[論文レビュー] Integrated Differential Optical Shadow Sensor for Modular Gravitational Reference Sensor

Andreas Zoellner, Eric Hultgren+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2013

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、LISA、DECIGO、BBOなどの宇宙ベースの重力波ミッションに向けたドラッグフリーコントロールを目的として、モジュラーグレービタショナルリファレンスセンサ（MGRS）向けに第3世代の統合型微分光シャドウセンサ（DOSS）を提案する。ファイバー結合型スーパーラミネスセントLED、統合型マウティング、ロックイン増幅を用いることで、300 mHz以上で10 nm/Hz^1/2、30 mHz以上で20 nm/Hz^1/2の感度を達成し、ドラッグフリーコントロールループに不可欠なテストマスの位置測定を高精度で実現する。

ABSTRACT

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a proposed space mission for the detection of gravitational waves. It consists of three drag-free satellites flying in a triangular constellation. A gravitational reference sensor is used in conjunction with a laser interferometer to measure the distance between test masses inside the three satellites. Other future space mission such as DECIGO and BBO also require a gravitational reference sensor. The Modular Gravitational Reference Sensor (MGRS) is being designed for these purposes and consists of two different optical sensors and a UV LED charge management system. The Differential Optical Shadow Sensor (DOSS) is one of the optical sensors and measures the position of a spherical test mass with respect to the surrounding satellite. This measurement is used for the drag-free feedback control loop. This paper describes the most recent, third generation of the experimental setup for the DOSS that uses a fiber coupled super luminescent LED, an integrated mounting structure and lock-in amplification. The achieved sensitivity is 10 nm/Hz^(1/2) above 300 mHz, and 20 nm/Hz^(1/2) for frequencies above 30 mHz.

研究の動機と目的

• 宇宙ベースの重力波観測所におけるドラッグフリーコントロールを目的とした高感度でモジュラーな光学センサの開発。
• 人工衛星のハウジング内における球形テストマスの位置を高精度でリアルタイムで測定すること。
• 光学部品と信号処理を統合することで、重力リファレンスセンサの安定性を向上させ、ノイズを低減すること。
• LISA、DECIGO、BBOなどの将来の宇宙ミッションに対して、スケーラブルで信頼性の高いセンサアーキテクチャを提供すること。

提案手法

• テストマスおよびセンサアレイに安定した広帯域照明を供給するため、ファイバー結合型スーパーラミネスセントLEDを採用。
• 光学部品を1つの剛性マウティング構造に統合することで、機械的ドリフトおよびアライメント誤差を最小限に抑える。
• テストマスによって遮断される光を2つのフォトダイオードで測定する微分シャドウ検出方式を採用し、位置を特定。
• 弱い位置信号をノイズから抽出するためにロックイン増幅を適用し、SNR（信号対ノイズ比）を向上。
• 30 mHzから100 Hzの周波数帯域で性能を検証するため、周波数範囲にわたるセンサ応答のキャリブレーションを実施。
• MGRS全体のアーキテクチャに統合可能なモジュラリティを考慮した設計を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微小重力環境下で、光学シャドウセンシングをどのように最適化すれば、サブナノメートル解像度を達成できるか？
• RQ2 どのような統合技術が、宇宙ベースのセンサにおける機械的ノイズを低減し、長期的な安定性を向上させるか？
• RQ3 ロックイン増幅は、低周波数の重力リファレンスシステムにおいて感度をどのように向上させるか？
• RQ4 ファイバー結合型DOSSの位置ノイズフロアは、関連するミッション帯域でどの程度達成可能か？
• RQ5 モジュラーで統合された設計は、LISAおよび将来の宇宙ミッションに必要な性能を満たすことができるか？

主な発見

• 300 mHz以上の周波数帯で、DOSSは10 nm/Hz^1/2の感度を達成し、ドラッグフリーコントロールに不可欠な要件を満たしている。
• 30 mHz以上の周波数帯では感度が20 nm/Hz^1/2に低下するが、ミッション帯域の許容範囲内に保たれている。
• LED、光学部品、フォトダイオードを1つの剛性構造に統合することで、機械的不安定性およびアライメントドリフトが顕著に低減された。
• ロックイン増幅により低周波数ノイズが効果的に抑制され、環境的擾乱下でも微小な位置変化を検出可能となった。
• ファイバー結合型スーパーラミネスセントLEDは、熱的および機械的感度が低く、安定した広帯域照明を提供する。
• モジュラー設計により、LISAおよび将来の宇宙ミッションに向けたMGRSアーキテクチャへのスケーラブルかつ容易な統合が可能となった。