<火星探査を例>
2016年初頭に打ち上げられる
この ESA ミッションでは惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた
3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題

ExoMars 2016: Trace Gas Orbiter
will be launched in early next year.

「NIR‐MIRでの初の高分散分光」

笠羽 康正（東北大学）の実現によって、「火星大気の生成・消滅気候変動」

I. Near IRセンサー
with 岩田 (JAXA), Vandaele, Neefs (IASB/Belguim), Korablev (IKI)の鍵を得ようとしている。

II. 小型冷凍機
with 鶴 (京大)

III. Mid IRセンサー
with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)

IV. Fiber Optics<to be continued in next talk>with 平原 (名大), 中川 (東北大)

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題

I. Near IRセンサー(2015/12/8 東北大)

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惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題

I. Near IRセンサー

with 岩田 (JAXA), Vandaele, Neefs (IASB/Belguim), Korablev (IKI)

国産：Hayabusa‐2
NIRS3等で使用

2with 岩田 (JAXA), Vandaele, Neefs (IASB/Belguim), Korablev (IKI)

Mars Express,

ExoMars TGO(Venus Express, Juno, …)

Raytheon: HgCdTe 2D arrays
Teledyne: HgCdTe 2D arrays

Hamamatsu
InAs 1D array* 128 elements* ~3.2 um* ‐80 ~ ‐90 degC[by fast readout]‘4‐5um cut’ 100‐80 K<A Problem> Export/Import issue(critical for space developments)(2015/12/8 東北大)

SOFRADIR: HgCdTe 2D arrays‘4.3um cut’ 110‐90 K*combined with light‐weight cooler unit
[not suitable for astronomy: larger dark]

SOFRADIR: 1986‐
Founded by Thales / Sagem / CEA‐LETI
Linked to “Lab. InfraRouge @ Grenoble

残念ながら、国内では、2‐4um帯における探査機用2D素子の目処はない、と言ってよい。
惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)

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惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)4II. 小型冷凍機with 鶴 (阪大) 搭載用にSHIが優れてPowerfullなものを実用化。
… 探査機側にMass/Powerさえあれば。

II. 小型冷凍機

with 鶴 (阪大)Hayabusa‐2
NIRS320K
90W / 10kg

InAs 1D sensor @ ‐90degC
 Darkはまだ大きく、積分時間は< several msec

4‐2K90W

小型化検討(<1 kg): 2008年以降tryしたが、頓挫

70K
60W / 4kg

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題

II. 小型冷凍機

Passive Radiator (7000 cm2)で、Optics & Detectorの温度‐85 degC まで達成。

(2015/12/8 東北大)

5RICOR (Israel): K508
NASA & ESA missions haveused it for IR & X/γ‐ray
instruments to planets.

with 鶴 (阪大)ExoMars TGO: NOMAD & ACS
ExoMars 2016: Trace Gas Orbiter

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題

III. Mid IRセンサー(2015/12/8 東北大)

6with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)<天文用> e.g. MIRI @ JWST, TAO* Si:As 5-28 um [Raytheon]
7K!
* Si:Sb 24-38 um
5K!
Best performance !
… but, we cannot bring it on the long trip !
[Love et al. 2010]<地球・惑星観測用 (および、Militaryを含む実用)>* 非冷却 2D array(1) MEMS Bolometer
Thermal Imagers(2) Thermopile
Fourier Spectrometers
0.5kg, 7W, Life: >1万時間0.5W@77K の冷却能力しかないが、検出器だけここまで冷やすならok。

* 冷却(〜77K) 2D arraySpecial Spectrometers<問題点> 寿命時のMotor交換(含He補給)・修理は、生産国への送付要。
惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)

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惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)8III. Mid IRセンサー

III. Mid IRセンサー

with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)

Uncooled: MEMS Bolometer arraywith 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)MEMS Bolometer array: 問題点(例) だいち２(ALOS‐2, 2014‐): 小型赤外カメラ (CIRC)

CO28-14 um「熱撮像」 (180‐400K) with High Spatial resolution is OK:
Akatsuki LIR (2010‐), Hayabusa‐2 TIR (2014‐) …

小型、軽量、低消費電力
短期間、低開発費「Smaller bandwidth」 :Niklaus et al. (2007)

limited by the formation of
optical cavity structure

H2O

Dust

[width: λ/4]

「熱撮像」 (180‐400K)

MEX/PFS Martian spectrum

火山観測：
火口温度のモニター
溶岩流・火砕流の規模の把握
噴火総エネルギー量の把握等

Uncooled: Thermopile 2D array(例) ESA ExoMars 2018: Surface Platform

森林火災：
森林火災検知焼失面積の把握等

FAST: a Fourier Imaging Spectrometer

火災検知：
延焼域の把握焼失面積の把握等<Wider>* 1.7‐25um

ヒートアイランド：
温度分布の面的把握

D∗ ~ 109

MELCO: 2000x1000 (15 m□)開発にも成功
惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)
9III. Mid IRセンサー[Giuranna et al., 2005]

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題

III. Mid IRセンサー

with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)<Smaller>* 32x32 pixels(2015/12/8 東北大)

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with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)

Cooled (〜77K): 国産検出器の開発 by JAXA/立命館大

Cooled (〜77K): 国産検出器の現状

TypeⅡ 超格子(super‐lattice)赤外検出器
防衛用に640x480画素のQWIP,1024x1024画素の2波長QDIPを開発•InAs/GaSb TypeⅡ超格子は、HgCdTeに代わる赤外検出器となりうる.
[Smith and Mailhiot, 1987)]
Hill et al(2008)•分子線エピタキシー法（MBE）の発達により高精度結晶が作られるようになった。
目標スペック

現在宇宙用として主流の赤外検出器（国産技術は大きく出遅れ）

防衛省/JAXAで新たに取り組んでいる検出器

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)

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Wavelengthrange

4‐15mCutoff: 15m

Number ofpixels

100x100

sensitivity D*>1011 cm Hz1/2 W‐1•TypeⅡ超格子の特徴①高い量子効率を持つ②幅広い波長幅に対して感度を持つ③Ⅲ－Ⅴ族化合物半導体技術を利用可

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)

12III. Mid IRセンサー

IV. Fiber Optics <to be continued in next talk> with 平原 (名大), 中川 (東北大)with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)

Cooled (〜77K): 国産検出器の開発 by JAXA/立命館大

ART photonics (Germany)のIRファイバー活用による機器小型化検討

TypeⅡ 超格子赤外検出器の試作：性能 （カットオフ波長6μm）

Frequency (pixel number)

住友電気工業と共同でアレイ素子（320x256）の開発に成功。
オペラビリティ(有効画素数)99％
雑音等価温度差(NETD) 32mK
レンズF#2.3
積分時間1200μ秒

104103102

カルコゲナイド(CIR)
1.5～6 μm

101020406080多結晶PIR4～18 μm)

100

NETD (mK)

レンズF#2.3 / 積分時間0.8ms / 動作温度77K

Bundle(Example)

MCTとの差は数倍程度まで短縮。MCTに替わる「MIR Heterodyne 検出器素子」としても期待
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惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)14

Dual‐Useの赤外線分光器開発 – 火星の “衛星物質分析” & “大気物質分析”[Target: 大気 (分散:>>400)]
水蒸気(2.6µm)
CO(2.4µm)
CO2雲/雪 （2.7µm）

火星大気の水循環

突破口 & Suggestionをお持ちの方、ございましたらご教示頂けますと幸いです。

ExoMars Trace
Gas Orbiter (2016-)…

赤外線分光探査<ベース機器>Hayabusa‐2 NIRS3

火星大気:初の赤道面からの常時大規模分布monitor

感度 &波長カバー範囲の向上により Dual‐Use化
衛星表面: サンプル取得場所＆周囲の組成を得る

I. Near IRセンサー
with 岩田 (JAXA), Vandaele, Neefs (IASB/Belguim), Korablev (IKI)

共同研究下にある欧州研究グループ (ベルギー・イタリア)と“ExoMars TGOベース” の “検出器&冷凍器ユニット”を改良導入、「軽量」で「大気観測」も可能な高性能化へ。

II. 小型冷凍機
with 鶴 (阪大)

[輸出規制に起因するリスクの回避も含め、欧と組むのは長期的に有益。]

III. Mid IRセンサー
with 片山 (JAXA), 木股 (立命館大), 田口 (立教大)[Target: 表層 (分散:>400)]
宇宙風化度(2.0～2.7µm)

IV. Fiber Optics

層状ケイ酸塩の構造水<to be continued in next talk>with 平原 (名大), 中川 (東北大)（2.7～2.8µm）

分子水（2.9～3.1µm）

有機物のCH直鎖構造（3.3～3.6µm）

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)15

惑星探査機 (& 地球観測衛星) からみた3‐10μ帯赤外2Dセンサーの現況と課題(2015/12/8 東北大)16