SUNRISE-3気球望遠鏡

近赤外偏光分光装置の開発
勝川行雄1, J. C. del Toro Iniesta4, S. Solanki5
久保雅仁1, 原弘久1, 清水敏文2, 大場崇義1, 川畑佑典1, 末松芳法1, 浦口史寛1
都築俊宏1, 納富良文1, 田村友範1, 篠田一也1, 松本琢磨1, 石川遼子1, 鹿野良平1 C. Quintero
Noda6, 永田伸一3, 一本潔3
1: 国立天文台 2: ISAS/JAXA 3: 京都大 4: IAA-CSIC 5: MPS 6: IAC

第10回 可視赤外線観測装置WS

1

2021/12/10

活動的な「彩層」の理解を目指して

皆既日食「ひので」衛星(2006-)

動的現象が磁気エネルギー輸送・散逸を担っている• 波動モード変換, 衝撃波,ジェット彩層の特徴• 大きなダイナミックレンジ(密度が5-6桁変化)• 弱電離プラズマ2021/12/10「ひので」衛星による彩層の撮像観測

太陽・恒星研究のフロンティア

現場の物理量(磁場・温度・速度など)を偏光分光観測で得ること
第10回 可視赤外線観測装置WS

2

SUNRISE-3気球実験n

口径1m (ひのでの２倍) の光学太陽望遠鏡‒n

スウェーデン・キルナからカナダまで大西洋上空の高度約35kmを1週間飛翔‒‒n2009年と2013年に飛翔実績、今回3回目

紫外線域 (波長 200 ‒ 400 nm)の観測
シーイングの無い高精度偏光観測

フライト2022年6月
CWS
TuMag
像安定装置
可視偏光撮像(λ=517, 525 nm)

気球・ゴンドラSUSI
紫外偏光分光(λ=300-400 nm)
SCIP
近赤外偏光分光(λ=770, 850 nm)

1m望遠鏡

ットニ
ユ
置
焦点装
3

SUNRISE-3 SCIP (スキップ)
Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter
スリット上流の回転波長板で偏光変調
エシェル回折格子で2波長同時ゼーマン効果 (+ハンレ効果)に高感度なスペクトル線がある近赤外線2波長帯を同時に偏光分光
高空間・時間分解能mm

Pol modulator

Gr

Slit-jawlens
PBS

Si IKI

Slit-jaw
cameraBlocking
filterDichroicfilter‒ Ca II 線で~5 Gの磁場を測定: 0.03%(1σ)の偏光度測定
Mg I Mg I Fe I K I

SlitngCamera for
850nm

高精度偏光観測n

Slit-jaw
filtera ti‒ 「ひので」と同じ解像度: 0.21秒角(Φ1mの回折限界)‒ λ/Δλ: 2x105‒ 時間分解能: 10秒

050

Fe I Ni I

Collimator
mirrorCameramirror765

大気吸収-> 気球高度では吸収減766767Ca II769

770771Fe I Fe I772
Ca II854.7846.6

10Photosphere

Chromosphere

Fe I

768

1500
Height [km]0Camera for770 nm

940mm
771.6

765.5

112.0

Ca II 854.2 nm

10.2

Ca II 849.8 nm

1000

6.60

Si I 768.0 nm

Fe I 846.8 nm

847

848

2021/12/10

849

850
851
852
wavelength (nm)

853

854

8.4

`=1

K I 766.4 nm
K I 769.8 nm`=15004

第10回 可視赤外線観測装置WS812
X [103 km]

Continuum

4.8
3Temperature [kK]n164

SCIP光学ユニットの熱構造設計
n

CFRPスキン+アルミハニカムコアの軽量・低熱膨張・高剛性光学ベンチ上に光学素子を配置 (原、浦口)‒nnn

上部カバーにもCFRP板を採用

観測中は運用ヒーター(On/Off制御)で温度維持‒‒

撮像系

ノミナル: 20 <1℃
設定温度を10-30℃で変更可能限られたヒーター容量 (25 W)で内部の温度を一様に維持するため、断熱シートSLI(single layer insulation)で覆う

分光器系
850 nmカメラ

770 nm
カメラ

SCIP光学ユニット内部

光学ベンチ裏⾯のヒーター

カメラ発熱 (3.6 W x 3台)によるカメラセンサの温度上昇を防ぐため、ラジエータから放熱させる‒ヒーターでCMOSセンサ温度を一定に維持

SLIで覆われた光学ユニット
上⾯にカメラ3台のラジエータ

5偏光計測のための同期制御
nnnn

回転波長板: 512msec/rotで変調
回転波長板からの同期信号で撮像:
16回/rot → 32 msecおき
視野スキャンミラーを撮像と同期駆動:
最短64 msecおきカメラ取得データを機上復変調してStokes IQUV画像を生成

E-unitBread Board

制御エレキBB制御エレキFM

SCIP制御エレキ(スペイン担当)
撮像同期信号

駆動信号

画像
撮像信号

カメラ
2kx2k
BSI-CMOS
48fps

偏光変調装置 (久保, 川畑, 篠田)

日本担当

スキャンミラー機構 (大場, 清水)

スペイン担当6SCIPの光学性能評価(川畑, 都築)

ロンキールーリング(縞模様)のコントラストで性能(MTF)評価

MTF
実線: 理想的なMTF
Symbol: 測定

撮像系
分光器系
850 nmカメラ

770 nm
カメラ

SCIP光学ユニット内部

直交偏光同時観測

SCIPに太陽光導入

850 nm帯太陽スペクトル770 nm帯太陽スペクトル7偏光測定性能実証
偏光応答
行列
(4x4)

SCIP光学ユニットの箱を閉じた状態
白い部分はカメラ(3台)の放熱板

このデータを使って観測データを較正する(川畑, 久保)偏光較正ユニットをSCIPの開口部に設置
既知偏光を入射(ただし、波長板遅延量/角度オフセットはフリーパラメータ)

Measurement

直線偏光板
2021/12/10

Ideal波長板
熱真空試験前後でも変化していないことを確認(望遠鏡部と結合させて4x4行列を求める必要)

8

光学ユニットの熱真空試験

上部シュラウドnn

下部シュラウド

入射光
SCIP光学ユニット

nnn

2021/12/10

NAOJ先端技術技術センターの大型真空チャンバー(φ1.5m)を使用 (田村らATC支援)
下部シュラウド: 観測装置が設置される焦点
装置箱の温度環境を模擬‒ 高温モード: 10℃ / 低温モード: 0℃
上部シュラウド: 上面とカメララジエータが対向する空(宇宙)を模擬: -35℃
真空度: ~1 torr
真空層窓から装置に光を入射し、観測装置の光学性能を測定
9熱真空試験における光学性能評価
分光器カメラ (2台)

スリット撮像カメラ

波⻑

スリット⽅向⽩⾊光ランプ真空窓波⻑

スペクトルの空間⽅向位置

スリット幅→ 撮像系の空間分解能
レーザー光の位置

真空窓

2021/12/10波⻑可変レーザーレーザーの波⻑幅→ 分光器の分解能

第10回 可視赤外線観測装置WS

10熱真空試験における光学性能評価
SJ撮像系の焦点位置をスリット幅で評価(レンズ結像系の真空-⼤気差検証)
スリット幅(単位pixel)

⼤気中
⼤気中
真空中

真空中

分光器結像位置

ヒーターOn/Offに伴う温度リップルにより-空間⽅向: ~1pix振動-波⻑⽅向: = 0.1pix振動
空間位置0.33 mm

光学ベンチ温度

レーザー波⻑幅
(単位pixel)

波⻑分解能: 波⻑可変レーザーで波⻑位置(真空-⼤気差)と幅波⻑位置

光学ベンチ温度

ヒーター制御パラメータの調整による温度リップルの低減とデータの後処理で対応
11

SCIPの出荷、組み込み、太陽光試験
2021年8⽉
国⽴天⽂台から出荷

9⽉ マックス・プランク太陽系研究所にて組み込み
上流光学系と組み合わせた偏光較正ScanmirrorPolarization generator at F2

10⽉-11⽉焦点⾯装置と望遠鏡、ゴンドラ結合
太陽指向試験、実太陽光でスループット確認、
スペクトル偏光取得

今後の予定-2022/3: ドイツで試験(FW/SW修正、熱真空試験など)
2022/4-:キルナで射場試験
2022/6: フライト12

開発の鍵と苦労よかったところn
光学構造設計‒ 重要なところはATCで設計、解析、開発してもらった‒ サイエンスと難易度のバランスのよい設計、リスク低減、スケジュール維持、ドイツ・スペインの装置と比較しても完成度の高い装置に仕上がっているn

試験系構築 -> かなりさぼれた‒ ひので衛星、CLASPロケット、SOLAR-C等の飛翔体装置開発の資産を最大限活用。国立天文台ATCのクリーンルームをほぼ専有させてもらう

しんどいところ: 国際共同開発
nI/F取り決め‒ 対ドイツ: 光学・構造・熱 IF‒ 対スペイン: カメラ、制御エレキ開発、ソフトウェア開発 (必要な機能を盛り込んでもらう)、日本側機器の制御 (エミュレータを提供)
n

海外装置とのかみ合わせでいくつか問題‒ 日本担当機構のIn-rush電流大で電源ONできない→しきい値変更‒ スペイン提供カメラに不具合→ばらして修理・再組立、 ほか色々n

COVID-19‒ zoomなどのおかげでリモート試験(一部は現地立会)できたが、それなりの労力

13