Transcript N 2 (1P) 670.5 nm

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）
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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
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これまでの加速領域の衛星観測
・ 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
1998]
et
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al.,
GRL,
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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
＝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
・地上観測の多くはパンクロ
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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）
時期：2002年6 – 9月
INDEX図面
（３）軌道
近地点： 680km
（４） 運用： ＫＳＣと相模原
遠地点： 680 km
（５） 運用姿勢
軌道傾斜角： 98.6°
定常時： 低スピンまたはゼロスピン。太陽指向
（1030 – 2030 MLT）
を基本とするが、観測要求により太陽から最大
軌道周期： 98.8分
10°（TBD）限定時間内で傾けることがある。
日陰率： 35.7 ％（Max）
Safe Hold時： 太陽指向、スピン
運用可能時間：
（６） ビットレート：
１日辺りの可視パス数：４
8－131 kbps
１パス辺りの可視時間：12分(Max）
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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
(1) 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
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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。
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(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 6.605 mm
η～0.6 @ 557.7 nm
RO noise～ 9 el @ 5°C
dark noise < 1el/sec @ 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°
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(３) カメラ図面
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MAC MTM / TTMモデル
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(４) 観測波長および対象
(A) オーロラ許容線
OI 844.6 nm / 777.4 nm, N2(1P) 670.5 nm, N2+(1N) 427.8 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]
844.6/670.5
→ 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)。
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・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
ASI、ASG（@スバールバード）との同時観測
ALIS@スカンジナビアとの同時観測
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？
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(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
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(A)
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。
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
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(B) 高度分布モード
[ 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
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(C)
画像校正モード
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
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(６) 感度見積もり
N=I (10^6 / 4π)AΩTη
N
I
A
Ω
T
η
:
：
：
：
：
：
CCD 1pixel上の電子数 (count / sec)
オーロラ強度（R）
対物レンズ面積（cm2） = 13.63
1 pixelの見込む立体角(sr) = 1.664 e-8
光学系透過率（0-1） = 0.5 (filter) x 0.8 (optics)
CCD量子効率（0-1） = 0.6
CCD dark < 1 el/sec@0°C 、RO=9el @5°C （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
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(B)高度分布観測モード
・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） = 11800 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
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(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
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
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
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(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（CCD207223K）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？
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５．MTM試験
• MTM試験は2000年12月初め
より開始されている。
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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
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
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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。
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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
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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。
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MAC、CRM取り付け図
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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（８０
ｍ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
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CRM主要諸元(2)
• バイアス電圧
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10msec × 32 step = 320msec
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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)
金めっきのみ：メッキ厚（TBD)
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