INDEX衛星搭載多色カメラ ならびに電流モニターによる オーロラ微細構造の観測

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1 INDEX衛星搭載多色カメラ ならびに電流モニターによる オーロラ微細構造の観測
○坂野井　健、岡野　章一（東北大） 岡田　雅樹、江尻　全機、菊池　雅行（極地研） 平原　聖文（立教大） 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

2 極域高度数千kmに存在する沿磁力線上向き準静電場領域 磁気圏電子は下向きに加速され電離圏・熱圏へ降下、オーロラ発光と強い因果関係
１．イントロダクション オーロラ粒子加速領域 極域高度数千kmに存在する沿磁力線上向き準静電場領域 磁気圏電子は下向きに加速され電離圏・熱圏へ降下、オーロラ発光と強い因果関係 電離圏イオンは上向き加速（イオンアウトフロー） 加速領域の形成には波動-粒子相互作用が寄与（ミクロ過程） 加速域電位差と沿磁力線電流は比例。グローバルな磁気圏-電離圏結合におけるエネルギー輸送に寄与 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

3 これまでの加速領域の衛星観測 Finger Potential Region （～1000km?） の高時間分解観測 が無い
・　ISIS, S3-3, DE-1&2, Viking, Akebono　 最近のトピック 下向き準静電場加速領域の観測、ブラック 　　オーロラとの関連 波動-粒子相互作用（イオンサイクロトロ 　　ン波）の直接（波形）観測 Finger Potential Region （～1000km?） の高時間分解観測 が無い [Elphic et al., GRL, 1998] 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

4 ・地上光学観測による観測 オーロラアークの幅 ＝200-300 m ・２０余りのモデルによる加 速領域の幅＞1 km → 両者に隔たり
地上光学観測と衛星観測の比較 [Stenbaek-Nielsen et al., 1998] 2 km程度の空間構造は地上光学と粒子 観測が一致。 ・地上光学観測による観測 　オーロラアークの幅 　　＝ m ・２０余りのモデルによる加 　速領域の幅＞1 km 　　　　　　→　両者に隔たり ・地上観測の多くはパンクロ 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

5 ２．INDEX衛星（１号機） ミッション概要 （１） ミッションライフ ３ヶ月以上 （２）打ち上げ ロケット：H-ⅡＡ（ピギーバック）
　　ミッション概要 （１） ミッションライフ　 　　３ヶ月以上 （２）打ち上げ 　　ロケット：H-ⅡＡ（ピギーバック） 　　時期：2002年6 – 9月 （３）軌道 　　近地点：　680km 　　遠地点：　680 km 　　軌道傾斜角：　98.6° 　　　　（1030 – 2030 MLT） 　　軌道周期：　98.8分 　　日陰率：　35.7 ％（Max） 　　運用可能時間：　 　　　１日辺りの可視パス数：４ 　　　１パス辺りの可視時間：12分(Max） INDEX図面 （４）     運用：　ＫＳＣと相模原 （５）     運用姿勢 　定常時：　低スピンまたはゼロスピン。太陽指向 　　を基本とするが、観測要求により太陽から最大 　　10°（TBD）限定時間内で傾けることがある。 　Safe Hold時：　太陽指向、スピン （６）     ビットレート： 　　8－131　kbps 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

6 ３．理学ミッション (0) 目的 オーロラ粒子の高時間分解能観測とオーロラの単色撮像観測によるオーロラ微細構造の解明 観測器： ＰＩ 平原
(0)　目的 オーロラ粒子の高時間分解能観測とオーロラの単色撮像観測によるオーロラ微細構造の解明 観測器：　ＰＩ　平原 ●粒子観測（ESA/ISA; 班長 平原）： 　　　電子、イオンのトップハット型静電スペクトルアナライザ 　 エネルギー掃引　10 ―　16 keV 　　 　　32　steps（片側16 steps）、1.25 msec/step 　　空間分解　160 m（片側掃引）　 ●光学観測（MAC; 班長 岡野）：　３波長CCDイメージャ ●電流モニタ（CRM; 班長 江尻）：　 ３つの静電プローブ 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

7 ４．多色オーロラカメラ（Multispectral Auroral Camera; MAC）
(0)     オーロラ単色イメージングの重要性 　オーロラ単色イメージによって得られる情報・・・発光原子・分子の同定、発光メカニズム、発光高度、オーロラ電子エネルギーの２次元分布、などなど。 （１）MACの目的 　オーロラ発光を高時間分解イメージング観測することにより、オーロラ微細構造を捉える。さらに、多波長観測データを用いて、発光メカニズムやオーロラ電子エネルギーの２次元分布などを明らかにする。 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

8 (２) 基本的な諸元 波長 ３ Ｃｈ（同時観測）、波長についての詳細は後述 使用CCD： インターライン型CCD
(２)　基本的な諸元 波長　３ Ｃｈ（同時観測）、波長についての詳細は後述 使用CCD：　インターライン型CCD 　　 （下記ノイズは民生品カメラでの値） 1 pixel 6.45 μm x 6.45 μm 　　　1024 x 1024 pixels 　　　6.605 x mm nm RO noise～ 9 5°C dark noise　< 0°C 対物レンズ：　f=50 mm / F1.2 CCD全ピクセルを用いた視野： 　　　7.56°Ｘ7.56°　　　 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

9 (３)　カメラ図面 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

10 MAC MTM / TTMモデル 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

11 (４) 観測波長および対象 (A) オーロラ許容線
(４)　観測波長および対象 (A)     オーロラ許容線 OI nm / nm, N2(1P) nm, N2+(1N) nm (B)     OI 557.7　nm (C)     OI 630 nm 　　　[　対象　] ・降下電子エネルギーの推定 　557.7/630/427.8 　　　　→　Maxwell分布を仮定し降下電子フラックスの推定[Rees et al., 1974] 　 /670.5　 　　　→　降下電子の全エネルギーと平均エネルギーの推定[Ono and Morishima, 1994] 　　　　　　　　※　844.6 nm はおそらく観測不可能。 ・557.7 nm発光メカニズムの解明 　　557.7 nm発光：降下電子直接衝突とN2(A3Σg+)の衝突[Rees, 1989] ※N2(VK band)の観測が必要。N2(1P) やN2+(1N) から推定できるか？ ・HEM（エンハンストオーロラ）等のオーロラ発光高度分布の詳細観測 　　557.7またはN2(1P) やN2+(1N)。 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

12 ＥＩＳＣＡＴによる電子密度等高度プロファイルとオーロラ発光構造の比較 ASI、ASG（@スバールバード）との同時観測
・地上観測器との同時観測 　　ＥＩＳＣＡＴによる電子密度等高度プロファイルとオーロラ発光構造の比較 　 SuperDARN / Poker Flat との同時観測 　 ※地上光学観測は557.7/630/427.8が多い。INDEXカメラも同波長が有利？ ・プラズマシート低緯度側境界ダイナミクスのリモートセンシング 　　557.7　 　　　　→　プラズマシート低緯度側境界のプロトン降下による発光[Ono et al., 1987] ・SAR　アーク 　630 nm ・フリッカリングオーロラ 　 衛星光学観測と粒子観測によるフリッカリングオーロラの観測はこれまでない。 　　高速カメラの特徴を生かせるか？　 　　サンプリング～40Hz、空間分解能　<　1km、NEI～ 1 kRの観測モードが可能か？ 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

13 衛星データ蓄積可能容量、およびKSCにおけるテレメータ量の制限から、 CCD全ピクセルを用いた連続観測は不可能。また、極域夜側オーロラオーバ
(５)　観測モード 　　衛星データ蓄積可能容量、およびKSCにおけるテレメータ量の制限から、 CCD全ピクセルを用いた連続観測は不可能。また、極域夜側オーロラオーバ ル通過時の250秒間程度のみ観測を行う予定。 以下の４つのモードを設定した。  (A)   粒子同時モード (B)　高度分布モード (C)　画像校正モード (D)　高度詳細モード 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

14 粒子同時モード [ 視野 ] 視野は衛星の磁力線フットポイント。
[　視野　] 視野は衛星の磁力線フットポイント。 1bin（16 x 16 pix）辺りの視野=0.12°x0.12°（100km高度で～1.2 x 1.2 km） 1 flame(64 x 64 bin)の視野＝7.56°x 7.56°(100km高度で～80 x 80 km) ●撮像サイクル120 msec（露出40msec、休止80msecの繰り返し） ※120 msecで衛星の進　　行は約900 m ～ 3/4 　　bin ※露出タイミングは粒子　　の両側掃引（40　　　　　msec）とシンクロ 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

15 (B) 高度分布モード [ 視野 ] 視野はリム方向。
[　視野　] 視野はリム方向。 1bin（16 x 16 pix）辺りの視野=0.12°x 0.12°（2000km距離で約4 x 4 km） 1 flame(64 x 64 bin)の視野＝7.56°x 7.56°(2000km距離で～270 km(V) x 270 km(H) ●撮像サイクル1 sec（露出480 msec、休止520 msecの繰り返し） ※ 1 secで衛星の進行は約7.5 km 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

16 (C) 画像校正モード (D) 高度詳細モード 全CCD画素を用いた撮像。 全CCD画素を用いた撮像。
沿磁力線直下方向のオーロラ詳細画像取得 KSC上空におけるテスト画像取得 1 bin(2 x 2 pix)辺りの視野=0.03°x0.03°（100km高度で～310 x 310 m) 1 flame(512 x 512 bin)の視野＝7.56°x 7.56°(100km高度で～80 x 80 km) 露出20 msec、休止1000 msec以上の繰り返し (D)     高度詳細モード 全CCD画素を用いた撮像。 リム方向のオーロラ高度分布詳細画像取得 1 bin(8 x 8 pix)辺りの視野=0.059°x0.059°（2000 km距離で～2 x 2 km) 1 flame(128 x 128 bin)の視野＝7.56°x 7.56° 　　　　　　　(2000km距離で～270 km(V) x 270 km(H) 露出240 msec、休止1000 msec以上の繰り返し 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

17 (６) 感度見積もり N=I (10^6 / 4π)AΩTη N : CCD 1pixel上の電子数 (count / sec)
(６)　感度見積もり N=I (10^6 / 4π)AΩTη N　:　CCD 1pixel上の電子数 (count / sec) I　：　オーロラ強度（R） A　：　対物レンズ面積（cm2） = 13.63 Ω　：　1 pixelの見込む立体角(sr)　= e-8 T　：　光学系透過率（0-1） = 0.5 (filter) x 0.8 (optics) η　：　CCD量子効率（0-1） = 0.6 CCD dark < 1 （合計10 el） (A） 粒子同時観測モード ・露出40 msecで1 bin(64 pix)における最大輝度（12 bit） = 62 kR/bin ・ノイズ（dark + RO）～25 el / bin ・8 bit化：　上位1 bitと下位3 bit捨て　 →　感度範囲 31 kR – 120 R, LSB=120R/bit 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

18 ・露出480 msecで1 bin(256 pix)における最大輝度（12 bit） = 7.7 kR/bin
・ノイズ（dark + RO）～140 el / bin ・8 bit化：　上位0 bitと下位4 bit捨て　 →　感度範囲 7.7 kR – 30 R, LSB=30 R/bit （C）画像校正モード ・露出20 msecで1 bin(4 pix)における最大輝度（12 bit） = kR/bin ・ノイズ（dark + RO）～10 el / bin ・8 bit化：　上位4 bitと下位0 bit捨て　 →　感度範囲 730 kR – 3 kR, LSB=3 kR/bit （D）高度詳細モード ・露出240 msecで1 bin(64 pix)における最大輝度（12 bit） = 62 kR/bin ・ノイズ（dark + RO）～25 el / bin ・8 bit化：　上位1 bitと下位3 bit捨て　 →　感度範囲 31 kR – 120 R, LSB=120 R/bit 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

19 (７) データ量 (A)粒子同時観測モード 64 bin x 64 bin をエリアとするデータ量は、
(７)　データ量 (A)粒子同時観測モード 　　64 bin x 64 bin をエリアとするデータ量は、 　　　8 bit x 64 x 64 = 32.8 kbit /frame/ch 　　　120 msec cycleの場合、8.3 frame/sec/ch →　273 kbps/ch 　　　 1 orbit のデータ量 = 273 x 250 sec = 68.3 Mbit/ch/orbit = 8.54 Mbyte/ch/orbit (B)高度分布観測モード 　　　1 sec cycleの場合、1 frame/sec/ch →　32.8 kbps/ch 　　　 1 orbit のデータ量 = 32.8 x 250 sec = 8.2 Mbit/ch/orbit 　 = 1 Mbyte/ch/orbit 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

20 (８) 熱解析 菊池さん（極地研）の計算を下に若干修正 詳しい解析はレジメ参照のこと。 撮像時の条件 T=196K(- 77degC）
(８)　熱解析 菊池さん（極地研）の計算を下に若干修正 詳しい解析はレジメ参照のこと。 撮像時の条件 T=196K(- 77degC）  非撮像時の条件(放熱板が地球を向く場合) T=307degK（34degC） 問題点：　 　撮像時では温度が必要以上に低く、非撮像時 で放熱板が地球日照領域を望むと温度が高く なりすぎ、１周の間の温度変化が大きすぎる。 　現在放熱版と構体結合部分の熱伝導は計算 に入っていないが、熱容量の大きな構体と若干 熱結合させることで温度を安定化させた方がよ いか？ 　また、この見積もりは田口見積もり（CCD207- 223K）や三菱重工業（MHI）見積もり（CCD 286K）と若干食い違う。この食い違いの理由は なぜか？ 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

21 ５．MTM試験 MTM試験は2000年12月初め 　　より開始されている。 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

22 ６．今後の作業スケジュール（予定） ２００１年１月ーMTM/TTM試験 ５月 ＦＭ品完成 ５－８月 ＦＭ噛み合わせ試験
　　　　　　５月　ＦＭ品完成 　　　　　　５－８月　ＦＭ噛み合わせ試験 　　　　　　８－１０月　ESA/ISA校正実験、カメラ校正実験 　　　　　　１１－１２月　ＦＭ総合試験 ２００２年６月　打ち上げ 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

23 ７．まとめ 2002年6月打ち上げ予定のINDEX１号機には理学ミッションとして粒子と光学観測器が搭載され、オーロラの微細構造の解明を目指す。光学班は岡野教授を班長とし、３波長観測オーロラカメラの開発を進めている。 ＜課題＞ 基盤設計、特にコネクタ配置の決定。 CCD動作環境、特にノイズ低減の工夫。 電力消費の正確な見積もり。 熱解析、特にCCD冷却のためのグラファイトシート性能評価および放熱　板への固定法。 フィルタ発注。 ＦＭ品製作。 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

24 INDEX-CRMによるオーロラ帯背景プラズマの微細構造の観測
２００１年１月９日 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

25 INDEX-CRMの観測目標 オーロラ微細構造を680ｋｍ高度において、背景電子密度、背景電子温度を高空間分解能（80m程度）で観測する。
太陽光による光電子、衛星構体による航跡（ウェイク）の影響を除去するため、視野が異なる３つの静電プローブにより背景プラズマ密度及び温度を測定し、衛星近傍でのプラズマ密度をモデル計算の比較し、背景プラズマの密度及び温度を推定することを目標とする。 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

26 MAC、CRM取り付け図 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

27 CRM主要諸元(1) 観測目的 オーロラ帯上空における背景電子温度、背景電子密度を衛星自身による擾乱を取り除いて、高空間分解能（８０ｍ程度）観測を行う。 主要観測パラメータ（極域高度７００ｋｍを仮定） 電子密度（Ne) １０２ ～ １０４ ｃｍ-3 電子温度（Te） ５００K(0.05eV) から ５０００K(0.5eV) センサー電極 3.5ｃｍ×3.5ｃｍの平板電極×３対 入力インピーダンス 500kΩ アンプゲイン ５０：１ サンプリング周波数 １００Hz A/D変換ビット数 １２bit/sample 2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

28 CRM主要諸元(2) バイアス電圧 10msec × 32 step = 320msec 2001Jan11

29 CRMで使用する電極 板厚：1.0ｔ ガラスエポキシ材(FR-4)地のまま 金めっき＋アクアダック処理：メッキ厚（TBD)
2001Jan11 第１回宇宙科学シンポジウム　P29