第三世代重力波望遠鏡用大口径低温鏡の低温吸着汚染の解明と解消法の開発

低温を用いた感度の向上は次世代の重力波望遠鏡においても重要な技術となるため、重力波望遠鏡に応用可能な低温技術が重要である。しかし、真空残留ガスの低温鏡への吸着に対しては先行研究も少なく、重力波望遠鏡への影響も明らかではなかった。そこで本研究は、この現象に焦点を当て、分子の吸着過程、望遠鏡への影響、そして吸着分子を脱離するためのシステムの評価を行なった。本年度は重力波望遠鏡への影響の評価を行なった。多数の吸着分子が分子層を形成することにより、重力波観測のために最適化された鏡の反射率に変更を与える。また、分子層が最大400kW程度に及ぶレーザー光の一部を吸収することにより、低温に冷却された鏡の温度が上昇する。さらに、分子層自身が機械的な散逸を持つため、雑音源となることが考えられる。これらの影響により、1年間の観測中に重力波の検出効率は1/5にまで低減してしまうことを明らかにした。このような分子層の影響を低減するためには、形成された分子層を除去する必要がある。そこで、重力波望遠鏡における分子層脱離システムの評価を行った。まず、KAGRAの低温懸架系の入熱量に対する温度的な応答を数値的に評価した。その結果、約13.5Wの入熱を与えることにより低温鏡を200Kまで昇温可能であることを示した。この昇温過程において、180Kまでの昇温は30時間程度で完了し、その過程において吸着分子の脱離が十分に生じることも明らかになった。この昇温プロセスのに必要な時間は合計60時間程度である。これは1ヶ月あたり1度の昇温を行なったとしても、1年間にわたる観測に与える観測デッドタイムとしては8%程度であることを示しており、LIGOやVirgoで達成されているような現実的な観測安定度と合わせても十分に重力波の観測が可能であると結論付けることができる結果である。

低温を用いた感度の向上は次世代の重力波望遠鏡においても重要な技術となるため、重力波望遠鏡に応用可能な低温技術が重要である。しかし、真空残留ガスの低温鏡への吸着に対しては先行研究も少なく、重力波望遠鏡への影響も明らかではなかった。そこで本研究は、この現象に焦点を当て、分子の吸着過程、望遠鏡への影響、そして吸着分子を脱離するためのシステムの評価を行なった。本年度は重力波望遠鏡への影響の評価を行なった。多数の吸着分子が分子層を形成することにより、重力波観測のために最適化された鏡の反射率に変更を与える。また、分子層が最大400kW程度に及ぶレーザー光の一部を吸収することにより、低温に冷却された鏡の温度が上昇する。さらに、分子層自身が機械的な散逸を持つため、雑音源となることが考えられる。これらの影響により、1年間の観測中に重力波の検出効率は1/5にまで低減してしまうことを明らかにした。このような分子層の影響を低減するためには、形成された分子層を除去する必要がある。そこで、重力波望遠鏡における分子層脱離システムの評価を行った。まず、KAGRAの低温懸架系の入熱量に対する温度的な応答を数値的に評価した。その結果、約13.5Wの入熱を与えることにより低温鏡を200Kまで昇温可能であることを示した。この昇温過程において、180Kまでの昇温は30時間程度で完了し、その過程において吸着分子の脱離が十分に生じることも明らかになった。この昇温プロセスのに必要な時間は合計60時間程度である。これは1ヶ月あたり1度の昇温を行なったとしても、1年間にわたる観測に与える観測デッドタイムとしては8%程度であることを示しており、LIGOやVirgoで達成されているような現実的な観測安定度と合わせても十分に重力波の観測が可能であると結論付けることができる結果である。