Transcript 位置決め誤差

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
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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
③反射鏡の位置決め誤差
入射X線
非常に薄い反射鏡
鏡面のうねり
反射鏡
多数の反射鏡1枚1枚
のばたつき
反射像の結像位置
がばらつく
全体の反射像
焦点面
各点での反射像
反射鏡
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
非常に薄い反射鏡 入射X線
反射鏡の放物面
と双曲面を
鏡面のうねり
円錐面に近似
反射鏡
反射像に広がり
入射X線
多数の反射鏡1枚1枚
のばたつき
反射鏡
(円錐面)
反射像の結像位置
がばらつく
全体の反射像
反射像
原理的な性能限界
焦点面
各点での反射像
反射鏡
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
2 全体の反射像
2
2
0 .3  0 .85  1 .5
反射像
原理的な性能限界

〜 1.8分角
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