ＫＡＧＲＡ極低温懸架系の高性能化による低周波帯域世界最高感度の実現

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レーザー干渉計型重力波検出器は数100Hz帯域に高い感度をもつ。この帯域は鏡やその懸架システムの熱雑音が制限しているが、大型低温重力波望遠鏡KAGRAでは鏡を20Kという極低温まで冷却することで、数10Hzから数100Hzまで高感度を実現することができる。極低温を達成するためには熱伝導を効率的に用いた冷却を行う必要がある一方で、この伝導冷却のためのヒートリンクが振動導入源となりKAGRAの低周波感度を悪化させるという課題があった。そこで、本研究ではヒートリンクを防振する機構を開発し低振動な伝導冷却の実現を試みた。ヒートリンク防振機構は3段の防振装置で、各段が引張バネで接続されている。本年度はこの防振装置の防振性能を、実際の使用環境に近い極低温・高真空条件下で測定した。防振性能測定は装置の各段を加振し機械的な伝達関数を測定することで実施した。加振にはコイルとマグネットを用いたアクチュエータを製作し極低温・高真空下でも動作可能とした。変位はレーザー速長計をクライオスタット外部から入射させ非接触で測定した。また、液体窒素を補助的に用いつつ機械式冷凍機を用いておよそ16Kまで冷却した。測定した自由度は水平方向と鉛直方向の2自由度であった。測定結果は2自由度ともに低周波帯は概ね設計通りであったが、高周波帯では実際の非対称性などに起因する他自由度とのカップリングにより防振性能が悪化している箇所が見られた。また鉛直方向ではバネの固有振動であるサージング現象により大幅に防振性能が悪化している箇所が見られたが、今回問題になっている周波数帯ではないためさほど大きな影響はなかった。本研究によりヒートリンク経由の振動を低減させることができ、特に質量ギャップ帯のブラックホール同士の合体に伴う重力波観測において検出可能数の大幅な向上に貢献できた。