SWIMS多天体分光用マスク素材冷却収縮試験@第８回可視赤外線観測装置技術ワークショップ
東京大学天文学教育研究センター
修士1年
櫛引洸佑
本原顕太郎, 小西真広, 高橋英則,加藤夏子, 寺尾恭範, 河野志洋（東京大学天文センター)

目次• イントロダクション• SWIMSとその多天体分光機能• スリットマスクの設計に関わる収縮• マスク素材冷却試験• 実験設定• 結果• SWIMS多天体分光試験観測• マスクの形状、温度変化

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SWIMSTAO望遠鏡第一期装置• λ = 0.9-1.45, 1.45-2.5 μmを二色同時に撮像/分光• 𝜙9’.6の広視野撮像(with 4 detector)• 近赤外線波長帯を一度に多天体分光• IFUによる面分光
SWIMS全体 : 26日午前 小西
IFU : このあとすぐ 河野
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最大天体数@Subaru@TAO∼20∼40光∼1000

R=𝜆/Δ𝜆
FoV

2’8×3’.33’.7×8’.6

感度(Ks)

20.7

20.4

170mm

スリット多天体分光255mm

感度 : 3600s, S/N=5, スリット幅=0”.5, 点源• MOSUにより焦点面にスリットマスクを導入• スリットマスク上で天体の位置関係を再現
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MOSU

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冷却収縮と必要な精度
作成時 ∼ 293K → 焦点面 ∼ 100K
⇒ 拡大して作成
𝐿 𝑇 /𝐿293 の情報が必要
常温

必要精度 : 0.5”幅スリットの10%⇒Δ𝐿 𝑇 = 24μm (@Subaru カセグレン)
スリット作成範囲: 78mm×94mm⇒ 𝐿293 = 80mm
⇒ Δ𝐿 𝑇 /𝐿293 = 24μm / 80mm = 0.0003
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冷却@Subaru H2RG×25使用した素材
ピンホールグリッドが空いたシート、板材
A1100 シート

Spectral Black シート(Acktar社)

A1100 10mm厚板

材質

A1100

アルミニウム+Fractal Black

A1100

厚さ

100μm

125+5μm10mm

寸法222mm×162mm

222mm×162mm

240mm×190mm

ピンホール
グリッド

20mm間隔5×8 長方形20mm間隔5×8 平行四辺形

25mm 間隔
6×5 長方形

A1100 シート

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Spectral Black シート

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A1100 10mm厚板

6実験設定デュワー• 液体窒素で冷却• 電球で裏からピンホールグリッドを照らし、Canon EOS6Dで撮影• ピンホールグリッドの拡大縮小

電球

ピンホールマスク

温度計
穴あき鉄板

冷却面

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7実際に取れた画像
80mm

マスクの向きA1100での画像• 20mmグリッド
8×5のピンホール

140mm• ピンホールサイズ
0.1 mmyx2019/2/25.26

293Kでの実際の画像

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8実際に取れた画像
80mm

マスクの向きA1100での画像• 20mmグリッド
8×5のピンホール

140mm• ピンホールサイズ
0.1 mmyx

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293Kでの実際の画像

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収縮特性
A1100シート × 1
A1100 10mm厚板 × 1
Spectral Blackシート × 2

Spectral Blackシート
二回目

𝐿 𝑇 /𝐿293• 0.0003幅の精度達成• 縦横の差はほぼない

縮む• どの素材も文献値より縮む傾向

文献値

A110010mm

文献値 : (極低温金属材料データ集,社団法人低温工学会)
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第８回可視赤外線観測装置技術ワークショップSpectral Blackシート
一回目
A1100
シート
0.0003幅
温度[K]10厚みによる違い

圧延加工の際の残存応力が縮む方向に効いている？
⇒アニールしたサンプルの測定が必要

𝐿 𝑇 /𝐿293

A1100 100μm vs 10mm
• 薄いものの方が縮む
文献値
10mm

100𝛍m

温度 [K]

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繰り返しによる違い?

𝐿 𝑇 /𝐿293

Spectral Black• 二度目は収縮量が減少し文献値に近づく考えられる原因• 素材の性質の変化？
(特に黒色膜)⇒3度目はどうなるのか？

文献値
二度目

一度目

温度 [K]

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12収縮試験まとめ• 素材の厚さが薄いものほど、より大きく縮む(A1100 100μm vs 10mm)• 二度目の実験をすると収縮量が減少し、文献値に近づく (Spectral Black)• 基本的に観測で使うマスクは一度目の冷却なので、Spectral Blackの一度目の結果を使う• 試験観測ではMOIRCSが使用している収縮率0.9940という値を使用した• 二度目の使用では収縮量が変わる可能性があり、要注意
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マスク温度制御への要求
Spectral Black 一回目の結果から
Δ 𝐿 𝑇 Τ𝐿293 < 0.0003⇒ 設定温度の Δ𝑇 < 8.57K範囲内で実温度を安定
しかし…
保管時と使用時の温度が60Kほど違う⇒マスク導入後、大きく温度変化しマスクが膨張する
焦点面
120K

保管場所
60K
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スリット位置ずれ
2019/1/22, 23, 24, 26 (計3夜) 試験観測@Subaru
観測時間の中でのマスクの形状変化確認
約40分間離れた二枚の画像でスカイが引け残りができてしまう

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スリット位置の時系列変化
三つのスリットについて背景光の輝線のズレ
1枚目との時間差

1枚目

2枚目

3枚目

4枚目

5枚目

6枚目

7枚目

8枚目

0 min

6 min

11 min 17 min 28 min 34 min 39 min 45 min

マスク挿入後約15min

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slit 2slit 3slit 1

一枚目から時刻 [min]slit 3slit 1slit 2

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位置変化 [μm]時刻とともに右に移動
左のslit1の位置ずれが小さく、右の二つが大きい⇒左側を中心に膨張

位置変化 [pix]

温度変化による膨張温度変化
右下図でのマスク素材左端を膨張の基準として採用
slit1,3は近い温度に、slit2はさらに高い

温度変化 [K]⇒温度勾配があり、さらに上昇の傾向

slit 2slit 348mm
slit 222mm
slit 1slit 173mm

slit 3

一枚目から時刻 [min]2019/2/25.26

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マスク温度変化への対策• 保管場所(60K)と使用場所(120K)の温度差を改善⇒保管場所のカルーセル温度を上げる• MOSU用の冷凍機の熱パスを減らす• 温度制御ヒーター• 温度変化しても変形しにくい素材• インバーなど⇔熱輻射を抑えるための温度(<200K)まで安定して冷えるか

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まとめ
• 試験観測に向けた多天体分光用マスクの冷却試験とその結果を用いて作成したマスクにおけるSWIMS多天体分光試験観測を行った。
• 冷却試験では必要な精度で収縮特性を取得できたものの、文献値よりも大きな収縮、素材の厚みによる違い、繰り返しによる変化が見られた。
• 試験観測ではマスクの温度変化によるスリット位置の変化が見られた。
• 今後はアニールしたアルミ素材やSpectral Black素材の3度目の試験、SWIMS内のマスク温度環境の改善を行っていく。

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