CTA 報告122:
CTA大口径望遠鏡の光学性能最適化に向けた分割鏡測定とその配置の検討
稲田知大A, 林田将明A, 野田浩司B, 奥村曉C, 加賀谷美佳D, 片桐秀明D, 黒田隼人A,齋藤隆之E, 重中茜D, 千川道幸F, 手嶋政廣A,B, 中嶋大輔A, 深見哲志A, 本橋大輔D,山本常夏G, 吉越貴紀A, 吉田龍生D 他CTA-Japan consortium

東大宇宙線研A, Max-Planck-Inst. fuer Phys.B, 名大ISEEC, 茨城大理D, 京大理E, 近畿大理工F, 甲南大理工G

大口径望遠鏡(Large-Sized Telescope : LST)
198枚の•20 GeV - 1 TeVの観測エネルギー帯•大口径望遠鏡(LST)光学系仕様•口径(D) : 23m•焦点距離(f) : 28m•視野 : 4.5
•カメラPixelサイズ : 0.1 (50 mm)•主鏡面形状 : 放物面•198枚の球面分割鏡により構成

放物面への分割鏡配置

分割鏡配置

LST概念図分割鏡開発•分割鏡仕様•三光精衡所との共同開発•曲率半径 : 56.0 ‒ 58.4 m•スポットサイズ: D80 < 16.7mm@1f(pixel sizeの1/3の大きさ)•D80 : 鏡から反射された全光量の80%が入る円の直径1.51m

・製法 : Cold Slump 技術

Mold(R=56.4, 57.2, 58.0m)の三種類

・モールドは３種類の曲率を用意
・56.4m(A), 57.2m(B), 58.0m(C)・放物面配置する際に最適配置を行う
・安価で軽量(~50kg)な鏡の製造に成功→現在、大量製造段階

分割鏡の性能評価
目的

使用する分割鏡一枚一枚の性能を評価
・品質管理のための測定
・望遠鏡放物面への配置の最適化

198枚の分割鏡配置

性能評価手法 : 2f法
・曲率半径(R)だけ離れた点光源からの反射像の広がりを測定
・像の広がりを結像性能(D80)として解析・測定のための原点は任意

D80[mm]2f測定で得られたスポットイメージとD80測定した7点を双曲線フィッティングした際の最小値をとる位置を曲率半径(R)としている

赤点 D80(測定値)
青線 双曲線フィッティング-0.45m+0.45m
R位置
mmmm

Distance from mirror[m]-0.30mスポットイメージの光量は全てlog scale-0.15m0m+0.15m+0.30m分割鏡の非球面性を利用した形状モデルの提案

現状・分割鏡のスポットが細長い形状になっていることが測定によりわかってきた
R-0.45m位置
・製造の際に分割鏡がわずかに鞍型変形でのスポットイメージしている影響

R+0.45m位置でのスポットイメージ

モチベーション

・鞍型変形を放物面配置に積極的に利用する・現在の球面形状モデルを拡張
二軸の曲率半径を持った形状モデルへ

6分割鏡光学パラメータ・4種類のパラメータ
・結像性能(D80)・曲率半径(R)・二軸の曲率半径(dR)・R1short=R-dR, R2long=R+dR
・二軸の曲率半径の方向(Theta)

D80の最小値=R

スポットイメージ2016年秋季物理学会にて発表・新しいスポットイメージ解析
手法の開発
スポットイメージの光量の二次のモーメントの平方根を計算することによりdR, Thetaを決めることができた。

90枚の分割鏡に適用した結果
2016年秋季物理

すでに2f測定を行なっていた分割鏡90枚の測定結果に対して、新しい解析手法を適用した

Theta

number of mirror

学会にて発表

モールドA
で製造

モールドB
で製造

・Thetaの偏りはモールド由来・製造の際に調整し、Thetaの値を均質な分布

Theta[deg]dR・dRは一様ではなくピークを持つ分布
・dRの分布は最適配置を考慮する際に用いる

number of mirrorにできる見込みがある

dR[m]LST望遠鏡結像性能評価のための光線追跡シミュレーション

現実の分割鏡の光学パラメータを反映した望遠鏡光学性能を見積もる
目的 ・完全なるシミュレーションからより現実を反映したものへ・望遠鏡(主鏡)全体の性能(spot size)を求める
・実測した分割鏡90枚の光学パラメータ分布を光線追跡シミュレーションにはROBASTライブラリを用いた
Astroparticle Physics 76, 38-47 (2016)

198枚に拡張・実測の結果を反映
・曲率半径(R)・結像性能(D80)

入力

・二軸の曲率半径(dR)
・二軸の曲率半径の方向(Theta)

分割鏡の配置手法の違いが望遠鏡スポットサイズに与える影響を見積もった

分割鏡の曲率半径の最適配置~Thetaを考慮しないケース~
曲率半径

Theta

6種類のリングパターン

ランダム

測定値を確率分布としてで配置した

Thetaを考慮せずにそれぞれの鏡に与えた結像性能配置したことに相当

ex.
4ring

dR

mirror6つのリングパターン

layout
1 234
それぞれの領曲率半径(R)[m]

域は同数ずつ鏡を含む

12

optimalrandom

2 ring3 ring

4 ring

5 ring34

光軸からの距離[m]分割鏡の曲率半径の最適配置~Thetaを考慮しないケース~
ランダム配置との比 Spot Size(D80)[deg]スポットサイズ(D80)@1f : 0.1deg = 48.87mm@1f (97.74mm@2f)
ランダム配置の値で規格化
0.0[deg]
Random100.0%

2 ring81.8%

3 ring

77.0%

4 ring75.7%

5 ring74.8%

optimize

73.7%

・Oﬀ-Axis Angleが0度のとき最大で26.3%向上
・領域数を増やすごとに望遠鏡スポットサイズは向上する。ランダム配置から2分割配置への差が一番大きく、スポットサイズが18.2%向上した

11

分割鏡の曲率半径の最適配置~Thetaの最適化を加えた場合~
曲率半径ThetadR

結像性能

6種類のリングパターン

理想値

測定値を確率分布としてで配置した鏡の座標値から計算

それぞれの鏡に与えたThetaの最適化

ほぼ均質な分布を仮定

分割鏡配置

Theta分布

分割鏡の曲率半径の最適化にThetaの最適化を加えたものと加えなかったものを比較する

分割鏡の曲率半径の最適配置~Thetaの最適化を加えた場合~
ランダム配置との比 Spot Size(D80)@1f[deg]スポットサイズ(D80)@1f : 0.1deg = 48.87mm@1f (97.74mm@2f)

randomoptimal・Oﬀ-Axis Angleが0度のときR,Thetaともにランダムのものと比べると最大で36%向上
・Thetaを考慮して最適配置した場合、考慮しない場合より11%スポットサイズが向上した。
13

結論と展望結論・新たな分割鏡形状モデルを用いた解析により、得られた光学性能パラメータを用いてLST放物面への分割鏡の最適配置を検討し、個々のパラメータの望遠鏡スポットサイズへの影響を調べた
・その結果、曲率半径の最適化にThetaの最適化を加えるとスポットサイズが最大36%程度向上することがわかった

展望・本研究での望遠鏡光学系の検討が望遠鏡の物理感度の与える影響を空気シャワーシミュレーションにより求める
・2台目以降の目標性能に反映させる
・分割鏡形状のより詳細なモデル化

14