JGW-G1201444	

重⼒力力波検出器における散乱光対策	  阿久津智忠（国立天文台）
ほか、KAGRA補助光学系グループ

第2回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2012年12月17日（月） 国立天文台/三鷹1

もくじ	   イントロ: 重力波検出器の紹介
 KAGRAの散乱光対策
 現状について まとめ

第2回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2012年12月17日（月） 国立天文台/三鷹2

重⼒力力波	  ⼀一般相対性理理論論によれば・・・	  重たい物体が激しい運動をすると、時空のしわしわ（ゆがみ）が	  周囲に伝わっていく、と予想される。→重⼒力力波	  Ar#st’s	  impression	  Image:	  T.	  Carnahan	  (NASA	  GSFC)	  h<p://www.ligo.org/science/	

第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  3	  1993年年のノーベル物理理学賞	  ラッセル・ハルス	  （1950	  -­‐）	

ジョゼフ・テイラー	  （1941	  -­‐）	“The	  good	  agreement	  between	  the	  observed	  value	  and	  the	  theore#cally	  calculated	  value	  of	  the	  orbital	  path	  can	  be	  seen	  as	  an	  indirect	  proof	  of	  the	  existence	  of	  gravita#onal	  waves.”	
「重⼒力力波の存在を間接的に証明したといえる。」	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  4	  重⼒力力波の放出による効果	  ←先ほどの連星パルサーの発⾒見見から、現在までの公転周期の変化。	  
重⼒力力波の影響を考慮した
彼らは、重⼒力力波が存在するという	  場合の理理論論曲線と実測値がよく⼀一致している！
「間接的な」証拠を発⾒見見した！！	  
（誤差0.2%程度度）	  重⼒力力波の放出でエネルギーが	  持ち去られると仮定した場合の	  公転周期の時間変化	  Weisberg,	  Nice,	  Taylor,	  ApJ	  722,	  1030	  (2010)	
第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  5	  

重⼒力力波がやってくると？	  
我々の真っ正⾯面から重⼒力力波がやってきているとすると、	   　 　 　 　 　 　 　 　 　 　伸び縮み	   　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　が発⽣生する。	  
ただし、⼩小さすぎて普段は認識識できない。	  
Leonardo da Vinci’s Vitruvian man"

From	  LIGO-­‐G070251	  by	  L.	  Cadonati	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  6	  光⼲干渉計をもちいた重⼒力力波検出器	  レーザー干渉計による精密位相測定	

重力波	ミラー	

ビームスプリッター	

ミラー	
レンズ	

干渉光	

レーザー光源	
マイケルソン⼲干渉計	  スクリーン	

第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  7	  か ぐ ら	

⼤大型低温重⼒力力波望遠鏡	  KAGRA	  画像提供： 　東京⼤大学宇宙線研究所	  かぐら	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  8	  重⼒力力波望遠鏡のネットワーク	  GEO-­‐HF	  	  (600m)	  Advanced	  Virgo	  	  (3km)	  Indigo	  	  （計画中）	  Advanced	  LIGO,	  Livingstone	  (4km)	  Advanced	  LIGO	  Hanford	  (4km)	  LIGO	  Australia	  	  （計画中）	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	  9	  KAGRA	  • ⽇日本の次世代検出器	  – 現在建設中！！	  
– 本格観測	  2017年年〜～	  – 海外の望遠鏡（Advanced	  LIGOなど）と同程度度の感度度	  – 国際観測網への参加	  • 特徴	  – 鏡を低温に冷冷やす（~∼20K	  [­−250℃くらい]）	  – 地下の安定・静寂な環境に設置（神岡鉱⼭山）	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	   10	  必要な技術	  ・重力波源の理解	  ・鏡・振り子の熱雑音	  理論・解析的計算	  数値相対論	  	  	  	  データ解析手法	  	  	  	  	  鏡・振り子の低温化	  材質の機械損失	  ・地面振動の影響	  ・光の量子雑音	  静寂な地下サイト	  	  	  	  高性能防振装置	  	  	  	  大型干渉計	  	  	  	  干渉計方式の工夫	  	  	  	  高出力レーザー光源	  	  	  	  高性能鏡	  Laser	  source	Power-­‐recycling	  mirror	・真空システム	  	  	  	  光路長の揺らぎ	  	  	  	  音響雑音などの低減	  Signal-­‐extrac#on	  mirror	

・長期・連続観測	  	  	  デジタル制御・データ取得系	  	  	  環境モニタ,	  データ保管・分配	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	   11	  雑⾳音とのたたかい	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	   12	  雑⾳音とのたたかい	  地⾯面振動→そもそも	  静かな⼟土地へ	  +	  防振系改良良	  光の量量⼦子雑⾳音→量量⼦子測定技術の応⽤用	  熱雑⾳音→冷冷却	  第2回	  可視⾚赤外線観測装置技術ワークショップ	  2012年年12⽉月17⽇日（⽉月）	  国⽴立立天⽂文台/三鷹	  	   13	   イントロ: 重力波検出器の紹介
 KAGRAの散乱光対策
 現状について まとめ

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KAGRA概観	  3km	  Fabry-‐‑‒Perot光共振器	  重⼒力力波で位相変調された光が増幅される	  〜～400kW	  レーザー光源	  100〜～180W	  （予定）	  ビーム直径	  8cm程度度	  重⼒力力波ポート	  重⼒力力波信号が出る	  メイン鏡	  30cm径	  程度度	  K. Somiya et al., arXIv:1111.7185	

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KAGRAの補助光学系	
さまざまな開発項目のあつまり	•	  散乱光対策（バッフルなどの設置）	  •	  透過光モニター用テレスコープ	  •	  光テコ（吊られた鏡の動きをモニター）	  •	  真空槽内モニター用CCD/CMOS	  cameras	  •	  初期アラインメント用可動	  op#cal	  target	  array	  •	  Viewports	  •	  その他、大口径ビーム用モードプロファイラや	  新しいバッフル素材の開発など	  透過光モニターテレスコープ	  （米国LIGOの同等物）	

他、多数	
散乱光対策バッフル	  （米国LIGOの同等物）	

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散乱光対策	  目的: 散乱光によるノイズがKAGRAの感度に寄与しないようにする
より具体的な要求: 散乱光によるノイズ寄与 < KAGRA最終目標ノイズの1/100という設計を最低ラインとする。
が、散乱光雑音の混入経路は不定性が高く、その推定の誤差は大きいと考えられるため、バッフル反射率を下げるなど、それが様々な観点からfeasibleと判断されればできるだけ寄与が少なくなる設計とすること。

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散乱光対策	  目的: 散乱光によるノイズがKAGRAの感度に寄与しないようにする
より具体的な要求: 散乱光によるノイズ寄与 < KAGRA最終目標ノイズの1/100という設計を最低ラインとする。
が、散乱光雑音の混入経路は不定性が高く、その推定の誤差は大きいと考えられるため、バッフル反射率を下げるなど、それが様々な観点からfeasibleと判断されればできるだけ寄与が少なくなる設計とすること。

1/100以下	

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散乱光による雑音発生	
散乱	

メインビームを取り囲む真空ダクトは地面振動などで揺れている。	  
この揺れの周波数は観測対称の重力波と同じくらい。	  
このような揺れを拾った散乱光が以下のようにメインビームへ再結合してしまうと、重力波信号と区別がつかない→雑音となる	  事例1:	  Specular	  reﬂec#on:	  壁面を多重反射して再結合	

メインビーム:	  最大約400kW	
事例2:	  Forward	  sca<ering:	  壁面で散乱され反対側の鏡に飛びこんで再結合	

事例3:	  backsca<ering:	  同じく壁面で散乱され、散乱元の鏡に帰って再結合	

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定量量的な推定	  重力波振幅換算（strain）	

散乱光の再結合量	

p1
Pscatterh= G pLPin
腕長さ（3 km）	散乱体によって光の位相が揺らされたぶん	

scatter

必要に応じて散乱体=バッフルを防振	

伝達関数	

不明な量:	

散乱光の再結合量	
・ バッフルなどの配置、形状、材質による・ 推定が必要	

From MIF design document	

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散乱光対策について	
• 様々なバッフルを用意して	  – Ghost	  beamとsca<ered	  lightの両方を遮断する	  • 特徴	  – バッフルは必要に応じて防振する（懸架する）	  – 超高真空中に設置される	  – 箇所によっては耐熱性を要求される	  – 箇所によっては低温で使われる	  • 最終目標:	  散乱光が重力波信号を汚さないレベルにまで対策を行う。	  
安全を見込んで、かぐらの目標ノイズレベルの	  1/100になるようデザインする（現状）。	

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光学レイアウト（腕付近）	

真空槽、真空ダクト	
3km	冷える部分（20K）	

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17日（月） 国立天文台/三鷹 	

22	

必要なバッフル	
1.	  3kmアームダクト内設置のバッフル列	
2.	  17m冷却シールドダクト内設置のバッフル列（冷）	
3.	  アームダクト内設置の狭角散乱用バッフル	
4.	  メインミラー付近に設置の広角散乱用バッフル（冷）	
5.	  その他のダンパ、バッフル	
真空槽、真空ダクト	
2	

3	3km	

5	1	  	4	

冷える部分（20K）	  （世界の大型重力波検出器のなかでは	  KAGRAのみ、メインミラーを冷やす）	
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17日（月） 国立天文台/三鷹 	23	 イントロ: 重力波検出器の紹介
 KAGRAの散乱光対策
 現状について まとめ

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バッフル#3 形状（候補）	  18度	
Φ254	

Φ800	

単位はミリ	 By NAOJ-ATC/MEショップ	
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Ray-tracing	  「鏡」の散乱を模す。	

光	Backscatter: ~6ppm	
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光学シミュレーションについて	  

必要なこと
 表面の散乱を仮定した光線追跡 メイン光軸（ガウシアンTEM00）への再結合量の推定
 バッフルエッジでの回折の影響の推定
現状
 光線追跡→市販ソフトなど
 再結合量推定: 手計算

シミュレーションでできないか？

 回折影響の推定: 手計算

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バッフルの表⾯面	  


必要な性能

 できるだけ黒いこと
 高真空（10-7Pa）を汚さないことベーキングにも耐える事（百数十度）

 場所によっては耐冷却性（20K） 場所によっては耐熱性（入力100Wクラス）



検証実験中
 半球反射率、散乱角度分布→場所: NAOJ
 耐真空性、耐冷却性→場所: KEK
 など

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検討中の素材	   Diamond-like Carbone（DLC）

TAMA300（KAGRA前哨機）で使用
 耐真空、耐冷却確認済み
 散乱少ない（下地による）
 難点: 反射率が高い（~40%）、大型のものを処理困難 メッキ類

反射率低いものあり（数%@1064nm）
 大型表面を処理可能なものあり 光学特性などを測定中（天文台内の他プロジェクトのご厚意で装置をお借りしている）
 耐真空などをKEKや宇宙線研で確認予定


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サンプル半球反射率率率（8度度）	  KAGRA使用波長:1064nm	
DLC	

某社メッキ1	

某社メッキ2	
測定協力: JASMINE検討室	
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Diamond-like Carbon (DLC)	  コーティングの厚みや下地の状態によってさまざま変わるが、一例として。	
R. Takahashi, Y. Saito et al., Vacuum 73, 145 (2004)	

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耐真空（脱ガス）	  都丸, 真空 vol.48, 301 (2005)	

DLCは下地の処理によっては脱ガス性能がすぐれていた	
真空でバッフル表面が壊れないこと、も重要だが、脱ガスで光学素子が汚染されないことも重要。	
第2回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2012年12月17日（月） 国立天文台/三鷹

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まとめ	  大型重力波望遠鏡KAGRA
 2017年〜本格稼動 世界初の重力波検出をめざす



散乱光対策
 散乱光による雑音がKAGRAの性能を落とさないようにする目的。
 黒いだけではなく、構造的に安定かつ真空や低温環境に耐えうるもの かつ安い	 表面素材開発を急ピッチで行っている

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