2015-12-8 可視赤外線観測装置技術ワークショップ＠東北大学口	  松村知岳、片坐宏一、宇都宮真、山本亮（ISAS/JAXA）、菅井肇（IPMU）

CMB偏光観測のための低温連続回転式偏光変調器の開発
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  1	  目次• 簡単に目的を紹介• 求められる機能要求
電波• 開発状況
光学• 現状の課題

mm

赤外

可視X線

低温メカ

エレキ

December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  2	  サイエンスの紹介	  宇宙の晴れ上がり

３８万年

宇宙の始まり重力＋量子インフレーション期〜10−38 sec

フォトン
原始重力波

インフレーション仮説の検証もしインフレーション仮説が正しい場合、インフレーションによる原始重力波がCMB偏光に与える影響を調べることによって実験的に検証が可能である。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  CMB偏光観測によりインフレーション仮説の検証を目的とした将来科学衛星
LiteBIRD（２０２０年代前半打ち上げ）
3	  S/NのSとN
S： 偏光シグナルの揺らぎ	  ESA	  Planck全天サーベイ	  温度揺らぎマップ	  例）Planck	  HFIのデータ時系列	  CMBは3Kのミリ波。ゆえに、すべての装置は低温にすることで熱放射寄与を下げる。
一方で、もし装置（光学系、検出器等）の温度が揺らぐと、装置由来の揺らぎとシグナルの揺らぎが縮退してしまい、シグナルを削ることになる。
（参考：温度揺らぎは10μK、偏光揺らぎは１μK、インフレーション由来の偏光揺らぎは10nK。）→シグナルのみをノイズ揺らぎよりも高い周波数帯域に変調したい。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  4	  連続回転半波長板変調器
光学系	  入射偏波	  直線偏波に感度のあるミリ波検出器	  半波長板	  （e.g サファイア）	  (I,Q,U)	  直線偏波に対して変調がかけられる。
変調周波数＝半波長板の回転数 ４

出力 [a.u.]	  位相＝偏光角度	  振幅＝偏光度	  半波長板角度	  [degs]	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  5	  連続回転半波長板変調器
300K	  直線偏波に感度のあるミリ波検出器	  77K	  入射偏波	  4K	  (LHe)	  半波長板	  （e.g サファイア）	  (I,Q,U)	  出力 [a.u.]	  位相＝偏光角度	  光学系	  3K	  (CMB)	  	  直線偏波に対して変調がかけられる。	  
温度揺らぎ	  〜10μK	  変調周波数＝半波長板の回転数×４	  振幅＝偏光度	  点線：5%のemissivity	  	  偏光揺らぎ	  〜1μK	  	  インフレーション	  由来の偏光	  〜10nK	  	  装置として求める安定性	  〜1nK	  半波長板角度	  [degs]	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  6	  

冷却連続回転半波長板変調器
光学系	  入射偏波	  (I,Q,U)	  直線偏波に感度のあるミリ波検出器	  半波長板	  （e.g サファイア）	  要求• 光学系に複屈折材料である半波長板（サファイア、メタマテリアル等）を導入。
→ 素子そのものの熱放射を抑えるために冷却。
• 変調をかけるためには半波長板を冷却化で回転。
→ 冷却化で使用可能な軸受け。
本発表ではこの試作機について現状を報告。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  7	  

冷却連続回転半波長板変調器＋搭載光学系例

F#3.5	  変調器	  CMB偏光気球観測EBEXの搭載例	  CMB偏光衛星	  LiteBIRDの搭載検討例	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  8	  

機能要求
機能項目
要求値
波長板直径〜400 mm
運用環境温度波長板を< 10 K(TBD)に維持。
回転数〜1 Hz
許容発熱
< 〜3 mW
エンコーダー精度< 0.1 度以下
運用期間３年間
CMB観測には地上、気球、衛星などありますが、ここでは衛星搭載を見据えて開発中。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  9	  要求されるコンポ
偏光変調器	  低温機器部	  回転駆動部	  軸受け	  駆動部＋エンコーダー	  偏光変調器ドライバ	  保持機構（ローンチロック）	  光学素子部	  電源	  半波長板	  信号	  HK	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  HK	  10	  軸受けの選択
初期検討にて、冷却状態でメカニカルな軸受け方法は振動及び発熱により断念。
永久磁石

重力方向

波長板はリング磁石内径部に搭載

リング型永久磁石(NdFeB)

磁化方向

高温超伝導タイル
YBCO Tc = 95 K

高温超伝導体冷却状態を利用して非接触式軸受けを候補とする。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  11	  要求されるコンポ偏光変調器	  波長板はリング磁石内径部に搭載
リング型永久磁石(NdFeB)

低温機器部	  回転駆動部	  軸受け	  高温超伝導タイル
YBCO Tc = 95 K

駆動部＋エンコーダー	  偏光変調器ドライバ	  保持機構（ローンチロック）	  光学素子部	  電源	  半波長板	  信号	  HK	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  HK	  12	  冷却連続回転半波長板軸受けの試作１号機
開口径（半波長板直径）Φ65mm	  想定動作温度 〜4K （今回は77K）	  想定回転速度 〜1Hz	  入射偏光	  駆動用磁石	  （固定子側はラボ試験用に磁石式ギヤ及び、チェンバー外からのモーター及びシャフトにより駆動方式を採用）	  光学式エンコーダー及びチョッパー	  超伝導軸受けを用いた。	  
（リング型NdFeB永久磁石と	  バルクYBCOを採用）	  50mm	  極低温ホール素子	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  13	  低温保持機構
入射偏光	  断面図	  永久磁石（NdFeB）	  サファイア	  高温超伝導体(YBCO)	  ステッピングモーター	  Warm launchを想定し、常温下では保持。Launch lockも兼ねる。打ち上げ後、軸受けの高温超伝導体が臨界温度以下にて回転子を離し、非接触による浮上を実現させる。

バルクのYBCOは第二種超伝導体。臨界温度は94K。
↓液体窒素で動作確認は十分。今回は、試作機の動作確認を液体窒素温度で試験。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  14	  非接触軸受けの摩擦係数測定
LEDとシリコンPDで光学エンコーダーを構成。〜10Kで<50μWの発熱。	  

光学エンコーダーからの出力	  ヒステリシス効果	  Δt	  [sec]	  f(t)	  = 1/Δt

渦電流、空気抵抗	  フィット結果	  a0	  =	  1.0×10-­‐3 	  a1	  =	  1.2×10-­‐3 	  December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  15	  摩擦とエネルギーロス

ヒステリシス効果

渦電流

磁場の非一様性
Beamモデルより(ΔB)3a0 ∝Jc

臨界電流December	  8,	  2015	  （空気抵抗）

磁場の非一様性

a1 ∝ σ (ΔB)2 ω
電気伝導率

可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  16	  クライオスタットにて試験

かたざさんの4Kクライオスタットを借りました。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  17	  摩擦係数測定

渦電流損失
ヒステリシス損失 空気摩擦

Opdcal	  encoder	  signal	  摩擦による期待される発熱	  a0	  [1/s2]	   a1	  [1/s]	   Dissipa-on	  power	   Dissipa-on	  power	  for	  ID=65	  mm	  for	  ID=420	  mm	  LN2	  at	  room	  pressure	   1.6×10-­‐3	  	   1.6×10-­‐3	  	  73	  μW	  Cryostat	  	  	  19	  μW	  • HTS	  =	  10-­‐15	  K	  • P<10-­‐4	  torr	  December	  8,	  2015	  	  	  1.3×10-­‐3	  	   2.2×10-­‐4	  	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  18	  摩擦係数測定

渦電流損失
ヒステリシス損失 空気摩擦

Opdcal	  encoder	  signal	  摩擦による期待される発熱	  a0	  [1/s2]	   a1	  [1/s]	   Dissipa-on	  power	   Dissipa-on	  power	  for	  ID=65	  mm	  for	  ID=420	  mm	  LN2	  at	  room	  pressure	   1.6×10-­‐3	  	   1.6×10-­‐3	  	  73	  μW	  20	  mW	  Cryostat	  	  	  19	  μW	  	  5.2	  mW	  • HTS	  =	  10-­‐15	  K	  • P<10-­‐4	  torr	  December	  8,	  2015	  	  	  1.3×10-­‐3	  	   2.2×10-­‐4	  	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  19	  参考：衛星仕様の4KJT冷凍機の冷凍能力は〜35mW。	  摩擦とエネルギーロス (1/2)
ヒステリシス効果	  渦電流 （空気抵抗）	  磁場の非一様性	  Beamモデルより	  (ΔB)3a0 ∝Jc

臨界電流	  リング磁石	  の磁場測定	  December	  8,	  2015	  磁場の非一様性	  a1 ∝ σ (ΔB)2 ω
電気伝導率	  リング型永久磁石（NdFeB）	  ΔB/B〜2%	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  20	  摩擦係数測定

渦電流損失
ヒステリシス損失 空気摩擦

Opdcal	  encoder	  signal	  摩擦による期待される発熱	  a0	  [1/s2]	   a1	  [1/s]	   Dissipa-on	  power	   Dissipa-on	  power	  for	  ID=65	  mm	  for	  ID=420	  mm	  LN2	  at	  room	  pressure	   1.6×10-­‐3	  	   1.6×10-­‐3	  	  Cryostat	  	  • HTS	  =	  10-­‐15	  K	  • P<10-­‐4	  torr	  December	  8,	  2015	  73	  μW	  20	  mW	  	  	  	  1.3×10-­‐3	  	   2.2×10-­‐4	  	  19	  μW	  ÷8	  ÷4	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  ΔB/B=2%→1%	  	  5.2	  mW	  21	  現在の開発課題•

保持機構– 打ち上げの振動耐性（ローンチロック）– ３つのアクチュエータ→１つに。

•回転駆動機構– ベルト方式– ギヤカップル方式– 非接触モーター方式•発熱の低減– 一様な磁場を持つ永久磁石回転子– 渦電流を低減するための保持機構等の材料選択、及び渦電流を切るスリットを導入。

•大型化（φ400mm）– サファイア– 磁石のセグメント化に伴う一様な磁場を持つ永久磁石回転子•振動耐性– 割れる？

December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  22	  ベルト式駆動系
Ring magnet
Open aperture for AHWPHTS tiles

Tensioner
Drive pulley

Cryogenic
actuator

Warm support
Optical chopper

Opticalencoder
Hall sensor

EBEX	  polarizadon	  modulator （内径〜24cm）	  December	  8,	  2015	  南極周回気球観測にて搭載され観測に用いられた。	  

Kevlar belt

Warm support23	  磁気カップル式駆動系

非接触だが、外部モーターが必要。	  
AC	  motorは開発中。	  
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  24	  現在の開発課題•保持機構– 打ち上げの振動耐性（ローンチロック）– ３つのアクチュエータ→１つに。

•回転駆動機構– ベルト方式– ギヤカップル方式– 非接触モーター方式

•

発熱の低減
– 一様な磁場を持つ永久磁石回転子– 渦電流を低減するための保持機構等の材料選択、及び渦電流を切るスリットを導入。

•大型化（φ400mm）– サファイア– 磁石のセグメント化に伴う一様な磁場を持つ永久磁石回転子•振動耐性– 割れる？

December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  25	  まとめ• インフレーション仮説の検証を目的とした
CMB偏光観測のための偏光変調器を開発中。
• 偏光変調器は光学素子（波長板）と回転駆動部にて構成され、回転駆動部の開発を紹介した。
• 発熱を低減するため、超伝導軸受けを採用した。衛星搭載に向けて試作機（1号）の性能試験を行い、実機サイズBBM設計に向けた開発（バグ出し）を行っている。
December	  8,	  2015	  可視赤外線観測装置技術ワークショップ	  26