TMTの概要と日本のセグメント主鏡開発状況

国立天文台・TMT推進室
山下卓也

TMTの概要

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

2

TMTの構造の特徴
・主鏡直径：30ｍ
主鏡直径：30ｍ
・492枚分割鏡で軽量化
・口径比1.0でコンパクト化
・レーザーガイド
レ ザ ガイド
補償光学を装備
・観測装置は全て
観測装置は全て
ナスミス台に配置
・第3鏡で装置選択

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

3

ＴＭＴ
幅６０ｍ
高さ ５１ｍ

すばる望遠鏡幅 ２７．２ｍ
高さ２２．２ｍ

大きさ比べ
主鏡径 3.8倍
幅2.2倍
高さ2.3倍重量比べ
2200t/550t 4倍

2015/12/9

17.5
R

装置WS・技術シンポ

27.6
R

4

ＴＭＴドーム
ＴＭＴドム
直径６６ｍ
高さ５６５６ｍ

すばるドーム
すばるドム
直径４０ｍ
高さ４３
高さ４３ｍ

大きさ比べ
ド ム径1 7倍
ドーム径1.7倍
ドーム高さ1.3倍
2015/12/9

17.5
R

装置WS・技術シンポ

27.6
R

5

観測装置レイアウト
第一期観測装置
その他の計画中の装置

IRIS

MOBIE

IRMS
S

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

6

観測装置の切り替え

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

7

TMT建設地 TMT site
ハワイ島マウナケア山
ワイ島マウナケア山 MaunaKea
M
K

ジェミニ
ジ
ミニ
Gemini

TMT建設予定地
TMTsite
標高4012m

2015/12/9

ケック
Keck

装置WS・技術シンポ

すばる
Subaru8

TMTの威力：
大集光力と高解像度

ハッブル望遠鏡の分解能

TMT30 AO付き
TMT30ｍAO付き

TMTの解像度＝すばるの4倍
TMT の感度＝すばるの14倍~200倍

解像度 3.7倍に3 7倍に集光力 13倍に装置WS・技術シンポ

回折限界での効率 ~ 口径42015/12/99

初代星・初代銀河の形成と宇宙構造の起源の解明露出時間：15時間
露41，533個の中から１つだけ見つけた
10

TMTによる地球外⽣命探し

TMTは系外惑星の⼤気を分光しその成分を調べることができる
TMTは系外惑星の⼤気を分光しその成分を調べることができる。
酸素などのバイオマーカー、および温暖化ガスが発⾒されれば、地球外⽣命の可能性も地球外⽣命の可能性も…
恒星のスペクトル

惑星⼤気

主星

惑星⼤気中の酸素や温暖化ガスの検出=⽣命の痕跡の探索や⽣存の環境を調べる
2015/12/9

惑星装置WS・技術シンポ11世界の次世代超大型望遠鏡計画
計画

ＴＭＴ

ＧＭＴ

Ｅ－ＥＬＴ

直径

30m

22m(8.4mｘ７）

39m

建設地
(標高）

ハワイ：マウナケア
ハワイ
マウナケア(4050m) 北の宇宙

チリ：ラスカンパナス
チリラスカンパナス（2550m）南の宇宙

チリ：セロアルマソネス
チリ
セロアルマソネス（3060m）南の宇宙

予算規模

1,500億円

1,100億円（推定額）

2,000億円（推定額）

完成予定

平成36年?

平成33年

平成37年

メンバー

日本、米国、カナダ、中国、インド

米国（カーネギー天文台、米ネギ台ほか）、韓国、オーストラリ
ア、ブラジル・サンパウロ州

2015/12/9（注：7枚の内、4枚で初期運用）

装置WS・技術シンポ

欧州南天天文台(15ヶ国）

12

国際協
国際協力で実現
実現

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

13

建設期経費
建設期経費の内訳と役割分担
訳 役割分担建設における役割分担

建設期経費（約1500億円）の内訳
ドーム
管理費等共通経費

日本

米国

中国

インド

カナダ

山頂施設

○

○

○

○

○

山麓施設

○

○

○

○

○
○

ドーム
ド
ム

望遠鏡本体
構造
主鏡材
・研磨

インフラストラクチャ

望遠鏡製作・組立

○

主鏡材

○

主鏡研磨

○

○
○

副鏡

○

光学

2015/12/9○

鏡洗浄蒸着機構

主鏡制御系
副鏡・第三鏡

○

主鏡制御
望遠鏡制御

○
○

主鏡支持機構第三鏡

付属施設・運用ソフト等 観測装置 補償

○

○

○

○○

補償光学

○

レーザー
観測装置

○

○

○

○

○

観測所人件費等

○

○

○

○

○

装置WS・技術シンポ

14

TMTにおける国際協力
望遠鏡

ドーム

主鏡材

副鏡
観測装置

主鏡

補償光学

第3鏡
付帯設備
制御系・ソフト15
2015/12/9

装置WS・技術シンポ

15

ＴＭＴ国際天文台(ＴＩＯ)の設立• 各メンバーの代表で構成されるＴＭＴ評議員会が意思決定を行う。
• 望遠鏡構造・主鏡等の製造はＴＩＯとの契約の形で実施。
ＴＭＴ評議員会(Board of Governors)
構成員：各メンバー代表
意志決定（準メンバー：建設後期に正式メンバーに移行予定）

ＴＭＴ国際天文台
国立天文台(日本）
2015/12/9

カリフォルニア工科大、カリフォル ア大
カリフォルニア大、
米国天文学大学連合

国家天文台
(中国）

• 自然科学研究機構• カリフォルニア工科大学• カリフォルニア大学• 中国国家天文台• インド科学技術省• カナダ国立研究会議
米国天文学大学連合／ＮＳＦ

ＴＭＴ連
携機構
(インド）

装置WS・技術シンポ

カナダ
天文学大学連合実行機関
16

主鏡以外の日本の主な貢献
2015/12/9

装置WS・技術シンポ

17日本の寄与：望遠鏡本体
 すばる望遠鏡製作の実績を踏まえた各国の要請による
TMT望遠鏡本体構造および制御系の設計・製作・現地据付・試験
 軽量堅固なトラス構造
 ⾼い追尾/指向精度
 主鏡着脱機能 主鏡CO2洗浄機能
主鏡 O 洗浄機能
 免震安全機構
 望遠鏡の要となる本体構造を⽇本が設計製作

2015/12/918
この図の副鏡・第三鏡・観測装置以外を担当
装置WS・技術シンポ

第一期観測装置開発
1) 近赤外線撮像分光装置の撮像系
2) 可視多天体分光装置のカメラシステム

30マイクロ秒のアストロ
ク 秒
メトリを目指す撮像系の設計、製作、評価、立ち上げを日本が担当

可視多天体分光装置
近赤外線撮像分光装置
2015/12/9

装置WS・技術シンポ

19

TMTの主鏡

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

20

TMT望遠鏡のセグメント主鏡（分割鏡）
セグメント鏡＋支持機構

セグメント鏡492枚

2015/12/9TMT望遠鏡の30m主鏡
装置WS・技術シンポ

21

セグメント鏡の配置
666755

セクターB

4546365747372340

11631321725181274851191380
72615051
4233
26

セクターA

797160412416349

3070

5939

22105848291578
69

38

28
2177
68

56

81827362527463
53

43342775
76

64
65
54

4435201492セクターC

セクターF
セクタ
F

セクターD
-

2015/12/9

セクターE

装置WS・技術シンポ

82種類×6=492枚
中心からの距離に応じて微妙に表面形状が異なる
22

セグメント鏡の仕様• 492セグメント（+蒸着交換用82枚）– 82種類× (6 (+1)枚)• 単体のセグメント鏡– 対角長：約1.44m、厚さ 45mm
– 仕上げ面精度：

誤差のの2乗(nm2)• 右図の構造関数（旧仕様）

長さスケール(m)2015/12/9

装置WS・技術シンポ23

セグメント鏡のメリット・デメリット• メリット– 単一鏡では製作できない口径の鏡を製作できる– 鏡の厚さを非常に薄くできる
鏡さを非常 薄く きる• すばる 200mm v.s. TMT 45mm
• 主鏡重量を軽減できる• → 全体重量を軽減できる• 熱慣性を小さくできる• → 温度追随性の向上
温度追随性 向上• → シーイングの劣化を軽減• デメリット– 製作が容易ではない– セグメント鏡間の位置調整（位相合わせ）が容易ではない

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

24

TMTのセグメント主鏡• 主鏡の構成– 主鏡セル– 支持機構に載ったセグメント鏡主鏡構造の一部を拡大
主鏡セル

アクチュエーター
2015/12/9

装置WS・技術シンポ25

2015/12/9

装置WS・技術シンポ26

セグメント鏡の制御• セグメント鏡面の形状– シャックハルトマン法で計測– 支持機構のウイッフルツリ
支持機構のウイッフルツリーのアームにモーメントを掛けて変形のア ムにモ メントを掛けて変形– 観測中は制御しなくても良い予定

2015/12/9

装置WS・技術シンポ27

セグメント鏡の制御• セグメント鏡間の段差– まず、光学的な方法で測定• 隣り合う面の干渉パターンから隣り合う渉パタから– ３本のアクチュエ３本のアクチュエーターの長さ（高さ）制御
タ の長さ（高さ）制御– セグメント鏡の隣り合う面にエッジセンサー• 観測中はエッジセンサーにもとづいて制御• 光学的測定はエッジセンサーの原点決定

2015/12/9

装置WS・技術シンポ28

主鏡に関する日本の貢献
鏡 関す
貢

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

29日本の貢献• 主鏡・鏡材の製造– 日本が100% （574枚）– 球面研削加工までを含む• 主鏡セグメント鏡の研磨加工– 日本が30%（１７５枚）– 米国40%– 中国15%– インド15%– 最終仕上げ(IBF加工)は米国100%

2015/12/9装置WS・技術シンポ

30

主鏡に関する日本の貢献
鏡 関す
貢鏡材

2015/12/9

装置WS・技術シンポ31日本のセグメント鏡開発：鏡材• 主鏡鏡材:超低膨張ガラス– 温度変化による鏡面変形を起こさないように• 鏡面研磨加工時の温度：
鏡
磨加 時 温度 ～20℃℃• 運用時の温度：平均2℃ (-5 – 9℃)– 膨張係数(CTE: Coefficient of Thermal Expansion)• 0±4×10-8 K-1 (-5,2,9℃の平均)• 0±2.5×10-8 K-1 (2-20℃間)– CTEの分布の仕様など

2015/12/9

220℃を基準にした長さ( ∆L/L ×107)– CTEの鏡材間の分散（研磨ー使用温度間）
864

研磨時(2℃)-運用時(20℃)温度間
CTE

20-2-4-6-88

装置WS・技術シンポ

運用時温度範囲(-5 - 9℃) の平均CTE

32日本のセグメント鏡開発：鏡材• 主鏡鏡材– 日本のオハラ社のクリアセラム HS– 但し、微妙に仕様が異なる
但 微妙 仕様が なる• 使用温度範囲• 残留応力の仕様・測定点数
残留応力の仕様 測定点数

20℃を基準2準にした長さ( ∆L/L ×107)

0℃を基準に0にした長さ( ∆L/L ×107)– 通常のクリアセラムのプロセスを改良して量産試作
25
2015
10
50-5-100864
20-2-4-6-8

クリアセラムの熱膨張
2015/12/9

研磨時(2℃)-運用時(20℃)温度間 CTE

運用時温度範囲(-5 - 9℃) の平均CTE

装置WS・技術シンポ33

日本のセグメント鏡開発：鏡材
• 鏡材
– 形状
• Φ1520, t46 のメニスカス形状(曲率半径=62.5m)
カ状 曲率半径– 技術開発がほぼ完了• １世代前の炉では脈理の問題があったが、新しい炉では解決• 米国TMTで研磨試験・温度試験– 鏡材の全量（574枚）を日本が供給• すでに量産能力を持っている• （炉の寿命もあり）この量産に合わせて• 設備更新を予定

クリアセラムの鋳込み作業
2015/12/9

装置WS・技術シンポ34

鏡材の量産• ２０１２年度から順調に生産中
工程
鏡材の製作

2015/12/9

2013年度

2014年度

2015
年度予定

2015年度
まで合計

60

39

65

164/574

装置WS・技術シンポ

35

主鏡に関する日本の貢献
鏡 関す
貢セグメント鏡加工

2015/12/9

装置WS・技術シンポ36

セグメント鏡加工特有の問題点• 全体で１枚の鏡である• “ふち”問題– “ふち”が“ふち”でない• “ふち”まで完全に研磨

研磨後 6角形に切断– 研磨後、6角形に切断• 切断による変形 → 修正研磨

– 6角形に切断後、研磨• “ふち”まで正確な研磨：“やとい”• 曲率の一致問題– すべてのセグメント鏡の形状が連続的でなければならない。
すべ のセグメ ト鏡の形状が連続的 なければならない– ３次元計測器（非干渉計法）• 正確な曲率測定は得意• １つの方法を信じるのは危険– 干渉計測定法の併用 or 干渉計測定法による検証

2015/12/9

装置WS・技術シンポ37フルサイズセグメント鏡の試作(2010-2011年度)• 試作の加工工程– ６角形にカット（鏡面測定装置のサイズによる制限）– 曲げ研削・研磨（ケック望遠鏡で採用された方法）は採用せず
曲げ 削
磨
望遠鏡 採 された方法 採ず• 球面と非球面の差の分だけ鏡材を曲げる• この状態のまま、球面研削・研磨
この状態のまま、球面研削 研磨• 曲げを解放する → 非球面形状– 計算機制御研磨(Computer Control Polishing)• 鏡面測定にもとづいて残差を、研磨の滞留時間制御で研磨①曲げ研削（球面加工プロセス）2015/12/9②曲げ研磨（大皿球面加工プロセス）

装置WS・技術シンポ③計算機制御研磨（非球面研磨プロセス）38

試作鏡の支持機構への搭載（2012年度）• 支持機構(SSA: Segment Support Assembly)– 米国TMT設計・製作– 量産はインド担当の予定• 搭載には専用の治具を用いる– 位置精度・再現性

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

39

試作鏡の支持機構への搭載（2012年度）

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

40

量産工程での曲げ研磨法の採用• 米国TMTの推奨してきた曲げ研磨の採用へ– 球面と非球面の差分形状だけ鏡材を曲げる– 球面研磨する（高速）– 曲げを解放すると非球面に– 選択理由– 小スケールの厳しい仕様にはSmall toolを使わないのが望ましい– ６角形切断や支持機構搭載での変形があるので、曲げ研磨で十分
角支持機構搭載変 がある
曲げ 磨分– 研磨効率が良いので生産性が良い
曲げ研削（球面加工プロセス）

曲げ研磨（大皿球面加工プロセス）

SSD 20μm
形状精度 PV 5μm

SSD free
形状精度 PV 1-2μm

2015/12/9

切断・研削・裏面マーキング

装置WS・技術シンポ

支持機構搭載41

セグメント鏡の加工工程
⽇本の分担範囲① #200球⾯研削（カーブジェネレータ）② #800球⾯曲げ研削（ロータリー研削機）③ ⼤⽫球⾯研磨（曲げ研磨）

形状精度 PV < 1μm⑤ ミラー⾯マーキング ⑥外形研削仕上げ＋裏⾯セ ⑦ 専⽤⽀持機構搭載
ンター⽳＋センサーポケッ＋外形基準加⼯
ト加⼯（⾼精度研削機）（⾼精度研削機）

形状精度 PV < 2μm
⽶
⽶国へ移送
移送

⑧ CGH⼲渉計測＋IBF研磨
SSA: Segment Support Assembly （セグメントミラー保持機構）
CGH: Computer Generated Hologram ）最終仕上げ
2015/12/9

IBF: Ion Beam Figuring

装置WS・技術シンポ

42

曲げ機構の設計・製作

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

43曲げ研磨の採用・試作• 2次元形状測定器の導入– TMT-Tinsleyで開発– Zernike15項までの測定：• 測定精度：0.65μｍ• 鏡面仕様：PV 2μｍ以下– 12/14の週にキヤノンで受け入れ試験 定れ試験予定

2次元形状測定器

空間周波数毎のエラーバジェット
2015/12/9

装置WS・技術シンポ

44

曲げ研磨のFRR(2015年10月6,7日)• Fabrication Readyness Review– 合格 → 研磨加工の量産OK• ただし、詳細については今後の検討・改善が必要

2015/12/9

装置WS・技術シンポ

45

セグメント鏡の量産状況•

製造工程と国別の割当– 鏡材の製作– 球面研削– 非球面研削– 非球面研磨– 外形加工：6角形切断他– 支持機構への搭載– 最終仕上げ研磨–

日本が100%（574枚）

日本が30%（１７５枚）
米国40% 中国15%
米国40%,中国15%,
インド15%
米国が100%（574枚）

今年度までの量産状況
2013年度

2014年度

2015年度予定

2015年度
まで合計

鏡材の製作

60

39

65

164/574

球面研削

1219

63

94/574

非球面研削

1216

31

59/17577/175工程

非球面研磨
2015/12/9

装置WS・技術シンポ

46