CTA報告154：
CTA大口径望遠鏡高速回転電源システムの開発試験
久門 拓A，野田 浩司A，手嶋 政廣A,B，齋藤 隆之A，
猪目 祐介A，稲田 知大A，奥村 曉C，加賀谷 美佳A，片桐 秀明D，千川 道幸E，深見 哲志A，藤原 千賀己E，
山本 常夏F，吉田 龍生D，李 健E，Daniel MazinA,B
他CTA-Japan Consortium
東大宇宙線研A，Max-Planck-Inst. fuer Phys.B，
名大ISEEC，茨城大理D，近畿大理工E，甲南大理工F
17/Mar./2019

Cherenkov Telescope Array (CTA)
大口径望遠鏡(Large Sized Telescope, LST)
✓仕様
✓✓✓
✓

✓

総重量：122ton
高さ：45m
焦点距離：28m
鏡直径：23m

大きい=> エネルギー閾値：低高感度 (104−105倍)

CTAの低エネルギー側の観測を担当✓

低エネルギー：LST dominantエネルギー閾値を20 GeVまで下げられる[cf.] 現行の閾値：100 GeV程度✓

FermiとCTAの感度曲線

GRBに対しての感度✓

Fermiの104倍から105倍の感度を持つ

GRB
観測時間 [秒]✓ 超高エネルギーガンマ線領域でのLong GRB即時放射の検出が期待（数回 / 年）
Taku Kumon | 久門 拓

JPS 2019 Annual (74th) meeting • Ito • 17 March, 2019https://www.cta-observatory.
org/project/technology/✓

解像型大気チェレンコフ望遠鏡を用いた次世代天文台CTAではLSTを4台配置
2

LSTでGRB即時放射を検出する際の課題✓【GRB即時放射の検出】
GRBアラートを受信してから、LSTを高速でポインティングする✓【推定電力】数百kW

4【参考】
高速ポインティング(60％ of Max speed)

入力上限値の10倍=> 瞬間放電に優れた蓄電装置が必要✓

LST：フライホイール(蓄電装置)を搭載✓【利点】瞬間放電に優れる・コンパクト・
CTA運用年数に耐える長寿命（20年）

望遠鏡への実装
世界初
Taku Kumon | 久門 拓【講演内容】• LST電源システム（世界初）の説明• GRBポインティングのための高速回転を想定した試験結果の報告
JPS 2019 Annual (74th) meeting • Ito • 17 March, 20193

フライホイールについて

フライホイール拡大図✓フライホイール （2台搭載）✓

真空容器の中で磁気浮上した金属が高速で回る （36k 回転/分）✓

電気エネルギーを力学的な回転エネルギーに変換

上限値：300 kW× 2台 = 600 kW

2m
コンパクト
長寿命

1m2
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http://apps.geindustrial.com/publibrary/checkout/DEA-642?TNR=Brochures%7CD
EA-642%7CPDF&filename=DEA-642.pdf

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フライホイールを搭載した
電源システム全体像✓UPSコントローラー（上限値：525 kVA）
電源システム全体図
入力✓ 入力、出力、発電機フライホイールと接続
UPSコントローラー✓ 入力だけで出力電力が<40 kW
賄えない時は、フライホイールから電力を取り出す✓

Automatic Transfer Switch✓

常用電源が切れた時に、入力元を非常用発電機側に切り替える

常用電源

出力

<400 kW
抵抗器
https://www.calnetix.com/sites/default/files/
CA_VYCON_VDC_BROCHURE_ENGLISH_%20
WEB_6_15_16.pdf(mod)フライホイール
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フライホイールを搭載した
電源システム全体像✓モニタリングシステム✓✓

フライホイールやUPSコントローラーの値を測定（ Modbusプロトコル）

読み取り
入力
発電機

電源システム全体図

出力

UPSコントローラー

試験のために読み取りプログラムを作成

常用電源✓

LST (電源システム外)
✓

読み取り
抵抗器

方位角・仰角のモーターによって回転https://www.calnetix.com/sites/default/files/
CA_VYCON_VDC_BROCHURE_ENGLISH_%20
WEB_6_15_16.pdf(mod)フライホイール
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6

疑似負荷

高速回転を想定した試験- 疑似負荷放電試験

電力負荷を1kW刻みで設定できる装置✓【方法】
LSTの代わりに疑似負荷を接続
2. LSTの出力値を設定して、エネルギー残量100%からの放電試験を実施
3. フライホイールのエネルギー残量変化を測定
4. 放電時の消費電力を算出
1.

※ 各出力での放電試験を12回ずつ実施✓

一日あたり4回

3日間【LST出力値】45kW, 50kW, 70kW, 90kW,120kW, 170kW, 220kW, 270kW,320kW, 370kW, 420kW

UPSコントローラー

疑似負荷
出力
入力
エネルギー残量を測定

フライホイール
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負荷を設定

JPS 2019 Annual (74th) meeting • Ito • 17 March, 2019https://www.calnetix.com/sites/default/files/
CA_VYCON_VDC_BROCHURE_ENGLISH_%20
WEB_6_15_16.pdf
(mod)

7

高速回転を想定した試験- 疑似負荷放電試験✓220kW,10秒放電 ( 4) 赤：フライホイール1
420kW,10秒放電 ( 4) 青：フライホイール2【結果】
問題なく大電力を供給可能✓ 各出力ごとの結果（12回）=> 誤差の範囲で一致

エネルギー残量拡大図(420kW, 10秒放電)

エネルギー残量✓放電
傾き = 消費電力

時間
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充電

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時刻

8

【結果】
✓ 出力𝑃outとフライホイール消費電力𝑃FWs の関係式

フライホイール合計消費電力✓

高速回転を想定した試験- 疑似負荷放電試験

電源システムの出力

𝑃out = 0.99 × 𝑃FWs + 38kW
電源システムの出力

電源
フライホイール
システム
消費電力の入力

Taku Kumon | 久門 拓

電源システムの出力と、フライホイールの消費電力の関係式を理解

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高速回転を想定した試験- シミュレーション
✓

【方法】
1.

推定される最大の電力をシミュレーションで算出✓2.

【状況】20秒で最大角度の回転
風最大：60 km/h
向かい風

その時のフライホイールのエネルギー残量変化を算出

方位角最大回転：180°
天頂角最大回転：65°
疑似負荷試験での結果を用いる
Acharyaetal.(2017)

風最大・向かい風での加速時に推定される最大電力を算出
Taku Kumon | 久門 拓

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10

✓

【結果】
LSTが要求する最大電力：次の和で算出
回転エネルギー変化分（加速時：最大）✓ 転がり摩擦分（自重と風圧の両方を考慮）✓ トルク分（向かい風）✓ その他電力（カメラや冷却機など）※ モーターのエネルギー変換効率も考慮✓✓

フライホイールのエネルギー残量✓

疑似負荷試験で求めた関係式より

Taku Kumon | 久門 拓

最大電力

✓

20秒回転での最大電力

加速エネルギー残量

高速回転を想定した試験- シミュレーション

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等速

減速

フライホイール
エネルギー残量

回転時間 [秒]11300kW (peak)
最大電力

高速回転を想定した試験- シミュレーション【結果】A) 最大電力✓

ピーク時 = 300kW=> 出力上限の60%：十分余裕がある✓B)[cf.] 出力上限：525 kVA

0.9 = 470 kW

減少量 = 15%=> エネルギーがゼロにならずに高速ポインティングを完了できる=> 20秒以内にいかなる方向にも安全にポインティング可能
Taku Kumon | 久門 拓

等速減速力率エネルギー残量（フライホイール）✓

加速
エネルギー残量✓15%減少

JPS 2019 Annual (74th) meeting • Ito • 17 March, 2019回転時間 [秒]

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まとめ✓

CTA大口径望遠鏡はGRBの即時放射を検出するために世界で初めてフライホイールを搭載した電源システムを望遠鏡に搭載✓

疑似負荷を用いた大電力供給機能の試験と、シミュレーションによって、いかなる方向にも20秒以内の高速ポインティングが可能なことを確認

今後の展望
✓

本格的な稼動開始後は、年間数回のLong GRB即時放射の観測が可能

Taku Kumon | 久門 拓

JPS 2019 Annual (74th) meeting • Ito • 17 March, 201913