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Case study

Virgo IMC計測バッフルの粗さ特性

Case study, 光学, 光学部品
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The Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) is a consortium of the Generalitat de Catalunya and the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) created in 1991. IFAE conducts theoretical and experimental research on the frontier of fundamental physics and in various areas of applied physics, such as medical imaging and quantum computing. In 2019, IFAE initiated a long-term experimental involvement in the Virgo ground-based Fabry- Perot interferometer (Cascina, Italy), with an emphasis on studying fundamental physics using GWs. Author: Laia Cardiel

“Sensofarは、その専門知識とアクセシビリティのためにこれらの測定を実施するために選ばれました。”

重力波は、時空の織物の中を伝わる波です。超新星爆発やブラックホール同士の相互作用などの重要な宇宙の出来事が起こると、生成される重力波は地球上で検出可能です。科学的研究と技術の発展が50年以上経ち、重力波を感知することが可能になりました。

アドバンスト・ヴィルゴは、それらを検出することができる巨大なミケルソン干渉計です(図1)。この装置には、3 kmの直交する2本のアーム、吊り下げられた鏡、および干渉計を形成するために必要な他の機器があります。重力波は、吊り下げられた鏡の運動によって光路が変化し、それにより光路が変更された結果、干渉パターンが生じます。

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図1. アドバンスト・ヴィルゴ検出器の写真。EGO Virgo提供。

高エネルギー物理学研究所(IFAE)は、アドバンスト・ヴィルゴのために革新的な計測されたバッフルを開発しました。このバッフルは、入力モードクリーナ(IMC)キャビティの端面ミラーの前に取り付けられています(図2)。その目的は、表面に到達する迷光を吸収することです。吸収されなかったわずかな割合は、IMCタワーの壁に散乱されます。ミラー表面の粗さは、予測できない方向に光を散乱させる結果となります。この光が主ビームと再結合すると、重力波信号を偽る可能性があります。

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計測されたバッフルの表面研磨品質の決定

IFAEでは、S neox光学プロファイラが使用され、計測されたバッフルの構築に使用されるポリッシュステンレス鋼の表面の粗さを測定しました。具体的には、ポリッシングや穴の加工などの異なる表面処理後に測定が行われました(図3)。

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図3. 特性化されたサンプル。

サンプルの測定に対する解像度と再現性の要件は、S neoxに備わっている干渉計のモードの一つである位相シフト干渉法(PSI)と一致しました。この光学技術は、非常に低い測定ノイズを持ち、アームストロングの1/10まで下げることができます。これは、超滑らかな表面の解析に理想的でした。これらの表面はRa値が10 nm以下でした(図4)。

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Plain baffle
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Trial sample
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图4:样品的拓扑图像和剖面(右侧)。应用ISO 4287标准(截止频率为80微米)后的粗糙度值(左侧)。

この特性化により、各表面処理が粗さ値およびそれに伴う散乱特性にどのような影響を与えるかについての情報が得られました。それに関連して、Virgo IMCに取り付けるためのバッフルの平均粗さはRa=0.0069μm未満でなければなりませんでした。計測されたバッフルはこの要件を満たしていました。

さらに、将来の研究のために面積パラメータも探求されました。

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図5. 3つの分析データセットで計算されたパラメータの識別度の評価。緑は高い識別性を示し、黄色は中程度、赤は低い識別性を示します。
Virgo IMC計測バッフルの粗さ特性

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