概要
広島大学では可視赤外線同時カメラHONIRの開発を進めている。HONIRには2つの赤外線検出器が搭載可能だが、現在は1つしか搭載されていない。
2つ目の検出器の候補として、国立天文台、浜松ホトニクス社などと協力して、天体観測用国産赤外線検出器の開発を進めている。今回はメーカーが作成したエンジニアリンググレード素子について、メーカーでは実施されていない、実際の観測環境下における性能評価及び試験観測を実施した。この結果をメーカーへフィードバックし、HONIR搭載を目指し、国産赤外線検出器の開発を進めていく方針である。

１ HONIRとかなた望遠鏡

HONIR
・Hiroshima Optical and Near InfraRed camera (可視赤外線同時カメラ)

かなた望遠鏡・かなた望遠鏡のカセグレン焦点に搭載。

口径1.5m。 駆動速度は
方位方向： 5度/秒
高度方向 ： 2度/秒と、このクラスの望遠鏡としては世界最速クラス。
➡ GRB等の突発天体に即座に対応可能。

・可視1、近赤外1バンド(将来的には近赤外2バンド) による同時撮像、分光および偏光撮像、偏光分光観測が可能。

図1：かなた望遠鏡とHONIR

・浜松ホトニクス社製。
読み出しシステムには一部HSCエレキを使用。

図3：1.3k×13kInGaAs検出器

諸量

有効画素数

1280×1280[pixel]画素サイズ

15×15 [μm]有効受光面サイズ

19.2×19.2[mm]波長感度(室温)

0.95-1.7 [μm]2 or 8

表1：1.3k×13kInGaAs検出器の諸性能

Y, J-band (予定)

J, H, Ks-band

図2：HONIRを上から見た図

図4：0.5W豆電球を用いた波長－信号強度のグラフ

５ 1.3k×1.3k InGaAs赤外線検出器の課題

図6： 木星の3色合成写真
撮像日時：2017/3/28 積分時間 ：2.2s
Red=Hband(~1.6um) 21:13:10
Green=Jband(~1.25um) 21:06:10
Blue=Yband(~1.0um) 21:12:38
画像左下：ガニメデ 右上：エウロパ

1.3k×1.3k InGaAs素子
エンジニアリンググレード
ナスミス焦点~35 [𝒆− ]VIRGO検出器
HONIR搭載時
カセグレン焦点~30[𝒆− ]<150000[𝒆− ]<150000[𝒆− ]6.67[𝒆− /ADU]
510416 [pixel]

11.6[𝒆− /ADU]~28000 [pixel]

口径D[cm]の望遠鏡に等級Mの天体から1秒間に入射する
光電子数の期待値は𝑴
𝑫 𝟐∆𝝀 𝑭𝝀 𝝀−𝟐.𝟓𝝅( 𝟐 ) × 𝒉 𝒄 × 𝟏𝟎・・・(式1)
𝛌: バンドの中心波長[Å] ∆𝛌:波長幅 𝑭𝝀 : 0等級のフラックス
𝑫𝟐 =𝟏𝟓𝟎𝟐 (主鏡) -𝟑𝟐𝟐 (副鏡) [cm] （かなた望遠鏡の場合）この式から得られる値と、photで得られた値の比を量子効率とした。

Yバンド

Jバンド

Hバンド

標準偏差6.37

3.171.81

量子効率(５天体の平均）±標準誤差31.62±2.85%

45.35±1.42% 54.13±0.81%

表3：1.3k×1.3k InGaAs検出器の量子効率の参考値

一次処理の過程で見かけ上は改善していくが（図９）、露出時間によって形状が変化していく等、安定性に欠ける為、データ
図8： dark画像のカウントの横断面図の信頼性に欠ける。
上→128pix素子 50s積分
現在、原因を調査中で今後の 左右の黒いピクセルはreferenceピクセル
下→1.3k素子 102s積分
課題となっている。

図9： M3星団のデータを用いた一次処理による枠状模様の変化の過程
左→生画像 中→dark引き 右→flat割り

６ まとめと今後

表2：1.3k×1.3k InGaAs素子の140Kでの基礎特性とVIRGO検出器（数値は 大橋et.all2013から引用）との比較

・試験観測時に取得したM3星団（図は3色合成写真。）を用いて各波長域での量子効率を導出した。尚、当日は雲が多い中での観測であった為、あくまで参考値である。
測光にはIrafのphotを使用。パラメーターは以下の通りである。
FWHM=9.86 (pix) = 1.6762(秒角) , aperture=annulus=1.6FWHM , dannulus=3(pix)

図7：M3星団の3色合成写真。
解析には赤丸で囲った5天体を使用。
周囲に天体が少なく明るい天体から暗い天体まで5天体を選定。

近赤外線検出器1VIRGO

・1.3k×1.3k素子の性能評価を通して、以前試験的に開発した128×128素子には見られなかった、referemceピクセルと通常のピクセルの間に周囲よりも低カウントの枠状の模様があることが判明した。（図８）・試験観測の際に取得したデータを用いて、観測環境下における基礎特性の評価を行った。表2に各測定値を載せる。
バッドピクセルを除いた統計を取った場合、HONIRに搭載しているVIRGO検出器と同レベルのノイズやリニアリティを達成していることが判った。
しかし、バッドピクセルが多いため、このチップの観測投入は難しい。バッドピクセルの少ないサイエンスグレードの試験を今後行う予定。

ノイズリニアリティ(1%精度)
ゲイン
バッドピクセル

近赤外線検出器2（InGaAs検出器？）・温度間でバラつきが大きいが、素子の特性によるものか、実験方法の影響によるものか不明。今後、方法を変えた測定を検討中。

・2017/3/28-29にかけて、かなた望遠鏡ナスミス
焦点にて1.3k×1.3k InGaAs素子エンジニアリンググレードの試験観測を行った。温度は140K。
観測には Y,J,H バンドを用いた。図６に木星の3色合成写真を載せる。

項目

DM・キャンパス実験室にて0.5W豆電球を用いた波長相対感度測定を実施した。（図４）
・冷却下（<217K）にて常温域(270K)に比べ、カットオフ波長が短波長側に移動することを確認した。これはInGaAsのバンドギャップの温度特性によるものである。

３ かなた望遠鏡ナスミス焦点での試験観測及び性能評価

図5：試験観測時のセットアップ
写真中央の金色のものがデュワー

B, V, R, I, Yband

４ 波長相対感度測定

項目

読み出し
ポート数

シャッター

可視検出器
CCD

・2つ目の赤外線検出器の候補として、広島大学では現在、国立天文台と共同でInGaAs検出器の開発を進めている。この検出器がHONIRに搭載された場合、Y,Jバンドを観測する予定で、現在よりも観測波長の選択肢・観測時の情報量が増加し、突発天体に対して力を発揮する。

２ InGaAs赤外線検出器

・InGaAsを用いて検出器を作成することで、比較的安価に国産での作成が可能。

入射光・1.3k×1.3k InGaAs検出器のエンジニアリンググレード素子を用いた試験観測、及び冷却下における基礎特性性能評価を実施した。ノイズやリニアリティが、HONIRのもう一つの検出器VIRGOと比べても同程度であることから、広島大学としては観測投入可能なレベルであった。
・冷却下では常温域(~270K)に比べて、カットオフ波長が短波長側にシフトすることを確認した。
・128×128素子には見られなかった枠状の模様があることが判明した。これは今後の課題である。
・今後は、今回実施できなかった1310nmレーザーを用いた量子効率の導出、サイエンスグレード素子の試験を行う予定。