Development of KAGRA Cryogenic Mirror Suspension System for Gravitational Wave Astronomy

本研究は、大型低温重力波望遠鏡KAGRAで用いる極低温サファイア鏡懸架システムを完成させ、KAGRAの実機に搭載することである。具体的には、サファイア鏡にサファイア製の耳をHydroxide-cathalsis bondingという特殊な方法で接合し、ここに両端サファイアブロック付のサファイアファイバーをガリウムで接着、ファイバー上端はサファイア板バネで懸架する、というような準モノリシックなサファイアサスペンションを実現することである。この準モノリシックな系は重力波望遠鏡でもっとも重要な100Hz帯を制限する熱雑音に取って重要であり、これに影響する低機械的散逸と温度（冷却）を防振と共に両立する事が技術的課題となっている。H29年度は、上述のような準モノリシックなサファイアサスペンションを実現した。まず、実験室に置いて上記の構成からなるサファイアサスペンションを実現し、長時間安定に懸架出来る事を確認した。その上でテスト用クライオスタットにインストールし、10K以下の極低温まで冷却を実施、極低温でも問題無く懸架が実現出来る事を証明した。その後、このサファイアサスペンションセットアップ各部に温度計とヒーターを追加し、冷却特性および熱負荷試験を実施した。この結果では、KAGRAで予想される熱負荷1Wに対して、鏡温度30Kが確認された。この値は鏡温度設計値20Kよりもやや高い値であり、今後熱抵抗のさらなる低減を行う必要があるという課題も明らかとなったが、レーザーパワーの大きくない初期段階においては充分と判断された。この結果に基づき、KAGRA実機にサファイアサスペンションを組み込み、統合した低温サスペンションシステムとして完成させた。現在１台については極低温での制御まで実現出来ており、大きな進展が得られた。

本研究は、大型低温重力波望遠鏡KAGRAで用いる極低温サファイア鏡懸架システムを完成させ、KAGRAの実機に搭載することである。具体的には、サファイア鏡にサファイア製の耳をHydroxide-cathalsis bondingという特殊な方法で接合し、ここに両端サファイアブロック付のサファイアファイバーをガリウムで接着、ファイバー上端はサファイア板バネで懸架する、というような準モノリシックなサファイアサスペンションを実現することである。この準モノリシックな系は重力波望遠鏡でもっとも重要な100Hz帯を制限する熱雑音に取って重要であり、これに影響する低機械的散逸と温度（冷却）を防振と共に両立する事が技術的課題となっている。H29年度は、上述のような準モノリシックなサファイアサスペンションを実現した。まず、実験室に置いて上記の構成からなるサファイアサスペンションを実現し、長時間安定に懸架出来る事を確認した。その上でテスト用クライオスタットにインストールし、10K以下の極低温まで冷却を実施、極低温でも問題無く懸架が実現出来る事を証明した。その後、このサファイアサスペンションセットアップ各部に温度計とヒーターを追加し、冷却特性および熱負荷試験を実施した。この結果では、KAGRAで予想される熱負荷1Wに対して、鏡温度30Kが確認された。この値は鏡温度設計値20Kよりもやや高い値であり、今後熱抵抗のさらなる低減を行う必要があるという課題も明らかとなったが、レーザーパワーの大きくない初期段階においては充分と判断された。この結果に基づき、KAGRA実機にサファイアサスペンションを組み込み、統合した低温サスペンションシステムとして完成させた。現在１台については極低温での制御まで実現出来ており、大きな進展が得られた。