次期赤外線天文衛星

ＳＰＩＣＡ
Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics

開発の現状
次世代赤外線天文衛星（ＳＰＩＣＡ）
ワーキングループ（宇宙科学研究所・中川貴雄、片坐宏一）
Aug 21, 2003

SPICA概要

1

Scientific Objectives

宇宙進化の歴史を探る


銀河の誕生と進化

第一世代の星生成 、銀河、銀河団進化

星の誕生と進化
星の誕生、原始星
恒星進化
惑星系の誕生と進化木星型 exoplanets の直接検出


SIRTF & ASTRO-F

SIRTF

Aug 25, 2003 Launch
85 cooled Telescope→ Wanted !
Larger
Telescope

ASTRO-F2005 Launch
70 cooled Telescope2

Outline of SPICA
Telescope: 3.5m, 4.5 K


JWST(20-40K), HSO(80K)

Core λ: 5-200 μm
JWST (Opt-NIR), HSO(Sub-mm) との相補性

Orbit: Sun-Earth L2
Halo Warm Launch, Coolingon Orbit Total Weight: 2.6 t
 Launch: 〜2010 by HIIA


L4L3

L1SunL2EarthL5

Focal Plane Instruments
First Priority


Mid-Infrared Camera & Spectrometerwith Coronagraphic Capability

Far-Infrared Camera & Spectrometer
High Resolution
 3.5” @ 50 μm (c.f. 30” for ASTRO-F)

Second Priority
NIR Camera & Spectrometer Sub-mm Camera & Spectrometer
3

JWST (a.k.a. NGST)

6 m class telescope Operat. Temp < 50 K
 Wavelength 0.6 – 28 μm
 Launch Aug 2011


4

SPICA
Sensitivity
SPICA is a COOL
MissionOptimized for Mid& Far-Infrared

Most Sensitive
among proposed
missions@15-130μm

Complimentary to
HSO & JWSTDesign Philosophy

5

大口径へ： 設計思想の改革
Old Design

New Design
Radiator
Heavy
VesselLarge
He Tank

Light
Structure

Large
Telescope

Small
TelescopeSpacecraft

従来デザインでは搭載不可能

Spacecraft

冷媒なし → Cryostat なし→ 画期的な軽量化

Monolithic Mirror → Simple

6冷却方法:
効率的な放射冷却＋機械式冷凍機
BaffleShield #1

Telescope
Tube

Shield #2
Stressed
Ge:Ga

Shield #3

MirrorFPI

Sun Shield

Sun Shield MLI
Conduction
Radiation
20K Pre-cooler 1.7 K Stage Cooler
Bus ModuleBus MLI

4.5K Stage Cooler

Warm Launch, Cooling on Orbit

Effective RadiativeCooling
S-E L2 Halo Orbit Easy Thermal
Shielding

L4





Mechanical
Cryocoolers


L3

L1
Sun

L2EarthL5

Essential for 4.5K

7

ASTRO-F Legacy
科学的成果ASTRO-F: 究極のサーベイ
観測
SPICA: 詳細観測
技術的成果機械式冷凍機の採用
also SMILES

軽量低温鏡
赤外線高感度検出器
Stirling 冷凍機 on ASTRO-F

SPICA 技術検討、開発
予算



戦略的開発研究科学技術振興調整費「次世代スペース・オプティクスの広域展開」
科研費


検討、開発項目

ミッション系基礎技術開発
機械式冷凍機軽量大型鏡焦点面観測装置（検出器）


システム検討熱・構造の最適化
ハイブリッド姿勢制御システム

8

軽量望遠鏡システムの開発

ASTRO-F Telescope
６７ cm R.C.
 Oper. Temp. 5.8 K
 Diff. Limit @5μm
 SiC
Porous Core
 CVD Coat2
 Area Density 28 kg/m
 But D<1m


9

設計思想


鏡の剛性とActuators
高剛性鏡 with few Actuators


低剛性鏡 with many Actuators

Simple, 高信頼性
重量大、試験が重要

重量低減、高精度？、将来性
複雑、低信頼性

材料


ガラス系


高い安定性、低剛性、脆性



SiC



C/SiC





高剛性、高熱伝導、脆性
高剛性、高熱伝導、低脆性望遠鏡開発経緯

今までの軽量スペース望遠鏡
IRTS (Al, 15cm鏡）
 ASTRO-F (Hybrid SiC, 70 cm 鏡)


RFP/RFI 発行 (2002年8月)
NTSpace + Goodrich 住友重機 + Nikon + Astrium 三菱電機

後者２つを選択し、BBM開発スタート

10

材料の特性

高剛性鏡+ a few Actuators (Option)(候補のひとつ）
副鏡ステー
C/SiC製主鏡

低支持反力固定点

副鏡駆動装置超軽量・高剛性鏡（C/SiC)I/Fカップ
光学架台

能動支持アクチュエータ（オプション）

IRT外観

11

Actuators の効果
1.0-6x 100

鏡面誤差RMS相対値（ref=1.0)

REFERENCE DEFORM ATION RMS=2.89e-006-1-2-3-4-5-60.4
0.2

SSMS
MS
RM
RM
後後R
後R
変形正原補補正補正み鏡
鏡のf+副鏡f+副do
副do
A9A3PMPM

補正対象変形パターン ("ref")[@FXS Z変位=0]-60.60.0-7RESIDUAL ERROR RM S=1.44e-006

0.8RESIDUAL ERROR RM S=1.24e-007

x 10
3-7RESIDUAL ERROR RM S=1.04e-007

x 10
65-7x 10652441330221-1
10-2-3副鏡駆動(piston, tilt, focus)のみで補正した時の残差-10-2-1

副鏡＋主鏡PMA3本で補正した時の残差副鏡＋主鏡PMA9本で補正した時の残差

ハンマーヘッド型
冷却治具

試料台

図３ 極低温熱変形評価

New Material C/SiC
C/SiC4CTE (PPM/K)）
K/mpp（率張膨線32Previous C/SiC
10Current C/SiC‑1050100150200250

Temperature (K)
温度（K）

図４ 極低温熱変形評価
Advantage: Large
Monolithic Mirror
Disadvantage: Large
CTE at low T? →高Solved
精度鏡面実現のためプリプレ グ積層

離型シート

ブリー ザークロスの課題

12

C/SiC 鏡材開発：

表面構造の理解、改良に大幅な進展
・顕微鏡型干渉計による表面計測・非常に高い分解能( 特に z 方向)
・３次元画像による表面構造の理解

・C/SiC表面のおもな構造（1） SiCマトリックス（2） 残存Si（3） C繊維・表面粗さを決めているもの- （1）-（2） の高低差が当初は〜100nm 。
表面粗さの主要因と判明
・Ｃ繊維の局在の問題も検出→ 材料・生成条件のパラメーター調整＊ 面粗さ 7.4nm(@RMS)＊ C 繊維がほぼ一様に分散を達成。

・次の重要課題は極低温での特性評価

光学写真（右上）および干渉測定による鳥瞰図（下）。
視野は□0.179mm、空間分解能〜0.7μm。
この写真のサンプルでは 1-2 の高低差は〜100nmで、ｚ方向の起伏が強調されている点に注意。
左上：測定したサンプルの例。

冷凍機開発

13

SPICAが必要とする冷凍機
200mW@20K (JT予冷)

30mW@4.5K (望遠鏡冷却)

4He JT (ASTRO-F + SMILESの成果)

15mW@2.5K (Ge:Ga冷却)

2-stage Stirling (ASTRO-Fの成果）

3He or 4He JT (新規開発)

10mW@1.7K (遠赤外線検出器冷却)3He JT (新規開発) ←重点的に開発

1K級冷凍機開発経過

平成12年度



平成13年度

3He JT 動作の原理的実証 (従来の記録は2.5K)
問題: 低効率（4mW@1.7K)

平成14年度（前半)

超低圧リニアポンプの作成、実験set up整備

熱モデル見直しによる最適化 (10mW@1.7K)
問題: バラック実験

平成１4年度(後半)

Stirlingを予冷に用い高効率化(12mW@1.7K)
問題: 構成の複雑さ、能力の余裕のなさ

14

3He JT 圧縮機構成

予冷機を Stirling に変更

今までの構成(GM予冷)

新構成 (Stirling予冷)

構成の単純化高能率化

15

3He JT 世界最高性能を達成

温度 (K)

ヒーター入力 (mW)

12 mW @ 1.7 K

吐出圧力

冷凍機の開発成果→ 他の科学衛星ミッションへ
Table

１ De ve lo pme n t Statu s o f Me c h an ic al Co o le r f o r Spac e Use at SHIMission/Project

Cooling Purpose

Cooler Type (*)

Typical Cooling Power

InpPresent

1

SELENE/GRS

Ge Detector

1ST

1.5W/80K

40W

PFM

2

ASTRO-E2/XRS

Outer Vapor cooled shield

1ST

2.5W/100K

35W

PFM

3

Planet-C/IR2

CCD

1ST

1W/65K

50W

BBM, Planning

4

NeXT/XRT

CCD

1ST

6W/173K

20W * 2sets

Planning

5

ASTRO-F

Inner Vapor cooled shield

2ST

0.2W/20K

50W * 2sets

FM

6

VSOP-2

Low noise Amp.

2ST

TBD

TBD

Planning

20mW/4.5K

150W

PFM

100W

Planning

Ｎｏ．

7

JEM/SMILESoSubmillmeter detector (SIS mixer)

42ST + HeJT

Pre-Amp.
89SPICA

1W/100K , 0.2W/20K

Pre-coolin

NeXT/XRS

2ST
4Telescope , Si:AS detector

2ST + HeJT

30mW/4.5K

180W

Planning

Unstressed Ge:Ga detector

TBD

10mW/2.5K

200W(TBD)

Planning

3Stressed Ge:Ga detector

2ST + HeJT

5mW/1.7K

180W

BBM

Inner and Outer Vapor cooled shields

2ST

2W/100K , 0.3W/20K * 2sets

80W * 2sets

Planning

3

LHe tank
X-Ray det

Note(*)

0.2W/20Ke

2ST + HeJT

5mW/1.7K

180W

Planning

ADR

0.05K

TBDPlanning

1ST ： Single stage stirling cycle cooler
2ST ： Two-stage stirling cycle cooler
ＪＴ ： Joule-Thomson cycle cooler
ADR ： Adiabatic demagnetization refrigerator

16

赤外線検出器の開発

赤外線検出器開発の課題
連続した波長カバー (MIR, FIR)
 大規模アレイ化(FIR)
17

ASTRO-F FIS/SW detector(50–110 µm)：大規模化への路
Ge:Ga Monolithic array.
Array format: 20 x 3 + 20 x 2
Pixel size: 0.5 x 0.5 mm

Readout circuit

12 mm

N60

Ge:Ga array

WIDE-SThis column is not used.

ASTRO-F/FIS/LW detector(110–200 µm)：大規模化困難
Stressed Ge:Ga photoconductors
with stacked array structure

15 mmArray format: 15 x 3 + 15 x 2
Pixel size: 0.9 x 0.9 mm

One Layer18液層エピタキシャル結晶成長装
置 (GaAs)

Photoluminescence測定(D+, X)

3000

4.2 K

Si(e -A0)

2500

C(D0-A0)2000

系列1C(e -A0)

1500
(D0, X)

1000

系列2(A0, X)

500
0
8100

8200

8300

8400

波長（A)

光検出器として使用可能な不純物レベルに近づいた
次の課題：光検出器として試験
将来： 読み出し回路と組み合わせてアレイ化

19

Si:Sb検出器(DRS社）
３７μmまでをカバー•SIRTFでの開発–１９８６に２社と開発開始–１９８７から中間背景レベル（10(8)/s)用で試験–低背景レベル用は１９９３から試験–SIRTFの打ち上げは２００３夏•SPICAでの開発–超低背景レベルのための開発
高感度と低暗電流の両立–非線形性の克服

BIB 型 Ge:Ga 検出器
利点
高い吸収効率 → 大規模アレイ化
 対放射線の影響軽減
 感度特性の長波長化
方針
U.C. Berkeley の E. Haller のグループと共同 米が結晶を提供、日が測定
 将来的には日本で読み出し回路と組み合わせる
 ASTRO-Fの成果の活用

20

システム検討

衛星システム検討目的
衛星システム全体としての成立性の検討
 開発を要する critical components の洗出し

Two Critical Issues
高精度ハイブリッド姿勢制御系
 衛星全体としての構造・熱設計の最適化


21

SPICA計画・ロードマップ


基礎技術開発 (2004年度まで)
システム全体の成立性の検討
 Critical Components の開発終了


プロポーザル提出 (2004年度)


基礎開発の成果、ASTRO-Fの成果

PM (2005-7年度）
 FM (2008-2010年度)
 打ち上げ (2010年度)
SPICASpace Odyssey 201022