p2 : 可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2012/2/22‐23 @ 国立天文台・三鷹

秋田谷洋 (広島大学・宇宙科学センター)akitaya@hiroshima-u.ac.jp

akitaya@hiroshima-u.ac.jp

先本 清志、川端 弘治、秋田谷 洋、原尾達也、浦野 剛志、吉田 道利、
大杉 節（広島大学）、中島 亜紗美（東京大学）、山下 卓也、中屋秀彦（国立天文台)（１） Introduction

表1: HONIRの主要な機能
使用環境
撮像視野
波長域

 可視赤外線同時カメラHONIR(おにーる)とは?
¾ 広島大学・国立天文台他の共同で開発を進めている、東広島天文台かなた望遠鏡(口径1.5m)用次期主力観測装置の一つ。
¾ 「3ch(可視x1・近赤外x2)同時」「撮像」「分光」「偏光撮像」「偏光分光」観測機能の搭載を目指している。
¾ 表1に主要な機能、図1に装置の概観を示す。
 開発の進捗・今後の見通し
2009/2 : 「1ch(近赤外)」「撮像」による初試験観測実施
2011/10‐2012/2 : 「2ch(可視・近赤外)同時」「撮像」機能による試験観測・サイエンスデータ取得 (現在)(今後)
2012年春～夏 : 「分光」「偏光撮像」「偏光分光」機能追加。
長期にわたる望遠鏡への装着・安定運用を目指す。
(将来的には、近赤外1ch追加による計「3ch同時」化が目標。時期は未定)
 装置の現状評価¾ 可視・近赤外線撮像において一定の性能は発揮できる。サイエンス
データ取得にも耐えうる。(図2)¾ 設計仕様の完全な達成・安定した装置稼働のためには、解決すべき課題が残されている。(=本報告の主題)（２）今後解決すべき課題
9 近赤外線装置効率の設計・実測間の不一致 (*; 2‐1)9 設計と異なるレンズ性能に対する原因追究と対策(*; 2‐2)
9 可動部分・センサーの動作安定化
9 装置内冷却性能の向上(*; 2‐3)9 検出器・レンズ位置の微調整機構実現
9 赤外検出器読み出しシステムの刷新・動作安定化
9 近赤外線検出器のノイズ減少
9 分光・偏光素子の導入など
このうち(*)印を記した項目を選び、詳細を述べる。

(2)-1 近赤外線装置効率:
設計・実測間の不一致
主要な波長帯における装置効率(望遠鏡含)について、設計値と実測値(大気減光補正を考慮した測光標準星観測に基づく)を比較した(図3)。

M42; J/H/Ks

近赤外1(VIRGO)
コールドボックス(=60K冷却)冷凍機ヘッド

NGC891 J/H/Ks

V/R/I

IR フィルター(T)

可視(CCD)DM

近赤外2(予定) コールドストップ(T)
焦点面
マスク(T)

可視フィルター(T)入射

T: ターレット

図2: HONIR取得画像例(疑似3色合成図)

図1: 装置概観。望遠鏡上の装置(左)、装置内部(右)(2)-2 冷却時焦点位置の設計との相違
冷却(約80K)時の装置入射焦点面位置が、設計位置よりも約7mm光線入射側にずれている(図4; 装置冷却時に、焦点面付近複数位置のピンホール像を瞳位置のハルトマン開口板を通して撮像することで推定)。
以下の問題がある。
9 光学系が設計と異なっている。総合的な光学性能発揮の上で障害となりうる。
9 焦点位置が真空デュワー入射窓の直近となり、焦点面マスクを設置できない。ス
リット挿入が必須の分光観測にとって致命的。
原因は特定できていないが、少なくともコリメータレンズの組立(球面レンズx7で構成)に問題があること(図5; 入射光が直進しない)が分かっている。
まずは、慎重な手順によるコリメータレンズの再組み上げを行い、状況改善の有無を確認する。
可視7mm

この不一致の原因としては、特に以下2つの不定性による可能性が高いと考えている。重点的に調査する。

その他にも以下の諸量が装置効率評価に関わるが、実測による確認が行われているなど、評価の信頼性は高い。
望遠鏡反射率（典型値） 、窓材透過率（設計値）、ダイク
ロイックミラー反射・透過率・フィルター透過率（分光光度計による実測値・一部は100K冷却下で測定)、検出器量子効率（仕様値)

かなた望遠鏡(口径1.5m; F/12)・カセグレン焦点
10’ x 10’ (0.3”/pixel)

0.5‐0.9μm / 1.15‐1.35μm / 1.5‐2.4μm (計3ch)(現状は0.5‐0.9μm / 1.15‐2.4μm; 計2ch)
検出器 (可視)浜松ホトニクス2K x 4K 完全空乏型CCD (15μm/pix)(近赤外1ch目) Raytheon VIRGO 2K x 2K HgCdTe array (20μm/pix)(2ch目は未定)
分光機能
Δλ/λ~ 350 ( 0.5‐2.5μm連続)(将来は 中分散(Δλ/λ~1000)・超低分散(R~30)も)(2012夏‐)偏光測定機能直線偏光測定(Δp<0.1%)(2012夏‐)LiYF4結晶Wollaston prism+ super‐achromatic 半波長板

近赤外波長域の効率実測値が設計の1/2以下に留まっている。

1. 検出器変換係数の不定性
装置効率実測値の確定に必要な検出器の変換係数g‘[ADU/e‐]について、近赤外線検出器の高ノイズのため最近の装置状況におけるphoton transfer curveを用いた実測評価が未完。この評価では、装置開発初期の測定値3.4e‐/ADUを用いたが、その後の装置設定変更により異なっている可能性がある。
2. 冷却下におけるレンズ透過率の不定性
実用冷却下 (約70‐85K)の特性が不明な硝材をレンズに用いている。設計には主に114K付近の特性を用いた。設計値が実際と異っている可能性がある。

Photo by R. Ito

焦点面
設計位置

近赤外#1

光線入射

後方スクリーン

レンズ前面

(a)

レンズ前面
レーザー入射位置(b)

後方スクリーン上レーザー照射位置

(c)

コリメータ
レンズ~1.9mm
上方に移動
レーザー

図5: コリメータレンズのレイトレース実験(a)。前面に入射したレーザー光(b)が、後方で約1.9mm上方に平行移動している(c)。

(2)-3 装置内冷却性能の向上
2011年12月～2012年2月の観測期中20日間にわたる近赤外線検出器温度(ヒーターによる温度制御は未実施)、光学定盤温度、望遠鏡ドーム内温度、装置真空デュワー内部圧力の変化を図6に示す。
ドーム内温度が0‐10℃の低温となる冬期間であるにも関わらず、検出器温度は安定維持の目標70Kを下回ることは難しい。大きな熱浴である光学定盤も数K低い程度。ドーム内温度に追随した変化を示していることから、外気温に直接影響されるぎりぎりの冷却性能が現れている。
冬季でも70Kの温度維持は不可能であり、より環境温度の上がる春～秋にはさらに冷装置内部圧力却は困難となることが予想される。よって、以下の対処を行い、冷却能力の向上を行う。
9 デュワー壁面研磨による輻射熱流入抑制
9 駆動用ステッピングモーターの発熱抑制
9 CCD検出器(170K制御)との適切な熱接
ドーム内温度続・温度制御用ヒーターの発熱抑制(※j実験都合による一時的な冷凍機停止による圧力上昇)

冷却時焦点面
実測位置

近赤外#2(未設置)
図4: HONIR光学設計と冷却時焦点面の実測位置

RIVHJKsB

図3: 主要な波長帯における装置効率の設計
想定値(実線)と実測値(●点)。

内部圧力については、約50日にわたる試
験観測期間通じて真空断熱に十分な10‐5 Torr程度を維持できた。しかし、外気温が高い春～秋の時期には、内部温度の上昇に伴う正味のアウトガス増加、断熱効果の減少といった悪循環が生じる可能性がある。そこで、未設置のモレキュラーシーブケースを冷凍機コールドヘッド直近に装着し、吸着ポンプとして動作させる。これにより、内部圧力上昇の抑制を図る。

近赤外線検出器温度
光学定盤温度

図6: 試験観測中20日間にわたる各種温度・圧力の変化。

謝辞
光学素子の透過・反射効率想定にあたっては、国立天文台先端技術センターの支援を受けました。ここに感謝申し上げます。