Transcript LCGT詳細設計とR&D

LCGT詳細設計とR&D
大橋 正健
東大宇宙線研
LCGTの基本設計 - これまで – 感度は主に
量子雑音(散射雑音・輻射圧雑音)で決まる
基線長
3km
レーザー光源
100W
リサイクリングゲイン 50
腕j共振器フィネス
100
(fcav=250Hz)
サファイアミラー
50kg, Q=108, 30K
コーティングの熱雑音を考慮
懸架振り子
1Hz, Q=2x108, 10K
SASによる防振系
干渉計方式と量子雑音
• 様々な干渉計方式
• DRMI, SR, RFPMI, RSE, ExRSE
• 量子雑音 (散射雑音・輻射圧雑音) は、
–腕パワーと信号帯域幅で決まる
–干渉計方式には拠らない
(水野の推論、A. Buonannoの計算
detuningしない場合)
• 干渉計方式の決定材料
–実現可能な腕パワーと信号帯域幅
–その他の要因
• 基材での発熱
• 制御の容易さ
腕パワー・信号帯域幅と量子雑音
10
1
2
10
Frequency [Hz]
10
vit
y
er
x1
0
3
10
4
[1 /H z
輻射圧雑音
10
–22
po
w
er
x1
f cutoff
0
fsig Parm
Ca
–24
w
po
ity
Si
–24
al
ba
10
gn
fsig
f cutoff
]
fsig Parm
l
/10
f cutoff
1/2
Parm
na
d1
av
1
S ig
n
ba
C
輻射圧雑音
fsig
Parm
f cutoff
f  fsig
[1 /H z
散射雑音
10
10
N o is e le v e l
f  fsig
N o is e le v e l
• 量子雑音 (散射雑音・輻射圧雑音) は、
腕パワーと信号帯域幅で決まる
1/2
]
散射雑音
–22
nd
1 /1
0
10
1
2
10
Frequency [Hz]
10
3
10
4
設計の基本方針・境界条件
• 基本方針
– 腕パワーと信号帯域幅
1.4 Mo の連星合体に対する感度を基準に決定
• SNR=10で、200Mpcのイベントを捕らえられること
• 可能ならさらに遠くまで見れるよう最適化すること
• 境界条件 (20Kへの冷却能力 1W)
– 基材内での発熱
• 熱吸収(サファイア) 20ppm/cm
• 基材の厚さ
18cm
– コーティングでの発熱
BS入射 < 2800W
干渉計入射パワー100Wなら
PRG < 28
EM反射パワー < 10MW
• 熱吸収 0.1ppm
以前のデザインのPRG=50は不可能 → RSE, ExRSE が現実的
連星合体に対するSNR
• 連星合体をSNR=10で検出できる距離
D e te c ta b le d is ta n c e [M p c ]
• 1.4Mo イベントに対して、244 Mpc
10
3
Optimized design
Old design
10
2
1
10 –1
10
0
10
10
Mass of a star [Mo]
1
10
2
最適化後の感度曲線
• 現実的なパラメータ範囲でほぼ最適化
• 腕内パワー 830 kW, 信号帯域幅 200 Hz
S e is
10
–18
]
1/2
–20
腕共振器フィネス : 1250
PRG : 10
SBG : 10
f sig =203 Hz
Ra
10
10
–22
Su
d ia
sp
tio
en
n
si
0
10
pr
on
–24
10
Old design
TAMA
noise level
e
10
n o is
[1 /H z
P arm =830kW
m ic
N o is e le v e l
LCGT noise budget
1
es
th
RF  0.995
su
er
m
Sh o t
re
nois
e
RE  0.99999
RR  0.72
al
Mirror t
hermal
2
10
Frequency [Hz]
10
3
RS  0.68
10
4
連星合体に対するSNR
• 連星合体をSNR=10で検出できる距離
D e te c ta b le d is ta n c e [M p c ]
• 1.4Mo イベントに対して、244 Mpc
10
3
Optimized design
Old design
10
2
1
10 –1
10
0
10
10
Mass of a star [Mo]
1
10
2
目標感度を達成できるか？
目標感度が達成されれば
重力波をとらえられるのか？
同位置の2台で
First detectionは
可能か？
200Mpcで0.1events/year？
LISAとの関係は？
Advanced LIGOとは？
Advanced LIGO Development Team
Group
CIT
MIT
LLO
LHO
Seismic
Isolation (SEI)
Suspension
(SUS)
Core Optics Input Optics
(COC)
(IO)
requirements
requirements; leads design;
requirements; Fiber & bonding
coordinates materials develop.;
research; final design; TNI noise polishing; inhomogeneity
requirements; intensity
measure
compensation; metrology
stabilization feedback to PSL
requirements; LASTI prototype
testing
requirements; measure coating
effect on Q; LASTI prototype
testing
requirements
Systems
Engineering
requirements; engin support &
epics integration; performance requirements; photon
eval.
actuation;
requirements; electronics; system
identification; 40m
experiment/controls testbed
requirements; standards;
extend E2E simulation; system
trade studies; optical layout;
FFT studies
requirements; integrated IO/PSL
system test
requirements; LASTI prototype requirements; active thermal
& IO/PSL integrated sys test
compensation
requirements; system trade
studies; bench top DC read-out
exp.; PD testing; ISC design lead
requirements; define noise
budget, define shared signal
port power allocation, etc.
high power system testing
injection-locked,
stable/unstable resonator
welding; coating effect on mech
Q; local control studies; triple
performance in GEO-600; prelim
design lead
cavity test of active thermal
compensation
10m signal recycling exp.; lock
acq. & sensing matrix guidance
Rod pumped system; leads
PSL system design
in-situ figure metrology
high power Faraday isolator
development
Bench code
coating mech modeling
MIMO control; SEI design lead
transient (excess) noise
measure; mode coupling study &
diagnostics
chem & flame polishing effect on
Q; surface charge measure
MSU
hydraulic pre-isolation; ETF controls
testbed
welding, bonding & coating effect low absorption sapphire
on mech Q; bonding strength
development
MOPA system with LIGO 20W
MO
trace element identification;
absorption
Southern U
SMA/Lyon
Syracuse
UFL
Ifo Sense &
Control (ISC)
Melody code
GEO/
Glasgow
GEO/
Hannover
IAP
PS
Iowa
Stanford
Aux. Optics
(AOS)
engineering support
Stanford/HP
ACIGA
LSU
Pre-Stab.
Laser (PSL)
high mech Q, low absorption
coatings
direct loss measure; effect of
polishing, coating, bonding
IO system design; high power
component tests
back-illuminated InGaAs detectors
カムランド
スーパーカミオカンデ
暗黒物質検出器
LISM(20m
)
CLIO
CLIO 建設サイト（神岡鉱山内）