口 December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 1
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
入 射 偏 波 直 線 偏 波 に 感 度 のあるミリ 波 検 出 器 光 学 系 (I,Q,U) 半 波 長 板 (e.g サファイア) 位 相 = 偏 光 角 度 出 力 [a.u.] 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
入 射 偏 波 300K 直 線 偏 波 に 感 度 のあるミリ 波 検 出 器 77K 光 学 系 (I,Q,U) 半 波 長 板 (e.g サファイア) 位 相 = 偏 光 角 度 4K (LHe) 3K (CMB) 直 線 偏 波 に 対 して 変 調 がかけられる 温 度 揺 らぎ 変 調 周 波 数 = 半 波 長 板 の 回 転 10μK 数 4 出 力 [a.u.] 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
入 射 偏 波 直 線 偏 波 に 感 度 のあるミリ 波 検 出 器 光 学 系 (I,Q,U) 半 波 長 板 (e.g サファイア) December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 7
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
December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 9
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 保 持 機 構 (ローンチロック) 偏 光 変 調 器 ドライバ 光 学 素 子 部 半 波 長 板 電 源 信 号 HK HK December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 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
偏 光 変 調 器 低 温 機 器 部 波 長 板 はリング 磁 石 内 径 部 に 搭 載 リング 型 永 久 磁 石 (NdFeB) 回 転 駆 動 部 軸 受 け 駆 動 部 +エンコーダー 保 持 機 構 (ローンチロック) 偏 光 変 調 器 ドライバ 高 温 超 伝 導 タイル YBCO T c = 95 K 光 学 素 子 部 半 波 長 板 電 源 信 号 HK HK December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 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
光 学 エンコーダーからの 出 力 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 Δt [sec] f(t) = 1/Δt ヒステリシス 効 果 渦 電 流 空 気 抵 抗 フィット 結 果 a 0 = 1.0 10-3 a 1 = 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
a 0 (ΔB)3 J c a 1 σ (ΔB) 2 ω December 8, 2015 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
Opdcal encoder signal 摩 擦 による 期 待 される 発 熱 LN2 at room pressure 1.6 10-3 1.6 10-3 Cryostat HTS = 10-15 K P<10-4 torr a 0 [1/s 2 ] a 1 [1/s] Dissipa-on power for ID=65 mm 73 μw 1.3 10-3 2.2 10-4 19 μw Dissipa-on power for ID=420 mm December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 18
Opdcal encoder signal 摩 擦 による 期 待 される 発 熱 a 0 [1/s 2 ] a 1 [1/s] Dissipa-on power for ID=65 mm Dissipa-on power for ID=420 mm LN2 at room pressure 1.6 10-3 1.6 10-3 73 μw 20 mw Cryostat HTS = 10-15 K P<10-4 torr 1.3 10-3 2.2 10-4 19 μw 5.2 mw December 8, 2015 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
リング 磁 石 の 磁 場 測 定 ヒステリシス 効 果 Beamモデルより 磁 場 の 非 一 様 性 a 0 (ΔB)3 臨 界 電 流 J c 渦 電 流 ( 空 気 抵 抗 ) 磁 場 の 非 一 様 性 a 1 σ (ΔB) 2 ω 電 気 伝 導 率 リング 型 永 久 磁 石 (NdFeB) ΔB/B 2% December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 20
Opdcal encoder signal 摩 擦 による 期 待 される 発 熱 a 0 [1/s 2 ] a 1 [1/s] Dissipa-on power for ID=65 mm Dissipa-on power for ID=420 mm LN2 at room pressure 1.6 10-3 1.6 10-3 73 μw 20 mw Cryostat HTS = 10-15 K P<10-4 torr 1.3 10-3 2.2 10-4 19 μw 5.2 mw 8 4 ΔB/B=2% 1% December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 21
December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 22
Cryogenic actuator Open aperture for AHWP HTS tiles Ring magnet Tensioner Drive pulley Warm support Optical chopper Optical encoder 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 support 23
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
December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 25
December 8, 2015 可 視 赤 外 線 観 測 装 置 技 術 ワークショップ 26