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高角度分解能を目指した 多重薄板型X線望遠鏡の開発と その性能評価 宇宙物理実験研究室 窪田 廉 目次 • • • • • • 多重薄板型X線望遠鏡について(すざく望遠鏡) 望遠鏡の結像性能と決定要因 アライメントプレートとその調整 X線による望遠鏡の性能評価 結像性能決定要因の分離 まとめ X線望遠鏡(XRT)・・・天体からのX線を集光・結像させる 反射鏡 入射角θ＜1° 回転放物面 回転双曲面 Wolter I型斜入射光学系 X線の物質に対する屈折率は １よりわずかに小 検出器 見込む面積が小さいので集光できる光子が少ない 「多重薄板型」X線望遠鏡 ‥‥非常に薄い反射鏡を多数同心円状に並べたもの 検出器 多重薄板型X線望遠鏡の構造 すざく衛星搭載X線望遠鏡 Quadrant 反射鏡 厚さ180μm 40cm 100mm ハウジング 鏡面 : 金 反射鏡175枚 2次曲面を円錐面で近似 すざくのイメージ 半径Rの円内に入る全光量 焦点面でのイメージ 全体を1となるように規格化 検出器Z[分角] 4 2 半径R 0 -2 光 量 1.8分角 HPD (Half Power Diameter) :全光量の半分が含まれる 円の直径 -4 -4 -2 0 2 検出器Y[分角] 4 半径 R [分角] 性能の決定要因 ②反射鏡鏡面の形状誤差 ① 反射鏡の円錐近似 ③反射鏡の位置決め誤差 すざく搭載 : 1.8分角 入射X線 非常に薄い反射鏡 入射X線 反射鏡の放物面 多数の反射鏡1枚1枚 と双曲面を 鏡面のうねり のばたつき 円錐面に近似 反射鏡 形状誤差 : 反射鏡 0.85分角 (円錐面) 反射像の結像位置 反射像に広がり 円錐近似 : がばらつく 0.3分角 位置決め誤差 : 1.5分角 全体の反射像 0.32 0.852 1.52 〜 1.8分角 反射像 原理的な性能限界 焦点面 位置決め誤差を抑える 各点での反射像 反射鏡 位置決め誤差の要因 アライメントバー アライメントプレート 反射鏡 反射鏡のなす 角 ４段一体化 なす角を一定に アライメントプレート 問題点 •反射鏡へのストレスにより形状誤差が悪化(34%) マイラー 溝の遊び 0μm •反射鏡の枚数が増 えると溝を埋めるのが困難 溝の遊び 15μm 望遠鏡： 1.05分角 望遠鏡： 0.99分角 形状誤差： 0.68分角 形状誤差： 0.91分角 位置決め誤差： 0.59分角 すざくの反射鏡３組 位置決め誤差： 0.44分角 新しいアライメントプレートの制作 形状を歪めず 位置決めを改善する 位置決め誤差 溝の遊び 35μm 0.59分角を切る 改良点 ・アライメントプレート(厚さ 1.5mm)を２枚(厚さ1.0mm 溝の遊び 0μm と0.5mm)に分離 ・マイクロメーターによる 調整機構 導入のメリット マイクロメーター ・溝幅の微調整が可能 ・同時に複数の溝を詰め ることが可能 今回は試作した反射鏡１０組を使用 アライメントプレートの調整システム 上部CCD ハウジング Zステージ 内壁 切りかき 切りかき 内壁 Xステージ 下部CCD Zステージ アライメントプレートの位置決め 上切りかき 切りかきの位置(mm) ２枚(厚さ1.0mmと0.5mm)の プレートをそろえる 切りかきの望遠鏡中心からの位置 上切りかき 下切りかき 設計値に対して 動径方向±１０μm プレート番号 溝の遊び35μm 下切りかき 溝幅の調整 切りかき間の距離(mm) 厚さ1.0mmと厚さ0.5mmの 上切りかき 厚さ0.5mmのプレートを プレートの切りかき間距離 内側に35μm押し込み 溝の遊びを0μmにする 上切りかき 目標35μm 下切りかき 溝の遊び35μm(調整前) 溝の遊び10μm(調整後) X線での評価を行った 下切りかき 厚さ1.0mmと厚さ0.5mmの プレートの切りかき間距離 25μmに対して 溝の詰めた幅 動径方向±５μm プレート番号 溝の遊び10μm 望遠鏡全体のイメージ 検出器Z[分角] 溝幅の遊びが10μm 半径R 光量 検出器Z[分角] 溝幅の遊びが35μm 半径R 1.75 ± 0.04分 溝幅の遊びが35μm 角 1.47 ± 0.04分角 溝幅の遊びが10μm 検出器Y[分角] 検出器Y[分角] 半径R[分角] 結像性能決定要因の分離 Quadrantの結像性能 形状誤差 円錐近似 •Quadrantの結像性能 位置決め誤差 •反射鏡の位置決め誤差 •反射鏡１組ごとの結像位置のばらつき •反射鏡１組のイメージの広がり •円錐近似 •形状誤差 位置決め誤差の見積り セクター結像位置のばらつき 反射鏡１組ごとの 結像位置のばらつき セクター内での反射鏡１組の イメージの結像位置のばらつき セクター 反射鏡1組ごと の結像位置 セクターごとの 結像位置 × ×× × × ×× × Quadrantの結像位置 セクターの結像位置 セクターごとの結像位置のばらつき 反射鏡1組ごとの結像位置のばらつき 位置決め誤差(セクターイメージ) セクター結像位置のばらつき 0.39分角 検出器Y[分角] 溝幅の遊びが10μm 検出器Z[分角] 検出器Z[分角] 溝幅の遊びが35μm 0.41 分角 検出器Y[分角] 位置決め誤差(反射鏡１組ごとのイメージ) 反射鏡１組ごとの結像位置のばらつき 溝幅の遊びが10μm 1.18 分角 0.80 分角 度数[個] 度数[個] 溝幅の遊びが35μm 約３０％の改善！ 位置決め誤差 結像位置[分角] 位置決め誤差 溝幅の遊びが35μm 1.24 分角 結像位置[分角] 溝幅の遊びが10μm 0.90 分角 形状誤差を見積り X線 形状誤差 反射鏡 溝幅の遊びが35μm 1.22 分角 形状誤差 溝幅の遊びが35μm 焦点面 1.18±0.04分角 検出器Z[分角] 反射鏡１組のイメージの広がり HPD 溝幅の遊びが10μm 1.30 分角 検出器Y[分角] 溝幅の遊びが10μm 1.26±0.04分角 まとめ • アライメントプレートを改 良(厚さ0.5mmと1.0mm) • マイクロメーターによる調 整法を確立 • 初めて自分たちで制作し た反射鏡を１０組使用 溝幅の遊びが35μm 望遠鏡： 1.75分角 形状を歪めることなく 位置決め誤差を改善 溝幅の遊びが10μm 望遠鏡： 1.47分角 形状誤差： 1.26分角 形状誤差： 1.18分角 約３０％の改善 位置決め誤差： 1.24分角 位置決め誤差： 0.90分角 問題点とその原因 問題点 • 溝幅の調整が１０μmま でしか行えなかった • 位置決め誤差の改善が 0.90分角に留まった 溝の遊びが17μm以上 実際は17μmの 遊び プレートの厚さムラ 溝が7μm広い 原因 • 厚さ0.5mmのアライメン トプレートの溝が設計値 より〜7μm広い • 厚さ185μmの反射鏡が 存在(設計値は170μm) • 反射鏡に厚さムラ (170±7μm) 溝幅調整を制限 185μmの反射鏡 今後の展望 セクター内の1組のイメージ のばたつき 調整の利点を十分発揮 HPD(分角) • 厚さムラのない反射鏡 作り • 厚い反射鏡を除去する 今回 前回 溝の遊び(μm) 位置決め誤差の更なる向上