CTA 大口径望遠鏡の分割鏡の開発（ 3 ） 茨城大学大学院理工学研究科 加賀谷 美佳 奥村曉 F 片桐秀明 A 北本兼続 E 﨏中良介 E 周小溪 E 田中駿也 A 千川道幸 E 手嶋政廣 B,C 中嶋大輔 C 野里明香 E 林田将明 G 柳田昭 平 A 山本常夏 D 吉田龍生 A R.Krobot.

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1 CTA 大口径望遠鏡の分割鏡の開発（ 3 ） 茨城大学大学院理工学研究科 加賀谷 美佳 奥村曉 F 片桐秀明 A 北本兼続 E 﨏中良介 E 周小溪 E 田中駿也 A 千川道幸 E 手嶋政廣 B,C 中嶋大輔 C 野里明香 E 林田将明 G 柳田昭 平 A 山本常夏 D 吉田龍生 A R.Krobot I 他 CTA-Japan consortium 茨城大理 A 東大宇宙線研 B Max-Pkanck-Inst. Fuer Phys C 甲南大理工 D 近畿大理 E 名大 STE 研 F 京都大理 G University Erlangen H 1

2 大口径望遠鏡 （ LST ） 20 GeV ～ 1 TeV 2 Cherenkov Telescope Array （ CTA ） 大口径望遠鏡 1510 mm 口径 23 m 回転放物面型 焦点距離： 28 m F 値： 1.2( 28 m/23 m ) 曲率半径： 56.2 m 反射率： > 90 % （ 400 nm ） >85% （ 300 – 600 nm ） スポットサイズ： 0.03 ° 重量： 40 kg ／枚 反射率経年変化 <1 % ／ yr （ 10 年の耐久性） 中口径望遠鏡 （ MST ） 100 GeV ～ 1 0 TeV 小口径望遠鏡 （ SST ） 1 TeV ～ 100 TeV 以上

3 分割鏡は Cold Slump 法で成型、スパッタリングで多層膜 コーティングを施している （ 2011 年 9 月天文学会 ） 多層膜コーティングにより保護層が形成され、表面の強 度が向上 （ 2012 年 3 月天文学会 ） 3 分割鏡の製作と評価 ＊耐候性の評価＊ ・外の環境に常にさらされ ている ・鏡が雨風の影響を受け て劣化 CTA では約 20 年間の観測を予定 1 台あたり 200 枚もの分割鏡のメンテナンスが必要 メンテナンスのコストや時間がかかる。 ＊反射率の低下を＜ 1 % ／年程度に抑える 10 年の耐久性をもつ鏡の開発 ⇒耐候性評価 ＊より高精度かつ効率の良い分割鏡の形状評価方法が必要 ⇒形状測定装置の開発 チェレンコフ望遠鏡

4 反射率測定 サンプル鏡を数日ごとに溶液から取り 出し、表面の水分を取り除いたあと、 反射率測定器を使用して反射率を測定 する。 反射率測定器の上に 試料を乗せ、積分球を 使って試料をあらゆる 方向から均等に照明し、 受光した反射光を分光、 各波長での反射率を測定する。 方法 望遠鏡設置候補地の雨の成分から疑似酸性雨を調整。 各溶液にサンプル鏡を浸し、腐食を加速させる。 劣化の度合いを表面の反射率を測定することで評価。 試験条件 Cr,Al,SiO 2,HfO 2,SiO 2 5 層コーティング NaCl 0.1 %,0.01 %,0.001 % HNO 3 （ 雨と同程度濃度,100 倍濃い濃 度 ） H 2 SO 4 （ 雨と同程度濃度,100 倍濃い濃 度 ） 水戸の雨（ 浸漬、暴露 ） 蒸留水 腐食試験の様子 サンプル鏡 （ 5cm×5cm ） 目的 腐食加速試験における浸漬時間と望遠鏡設置候補地の年間降水時間を比 較して、 10 年後の鏡の反射率を見積もる。（ 10 年で 10 % 以下の低下量を 目指す） 目的 腐食加速試験における浸漬時間と望遠鏡設置候補地の年間降水時間を比 較して、 10 年後の鏡の反射率を見積もる。（ 10 年で 10 % 以下の低下量を 目指す） 受光器 照明 積分球 試料 r=8°±5° © コニカミノル タ 耐候性評価 腐食加速試験 4

5 望遠鏡設置候補地の年間降水時間⇒ 355 時間／年 腐食加速試験における浸漬時間⇒ 3336 時間⇒約 9 年半の暴露に相当 耐候性評価 10 年後の見積り 試験前の反射率⇒ 88.36 % 10 年後の見積りは約 84.13 % 反射率の低下量⇒ -4.23 % 腐食加速試験（浸漬）では 要求を満たしているといえる。 今後 7 層コーティングを施した サンプル鏡を用いてサイク ル試験を行い、より暴露環 境に近い腐食加速試験を行 う。 2年2年 4年4年 6年6年 8年8年 10 年 経過時間 [ 日 ] 水戸の雨を用いた腐食加速試験結果 各測定日に 16 箇所の反射率を測定し、平均値をプロット R[%]=85.83 x[t/ 日 ] -0.004 R[%]: 反射率 [t/ 日 ]: 経過日数 5

6 PMD 法は位相シフト法、ステレオカメラ測量を組み合わ せた鏡面形状測定システム。鏡面各点の勾配、法線ベク トルを求め、対象物の形状を高い精度で測定する。 6 CTA-Japan 形状測定システム Phase Measuring Deflectometry （ PMD ） 法 測定動作は 2f 法同様シンプルである。 直接鏡面の情報 （勾配、座標、法線） が得られる。 装置をコンパクトにできる。 測定結果の位置座 標 レイトレースでス ポットサイズを求め る

7 7 形状測定システム スクリーン台 CCD カメラ台 3120 mm 2820 mm 7120 mm 現在、装置が完成し、キャリブレー ション作業、試験運用を行っている。 （茨城大学 M1 馬場） キャリブレーション スクリーンキャリブレーショ ン カメラキャリブレーション 装置全体のキャリブレーショ ン キャリブレーション スクリーンキャリブレーショ ン カメラキャリブレーション 装置全体のキャリブレーショ ン これら 3 つのキャリブレーションによ り、 コンポーネントによる画像の歪みを 補正する。 現在の測定結果 左図：三鷹光器によるレーザー測量 曲率半径のフィッティング 32.70 mm 右図： PMD 法による測定 曲率半径のフィッティング 32.73 mm 500 mm×500 mm の球面鏡の サンプルを測定した。 500mm

8 ＜耐候性の評価＞ 雨の成分による鏡面劣化を評価するために腐食加速試験を 行った。 試験結果から 10 年後の反射率を見積もることができ（ 10 年で 約 4% ）、現在の段階では要求を満たす結果が得られている。 今後、さらにコーティングの強度を高めた分割鏡をより厳し い条件の環境で試験を行うことを検討している。 ＜形状測定システムの開発＞ 大量生産する LST 分割球面鏡を高精度かつ効率よく評価のた めに PMD 法の装置開発を行った。 PMD 法は位相シフト法及びステレオカメラ測量を用いた評価 方法で、大量生産のされた鏡の評価に対して有効な評価方法 である。 現在、装置自体は完成し、高精度の測定に向けて調整を行っ ている。 8 まとめ

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10 測定原理 光を CCD から出る 1 本の光線と考えた場合 ① のように水平面から α だけ傾いた鏡面を反射するとき、反射角は水平面 の場合に対して 2α だけずれ、縞模様のスクリーン上で φ だけずれる。 φ=d ・ tan2α つまり CCD からはｄ、 α( 勾配 ) に依存した縞模様のずれが観測できる。こ れをもとに鏡面の勾配を計算する。 → しかし鏡面の場合は②のように、高さが唯一に決まらない ステレオカメラで撮影することによって、高さを決める。 ①② 高さ方向高さ方向 高さが 違う q は一致し てしまう 10

11 日本での PMD 法装置製作 ＜製作過程における重要点＞ ・ MST 分割鏡 (1200mm) 用を LST 分割鏡 (1510mm) 用に拡張 ・コンパクトなスペースでの測 定を可能にする ・十分な overlap 部分を作りつ つ、 1510mm の分割鏡全体を 4 台 の CCD カメラで撮影する CCD １視 野 CCD ２ 視野 CCD ３視 野 CCD4 CCD4 視 野 overlap ＜使用機材＞ ・アルミフレーム ・ CCD カメラ × ４ ・ 60 インチ液晶テレビ LST 用分割鏡を日本で生産するため、日本で PMD 法による分割鏡の 評価ができるようになることが望ましい。 ４つの CCD 視野と分割鏡 11

12 平面鏡を使い、点 s に対して以下を定義する。 ① ステレオに設置したカメラレンズの座標点 [c1,c2] とカメラ焦点面上の 点 s に対応した座標点 [p1,p2] を結んだ視線ベクトル [v1,v2] ② それぞれのカメラが捕える、点ｓに対応した位相の座標点 [q1,q2] ①,②( 添え字 1,2 をそれぞれ ) を法線ベクトル [n] が唯一に決まるように対応 させる。 実際に曲率をもった鏡面を測定するとき、この対応を使い、それぞれの 点座標とその点における法線ベクトルを求める。 補足：ステレオ測量 対象物のすべての場所で勾配または法線ベクトルを求め、１次元 × ２ 方向に積分し形状を測定する ① ② 座標 12

13 補足：分割鏡によってできるスクリー ン虚像を使い、それぞれの配置を決定 する スクリーンの虚像 分割鏡を映しこむのに 必要な有効視野 条件を満たす CCD の位置 スクリーン 13

14 S ANKO M IRROR #01 MEASUREMENTS AT E RLANGEN 14

15 南北に 8 台の大口径望遠鏡を設置予定 分割鏡の総数は 1650 枚 より高精度かつ効率の良い分割鏡の評価方法が必 要 15 鏡面の形状測定 これまでの測定方法 ⇒ 2f 法 曲率半径の中心に光源と検出器を置き、直接スポットサ イズを測る方法 これまでの測定方法 ⇒ 2f 法 曲率半径の中心に光源と検出器を置き、直接スポットサ イズを測る方法 2f mirror 光源 検出器 メリット 仕組みがシンプル デメリット 曲率半径分の距離が必要 （装置の巨大化） 高精度の測定には、広範囲 の遮光が必要

16 酸性溶液腐食の加速実験 1 濃度 0.1 MOL /L( P H=1) の溶液で鏡コーティングを短時間で溶かす セット・アップ： LED 光源、 DC 電源、 カメラ・システム： 3 分間おきに撮影 スパッタリング 5 層 コーティング約 4 日 (5700mins) で溶けた 蒸着コーティング 約 1.5 日 (2000mins) で溶けた 16

17 酸性溶液腐食の加速実験 2 濃度 0.1mol/L(pH=1) の溶液 7 層スパッタリング・コーティングは、 測定期間内では有意な変化が見られなかった。 15 日経ち、透過光 ( 全層を貫通する pinhole) なし 顕微鏡で観察、表面に穴が現れた。 倍率 ×100 穴の直径を統計し、 13 日 15 日 ヒスグラフで分布 10 日 の推移を表す 6 12 18 24 30 36 1.3mm 17

18 塩水腐食の加速実験 光学鏡表面コーティングの評価方法（ ISO ）による 沸騰塩水 (45g/L) 、沸騰塩水＋常温水サイクルの加速試験を行う ピンホール数の時間変化 サンプルを沸騰水と沸騰塩水に入 れ 5 、 10 、 15 、 25 分おきに撮影 ピンホール数のサイクルあたりの変化 1 サイクル：沸騰塩水 (2mins) ＋常温水 (1min) 1 サイクルに一回撮影 ピンホール数ーサイクル数 ピンホール数ー時間 18

19 Ⅰ、一定の力で鏡表面を擦り Ⅱ、傷の本数 (abrasion)— 擦り回数 (strokes) の関係より傾きを求める Ⅲ、異なる力で Ⅰ と Ⅱ を繰り返す Ⅳ、平均の傷の本数 (abrasion)-- 力 (force) の関係を表す こすり実験 : コーティングを砂消しゴムで擦り、傷の本数で 評価 蒸着コーティング スパッタリング・コーティング 顕微鏡の透過光で見た鏡表面 ( 真実幅 1mm) 傷の本数 ( 傾き ) 19

20 こすり実験 : コーティングを砂消しゴムで擦り、傷の本数で 評価 蒸着コーティング ( 下図 ) と 7 層スパッ タリング・コーティング ( 上図 ) の擦 った表面状態の比較 7 層スパッタリング・コーティングの 1N( 上 ),3N( 中 ),5N( 下 ) の力で擦った表面状態の 比較 20