YAG LaserNSPD

EOM

15MHz

DBM215MHz

10-m Ring-type
Mode Clenaer

300-m FP cavity

QPD115MHz
DBM1In-Line Arm
Alignment Control

Stabilizing optical axes
Control incident beam axis QPD42 QPDs / 2 PZT mirrors
on the injection table

M2
QPD2
M1

Control 300-m
optical axes
2 QPDs at both end
actuating BSand injecting signal
to the incident axis servo
QPD3

QPD1BS+Laser=> Minimizing the alignment noise coupling to dL-.
=> Improvement of the long-term stability of the main IFO,
as well as the long-term stability of the MC.Recyclingパワーリサイクリングの原理
l なぜリサイクリングミラーを挿入すると、干渉計内部の光量が増加する???
例として単純なマイケルソン干渉計

高反射率鏡(光は抜けてこない)「ブライト」フリンジ(明干渉：ほとんどの光が返ってくる)

高反射率鏡(光は抜けてこない)「ダーク」フリンジ(暗干渉：光は出てこない)パワーリサイクリングの原理
l なぜリサイクリングミラーを挿入すると、干渉計内部の光量が増加する???
高反射率鏡(光は抜けてこない)(暗干渉：光は出てこない)
「ダーク」
フリンジ

リサイクリングミラー「ブライト」
フリンジ

光は出てこない高反射率鏡(光は抜けてこない)

問題：干渉計に入射した光が出て行く場所がない。
いったい光はどこへ行ってしまうのか?

パワーリサイクリングの原理
l レーザー光は干渉計内部に閉じ込められてしまう
この様な状態を「光リサイクリングしている」という散逸パワーの合計= 入射パワー

Pinc = εloss PinternalPinc
Pinternal =εloss

g Pinc

内部散逸と入射パワーがつりあうまで内部光量が増加
内部の散逸が小さいほど増加率は高くなるObservation稼働率(1424時間中 / 稼働率 81.3%)

Start: Feb 14, 2003, Fri, 23:00:00 JST, End: Apr 15, 2003, Tue, 07:00:00 JST (Total run time: 1424:00:01)
Total long obs. time: 1157:51:26, Duty cycle: 81.3102%

87

S S

Avg duty cycle (81.3%)
CC C

Obs. time in each shift [hours]

6C C
W

DAQ
Trouble5C C CCWWW

Circuit
FailureSignal Injection
Experiment
1200

S1000

C C CC

CC CW

Laser
TroubleC CCCW

CC C C CC C C C
RoadWW W
High Constructions
800
SeaWaves
MCTrouble

4600

PowerFailure

3400

2200
10 141516171819202122232425262728010203040506070809101112131415161718192021222324252627282930310102030405060708091011121314150FebMar

AprTotal Obs. time [hours]

l 1157時間51分

Observable Distanceの安定度
DT9DT8

およそDT9はDT8の倍の感度を持っていたと考えてよいObservable Distanceの安定度● Observable Distanceのヒストグラム
Count [a.u]DT8

0.5 M8 : 13.3 ± 4.0 kpc (30%)
1.4 M8 : 30.7 ± 6.4 kpc (21%)
10 M8 : 11.7 ± 3.3 kpc (28%)

DT9（後半）Count [a.u]0102030405060

70

80

900.5 M8 : 29.6 ± 5.1 kpc (17%)
1.4 M8 : 64.3 ± 10.9 kpc (17%)
10 M8 : 17.0 ± 4.8 kpc (28%)

DT9(後半)はDT8の約2倍の感度を持っていた
相対的な感度の安定度も改善もしくは同等(10M8)100 [kpc]

長期観測に要求される検出器の性能
l 検出器の感度
リサイクリングによる感度の向上
パワーリサイクリング・ゲイン: 4.5
ベスト感度:
2.7x10-21[/Hz1/2] (@1.5kHz)l 検出器の安定度

アラインメント制御などの改良による安定度の向上 (DT7比)収集されたデータ総量: 1158時間
稼働率:81.3%
最長ロック時間:
20.5時間(10分以上の連続動作データ)

l 検出器の操作性
干渉計の自動ロック機構のリサイクリング対応

干渉計を安定に動作させる
l 地面振動: 安定度を損なう最大の要因
TAMA300サイト 〜 市街地の只中にある
地面振動レベル: 他の大型干渉計に比べると、およそ10倍
神岡鉱山内に比べると100~1000倍=> 腕共振器の鏡のアラインメント制御(帯域~10Hz) / 能動防振装置

l 長期ドリフトの補償
腕の光路長やミラーアラインメントのゆっくりとした「ずれ」
温度・気圧などの環境変動や人的要因(地下水汲み上げなど)=> 光路長ドリフト補償
リサイクリングミラーのアラインメント制御(帯域<10Hz)
300mの光軸の制御

Earthquake

Influence of earthquakes
2005/7/23
M6.0
2005/8/16
M6.8

Influence of earthquakes
magnet broken
wire broken

3
1

7/23
8/27 RFPMI
8/31 SAS
magnetbrokenmagnetbrokenNoiseIntroduction
1

1.
2.

δL
δnT

known

known

OKknown

unknown

OKunknown

unknown

NGdndn

Laser
Frequency
Noisedxffrequency

GWSignal
port

dx

dx
fff

dx

Laser
FrequencyNoisefrequencydx

GW
Signalportf

TAMAdx

Laser
FrequencyNoisefrequencydx

GW
Signalportf

ScatteringActivity
l Recycled Michelsonll=>Seismic Attenuation System (SAS)Activity
l Recycled Michelson

Recycled
Fabry-Perot
Michelson
Interferometerll
Seismic Attenuation System (SAS)Activity
l Recycled Michelson

Recycled
Fabry-Perot
Michelson
Interferometerll
Seismic Attenuation System (SAS)RecycledMichelson
InterferometerRecycled Michelson
RFPMI
1/300300POPD

lllφψψψψφψψψψll
1.
2.
3.

ll
1.
2.
3.

LengthSensingll

0.05%ND Filter
6.4x10-5

7.5x104.5x10-5-2

5.6x10-3
4.2x10-4

6.0x10-4
1

beamdump
Pickoff/Beamsplitter

ND Filter

beamdump

Front
Mirror
Pickoff

Recycling
Mirror
Pickoff

Beamsplitter

Front
MirrorRecycled Michelson感度

Displacement noise level of RMI

-7

10-8

10-9

1/2

Displacement noise [m/Hz ]10

2004/04/23 without PO
2004/12/10 with PO-10

10-11

10-1210-13

10-14

10-15

10-16

10-171001010

1210103104510

Frequency [Hz]Pick Offを導入しても雑音を抑制できたRecycled Michelson Interferometer〜感度の向上
RMI Displacement Noise Level-1010

2004/1/15 Just after DT9
2004/1/29 PO removal, Dark WF S
2004/2/05 4PD->1PD, servo filter noise improv.
2004/2/12 PD modified
2004/2/28 Scattered light at the dark port
2004/4/23 Scattered light in the vacuum chamber

-11

1/2

Displacement noise [m/Hz ]

10-12

10-13

10-14

10-15

10-16

10-17

10

110210310

Frequency [Hz]104105l

TAMA300100HzlFinessel300m

Electronics noisePrevious Configulationemphasisemphasis/dLPD

1/6-15

Displacement noise [m/sqrtHz]

10

Displacement noise level of TAMA300 (2005/6/3)
2005/06/03-16

Without attenuator

10-17

10

Coil driver-1810-19

101001000

Frequency [Hz]Electronics noisedL-errorsignalPDDemodulator-15

Displacement noise [m/sqrtHz]

10-16

10ServoFilter

Long Cable(~20m)

feedback
signalLong Cable(~20m)

Matrix Coil Driver

Displacement noise level of TAMA300 (2005/6/3)
2005/06/03
Matrix noiseElectronic noise coupling
after the servo filter=>-1710-1810-19

101001000

Frequency [Hz]

Pre-emphasis / De-emphasis
pre-emphasis filter / de-emphasis filter

pre-emphasisc.f.

LIGO/VIRGO ~ ADC/DAC
GEO ~de-emphasisConfigulation
ServoFilter

dLPD

1Alignment
QPD

1emphasis
1 1~

11/33

11/33

11/33

Servo
Filterlongcable

dL-Matrix

33

pre-emphasis
zero 30Hz
pole 1kHz

de-emphasis
pole 30Hz
zero 1kHz33

pre-emphasis
zero 30Hz
pole 1kHz

Coil driveremphasisemphasis
matrix coil driveremphasis