南極望遠鏡ワークショップ

2015-11-17

気球搭載遠赤外線干渉計 FITEと南極干渉計への応用(Far-Infrared Interferometric Telescope Experiment)
芝井 広
佐々木彩奈
伊藤哲司
中道みのり
大山照平
谷 貴人
住 貴宏
松尾太郎
小西美穂子
須藤 淳
山本広大 (阪大理)
成田正直
土居明広
吉田哲也
斎藤芳隆
(ISAS/JAXA)
河野裕介(国立天文台)Altitude (km)
500

200

-Ray

X-Ray

UV

VisualLight

InfraredTerahertz

Radio Wave

100
50

20
100

AtmosphereOpaque
1 pm

1 nm

1 m

1 mm

Wavelength

1m

1 km

オリオン座方向の天の川「あかり」成功！
2006年2月22日打上げ
遠赤外線全天サーベイ

波長140 m (2.1 THz)

「あかり」
遠赤外線
全天マップ

Planck
ミリ波全天マップ遠赤外線観測の重要性と観測条件
恒星誕生の場：Orion-KL

スターバースト銀河：Arp220
星間ガスモデルスペクトル

観測されたスペクトル星間塵 （ダスト）

遠赤外線
遠赤外線
波長（m）(Watson 1984)

不透明(Takagi 2000)

大規模星生成領域ではエネルギーが遠赤外線に変換されて放射される。

スペースからの観測が必須

AB Aur, Enhanced-I@1.6 microns
Fukagawa et al. 2004

原始惑星系円盤／残骸円盤
1.3 mmHashimoto et al. 2011

AB Aur, PI@1.6 microns

Tang et al, 2012

遠赤外線は星間物質から天体が誕生しつつある状態に最も敏感

さまざまな望遠鏡の解像度
1000

3m Class
Telescope

PRONAOS

SOFIA

100

解像度 (秒角)

もっと細かく見たい！
解像度を上げたい！

IRAS

Herschel

SST

10ISO
AKARI

1SPICASUBARU
HST

電波や可視、近赤外線と比べて二桁解像度が悪
い0.1
JWST

ALMA0.010.1

VSOP, CHARA, VLT/MIDI, ,,,,

1

10100
(1mm)

波長 ( m)

1000
(1cm)

1000010cm)(遠赤外線は星間物質から天体が誕生しつつある状態に最も敏感

さまざまな望遠鏡の解像度
1000

SOFIA

100

SST

10ISO
AKARI

100K

1SPICAス
ペク
トル

SUBARU

0.1
JWST

SMA

30K

10K
ALMA

0.01
0.1

VSOP, CHARA, VLT/MIDI, ,,,,

Herschel

IRAS

HST

電波や可視、近赤外線と比べて二桁解像度が悪い

3m Class
Telescope

PRONAOS解像度 (秒角)

もっと細かく見たい！
解像度を上げたい！

110100(1mm)
波長 ( m)

1000
(1cm)

1000010cm)(遠赤外線は星間物質から天体が誕生しつつある状態に最も敏感

さまざまな望遠鏡の解像度
1000

SOFIA

100

SST10ISO

20m FIR干
渉計

AKARI

100K

1SPICAス
ペ
クトル

SUBARU

0.1
JWST

SMA

30K

10K
ALMA

0.01
0.1

VSOP, CHARA, VLT/MIDI, ,,,,

Herschel

IRAS

HST

電波や可視、近赤外線と比べて二桁解像度が悪い

3m Class
Telescope

PRONAOS解像度 (秒角)

もっと細かく見たい！
解像度を上げたい！

110

100
(1mm)

波長 ( m)

1000
(1cm)

10000
10cm)
(遠赤外線は星間物質から天体が誕生しつつある状態に最も敏感

さまざまな望遠鏡の解像度
1000

SOFIA

100

地球大気の吸収を避けるために、FIR干
宇宙へ！ 20m
渉計
まずは気球で・
SST

10ISO

AKARI

100K

1SPICAス
ペクトル

SUBARU

0.1
JWST

SMA

30K

10K
ALMA

0.01
0.1

VSOP, CHARA, VLT/MIDI, ,,,,

Herschel

IRAS

HST

電波や可視、近赤外線と比べて二桁解像度が悪い3m Class
Telescope

PRONAOS解像度 (秒角)

もっと細かく見たい！
解像度を上げたい！

110100(1mm)
波長 ( m)1000(1cm)

1000010cm)(FITE干渉計概念図
Off-axis Parabolic mirror

First plane
mirrorLight fromobjects

1560mmLight fromobjects

Second plane
mirrorSensorOpticsCryostat

Second plane
mirrorFirst plane
mirror遅延線不要の像再生法の発案・原理実証(Matsuo et al. 2008) 
Along the S-Axis, Optical Path Difference b  is generated.

Fourier Transformationof Visibility on the S-Axis
 ds12v 2ib (r )ce  ddI S  ,, v e 2iu 

Fourier Transformation on （u,v）planev ( r ) 2i c b   2i u
I S  , , v    dudv ds12 e
e




Source Image Can be Reconstructedwithout Delay LineS

Simulation of FITEInterferometer (BL:8m)

Ideal Point Source

Interference Pattern at 1ry Focus

5” Disk Source
1

22.5 mm (15 pixels)(A Monochromatic Point-like Source)

0.8・0.6・ ・・

0.4・0.20

Just like the Michelson's stellar interferometer・・・ ・・・・・・・・・・

FIR Linear Array新遠赤外線アレイ （Stressed Ge:Ga 15×4 Pixels）

電極板の改善•

パターン間隔が狭く、距離を長くとったため浮遊容量が発生

 ローパスフィルタを設置↳出力信号の発振
 差動増幅回路でオペアンプのゲインを1000倍に制限
差動増幅回路＋LPF
オペアンプ

Ge:Ga素子

2K

80K
84mm

新遠赤外線アレイ＋低温部初段アンプ
96mm

80K

84mm
2K

５階中、下２階が不具合 －＞ 15×3ピクセル

冷却光学系（アルミ合金製光学系）
Kohyama et al., 2009

遠赤外ビーム（－＞遠赤外センサー）
中間赤外ビーム（－＞中間赤外センサー）
可視光ビーム（－＞再度常温部へ）ビームシャッター機構
コリメータ
光学系

50 cm

入射光カメラ光学系

可視CCDへ

中間赤外センサー

遠赤外センサー遠赤外線センサー用ク
ライオスタット（1.6K)
外 形：φ680×820mm
重 量：100kg (Al合金製)
光学系： φ400×200mm
冷媒保持時間：35時間

コリメータ鏡焦点(F/4）

可視CCD (F/60）

カメラ鏡

遠赤外線アレイ(F/60）

軸外放物面鏡
ゼロデュア（口径412mm）

平面鏡 SiC（450ｘ600mm）

FITE干渉計概念図
Off-axis Parabolic mirror

First plane
mirrorLight fromobjects

1560mmLight fromobjects

Second plane
mirrorSensorOpticsCryostat

Second plane
mirrorFirst planemirror

FITE干渉計概念図
Off-axis Parabolic mirror

First plane
mirrorLight fromobjects

1560mmLight fromobjects

Second plane
mirrorSensorOpticsCryostat

Second plane
mirrorFirst planemirror

新放物面鏡調整機構－準パラレルメカニズムの創案－
シリアルメカニズム
パラレルメカニズム

準パラレルメカニズム

Hexapod@、Stuart Mechanism
放物面鏡調整機構

軸外放物面鏡

放物面鏡（直径412 mm、18 kg）取り付け部
2.0 ｍ

300 mm

焦点二次平面鏡

290 mm
1.6 ｍ

干渉調整機構スピンドルモーター

リミットスイッチ

放物面鏡調整機構の性能評価

ZY

1、1次の多項式近似式で制御プログラムを作成
X

CAN通信で制御

2、制御プログラムを用いたレーザー測長器による光学試験

PC

調整機構

レーザー測長器

3、35000 mの気球高度の環境（0.01気圧、-50℃）を想定した
真空低温試験
真空恒温槽

FITE干渉計概念図
Off-axis Parabolic mirror

First plane
mirrorLight fromobjects

1560mmLight fromobjects

Second plane
mirrorSensorOpticsCryostat

Second plane
mirrorFirst plane
mirror

新干渉計調整装置
Sasaki et al. (2014)（左）市販のシャックハルトマン波面センサーを改造し、視野内の2ビームを独立かる同時に波面計測する装置。
（右）高精度の参照球面（300mm径）も新規開発した。

FITE干渉計概念図
Off-axis Parabolic mirror

First planemirror

Light fromobjects

1560mmLight fromobjects

Second plane
mirrorSensorOpticsCryostat

Second plane
mirrorFirst plane
mirror二次平面鏡によるアラインメント

基線長方向調整機構

ティルト調整機構

ＦＩＴＥ新ゴンドラフレームの製作（オ－ストラリア用）
I/F、条件
強度
地上で吊下げた状態で地球の重力を１０倍にしても、破壊に至らない（破壊強度を越えない）。
（オーストラリアの場合）

クラッチ・ロック
組み立て室から打ち上げ場所への移動時にはロックが必要打ち上げ直前のブーム旋回時－接続部の間隔拡大で対処スリップリングなくすことで機構が簡素化

ゴンドラ構造本体CFRP角パイプ接着構造を基本
概念設計
応力解析（ANSYS）

製作前試験
CFRP角パイプ座屈試験
工場作業環境測定

製作
接着剤の真空脱泡
接着面積の保証（超音波探傷）

試験
構造機能試験棟の強度試験装置
で荷重試験（２５トン）

塗装
白色遮熱塗装

新・全体構造
リアクションホイール(3)

吊下げプ
レート

バラスト(2)

ジャイロ

望遠鏡構体

内枠

与圧容器

電池箱

フック(4)

錘移動ステージ(4)クライオスタット（干渉計アーム部は省略）

CFRP角パイプ圧縮座屈破壊試験（製造ロットも検査）

新ゴンドラフレーム

1.7 m
CFRP角パイプ接着構造
遮熱白色3重塗装
約100ｋｇ (外枠フレームのみ）

接着部の超音波探傷－合格
静荷重10g （25トン）の強度試験実施

ユニバーサルジョイント強度試験
25トン静荷重に耐えるユニバーサルジョイントを製作、試験した。

望遠鏡部（旧）

吊下げ部

広視野カメラ
望遠鏡構体
制御部

仰角駆動部

一次平面鏡

クライオスタット
干渉計腕

制御部（旧）

吊下げ部

干渉計部

送受信器
制御回路
（CPU6台）3軸リング
レーザー・ジャイロ

バッテリー
クラッシュ・パッド(6か所）

リアクション・ホイール（3台）

1秒角精度の姿勢制御のために従来の気球搭載望遠鏡では経緯台方式が採用された。
方位角：ゴンドラを鉛直軸周りに回転
仰 角：ゴンドラ内で望遠鏡水平軸周りに回転経緯台方式では、ゴンドラの振り子運動の影響を大きく受ける。
重心を吊り点とする
３軸姿勢制御の採用によって、1秒角の姿
勢安定性に目途

720秒角

気球フライト中の振り子運動

姿勢制御試験結果（Nakashima et al. 2011）
ロール角ステップ動作

ピッチ角ステップ動作

日周運動追尾動作

日周運動制御残差

姿勢センサー（3軸リングレーザージャイロ）

生出力
7秒角rms

周期成分除去＋ 10Hz LPF
処理後出力
0.14秒角rms

メーカー提示性能
角度分解能：20秒角（250Hzサンプリング）
ドリフト：極めて小さい新しい星像中心検出アルゴリズム

新OPC環境試験
4台、OS3種、光ファイバーI/F 2系統
フライト環境気温：-60～60℃
気圧：1/100気圧程度

FITE 主要諸元

人工衛星と同等の自律制御装置• 構造
外形：8.5m x 4.4m x 2.5m (H)
重量：1620 kg (バラスト含まず)
バラスト 800 kg
構造材：CFRPパイプ接着構造• 望遠鏡／干渉計
干渉計： ２ビーム Fizeau型干渉計
鏡：平面鏡４枚 (SiC) ＋ 軸外放物面鏡２枚 (Zerodur)口径: 40 cm (直径)• センサー
遠赤外線： 15 x 5 素子アレイ －＞ 15 x 3 素子アレイ
ビームモニター ： 中間赤外線アレイ（320x240素子）+ CCD４個
クライオスタット ： 超流動ヘリウム (30 リットル)• 制御システム
搭載制御回路：CPU６台＋機能ボード＋耐環境PC 4台
可動制御箇所：25 箇所電池：360 AH @ 24 volts (リチウムイオン二次電池)
データ伝送レート ：56 kbps + 800kbps
地上システム： QL ８台 + ビデオカメラモニター

FITE Control System
Attitude Control
Reaction Wheels(3-Axes)
Balancer (2-Axes)
TWR Control
ClutchRing-Laser Gyro
GA Sensor

House-Keeping System

Telemetry/Command System
4 Telemetry Transmitters
2 Command Receivers

CCD Cameras

Telescope/Interferometer

Optical Monitor
Beam Pickup CCD
Wide Field Camera

Elevation Drive
Parabola Mirror Transport (2)Parabola Mirror Tilt (3x2-Axes)
2ry Mirror Transport (2)2ry Mirror Tilt (2x2-Axes)
Beam Pickup Mirror

Main Control
System

OPC1
OPC2
OPC3
OPC4
OPC5
OPC6

FIR Sensor+ Control Electronics
MIR Sensor+ Control Electronics

CryostatBattery System

Li-Ion Batteries (4)Window CoverBeam Shutter
HeaterGround Support System
Telemetry
Data

PCM Decommutator
PCM Bit-Synchronizer

QL-Data Distributor
QL-Data Storage
QL-Interferometer
QL-FIR Sensor
QL-MIR Sensor
QL-Optical CCD & Pickup Camera
QL-Attitude Control
Observation Planning

192kbps

Transmitter
ReceiverCommandCommand Sender
Wide Field Camera
Monitor Display

Attempts - in 2008 & 2010 in Brazil
Landing Point
Second Station

Recovery PlaneBalloon

サンパウロ
SaoPaolo

Launch Base
打上基地

Collaboration with Brazilian Institute forSpace Science (INPE)

8m

2017年にオーストラリア
アリススプリングス基地
からフライトを希望For Future
May contribute to important
themes in space science

BETTII• Discoveryof formation of(NASA/GSFC)
first objects– by Detection of redshifted
MIR lines of H2 in metal-freegas clouds
FIRI (ESA)SPIRIT /SPECS (NASA)• Discovery of another earth– by Ultra-sensitive and Ultra
high-resolution Imaging withspace-borne MIR
interferometer (TPF/Darwin)
TPF-I (NASA)DARWIN (ESA)ALADDIN (France)
Barillot et al., 2006, SPIE-6268

南極赤外線干渉計への応用• ALADDIN• 中間・遠赤外線なら、FITE型のFizeau干渉計が有効。
– 高性能アレイセンサー（2Kx2K）が使える。
– 軸外し放物面鏡の製作が容易。
– 長い遅延線が不要（微調整、光路差操作分のみ必要）• 技術– 気球環境と南極環境は似ている。（低温＋リモート）– 新OPC、光ファイバー• ―70度でも動作するオールインワンCPU ＋ 光ファイバー―リンク– 準パラレルメカニズムを用いた光学マウント• 光学系の精密調整駆動用