CTA報告65: CTA 大口径望遠鏡の光学系調整と光学性能
野田 浩司（Max-Planck Institute for Physics）
手嶋政廣A B, 奥村曉C D, 加賀谷美佳E, 片桐秀明E, 齋藤浩二B, 田中駿也E, 千川道幸F,中嶋大輔A, 野里明香F, 花畑義隆B, 馬場浩則E, 林田将明B, 柳田昭平E, 山本常夏G, 吉田龍生E,他 CTA-Japan consortium, Thomas Schweizer A, Holger Wetteskind A(A: MPI for Physics, B: 東大宇宙線研, C: 名大STE研, D: レスター大, E: 茨城大理, F: 近畿大理工, G: 甲南大理工)2013年9月20日 日本物理学会 秋季大会 ＠高知大学

LST光学系Introduction• 放物面反射鏡 F=28m、Φ23m• 198枚の球面分割鏡（1枚はΦ1.5mの正六角形）• 平面焦点面 Φ約2.2m• 焦点面カメラ：1855本のPMT Φ38mm• 視野 4.5度、1PMTピクセル 0.1度（Φ50mm）• 各PMTにlight guide（かlens）※ CTA報告62 田中• 低エネルギー閾値 → 大口径、GRBなどの突発天体追尾 → 軽量化• 要求スポットサイズ（d80: 80%の光量を含む直径） 入射角~1度まで＜0.1度
力学的条件は厳しい。構造の変形を許容して補償する方が現実的（補償なしだと、入射角0~1度でスポットサイズが0.17~0.20度）
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光学系調整コンセプト
1.光軸の定義：z方向

予め光軸（z軸）をレーザーで定義※ 実際には、レーザーをカメラ中心ではなくカメラ横カメラ・ y方向x方向のスクリーンに向けて複数打つ。

2.焦点面：
カメラ位置を観測中に随時監視。xy位置とz軸周り

赤：光軸
実際は点線の回転は光軸レーザーで測定（xy軸の定義）。

青：レーザー
距離計の位置z位置とxy軸周りの回転はレーザー距離計で測定。
3.分割鏡：
初期調整の後、光軸レーザーと分割鏡の向きの関係を記憶しておき、観測中に随時補正。

反射鏡

3光軸レーザーStars

• カメラ位置測定と分割鏡調整の両方に必要

SKY

LED

LED

• カメラ横（~0.5度）のスクリーンに照射。

OA&Laser~0.5deg

鏡中心にあるCCDで、28mの距離から撮像 。
• 観測中に使うので、PMTへの影響を減らすべく赤外レーザー（>780nm）を使用予定

PMT.&.
CAMERA

Target.for.AMC

Target.for.AMC

yLED

LED

x＜チェック項目＞• PMTの赤外レーザーへの感度（波長依存性）
短波長の方がCCDの感度が高く、スポット位置検出もしやすいが、短すぎるとPMTに影響してしまう可能性• 低出力（数mW）の赤外レーザーの安定性
温度変化 → スポット位置・明るさ変化 → スポット位置検出の安定性
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PMT response
LSTで用いるのと同じ型のPMTの中心に赤外レーザーを直接入射し、1st dynodeの電流を測定した。使用したレーザー：780, 850, 880, 980, 1064(+808) nmの5つ▲: レーザー測定電流値（右軸）●: QE測定装置によるPMT QEの実測 (左軸)。

NSB (300MHz)

電流値は右軸（~20pAのpedestalは引いていない）

同じ1064nm laserで■: レーザーの測定値を出力（全て数mW）でQE相当に変換 (左軸)

3つのPMTを測定
同じ780nm laserで2つのPMTを測定

観測時には~0.5度以上への散乱のみが問題 → この測定はPMTへの影響の上限値
数mWの低出力の（安価な）レーザーなら、>850nmとすれば影響はNSB以下

5光軸レーザー安定性• >850nmのレーザーに限って、長期安定性を試験• CCD＋zoom lensで28m先のスポットを1時間毎に撮像計3週間、温度変化は~10-30℃（MPIの屋根裏）• スポット位置分解に必要な精度: 0.0025度=9秒角

Angle [deg]Angle [deg]]C[dturapmeT
Temperature[dC]（光学系全体のPSFでlimit=後述）28mで1.3mm相当
3530

外気温

2015
10
5
0.02
0.015
0.01
0.015
0.005
0.01
0-0.005
0.005-0.01
0-0.015-0.005
-0.02
-0.01

age
ngle [deg]（傾斜計の内部温度）

25-0.015
0.02
0.015
0.01
60000
0.005

20130823

20130824

20130825

20130826

20130827

20130828

20130829Date

880nm スポットのx座標：mean, 2d fit

20130823

20130824

20130825

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Date20130823

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20130825

20130826

20130827

20130828

20130829

レーザー自体は十分に安定。必要なCCDのスペックなどの知見を得た

Date

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鏡調整「理論と実践」• 自由度：位置3＋傾き3。3点支持の自由度も6。
• 分割鏡は「位置精度 >> 傾き精度」→1点固定

Pivot (fixed point)
Actuator(1軸free)

Actuator(2軸free)

先に位置の3自由度を減らせば、設置が容易。
（cf. 6自由度を同時調整 “stewart platform”）• 残り2点の位置で傾きを調整。球面は軸対称ゆえ傾き3→2自由度の調整でよい。2つのactuator。
• 極座標（並進1+回転2）機械抵抗小、調整が容易。
1支持点の回転自由度-1で、全自由度を2にする。

MAGICの経験により実践的な最適化が可能に
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鏡調整の現状
Pivot (fixed point)• actuatorの制御（CTA報告64 野里）
Actuator
Actuator(1軸free)(2軸free)
残るはソフトウェア• Interface plateの機械的強度は？
（by花畑） 最後のピース

デザイン例← 有限要素法（FEA）による変形の計算
傾き30度、風速70km/h（最悪の観測条件）
変位<34µm（必要精度~15µm）

まだ工夫が必要だが、達成可能
8光学系全体の調整• MPI Munichにtest structureを建設中（2013冬〜2014春に完成予定）• 光学調整システム全体のテストを予定• 光軸レーザー• 分割鏡調整（複数のオプション）• 鏡の長期試験？

北向き

56m (=2f )9期待される性能• 光学系「フルシミュレーション」 調整精度などの現実的な条件を入れた光線追跡（ROBAST package）• 遮蔽：カメラ、マスト、ロッド• 分割鏡の表面精度：FEA計算だけでなく、PMDの測定結果（cf. 馬場talk）を代表値として導入• 分割鏡の調整精度：この講演の内容• 鏡構造の変形：FEA• カメラ位置：マストの変形、特にz方向とxy回転の測定・補正精度• 結果：入射角1.0度まで＜0.1度
要求性能ギリギリではあるが、LSTの光学系設計の「現実性」が示された

実線：今回

破線：調整などを考慮せずに、「光学系性能」とされていた値• 今後はE閾値など物理への影響を調べる
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Summary• LSTの光学系調整コンセプト「光軸を決めておき、随時補正調整する」• 光軸レーザー「波長850nm以上、数ｍWのレーザーならばPMTへの影響は無視可能」「適当な位置読み出しを行えれば、光学系の基準として十分に使用可能」• 分割鏡の調整「ハードウェアのピースが全て揃いつつある。理論から実践に向けて、システム全体でのチェック段階が目前」• 光学系の性能評価「調整精度など、ハードウェア開発からのフィードバックを含めることで、より現実的な性能評価を開始した」
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