GroundBIRD実験におけるテスト観測用レシーバの準備 -...
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GroundBIRD 実験におけるテスト観測用レシーバの準備 石塚 光 (総研大), 田島 治 (KEK), 羽澄 昌史 (KEK), Jihoon Choi(Korea Univ.), ほか GroundBIRD グループ 1. GroundBIRD 実験 宇宙初期にインフレーションが起こると原始重力波が生成される. 原始重力波は CMB(Cosmic Mi- crowave Background: 宇宙背景放射) 偏光に痕跡を残し, 大角度スケール (& 1 ◦ ) における奇パリティパ ターン B モードはその決定的証拠となる. 図 1: CMB 偏光のパワースペクトル. 赤線は GroundBIRD 実験で期待される B モードの感度を表す. GroundBIRD 実験では B モードが強められる再結合 (multipole l ∼ 100) と再イオン化 (l ≤ 10) 時の 2 つ のバンプをターゲットにしている (6 <l< 300). 青の破線は他の地上実験がターゲットとする multipole range. GroundBIRD は従来の CMB 実験とは一線を画する特徴を持った地上観測実験である. • 高速回転スキャン • それを可能にするコンパクトな装置デザイン • CMB 観測と同時に検出器の較正をおこなう これらの特徴により, 1/f ノイズの影響をうけることなく, 全天の 30%もの観測領域を達成する. これに より, 原始重力波起源の B モード (大角度スケール) に最適化した観測を行う. 本ポスターは GroundBIRD 実験の鍵となる, ワイヤーを用いた較正の研究と, それを実証するためのテスト観測レシーバの準備状況 について報告する. 高速回転スキャン (20 RPM) 焦点面: 0.3K ミラー (φ40cm, 4K) CMB偏光 回転ステージユニット 図 2: GroundBIRD の概念図. CMB は直径 400mm の 4K に冷却した 2 枚のミラーで集光され検出器で測定 する. 検出器を内包するクライオスタットは天頂角 20 ◦ 傾けた状態で高速回転する. GroundBIRD: 全天の30%を観測 従来実験の10倍の観測領域 60° QUIET (~20°, ~3%) 図 3: チリ・アタカマ高地での観測領域. 高速回転と 地球の自転の組み合わせにより,1 日で全天の 30%を カバーする. 2. ワイヤーを用いた偏光応答の較正 GroundBIRD は望遠鏡自身の回転を利用して, 観測を行いながら偏光応答の較正を行う. 一定の速さで 回転する偏光信号は, 回転の 2 倍周期の変調信号となる (図 4 右), この強度を X 軸アンテナ,Y 軸アンテナ それぞれの出力について比較することにより Gain の不揃いを較正する. 図 4: ワイヤーを用いた較正方法. 望遠鏡の回転はワイヤーからの偏光信号の変調をもたらす (左). 大気 ゆらぎのニー周波数 f knee = 10Hz, 検出器のニー周波数 f knee = 100mHz, NET= 300μK √ s, Gain の違いを 10%と仮定したときのシミュレーション結果 (右). 謝辞 今回の測定は総研大のラボローテーションの一環として, JAXA から宇宙科学専攻の白井博さんと山 本啓太さんの協力により行った.2 人にはこの場を借りて感謝の意を表する. 参考文献 [1] O. Tajima et al., “GroundBIRD – an experiment for CMB polarization measurements at a large angular scale from the ground” Proc. SPIE, 8452-58 (2012). [2] O. Tajima, H. Nguyen, C. Bischoff, A. Brizius, I. Buder & A. Kusaka “Novel Calibration System with Sparse Wires for CMB Polarization Receivers” J Low Temp Phys 167:936-942 (2012). [3 ] QUIET Collaboration “The QUIET Instrument” arXiv:1207.5562 (2012). 3. 実験室での較正方法の検証 3.1 較正装置の構成 実験室では, 偏光検出器を内包するクライオスタットは地面に固定されている. クライオスタットの 上部は HDPE(High Density Polyethylene) の窓となっており, そこから液体窒素で冷やされた黒体 (エコ ソーブ) の放射が入射する. 等間隔 (1cm) に張ったワイヤーを窓と黒体の間で回転させて偏光信号を得る. なお, 今回は従来実験 (QUIET 実験) の検出器 [3] を用いて実験を行った (冷凍機で 15K に冷却して使用). 3.2 偏光信号の確認 検出器は偏光情報を表す Stokes パラメータ I,Q,U を同時に測定することができる. 検出器の観測周 波数帯は 95GHz. 疎らに張ったワイヤーを検出器の視線軸に対して垂直方向に回すことにより偏光信号 を変調する. 3.3 ワイヤーマテリアルの比較 GroundBIRD で使用するワイヤーを選定するために, 材質による違いを調べた. ワイヤーは大きく分け て金属と非金属のものを用意した. 前者は反射による偏光を, 後者はワイヤー自身からの放射による偏光 を測定すること意図する. m] Ω [ ρ -7 10 -6 10 -5 10 Amplitude [mV] -2 10 -1 10 1 Tungsten Constantan Manganin Chromel Alumel Carbon Fiber Kevler 表 1: ワイヤーの種類 材料 太さ [μm] 抵抗率 [Ω·m] 引張強度 [N/mm 2 ] 振幅 [mV] タングステン φ10 4.9×10 -8 3700 0.32 コンスタンタン φ25 5.0×10 -7 290–370 0.44 モレキュロイ φ25 — — 0.46 マンガニン φ25 4.8×10 -7 345–590 0.45 クロメル φ25 7.0×10 -7 620–780 0.45 アルメル φ25 2.8×10 -7 550–780 0.45 ベリリウム銅 φ25 3.5×10 -8 390–1070 0.44 ケブラー 100 — 208 0.06 カーボンファイバ 600 1.3×10 -5 — 0.31 ワイヤーの材質を変えたときの偏光強度の図 (左). ワイヤーが金属の場合, 偏光強度は材質に依らずにほ ぼ一定となる. ただし, この図におけるケブラーの点は, その抵抗値が大き過ぎて測定不能であったため, ここでは 2 × 10 -5 を仮定してプロットしている. 金属の場合, 材質による偏光強度の大きな違いは見られなかった. またケブラーやカーボンファイバな どの非金属は金属と比較すると, その太さに対して得られる偏光信号が小さいことがわかった. 今回比較 した材料の中では, 金属ならばどの材質を使用しても遜色ないことが明らかになった． 一方，較正装置として用いるには， • 丈夫である (実際的にワイヤーを張る際や観測中にに切れない) • 入手しやすさ も重要な要素となる．したがって，タングステンがよい候補となる． 4. まとめ GroundBIRD 実験の鍵となる, ワイヤーを使った較正手法を実証する実験室実験をテストレシーバー を用いて行った. 較正原理を検証すると共にワイヤーの材質の選定を行った. 1) 十分に大きな偏光信号を 作れる, 2) 丈夫, 3) 入手しやすい，などの観点から，タングステンのワイヤーを候補として選定した. 今 後は，本番を想定した, ワイヤーを固定した状態で望遠鏡を回転させた場合の較正の検証を行う予定で ある.
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GroundBIRD実験におけるテスト観測用レシーバの準備©石塚光(総研大),田島治(KEK),羽澄昌史(KEK), Jihoon Choi(Korea Univ.),ほか
GroundBIRDグループ
1. GroundBIRD実験
宇宙初期にインフレーションが起こると原始重力波が生成される. 原始重力波はCMB(Cosmic Mi-crowave Background: 宇宙背景放射)偏光に痕跡を残し, 大角度スケール (& 1)における奇パリティパターンBモードはその決定的証拠となる.
図 1: CMB偏光のパワースペクトル. 赤線はGroundBIRD実験で期待されるBモードの感度を表す.GroundBIRD実験ではBモードが強められる再結合 (multipole l ∼ 100)と再イオン化 (l ≤ 10)時の2つのバンプをターゲットにしている (6 < l < 300). 青の破線は他の地上実験がターゲットとするmultipolerange.
GroundBIRDは従来のCMB実験とは一線を画する特徴を持った地上観測実験である.
•高速回転スキャン•それを可能にするコンパクトな装置デザイン• CMB観測と同時に検出器の較正をおこなう
これらの特徴により, 1/fノイズの影響をうけることなく, 全天の30%もの観測領域を達成する. これにより,原始重力波起源のBモード(大角度スケール)に最適化した観測を行う. 本ポスターはGroundBIRD実験の鍵となる,ワイヤーを用いた較正の研究と,それを実証するためのテスト観測レシーバの準備状況について報告する.
高速回転スキャン (20 RPM)
焦点面: 0.3K
ミラー (φ40cm, 4K)
CMB偏光
回転ステージユニット
図 2: GroundBIRDの概念図. CMBは直径400mmの4Kに冷却した2枚のミラーで集光され検出器で測定する. 検出器を内包するクライオスタットは天頂角20傾けた状態で高速回転する.
GroundBIRD: 全天の30%を観測
従来実験の10倍の観測領域
60° QUIET (~20°, ~3%)
図 3:チリ・アタカマ高地での観測領域. 高速回転と地球の自転の組み合わせにより, 1日で全天の30%をカバーする.
2.ワイヤーを用いた偏光応答の較正
GroundBIRDは望遠鏡自身の回転を利用して,観測を行いながら偏光応答の較正を行う. 一定の速さで回転する偏光信号は, 回転の2倍周期の変調信号となる(図4右),この強度をX軸アンテナ, Y軸アンテナそれぞれの出力について比較することによりGainの不揃いを較正する.
図 4: ワイヤーを用いた較正方法. 望遠鏡の回転はワイヤーからの偏光信号の変調をもたらす (左). 大気ゆらぎのニー周波数fknee = 10Hz,検出器のニー周波数fknee = 100mHz, NET= 300µK
√s, Gainの違いを
10%と仮定したときのシミュレーション結果(右).
謝辞
今回の測定は総研大のラボローテーションの一環として, JAXAから宇宙科学専攻の白井博さんと山本啓太さんの協力により行った. 2人にはこの場を借りて感謝の意を表する.
参考文献
[1] O. Tajima et al., “GroundBIRD – an experiment for CMB polarization measurements at a largeangular scale from the ground” Proc. SPIE, 8452-58 (2012).
[2] O. Tajima, H. Nguyen, C. Bischoff, A. Brizius, I. Buder & A. Kusaka “Novel Calibration Systemwith Sparse Wires for CMB Polarization Receivers” J Low Temp Phys 167:936-942 (2012).
[3 ] QUIET Collaboration “The QUIET Instrument” arXiv:1207.5562 (2012).
3.実験室での較正方法の検証
3.1較正装置の構成実験室では, 偏光検出器を内包するクライオスタットは地面に固定されている. クライオスタットの上部はHDPE(High Density Polyethylene)の窓となっており,そこから液体窒素で冷やされた黒体(エコソーブ)の放射が入射する. 等間隔(1cm)に張ったワイヤーを窓と黒体の間で回転させて偏光信号を得る.なお,今回は従来実験(QUIET実験)の検出器 [3]を用いて実験を行った(冷凍機で15Kに冷却して使用).
3.2偏光信号の確認検出器は偏光情報を表すStokesパラメータI, Q, Uを同時に測定することができる. 検出器の観測周波数帯は95GHz. 疎らに張ったワイヤーを検出器の視線軸に対して垂直方向に回すことにより偏光信号を変調する.
3.3ワイヤーマテリアルの比較GroundBIRDで使用するワイヤーを選定するために,材質による違いを調べた. ワイヤーは大きく分けて金属と非金属のものを用意した. 前者は反射による偏光を,後者はワイヤー自身からの放射による偏光を測定すること意図する.
m]Ω [ρ-710 -610 -510
Am
plitu
de [m
V]
-210
-110
1
TungstenConstantanManganinChromelAlumelCarbon FiberKevler
表 1:ワイヤーの種類
材料 太さ [µm] 抵抗率 [Ω·m] 引張強度 [N/mm2] 振幅 [mV]
タングステン φ10 4.9×10−8 3700 0.32コンスタンタン φ25 5.0×10−7 290–370 0.44モレキュロイ φ25 — — 0.46マンガニン φ25 4.8×10−7 345–590 0.45クロメル φ25 7.0×10−7 620–780 0.45アルメル φ25 2.8×10−7 550–780 0.45ベリリウム銅 φ25 3.5×10−8 390–1070 0.44ケブラー 100 — 208 0.06カーボンファイバ 600 1.3×10−5 — 0.31
ワイヤーの材質を変えたときの偏光強度の図(左). ワイヤーが金属の場合,偏光強度は材質に依らずにほぼ一定となる. ただし,この図におけるケブラーの点は,その抵抗値が大き過ぎて測定不能であったため,ここでは2 × 10−5を仮定してプロットしている.
金属の場合,材質による偏光強度の大きな違いは見られなかった. またケブラーやカーボンファイバなどの非金属は金属と比較すると,その太さに対して得られる偏光信号が小さいことがわかった. 今回比較した材料の中では,金属ならばどの材質を使用しても遜色ないことが明らかになった．一方，較正装置として用いるには，
•丈夫である(実際的にワイヤーを張る際や観測中にに切れない)
•入手しやすさも重要な要素となる．したがって，タングステンがよい候補となる．
4.まとめ
GroundBIRD実験の鍵となる, ワイヤーを使った較正手法を実証する実験室実験をテストレシーバーを用いて行った. 較正原理を検証すると共にワイヤーの材質の選定を行った. 1)十分に大きな偏光信号を作れる, 2)丈夫, 3)入手しやすい，などの観点から，タングステンのワイヤーを候補として選定した. 今後は，本番を想定した, ワイヤーを固定した状態で望遠鏡を回転させた場合の較正の検証を行う予定である.
