Transcript 熱雑音

LCGTの感度 (1)
- はじめに -
干渉計型重力波検出器の感度
地面振動
地面の振動が鏡を揺らす影響
防振装置、長基線長、静かなサイト
熱雑音 (鏡の熱雑音・振り子の熱雑音)
鏡やその支持系の熱振動
]
1 /2
[1 /H z
N o is e le v e l
–20
e
10
Ra
10
高出力レーザー、干渉計方式 10
その他の雑音
TAMA
noise level
n o is
レーザー光が光子の集合
であることに起因する雑音
–18
m ic
量子雑音 (散射雑音・輻射圧雑音)
10
S e is
高いQ値、鏡などの冷却、
長基線長
LCGT noise budget
–22
d ia
Su
tio
sp
np
en
si
on
–24
10
0
10
re
1
ss
th
ur
er
Sh o t
e
m
al
Mirror th
2
10
Frequency [Hz]
nois
e
ermal
10
3
10
4
残留ガス揺らぎ, レーザー光源, 制御雑音, …
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
1
LCGTの感度 (2)
- 感度曲線 -
LCGT noise budget
S e is
10
–18
N o is e le v e l
–20
e
10
n o is
[1 /H z
1 /2
]
m ic
TAMA
noise level
Ra
10
10
–22
d ia
Su
tio
sp
np
en
si
on
–24
10
0
10
re
1
ss
th
ur
er
n
Sh o t
e
m
al
Mirror t
h
2
10
Frequency [Hz]
oise
ermal
10
3
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
10
4
2
LCGTの感度 (3)
- 地面振動 -
地面振動
–4
1 /2
]
10
D isp lacem en t
[ m /H z
基線長の増加 → 3km
神岡鉱山の静寂な環境
(2桁振動が小さい)
よりよい防振装置
(低周波多段防振, 能動防振)
10
10
10
10
10
TAMA site (Mitaka, Tokyo)
–6
Univ. of Tokyo (Tokyo)
–8
–10
–12
LCGT site (Kamioka, Gifu)
Mt. Tsukuba (Ibaragi)
–14
Kamitakara (Gifu)
10
–18
]
1/2
10
–20
10
P arm =800kW
2
10
3
f sig =200 Hz
TAMA
noise level
e
[1 /H z
1
10
Frequency [Hz]
LCGT noise budget
n o is
N o is e le v e l
10
0
m ic
3Hzで量子雑音と交差
10
S e is
地面振動のモデル :
10-9 / f 2 [m/Hz1/2]
防振比 : 10-3 / f 10
–1
Ra
10
10
–22
Su
d ia
sp
tio
en
np
si
on
–24
10
0
10
1
re
th
ss
er
ur
m
Shot
e
al
Mirror ther
2
10
Frequency [Hz]
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
nois
e
mal
10
3
10
4
3
LCGTの感度 (4)
- 熱雑音 -
[m /H z
1/2
10
–18
–20
TAMA
noise level
Coatin
g (20K
)
en
si
on
Therm
th
oelasti
c
er
Mirror ther
mal
(20K)
m
al
D is p la c e m e n t N o is e
10
sp
LCGTでは、
熱雑音は十分低減できる
LCGT
noise level
Su
鏡 : サファイア, 20Kに冷却
Q値: 108
振り子 : サファイアファイバ
10k, Q値: 1.2 x 108
冷凍機 : 低振動型パルス管冷凍機
熱リンク : 純アルミ線
]
熱雑音
10
–22
10
0
10
1
2
10
Frequency [Hz]
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
10
3
10
4
4
LCGTの感度 (5)
- 量子雑音 10
–18
on
10
0
10
th
ss
er
1
ur
m
al
mal
2
10
Frequency [Hz]
10
15
0
4
0
5
22
I(
0
w
it h
250
15
0
10
M
17
5
20
0
50
2
10
inspiral, SNR=10)
20
10
50
o
3
246
ou
tP
225
225
R
)
495
200
m
I(
SE
PM
,R
RF
ax
17
5
10
2488
1
10
4
5
5
10
10
Power on end mirrors [W]
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
0
G)
0
17
PR
15
20
um
991
im
S ig n a l b a n d w id th [H z ]
122
FP
10
e
Mirror ther
Detectable distance [Mpc] (1.4M
3
nois
Shot
e
275
si
re
0
(SNR 10, 最適方向入射)
en
np
–24
10
240Mpcの観測レンジ
sp
tio
25
10
Su
d ia
0
10
–22
10
腕共振器フィネス : 1250
PRG : 10
SBG : 10
(基線長 3km, 入射レーザー光 100W)
TAMA
noise level
Ra
観測レンジの等高線マップ
ロス等を考慮して実現可能な値を選択
f sig =200 Hz
0
]
1/2
[1 /H z
N o is e le v e l
–20
e
10
n o is
感度 : ほぼ量子雑音で制限される
条件 : 1.4MO連星合体観測に最適化
P arm =800kW
m ic
ターゲットに応じて、
干渉計パラメータ (腕フィネス、PRG, SBG)
を最適化
LCGT noise budget
S e is
量子雑音
6
5
LCGTの感度 (6)
- Advanced LIGOの熱雑音 -
Advanced-LIGOの熱雑音
]
余計なお世話だが…
Advanced LIGOでは、熱弾性効果, コーティングの熱雑音が問題
10
–18
TAMA
noise level
Advanced LIGO
–20
Thermoelastic (300K)
g (20K
)
sp
en
10
Coatin
Su
si
on
Therm
th
er
oelast
ic (20K
Mirror therm
al
)
m
al
D is p la c e m e n t N o is e
[m /H z
1/2
LCGT
noise level
10
–22
10
0
10
1
2
10
Frequency [Hz]
10
3
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
10
4
6
LCGTの感度 (7)
- 改訂にあたって -
10
–18
]
1/2
[1 /H z
–20
Ra
10
–22
tio
en
np
si
on
–18
re
th
er
1
10
ss
ur
m
Shot
e
al
nois
e
Mirror ther
mal
2
10
Frequency [Hz]
LCGT noise budget
10
3
P arm =800kW
10
4
f sig =200 Hz
1/2
]
m ic
–20
TAMA
noise level
e
10
n o is
[1 /H z
sp
0
S e is
10
Su
d ia
–24
10
N o is e le v e l
f sig =200 Hz
TAMA
noise level
e
N o is e le v e l
n o is
10
10
量子雑音
狭帯域化の可能性
より高感度化
(観測レンジ → 310 Mpc)
P arm =800kW
m ic
地面振動
より正確な見積もり
クロス周波数の妥当性
Gravity Gradient noise
LCGT noise budget
S e is
デザイン改訂にあたって
Ra
10
10
–22
Su
d ia
sp
tio
en
np
si
on
–24
10
0
10
1
re
th
ss
er
ur
m
Shot
e
al
e
Mirror ther
mal
2
10
Frequency [Hz]
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
nois
10
3
10
4
7
おまけ
- 他の重要な熱雑音 -
熱弾性効果による損失
温度勾配弾性変形
非一様な弾性変形による温度勾配の緩和
に起因した散逸
→ 主に、材質の熱的性質で決まる
線膨張率 : 小さい方が望ましい
熱伝導率 : 大きい方が望ましい
鏡コーティング
面
材質の機械損失よりも大きい
反射面の変動のため、影響が大きい
1/2
[m /H z
高反射率鏡面 :
誘電体多層膜コーティング
屈折率の異なる2つの材質
(TAMA : SiO2, Ta2O5)
l/4の厚さで重ねる (約30層)
D is p la c e m e n t n o is e
鏡コーティング面での機械損失
]
コーティングの熱雑音
LCGT
noise level
10
Th
–18
er
m
C oa
10
oe
ting
–20
Thermo
10
0
la s
tic
,S
the r
ap
mal
ph
ir e
, 20
elastic,
S
30
1
0K
C oa
K
1/Q=
apphire
10
TAMA
noise level
20K
2
10
Frequency [Hz]
LCGT Design meeting (2004年4月9日 東京大学 山上会館, 東京)
ting
the r
4x10 –4 mal
, 300
K
10
3
10
4
8