CTA 大口径望遠鏡の分割鏡の開発 加賀谷 美佳 茨城大学大学院理工学研究科 宇宙線研：手嶋政廣 榎本良治 宇宙研：奥村暁

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1 CTA 大口径望遠鏡の分割鏡の開発 加賀谷 美佳 茨城大学大学院理工学研究科 宇宙線研：手嶋政廣 榎本良治 宇宙研：奥村暁
加賀谷　美佳 宇宙線研：手嶋政廣　榎本良治 宇宙研：奥村暁 甲南大学：山本常夏　松本恵理 近畿大学：千川道幸　周小溪 茨城大学：片桐秀明　吉田龍生 他CTA-Japanチーム一同

2 CHERENKOV TELESCOPE ARRAY (CTA)
高エネルギーガンマ線 ↓大気に突入 電磁シャワーカスケード発生 ↓ チェレンコフ光を放射 チェレンコフ光のイメージを 複数の望遠鏡で高精度ステ レオ観測 ガンマ線源 シャワー チェレンコフ光 望遠鏡 大口径望遠鏡(LST) 30GeV～1TeV 中口径望遠鏡(MST) 100GeV～10TeV 小口径望遠鏡(LST) 1TeV～100TeV

3 大口径望遠鏡用分割鏡(LST)要求仕様 口径：23m 焦点距離：27.6m F値：1.2(27.6m/23m) 曲率半径：56m
形状：回転放物面型 スポットサイズ：<2分角 分割鏡枚数：1台あたり約200枚(>400m2) 　　　　　　　　　 南北で8台：合計1600枚 分割鏡１枚あたりのサイズ：1.5m（六角形） 反射率：>90%(at 400nm) 　　　　　　 >85%(at nm) 反射率経年変化　<1%/yr（10年の耐久性) 重量：<50kg/枚(20秒で180度回転)

4 分割鏡の製造 2.8m 1.5m 三光精衡所（筑波支店）と 共同開発
Cold Slump法とスパッタリン グの技術を採用し、1.5mサ イズのLSTの分割鏡を製造 Telescope Array の分割鏡を 制作した実績あり 三光精衡所　筑波支店 2.8m 1.5m 真空チャンバー 1.5mの六角形の試作鏡

5 分割鏡の製造-COLD SLUMP法 曲率のついた鋳型の鏡の土台となるガラス・アルミフォームを押し付けて曲率を映しとる製造方法
時間とコストがかかる「削る技術」を必要としないため、大型の鏡を比較的安価に作ることが可能 曲率を付けた鋳型 ガラス(3mm) 樹脂 アルミフォーム(30mm) 鋳型 Cold Slump法のモデル 六角形のガラス板

6 Cr・Al・SiO2・HfO2・SiO2の多層膜コーティング
分割鏡の製造-スパッタリング Cr・Al・SiO2・HfO2・SiO2の多層膜コーティング 大型チャンバーの中で鏡を往復させる 金属ターゲット 工程 ・真空チャンバー内に金属ターゲットを設置 ・高電圧をかけてアルゴンや窒素をターゲットに衝突させる ・ターゲット表面から原子はじき飛ばされ基板に到達し製膜される 特徴・利点 ・光の干渉効果による紫外領域の反射率の向上（>93% 目標は96%） ・強固な膜による高耐候性（>10年）

7 分割鏡の製造-スパッタリング 鏡の反射率は、大気散乱を考慮したチェレンコフ光のピークと ほぼ一致している。 鏡の反射率
地上でのチェレンコフ光 のスペクトル分布 鏡の反射率は、大気散乱を考慮したチェレンコフ光のピークと ほぼ一致している。

8 試作鏡製作状況 試作した1.2m幅の試作鏡でスポットサイズを測定 半径約20mmのスポットを確認（目標値は半径10mm）
30mm 厚 Aluminum foam （中国Beihai社製) 3mm 厚ガラス 焦点距離：16125mm PSF: 〜20mm (目標値：10mm) 反射率 at 350nm：94% 重量： 29kg 16m 光源（電球） 試作鏡 スクリーン スポットサイズを測定 試作した1.2m幅の試作鏡でスポットサイズを測定 半径約20mmのスポットを確認（目標値は半径10mm） 平行光を当てた場合にはそれに近い値となることが期待される

9 試作鏡 性能評価 鏡の劣化をみるための加速試験 ・塩水や弱酸性水溶液に鏡を浸し劣化 の様子を観察 ・反射率の測定
試作鏡　性能評価 鏡の劣化をみるための加速試験 ・塩水や弱酸性水溶液に鏡を浸し劣化 　の様子を観察 ・反射率の測定 ・コーティングが剥げた部分の面積測定 ・劣化の原因の追究 ・経年変化の定量化 コーティングが部分的に剥げた鏡 試作鏡を現在稼働中のH.E.S.S(ナミビア)とMAGIC(カナリー諸島)に設置し経年変化を調査中 4種類の鏡を候補地に設置

10 改良の余地はあるが、ある程度の製造工程は確立できた
試作鏡　性能評価 三鷹光器の非接触面性状測定装置で表面形状測定 3D表示した解析結果 解析結果⇒曲率半径32.7m 50cm×50cmの試作鏡を測定 0.4μmと非常に小さい先端のレーザーを使用した測定装置で表面形状 （幅、高さ等の寸法測定）を高精度に全自動で測定。 スポットサイズを測定⇒15mm(目標値は10mm） 改良の余地はあるが、ある程度の製造工程は確立できた

11 PMD法(Phase Measuring Deflectometry)
試作鏡　性能評価 PMD法(Phase Measuring Deflectometry) 大型の鏡の表面の形状・歪みを測定 LSTのような大きなものを短時間で精度よく（数百nm程度） 測定することが可能 より精度の高い鏡を採用することができ、製造方法に問題 がないかどうかを調査 現在検討中

12 まとめ 高反射率放物面鏡を三光精衡所と共同開発 分割鏡サイズ：1.5m 曲率：30m アルミフォームを採用し軽量化を実現
95%という高反射率 加速試験により耐久性能を調査 現在　分割鏡の生産にめどがついた 今秋　製造方法の最適化・耐久性試験 年末　実際の仕様を満たす試作鏡の製作（２０枚の試作を予定） 来年　量産体制の確立

13 ご清聴ありがとうございました

14 ピンホールからの鏡の腐食過程（仮定） ①スパッタリングの途中で表面にダストが入り込む⇒コーティングがうまくいかない部分ができる
②はじき飛ばされたダストの跡がピンホールとなって穴ができる ③雨水（実験では塩水）が入り込み、露出している金属部分（Al,Cr）の金属を腐食していく ④金属の腐食は、土台のガラス部分に沿って横方向に広がり、それにともなって表面のコーティングがどんどんはがれていく

15 試作鏡 性能評価 撮影のための冶具 撮影した画像 面積測定方法 ・LEDを鏡の裏から当て、通過してくる光をデジタルカメラで撮影
試作鏡　性能評価 撮影のための冶具 撮影した画像 面積測定方法 ・LEDを鏡の裏から当て、通過してくる光をデジタルカメラで撮影 　天体写真を解析する手法に習い、穴の面積を測定する 反射率測定方法 ・反射率測定器を用いて反射率を測定⇒経年変化を調べる

16 試作鏡 性能評価 測定条件 測定装置：非接触表面性状測定装置PF-600 測定範囲：XY=460×460(mm)
試作鏡　性能評価 測定条件 測定装置：非接触表面性状測定装置PF-600 測定範囲：XY=460×460(mm) 測定ピッチ：XY=2×2(mm) 対物レンズ：100倍(NA=0.8,WD=3.4mm) AFセンサ：Select スキャン速度：30mm/s 評価ソフトウェア：MitakaMap XT 測定日( ) 室温27.5℃

17 試作鏡 性能評価 測定原理 利点 ・物体表面の色や反射率の影響を受けない ・レーザのスポット先端径は0.4μmと非常に小さい
試作鏡　性能評価 測定原理 高さ測定用レーザオートフォーカス（AF）顕微鏡と高精度 XYZステージで構成されている。 顕微鏡鏡筒部に送り込まれたレーザ光は対物レンズを通り光軸中心の焦点面に向かって進み、物体表面に反射して再び対物レンズを通って AFセンサ上に結像する。 自動 XYステージで物体をスキャニングさせフォーカスした各点の XYZ値をコンピュータに取り込み形状測定を行う。 利点 ・物体表面の色や反射率の影響を受けない ・レーザのスポット先端径は0.4μmと非常に小さい ・広範囲にわたって幅、高さ等の寸法測定を高精度に全自動で行う

18 試作鏡 性能評価 球面でフィッティング⇒モンテカルロ法で曲率半径を求める R1 R2 R3 R4 R5 R6 R8 R7 R9
試作鏡　性能評価 球面でフィッティング⇒モンテカルロ法で曲率半径を求める R1 R2 R3 R4 R5 R6 R8 R7 R9 R(x,y,z) 全ての測定点からの半径Rnを求める。 任意の曲率半径Rを動かして、最小二乗法により最も誤差が少ないところを曲率半径として求めた。 鏡

19 多層膜の干渉による反射率の向上 ①入射してきた光Iが屈折率n1の物質の表面で反射する。 ②屈折した光は次に屈折率nsの物質2の表面で反射する
物質の厚さを波長λの4分の1にすることで、①と②で反射した光の重ね合わせにより、反射率が向上する