可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2016 国立天文台三鷹 11月24日-25日

小型スターリング冷凍機を用いた可視CCDカメラの開発○満田和真, 土居守, 酒向重行, 橋場康人, 小久保充(東京大学), 美濃和陽典, 早野裕(国立天文台),菅井肇, 下農淳司(東京大学), 松林和也, 服部尭, 鎌田有紀子, 尾崎忍夫(国立天文台)

kazuma@ioa.s.u-tokyo.ac.jp

CCDの高感度化, 特に完全空乏型の赤感CCDの登場などにより, 新規装置に搭載する目的に加え, 既存装置のカメラのアップグレードが行われるようになり, 大型望遠鏡ならびに小望遠鏡においても, 可視CCDカメラの開発は近年ますます盛んに行われるようになってきた.
我々は, 西はりま天文台なゆた望遠鏡に搭載されている可視撮像分光装置LISSにおいて, 小型で安価なスターリング冷凍機(ツインバード社 SC-UD08)を用いた可視CCDカメラを開発した. その経験を活かし, すばる望遠鏡に搭載されている可視面分光装置Kyoto 3DIIのCCDアップグレード(完全空亡CCD搭載)を行った. これらのカメラ開発過程において, 特に真空が維持できないという問題が起きた. そこでヘリウムガスとリークディテクタを用いて試験を行い, Oリングに原因があることを特定した. Oリングの材質を見直したところ, 真空は問題なく維持できるようになった. また, 補償光学を用いて高解像度の観測を行うKyoto 3DII用に開発したカメラでは冷凍機の振動が結像性能に影響しないよう振動吸収機構を搭載した. 結果, CCD上に結像される多瞳像の大きさに冷凍機の電源を入れているときと切っているときで有意な違いが見られないことが確認できた. これらのカメラと同様の機構は, なゆた望遠鏡に搭載されている可視分光装置MALLSのCCDアップグレード, また同望遠鏡に搭載予定の15色同時撮像装置DMCのCCDアップグレードでも用いられる予定である. 本講演では, この冷凍機を用いる際の真空の切り方, またその際の注意点を中心に,Kyoto3DII用のカメラを開発した際の真空試験, 振動試験の内容を報告する.

① 小型スターリング冷凍機② デュワーへの搭載● ツインバード社 SC-UD08

LISS(Line Imager and Slit
Spectrograph; なゆた望遠鏡で運用中),
Kyoto 3DII(すばる望遠鏡で運用中),
Stirling Cooler
SC-UD08│FPSC モジュール UD08│ And Low-dispersion
MALLS(MediumLong-slit Spectrograph; なゆた望遠鏡
マイナス１００℃までの冷却性能で 小型軽量、高性能なスターリング方式冷凍機。
ポータブル機器へのビルトインが可能です。
で運用中)の新デュワー(開発中), DMC(Dichroic Mirror Camera; なゆた望遠モジュール UD08│
鏡に搭載予定)の新デュワー(開発中)ではツインバード社のスターリング冷凍機
高性能なスターリング方式冷凍機。
Fig.1. SC-UD08の全体像(ツイ SC-UD08を用いる.
ンバード社のカタログより)
この冷凍機は小型(ヘリウム配管不要)で安価(1台10万円程度)ながら, 可視ンのCCDには十分な冷却能力(-100℃で15W程度)がある. 24V直流電源で動作する.

振動吸収機構SC-UD08

スターリング 冷 却モジュー ル SC - UD 08 の 特 徴■ フリーピストン・スターリング方式冷凍機

環境に優しいヘリウムガスを使用し、ツインバードの技術により開発されたフリーピストンのスターリング方式冷凍機です。

195■ マイナス１００℃までの冷却が可能

φ140

マイナス１００℃からマイナス２０℃までの幅広い温度に設定が可能。

吸熱部■ 精密な温度制御が可能

冷凍機

16118

60

CCD

製品仕様
項

φ140

仕目

SC-UD08

製品寸法

W175×D195×H290mm

冷媒

φ37.7

冷凍能力

ヘリウムガスDC24V・6A

60W 以上（25℃環境

吸熱部温度 -23.3℃）

25W 以上（25℃環境

吸熱部温度 -80℃）

90±20W

吸熱部温度範囲−100℃〜−20℃

使用温度範囲0℃〜35℃

振動

15μm 以下（peak-to-peak）

排熱部冷却方式

空冷

試験条件：周囲温度 25℃

60~200mm

5040Fig.3. Kyoto 3DII用デュワーの全体像 浜松
ホトニクス 2k x 4k 完全空亡型CCDを搭載する. また, 高解像度で面分光を行う装置であり冷凍機の振動の結像への影響を防ぐため振動吸収機構(下写真)を搭載している.

冷凍能力 3050dB（A）以下（冷凍機から水平 1m 距離において）①出力設定（1 〜 5Ｖ、4 〜 20mA 入力の範囲において）

234

290

118

性能曲線

3.0MPa

消費電力

ノイズレベル

W

70

3.5kg

175

電源

16様

品番

吸熱部
製品質量

要あ

234

290

２４時間の連続運転が可能で、冷媒交換などが不要なので、メンテナンスがほとんど必要ありません。

195

Oリング凍結対策

118■ 高い信頼性②駆動・停止指示信号入力③動作警告信号出力

制御機能④緊急異常信号出力⑤放熱ファン用出力

2010⑥出力上昇速度設定⑦排熱部温度上限設定

118⑧最大電流設定
60

保護装置

温度過昇防止装置：サーミスタ、電流ヒューズ：10A

付属品

駆動基板（SC-TD08-50）、放熱用ファンモーター

0-110-100-80-60

吸熱部温度-40-20-10

試験条件：周囲温度 25℃③ 真空試験について
SC事業本部〒959-0292 新潟県燕市吉田西太田 2084-2

お問合せ窓口60

T EL：0 2 5 6 - 9 2 - 6 1 7 3 FAX：0 2 5 6 - 9 3 - 6 1 6 8
URL：h t t p : / / f p s c . t w i n b i r d . j p
E-m ail：s c@twinbird.co.jp● 真空漏れ問題

50

PRINTED IN JAPAN 12.02.010-B01 カタログNO：SC-003,1000

Kyoto 3DII 用デュワーを開発した際の初期の真空試験では, 真空ポンプを用いて10-6 Torr台まで引けるものの, バルブを閉じてポンプを切り離すと真空度が悪化する, すなわち真空の維持ができない症状が見られた.
C
吸熱部温度
左図は真空冷却試験におけるCCDおよび冷凍機ヘッドの温度変化(上段, a)とデュ(1)(2)
ワー内の真空度の変化(下段, b)の様子である. (1)の時点でバルブを閉じ, 真空維持の試験に入って, 2-3時間程度で10-2 Torr
時間 [hour]程度にまで真空度が悪化し, 同時にCCDと事業本部
Fig.6. 真空漏れが起きていたときの真空試-0292 新潟県燕市吉田西太田 2084-2
験の結果. (a): 温度の変化(赤がCCD, 緑が冷 冷凍機ヘッドの温度も上がっている. 運用
合せ窓口
デュワー内の真空度：0 2 5 6 - 9 2 - 6 1凍機ヘッドの温度),
7 3 F AX：0 2 5 6 - 9 3 - 6 1 6(b):8
温度の-100℃に到達していないため, このUR L：h t t p : / / f p s c . t w i n b i r d . j p
il：sc @twi nbiの変化.
rd .c o. j p(1)の時点でバルブを閉じて真空維持の試験に入り, (2)の時点で再度バルブを 問題を解決する必要があった.
403020100-110-100-80-60-40-20-10す。輸出する際は、輸出許可証が原則必要です。詳しくは弊社ホームページ上で確認ください。

PRINTED IN JAPAN 12.02.010-B01 カタログNO：SC-003,1000開き, ポンプで真空を引きなおした.

● 解決: Oリング材質の見直し
リーク試験によって冷凍機部分でリークしていることがわかった. さらに, ATCの岡田氏の助言を受け, Oリングをシリコーンからニトリル製のOリングに交換した. その上で再度リーク試験を行ったところ, リークは見られなくなり, 真空漏れの問題は解決した. ただし, まだアウトガスはあったため,これについてはKyoto3DIIでは冷却部に接着した活性炭で吸着することで解決した.
ところで, それまでシリコーンOリング(もちろん真空用である)を使っていたのは対寒性能が良いためで, ニトリルOリングの使用可能温度が-30℃以上に対して, シリコーンは-50℃以上である. また, ゴムの性質を失うガラス遷移点はニトリルが-85℃に対してシリコーンが-125℃である. このOリングを使用する箇所は冷凍機ヘッドに近く冷やされる可能性があったため, 念のためシリコーンを用いていたが, 現在ではニトリルでも問題がないことが確認できている. また, LISSではOリングを交換せず, そのままシリコーンOリングを用いているが,イオンポンプをで真空度を保っている.

Fig.8. (左)シリコーン製Oリング. (右)ニトリ
ル製Oリング- いまヒー- 真空・※シリチェーンクランプ
アダプター本体- 冷凍機-→ 一応Oリングのあたりをヒーターで加熱しながら使う(?)
デュワー側(振動吸収機構)に- いまヒータ(~13W)で加熱(やんわりあったかい程度)
付属するNW63フランジ

冷凍機ヘッド- 真空・温度に悪影響がないことを確認済み

安 全 に 関 す る 注 意：商品を安全に使うため、使用前には必ず「取扱い説明書」を良くお読みください。
輸出管理に関する注意：この商品は「外国為替及び外国貿易法」の該当品および「米国輸出管理法」の規制対象品目です。輸出する際は、輸出許可証が原則必要です。詳しくは弊社ホームページ上で確認ください。

性能曲線→ 一応Oリングのあたりをヒータ

Oリング押さえ板

C

Fig.2. ツインバード社のカタログより転載. (左) SC-UD08の図面と各部分のサイズ(mm). 質量は3.5kgである. (右) SC-UD08の性能曲線. -100℃でも15弱程度の冷却能力があることがわかる. 2k
x 4kのCCD1枚を冷やす場合,-110から-120℃程度までは冷却することができた.
販売店／
W

クトである.

Oリング際まで冷える

対冷性能
ニトリル: -30℃
シリコーン: -50℃※仕様は改良のため変更することがあります。

70O

補足
SC-UD08には真空用のフランジがないため,専用のアダプターを設計製作した.
振動吸収機構デュワー側にNW63規格のフランジを用意しておき, チェーンクランプで接続する.

■ 自由自在なビルトイン冷凍機と放熱器とファン、マウントケース、駆動基板を一体化したモジュールです。
コンパクトなサイズで、設置姿勢を問わずビルトイン可能です。
市販のスイッチング電源（DC24V）で駆動します。

左図および右図にKyoto 3DIIおよびLISSで用いられたデュ対冷性能
ワーへ冷凍機を搭載した例を示す. 冷凍機ヘッドをデュワーの内側へ差し込むような構造になっている.
ニトリル: -30℃
冷凍機
また, Kyoto 3DII ではデュワーと冷凍機の間に蛇腹管とウシリコーン: -50℃
レタンゴムを用いた振動吸収機構を搭載した. 振動の試験については④に記述する. LISSではこの機構は搭載していない(O Fig.4. LISS用デュワーの様子. 浜
リング抑え板と冷凍機本体の間にゴムの輪を挟んでいるだけ) 松ホトニクス 2k x 1k 完全空亡型CCDを搭載する. 振動吸収機が, 問題は起きていない.
構を搭載していないためコンパ● 真空を切る部分の設計

175

φ37.7

冷凍能力が０〜６０Wまで可変で、細かいの温度制御が可能です。
温度調整器との組み合わせでリニア制御が可能です。

~600mm│ FPSC モジュール UD08 │CCD

Oリング凍結対策● デュワーへの搭載例

冷凍機

Stirling Cooler

補足

Fig.5. 冷凍機ヘッドの真空を切る部分の設計

Oリング(右上の写真では見えていない)※シリコーンOリングのときは悪化したが....

● リーク試験
Kyoto 3DII用デュワーの真空漏れ問題の解決のため, 国立天文台先端技術センター(ATC)においてヘリウムガスとリークディ
2015年4月2日木曜日
テクタを用いたリーク試験を行った.
右図のようにデュワー部分と冷凍機部分に分離してからそれぞれ試験を行った(右図aとb).
冷凍機部分にヘリウムガスを吹きかけた際のみ, リークディテクタの真空度グラフが上昇した(c). また, ディテクタとは別に設置していた真空センサーの値には有意な変化は見られなかったため, この試験にはリークディテクタが不可欠であった.

- 冷凍機-フランジ間のスペーシングOリングは1枚に
図 3.1: 装置断面図
2015年4月2日木曜日(a)デュワー部分(b)冷凍機部分(c)リークディテク
タの様子

4He注入

Fig.7. リーク試験の様子. (a) デュワー部分にヘリウムガスを吹きかけている様子. (b) 冷凍機部分(専用アダプターで真空を切っている箇所)にヘリウムガスを吹きかけている様
子. (c) 冷凍機部分にヘリウムガスを吹きかけた際のリークディテクタの反応. 冷凍機部
-9 Torr --> 1.1x10 -7分に吹きかけたときに真空度が上がった様子がわかる(3.0x1026Torr).

振動試験④ 振動試験についてx軸※机に伝わった振動も入っている

振動吸収機構なし

v~83Hz, A(p2p)~21um

振動吸収機構あり
v~76Hz, A(p2p)~1.8um● レーザー変位計を用いた試験
右図のようにレーザーでCCD面に面の振動を測った. 3軸それぞれで, 振動吸収機構なしでは数10um(peak-peak)だったのが, 機構ありでは2um以下に抑えられており, 1pixel(15um)より十分小さい. また, 測定された周波数~80Hzは冷凍機のピストンの周波数と一致している.
さらに, この試験ではデュワーの固定が不十分であり, また作業台も振動していたため測定された振動は上限値であると考えられる. 実際, 振動吸収機構を搭載していないLISSでは星像などに振動の影響は見られない.

1mV=0.1um

v~76Hz,
A~30umv~70Hz,A~1.6um
Figure 4.in Left:absorber
attached between the CCD
and cooler.
Right: Vibration absorbey軸(45degx-y) Vibration
the cooler and main frame of the dewar.

z軸(45deg in z-x)

v~78Hz, A~42um

v~76Hz, A~1.9um

2015年3月26日木曜日
Figure 5.

● 装置に取り付けた後の試験
Fig.9. ニトリル製Oリングに交換後に再度リーク試験を行う様子. Oリング部分にピンポイントにヘリウムガスを吹きかけている.

Fig.10. (左)ヘリウムガスを吹きかける前のリークディテクタと, 別に設置した真空センサーの様子, (右)ヘリウムガスをかけて3時間ほど待機した後. 3時間待ってもディテクターに有意な変化はなかった.

Kyoto 3DIIはlensletタイプの面分光装置であり, 分光素子を光路上に入れないことで, 右図(a)のような多瞳像を取得できる. この多瞳像のサイズは装置内部の結像性能で決まるため, 冷凍機をONにした際とOFFにしたときで多瞳像のサイズを比較し冷凍機の振動の影響を調べた.
右図(b)のように, サイズ分布に有意な差異は見られず, 冷凍機の振動の影響が結像性能に影響していないことが確認できた.

7
Example of the vibration measurement of the CCD for the y axis direction. (a): Setting
Fig.11.
振動試験の様子.
中, 下段はそれぞれレーザーの入射方向を変えmeasuringexperiment. (b):上,Vibration
amplitude (peak-to-peak) with the vibration absorbers. (c): V
without the absorbers. (左) レーザー変位計のセッティング. (中央)振動吸て実験したものである.

収機構なしでの振動の様子(上の数値は周波数vとpeak-to-peak振幅). (右)振動吸収機構ありでの振動の様子.

(a)

(b)

Fig.12. (a) 人工光源を用いた多瞳像の例. 約1000個の多瞳像が映っており,
Figure 6. Histograms of FWHM of the micropupil
images with the cooler on (red) and off (blue). E
サイズは装置内部の結像性能で決まる.
(b) 冷凍機をONにした際(赤)とOFF
computed from Poisson statistics.にした際(青)の多瞳像のFWHM分布. エラーバーはポワソン統計を仮定してつけた. 2つの分布に有意な差異はみられない.

References: H. Sugai et al., 1998, Proc. SPIE, 3355, 655; H. Sugai et al., 2000, Proc. SPIE 4008, 558: H. Sugai et al., 2010, PASP, 122, 103; H. Sugai et al.,2004, ApJ, 615, L89; H. Sugai et al., 2005, ApJ, 629, 131; T. Goto et al., 2008, MNRAS, 386, 1355; K. Matsubayashi et al., 2009, ApJ 701, 1636; K.
Matsubayashi et al., 2012, ApJ 761, 55; H. Sugai et al., 2007, ApJ, 660, 1016; K. Matsubayashi et al., 2016, PASP, 128. 5003; Y. Kamata et al., 2010, proc.
SPIE, 7742, 774229; Hashiba et al., 2014, proc. SPIE, 9147, 91472J; S. Sako et al., 2008, proc. SPIE, 7021, 702128; S. Sako et al., 2012, proc. SPIE, 8446,8446L; Mitsuda et al., 2016, proc. SPIE, 9908, 99.