TAO/MIMIZUKUに向けた冷却チョッパーの開発
道藤翼

東京⼤学⼤学院理学系研究科天⽂学専攻修⼠2年
宮⽥隆志, 上塚貴史, 酒向重⾏, ⼤澤亮, 浅野健太朗, 橘健吾, 飯⽥煕⼀, 左近樹（東京⼤学）,軸屋⼀郎, 近藤智也（⾦沢⼤学）, 本⽥充彦（岡⼭理科⼤学）
＠第10回可視⾚外線観測装置ワークショップ
2021.12.09 11:10-11:40 am

⽬次・導⼊地上中間⾚外線観測について
チョッピング・装置について
装置概要
制御⽅法
要求仕様
・実験概要
・実験結果とまとめ
・今後について地上中間⾚外線観測(3~30um)
地上中間⾚外線観測では、⼤気の熱放射が⽀配的
この除去が天体観測には必須↓
チョッピング：望遠鏡の視野を交互に切り替える⽅法
Chop間の画像を差し引きすることで星の像が⾒える=ー

Chop Aの画像

Chop Bの画像

Chop A ‒ Chop B の画像

観測地の⼤気変動タイムスケールより速い周波数で振りたい

Chop B Chop A

副鏡チョッピング（従来）
使⽤例：すばる望遠鏡/COMICS
望遠鏡の副鏡を振って視野を切り替える
次世代の⼤型望遠鏡の⼤きな副鏡では⾼速な切り替えが困難
すばる望遠鏡/COMICS※現在COMICSは運⽤停⽌©NAOJ

冷却チョッピング（今回）
装置内に冷却鏡を置き、それを⾼速に振って視野を切り替える
チリ/アタカマに建設中のTAO望遠鏡の中間⾚外線観測装置MIMIZUKU⽤に今回は開発
TMT/MICHIでも活躍も期待される
TMT/MICHI©NAOJ

TAO/MIMIZUKU

⽬次✔導⼊
地上中間⾚外線観測について
チョッピング・装置について
装置概要
制御⽅法
要求仕様
・実験概要
・実験結果とまとめ
・今後について

装置概要• MIMIZUKUは反射光学系（広い波⻑範囲に対応する必要があるため）
MIMIZUKU光学系→可動反射鏡を光路に⼊れ、それを傾けてチョッピング
チョッパー搭載箇所
検出器へ

視野B

検出器へ

視野A

鏡

鏡

装置概要

反射光

⼊射光
ねじりばね

ギャップセンサー

コイル

駆動部上⾯の鏡で光を反射する。この鏡を傾けてチョッピングを⾏う。
⼟台のコイルに流れる電流による磁場と駆動部の磁⽯の引⼒・斥⼒で駆動
回転軸のねじりバネとの釣り合いで静定
ギャップセンサーにより駆動部までの距離を電圧値として計測→⾓度に換算

磁⽯

装置概要
1軸駆動
１組のコイルと磁⽯で駆動
外側の枠ごと鏡を動かす外周駆動と内側の鏡のみ動かす内周駆動の２通り
2軸駆動
２組のコイルと磁⽯で駆動＝内周と外周を同時に駆動

内周駆動

外周駆動

⾓度

制御⽅法
理想的なチョッピングの波形：右上図
この通りに電流を流しても、右下図のようにしばらく振動してから静定する
この振動からわかる３つのパラメータ①ゲイン ②固有周波数 ③減衰率を⽤いてフィードバック制御を⾏い、速い静定時間と⾼い安定性を⽬指す
Closed (Feed back)
⽬標

⼊⼒

出⼒

Open
※制御の簡易的なイメージ。（開発：⾦沢⼤軸屋研の⽅々）

時間

制御の⽬標各項⽬の要求の理由
・チョッピング振幅：観測経験に基づく⼗分量・安定性：TAO/MIMIZUKUのPSFサイズより⼗分⼩さい値
・周波数：TAO siteの⼤気放射を精度良く減算できる周波数・静定時間：2Hz 駆動時に全体の80%を観測に使える時間

撮像位置
④静定時間
50ms以下①チョッピング振幅
30秒⾓以上（天球上）
位置A

位置B
②安定性
0.02秒⾓以下（天球上）
0③周波数
2Hz以上
1s

観測時間

要求仕様
• ⼀軸駆動の場合の要求仕様
チョッピング振幅

静定精度（rms）>±0.42 deg< 6×10!" deg

チョッピング周波数
> 2Hz

静定時間
< 50ms• ⼆軸駆動の場合の⼀軸に対する要求仕様
チョッピング振幅

静定精度（rms）>±0.30 deg< 4.2 ×10!" deg

チョッピング周波数> 2Hz

⼆軸駆動＝内周と外周を同時に駆動

A+=A!A

静定時間< 50ms⽬次✔導⼊地上中間⾚外線観測について
チョッピング✔装置について
装置概要
制御⽅法
要求仕様
・実験概要
・実験結果とまとめ
・今後について実験概要
まずは常温で実験をし、およそ20Kまで冷却して実験をする。
インストール後中央部がチョッパー
チョッパー本体組み⽴て後ヒーター

温度計

実験概要
• ⼀軸駆動（内周、外周どちらかのみ駆動。常温/低温）
周波数：2 Hz
振幅：天球上でおよそ60秒⾓の設定• ⼆軸駆動（内周、外周両⽅を上記と同様の設定で同時に駆動。常温/低温）• 1時間耐久試験（⼆軸駆動、周波数２Hz、振幅は天球上60秒⾓。低温）
この際の発熱量も評価• 昇温後再冷却した時の上記の同様の試験（低温）• オートコリメータを⽤いたギャップセンサーの⾓度算出の正確性の調査（常温/低温）⽬次✔導⼊
地上中間⾚外線観測について
チョッピング✔装置について
装置概要
制御⽅法
要求仕様
✔実験概要
・実験結果とまとめ
・今後について

実験結果• ⼀軸駆動（内周、外周どちらかのみ駆動。常温/低温）
周波数： 2 Hz
振幅：天球上およそ60秒⾓の設定• ⼆軸駆動（内周、外周両⽅を上記と同様の設定で同時に駆動。常温/低温）• 1時間耐久試験（⼆軸駆動、周波数２Hz、振幅は天球上60秒⾓。低温）
この際の発熱量も評価• 昇温後再冷却した時の上記の同様の試験（低温）• オートコリメータを⽤いたギャップセンサーの⾓度算出の正確性の調査（常温/低温）常温外周⼀軸駆動(2Hz/60”)
2Hz chopping

拡⼤

拡⼤±0.84 deg

Std ∶ 6.27×10!" deg

32.5 ms

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.42 deg< 6×10!" deg> 2Hz< 50ms結果±0.84 deg

6.27×10!" deg2Hz

32.5 ms

解釈◎（~60”達成）△○○

常温内周⼀軸駆動(2Hz/60”)
2Hz chopping±0.84 deg
Std ∶ 3.85×10!" deg

36.1 ms

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.42 deg< 6×10!" deg> 2Hz< 50ms

結果±0.84 deg

3.85×10!" deg2Hz

36.1 ms

解釈◎（~60”達成）

○

○

○

常温⼆軸駆動(2Hz/60”)

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.30 deg< 4.2×10!" deg> 2Hz< 50ms

外周±0.59 deg

3.74×10!" deg2Hz

34.9 ms

内周±0.59 deg

3.85×10!" deg2Hz

35.0 ms

解釈◎（~60”達成）○○※⼆軸振幅＝ (外周の振幅)# +(内周の振幅)# = 0.84 degで計算。

○

常温試験結果まとめ• 外周、内周、⼆軸全てにおいて天球上60”の⼗分な振幅を得ることができた
安定性もおおよそ要求をクリア
最低限の周波数として2Hzでの駆動が可能
50msを切る静定時間を達成し、2Hz駆動時全体の80%の時間を観測にあてれるようになると全ての要求精度を達成• 低温試験に進む

実験結果• ⼀軸駆動（内周、外周どちらかのみ駆動。常温/低温）
周波数：2 Hz
振幅：天球上でおよそ60秒⾓の設定• ⼆軸駆動（内周、外周両⽅を上記と同様の設定で同時に駆動。常温/低温）• 1時間耐久試験（⼆軸駆動、周波数２Hz、振幅は天球上60秒⾓。低温）
この際の発熱量も評価• 昇温後再冷却した時の上記の同様の試験（低温）• オートコリメータを⽤いたギャップセンサーの⾓度算出の正確性の調査（常温/低温）低温外周⼀軸駆動(2Hz/60”)
2Hz chopping±0.84 deg
Std ∶ 7.11×10!" deg

32.8 ms

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.42 deg< 6×10!" deg> 2Hz< 50ms結果±0.84 deg

7.11×10!" deg

2Hz32.8 ms

解釈◎（~60”達成）

×

○

○

低温内周⼀軸駆動(2Hz/60”)
2Hz chopping±0.84 deg

32.6 ms

Std ∶ 3.85×10!" deg

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.42 deg< 6×10!" deg> 2Hz< 50ms結果±0.84 deg

8.85×10!" deg2Hz

32.6 ms

解釈◎（~60”達成）

×

○

○

低温⼆軸駆動(2Hz/60”)

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.30 deg< 4.2×10!" deg> 2Hz< 50ms

外周±0.59 deg

4.83×10!" deg2Hz

35.3 ms

内周±0.59 deg

10.2×10!" deg2Hz

39.7 ms

解釈◎（~60”達成）

×

○

○

低温試験結果まとめ• 外周、内周、⼆軸全てにおいて天球上60”の⼗分な振幅を得ることができた
最低限の周波数として2Hzでの駆動が可能
50msを切る静定時間を達成し、2Hz駆動時80%の時間を観測にあてることが可能にと安定性以外の要求精度を達成• 安定性に関して、特にInnerにおいてランダムとは思えないノイズ成分→冷凍機による振動か？

実験結果✔⼀軸駆動（内周、外周どちらかのみ駆動。常温/低温）
周波数：2 Hz
振幅：天球上でおよそ60秒⾓の設定✔⼆軸駆動（内周、外周両⽅を上記と同様の設定で同時に駆動。常温/低温）• 1時間耐久試験（⼆軸駆動、周波数２Hz、振幅は天球上60秒⾓。低温）
この際の発熱量も評価• 昇温後再冷却した時の上記の同様の試験（常温）• オートコリメータを⽤いたギャップセンサーの⾓度算出の再現性の評価（常温/低温）1時間耐久試験(2Hz/60”/低温)
開始直後

1時間後

チョッピング
振幅

静定精度
（STD）

チョッピング
周波数

静定時間

チョッピング
振幅

静定精度（STD）

チョッピング
周波数

静定時間

要求>±0.30 deg<4.2×10!" deg> 2Hz< 50ms

要求>±0.30 deg<4.2×10!" deg> 2Hz< 50ms

外周±0.59 deg

4.89×10!" deg2Hz

33.7 ms

外周±0.59 deg

5.13×10!" deg2Hz

35.1 ms

内周±0.59 deg

7.94×10!" deg2Hz

39.7 ms

内周±0.59 deg

7.70×10!" deg2Hz

35.2 ms

解釈◎（~60”達成）

×○

○

解釈

◎（~60”達成）×○○

概ね性能は維持されており、⻑時間の駆動にも耐えられることを確認

温度[K]

1時間耐久試験発熱量評価~0.08 [K]右上図：1時間耐久試験時のデュワー内温度変化
およそ0.08 [K]の温度上昇を確認
時間[min]

発熱と温度変化が線形だと仮定すると、チョッパーの2Hz/60”⼆軸駆動時の発熱量は
8
およそ 0.08 K ×
9.:

温度[K]

右下図：5mWの発熱をするヒーターを焚いた時の温度変化を⽰したもの。
およそ0.1 [K]の温度上昇を確認~0.1 [K]mW/K ∼ 4 mW
時間[min]1時間耐久試験まとめ• 2軸駆動 2Hz/天球上60”振幅の設定で1時間耐久試験を⾏った
振幅：終始60”を維持
安定性：悪化は確認できなかった
周波数：２Hzを維持
静定時間：30 ~ 40 ms を維持
1時間動かし続けても同じ性能を維持し続けることができる• 発熱量について、およそ4mWと推定チョッパーが置かれる光学ベンチに流⼊する熱量~8Wより⼗分⼩く、これによる影響は無視できる

実験結果まとめ• 常温/低温ともにほぼ全ての要求を達成• 低温時の安定性に関して、冷凍機の振動が影響し常温時より悪化している可能性（詳細は補⾜資料へ）• ⻑時間駆動しても性能を維持する耐久性を実現• チョッピングによる発熱量はMIMIZUKUの他のシステムによる発熱より⼗分⼩さく⼤きな影響は出ないと予想（以下詳細は補⾜資料へ）• 熱サイクルをかけてもチョッパーの動作の再現性は⾼い• ギャップセンサーから算出した⾓度は概ね信じて良いが、細かな⾓度の値を議論する際は注意が必要

今後の展望• チョッパーが概ね要求精度を満たしたことを確認→MIMIZUKU搭載機の設計が現在⼤詰め、近々発注予定• 本年度中に実際にMIMIZUKUに搭載し、試験を⾏うことを⽬標とする

MIMIZUKU光学系

搭載機予想図補⾜資料• 要求仕様について• 5Hz 駆動結果（2軸駆動のみ）• 冷却駆動時の振動に関して• 昇温後再冷却時の⼆軸駆動結果（2Hz/60”）• ギャップセンサーを⽤いた⾓度算出⽅法• オートコリメータを⽤いた⾓度算出とギャップセンサーとの⽐較• 昨年の試作機との違い

要求仕様について• チョッピング⾓の30秒⾓：過去の観測経験から。
（60秒⾓については⽊星のような⼤型天体の観測を想定）• 安定性：PSF FWHMはシーイングと回折を加味し、最⼩0.5秒⾓→チョッピング起因の残存振動をガウシアンと仮定→残存振動に起因するFWHMがPSFの⼀桁下になることを要求→σ=±0.02 arcsec• 周波数：TAO siteの⼤気放射変動周波数スペクトルから。
• 静定時間：周波数2Hz → 往復0.5s → 1ステップ 0.25 s
80%観測に使いたいとすると、静定時間に使える時間は0.25 × 0.2 = 0.05 s = 50 ms

⼆軸駆動結果（5Hz/60”）

チョッピン
グ振幅[deg]

安定性(STD)[deg]

静定時間[ms]

外周

±0.59

6.2×10!"

34.2

内周

±0.59

13×10!"

39.8

・天球上で60秒⾓のチョッピング⾓達成
・50ms以内の静定時間達成
・5Hzチョッピング達成（5Hzの場合静定時間50msだと50% duty cycle）
・安定性は内周外周共にわずかに要求を満たさない冷却駆動時の振動• 画像は1Hzの時のデータ（⻘：外周、オレンジ：内周）
外周内周どちらも1Hzの冷凍機の振動らしきものが確認できる

冷却駆動時の振動
⻘：冷凍機オン時（20K）
橙：冷凍機オフ時（20K）
上がInner、下がOuter。
冷凍機オンオフ時の特性をみるため、平均波形を算出
Outerの⽅は違いはほとんどな
いが、Innerの⽅はかなり差が出ている。冷凍機オンオフ時のstdの差は2倍程度→今回のデータの安定性の差をおおよそ説明できるか

再冷却後低温⼆軸駆動(2Hz/60”)

チョッピング振幅

静定精度（STD）

チョッピング周波数

静定時間

要求>±0.30 deg< 4.2×10!" deg> 2Hz< 50ms

外周±0.59 deg

5.06×10!" deg2Hz

35.1 ms

内周±0.59 deg

7.87×10!" deg2Hz

34.9 ms

解釈◎（~60”達成）

×○○ギャップセンサー⾓度測定＜問題点＞
平⾏板コンデンサー式のセンサーなので、平⾏が保たれていない場合にどの場所を測っているのかが不明

dギャップセンサーはオレンジの距離を電圧として計測：d=0.12V [mm] で距離に直せる
鏡とギャップセンサーの距離は並⾏値0.6mmなので、変位距離は 0.12V - 0.6 [mm]鏡の中⼼部からギャップセンサーの円盤の中⼼部分は14mmの距離なので、変位⾓は0.12> − 0.6
180!$; = tan×[ ∘]14@

オートコリメータ試験概要• ギャップセンサーは平⾏板静電容量式のセンサ→平⾏が保たれない今回は正確な鏡の傾きを測定できているか怪しい• オートコリメータで光源からチョッパーの鏡に照射した⼗字架像が反射され結像位置を測定
この位置がチョッピングによりどれだけずれるかを測定することでチョッピング⾓を算出• オートコリメータから算出した⾓度を本当の⾓度だと思って、これまでの実験データと⽐較する

オートコリメータ試験（常温1軸）
Inner (AC/GS)

Outer (AC/GS)
32.5y = 0.9721x + 0.0004
y = 1.0136x - 0.0001

R² = 1R² = 12AC Chopping Angle [deg]AC Chopping Angle [deg]

2.5

2

1.5

11.5

10.5

0.5

0000.5

11.5

2

GS Chopping Angle [deg]

2.5

300.5

11.5

2GS Chopping Angle [deg]AC(Outer) [deg] = (1.0136±0.001)* GS(Outer)[deg] -0.0011
AC(Inner) [deg] = (0.9721±0.0009)±* GS(Inner)[deg] +0.0004

2.53オートコリメータ試験（低温1軸）
AC/GS Inner

AC/GS Outer
2.52.5y = 1.0191x - 0.0005

2R² = 1

AC Chopping Angle [deg]AC Chopping Angle [deg]

21.5

11.5

10.50.50000.5

11.5

GS Chopping Angle [deg]

22.5

00.5

11.5

GS Chopping Angle [deg]AC(Outer) [deg] = (1.0191±0.0009)* GS(Outer)[deg] -0.0005
AC(Inner) [deg] = (0.9837±0.0009)* GS(Outer)[deg] +0.0005

22.5

オートコリメータ試験（常温/低温2軸）
AC/GS（常温）

AC/GS（低温）33.53y = 0.9868x - 0.0028
R² = 1AC Chopping Angle [deg]AC Chopping Angle [deg]

2.5

21.5

10.5

2.5
21.5
10.5

0000.5

11.52

GS Chopping Angle [deg]

2.5

300.5

11.5

22.5

GS Chopping Angle [deg]常温：AC [deg] = (0.9868±0.0007)* GS[deg] -0.0028
低温：AC [deg] = (0.9897±0.0012)* GS[deg] +0.0032

33.5

オートコリメータ試験まとめ• 常温と低温それぞれで、ギャップセンサーはOuter

Inner

⼆軸

常温

-1.6%

+3.8%

+1.3%

低温

-1.9%

+1.7%

+1.0%

だけ⾓度を測り間違える（⻘：過⼩評価、⾚：過⼤評価）• そこまで⼤きな測り間違えはしないが、有意な差であると考えられるため、細かな議論をしたい場合は上記の考慮が必要（先述の線形近似の式から⾓度変換を⾏うなど）

試験機の違い

今回の試験機

昨年の試験機

昨年の試験機が低温でうまく動かなかった結果を受け、向かい合うねじりばねの回転軸の⼀致に拘ったのが今回の試験機

先⾏研究との⽐較• TAO/MIMIZUKUのプロトタイプminiTAO/MAX38の低温チョッピングでは、駆動幅が⼩さいこと、⻑期安定性などに問題あり• E-ELT/METISの冷却チョッパーについては詳しい情報なし• TAO/MIMIZUKUに向けたチョッパーとしては、低温環境下で⼤きなチョッピング⾓を達成
発熱量も⼗分⼩さいことが新しく達成されたところで、今回の試験機の特徴