CTA 報告153:
CTA大口径望遠鏡光学系調整現状

稲田知大A, 野田浩司A, 深見哲志A, 奥村暁C, 加賀谷美佳A, 片桐秀明D, 黒田隼人A,久門拓A, 齋藤隆之A, 千川道幸E, 手嶋政廣A,B, 藤原千賀己E, 山本常夏F, 吉田龍生D，李健E 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, 近畿大
理工E, 甲南大理工F

Cherenkov Telescope Array (CTA)
次世代地上ガンマ線望遠鏡群★三種類(大中小)の口径の望遠鏡★従来の望遠鏡と比較すると◆ 一桁以上の感度向上◆ 一桁広いエネルギー帯域 (20 GeV - 300 TeV)
★南北のサイトで観測 北 : La Palma (Spain), 南 : Paranal (Chile)

Credit:https://www.cta-observatory.org

大口径望遠鏡(Large-Sized Telescope : LST)

★観測エネルギー帯◆20 GeV - 1 TeV

1.51m★光学系仕様◆口径 (D) : 23 m (~400m2)◆焦点距離 (f) : 28m◆視野 : 4.5 [deg]◆カメラPixelサイズ : 0.1 [deg] (50 mm)◆主鏡面形状 : 放物面■198枚の球面分割鏡により構成◆反射率：■>90 % @ 400 nm>85 % @ 300 - 550 nm◆20秒で180 回転可能 (突発天体に対応)

28m

23m

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地上ガンマ線望遠鏡における光学系の重要性★バックグラウンド除去能力の向上

望遠鏡焦点面でのシャワーイメージ◆ガンマ・ハドロン分離
地上ガンマ線観測ではシャワーイメージを用いてガンマ・ハドロン分離を行う■焦点面での結像性能が非常に重要◆夜光除去能力の向上
放物面鏡は光線の時間同一性という特徴を持つ

H. J. Volk, K. Bernlöhr 2009

信号からの短いパルス幅を保つことが可能■放物面のアラインメントが必要
・分割鏡の方向調整を行い, 精度の高い放物面へ望遠鏡光学性能を向上させることで低閾値化＆高感度化へ

京都大 野崎修論

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AMC (Active Mirror Control) system★分割鏡に生じる方向の歪み (最大4分角程度)を補正◆方向調整のための2ステップ①望遠鏡の自重：天頂角依存 (現行世代にも搭載)
・天頂角ごとに分割鏡方向の基準点を事前に設定・基準点は明るい星の観測により決定

固定軸(角度のみ変更可)

鏡背面3点支持

②強風・気温：予測不可能 (CTA-LSTがγ線望遠鏡では世界初)
・望遠鏡中心から焦点面にレーザーを照射
2つのアクチュエータ・光軸を定義, レーザーと基準点の位置関係を確認
・観測中, CMOSカメラで焦点面をモニター
鏡下部のCMOSカメラ
・基準点とレーザー点間の相対ずれを検出
・ずれに対応した長さだけアクチュエータを伸縮

今回は①のためにPolarisを用いて分割鏡の方向基準点を決めるためのそれぞれの鏡の方向調整を行なった

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AMC制御ソフトウェア開発★CTAでは、ハードウェア（データアクセス）とユーザーの間にいくつもの階層が存在★高層のプロトコルを統一、制御・メンテを容易に◆望遠鏡 サブシステム：OPCUA規格に統一◆サブシステム ハードウェア：各開発者の裁量★AMCはLSTの1サブシステム★LST望遠鏡制御との間はOPCUA規格で接続する

ユーザー
望遠鏡アレイ
今回の範囲
望遠鏡
サブシステムハードウェアデバイス
CTA制御ソフトの一般的構造

必要あり

今回のupdate★AMC及びPSFカメラ(後述)がOPCUA規格を通して制御可能であることを確認した◆すでにサイト内にあるIT clusterにアクセスすることで制御な可能な状態★定常的な観測へ向けて、開発担当者だけでなく、観測シフターが容易に操作できるように準備を進めている

野田slide(2018JPS春)を改変

焦点面での星像撮影
PSF camera：放物面中心にCCDカメラを設置★スクリーン上の星像を撮影し, 望遠鏡の結像性能(Point Spread
PSFとして用いる値
Function, PSF)を測定
D80 : 鏡から反射された全光量の80%が入る円の直径星からの光可動式スクリーン2018年11月にインストール完了

CCD カメラ

低ノイズ冷却
CCDカメラ7

First image of Polaris◆視野：7.7 deg

5.8 deg (H W)

ref. レイトレースによる結果◆解像度：0.00233 deg/pix = 1.1 mm

40cm■(~ 1/15 PSF@1MIR)

7.7 deg

40cm

40cm

現状

Log-scale
5.8 deg★この時点ではまだ鏡の方向調整がされていない★各分割鏡からの像がスクリーンに収まらないほど散らばっている★どの像がどの鏡から来ているのかを1枚1枚同定, 中心に寄せていく★今回の目標：全ての像をスクリーン上に8分割鏡の方向調整過程

198枚を16グループに分割

・198枚の分割鏡を16グループに分割
・スクリーンだと像の散らばりが収まらないのでカメラシャッター上で行った・シャッターはスクリーンより約40cm望遠鏡側に位置する
Step 1.
1グループごとに星像を中心に集める

Step 2.
鏡1枚をアクチュエータで動かし前後で比較, 像を同定

Step 3.
グループごとに星像をカメラ中心に集める

前
中心から外したグループ

後中心に集めた1 グループ

星像が1箇所に集まっている
例:グループ 7

Step2 × Step3 = 198 回, この作業を行い画像を撮影, 後にまとめて自動画像解析を行い, 像とアクチュエータの動きの対応付けを行った

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σx : 9.83 pix

分割鏡の方向調整過程

σy : 10.59 pix

・198枚の分割鏡を16グループに分割・スクリーンだと像の散らばりが収まらないのでカメラシャッター上で行った像の一例 : グループ 7・シャッターはスクリーンより約40cm望遠鏡側に位置する
Step 1.
1グループごとに星像を中心に集める

Step 2.
鏡1枚をアクチュエータで動かし前後で比較, 像を同定

1σx, y ≒10 pix = 11mm

Step 3.
グループごとに星像をカメラ中心に集める

前
中心から外したグループ

後中心に集めた1 グループ

星像が1箇所に集まっている
例:グループ 7

Step2 × Step3 = 198 回, この作業を行い画像を撮影, 後にまとめて自動画像解析を行い, 像とアクチュエータの動きの対応付けを行った

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σx : 9.83 pix

198枚の鏡調整の結果

σy : 10.59 pix★今回の鏡調整を終えての現状◆望遠鏡で星のtrackingがまだできないため,pointingはdrive systemで調整像の一例 : グループ 7◆Polarisが調整中に動いているのが見えている

1σx, y ≒10 pix = 11mm

■1グループ撮影を終えるのに約30分◆グループごとに違う場所に集光しているがスクリーンサイズに収めるという今回の目標は達成

40cm

40cm

60cm

40cm

Ref. 調整前

40cm
スクリーンのサイズに相当60cm
レイトレースによる結果
1σ=8.5mm

11まとめと展望・CTA-LSTはそれぞれの分割鏡が3点で固定され, 2本のアクチュエータで方向の制御が可能
・AMC と PSF カメラの制御は同じプロトコル, OPCUA規格で制御可能・AMC, PSFカメラのハード・ソフトウェア共に正常に稼働することを確認,望遠鏡の分割鏡方向調整を行なった
・現状では, ほぼ全ての鏡からの星像をスクリーン上に収めることができた
・次の段階ではスクリーン上で像を中心に集めることに取り組む
・最終的には・天頂角ごとに分割鏡の方向基準点を作成
・CMOSカメラによる観測中の自動補正が可能な状態に持っていく
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