Transcript 発表資料
EUV spectroscopic observation of Jupiter’s inner magnetosphere 極端紫外分光による木星内部磁気圏の観測的研究 2009年11月25日 宇宙研STPセミナー 東大吉川研/吉岡和夫 Contents General introduction Jupiter and Io plasma torus (Target) Spectral diagnosis using EUV emissions (Approach) Analysis of the data obtained by CASSINI/UVIS during it’s Jupiter flyby The principle and method of the spectral diagnosis The evaluation of the plasma parameters around the Io torus Hot electron ratio Another parameters Development of the EUV spectroscope on board the earth-orbiting satellite Instrumental overview Entrance mirror Grating Detector Microchannel plate with photocathode Resistive anode encoder The shield structure and noise evaluation The feasibility study of the observation for the Io torus Summary Future works 2 木星・イオプラズマトーラス緒言 木星は地球と比べて、大きい・早い・プラズマ供給源がある。 木星 地球 赤道半径 71500 km 6400 km 自転周期 9h55min 24 h 磁力線密度* 420,000 nT 31,000 nT 太陽からの距離 5.1 AU** 1 AU プラズマ供給 イオ なし NASA/CASSINI探査機搭載の可 視光カメラが撮影したイオの掩蔽 * 双極子磁場＠赤道面 ** 1 AU = 1.5E+8 km ~ 2000 RJ ☆イオプラズマトーラス☆ 衛星イオの活火山から中性大気が放出され、それらがイオン化 されたものがイオの軌道に沿ったプラズマトーラスを形成する。 木星中心から5 ~ 8 RJ に分布 NASA/NEW HORIZONS搭載 の可視光望遠鏡が撮影したイオ 3 イオプラズマトーラスの発光 イオの活火山から中性硫黄、酸素および硫黄酸化物が放出される 火山噴出物は周囲のイオンとの電荷交換反応によりイオン化し、木星磁場に捉えられ る。（ピックアップエネルギーを得る） イオと木星磁場の相対速度57 km/s イオンと電子はクーロン衝突を介してエネルギーを分け合う イオン温度 ~ 100 eV イオトーラス内の電子の大部分 ～5 eV 衝突励起過程によるEUV発光でエネルギーが失われる。 動径方向の拡散、高速中性粒子の拡散過程もエネルギー放出に10%程度寄与 Pick up energy Ions： S+, S++, S3+, S4+, O+, O++ Core electrons: ~5 eV, ~2000 ele./cc イオトーラスを一つの系と見たときのエネルギー授受の模式図 EUV radiation ~ 2 TW Fast neutral Transport 4 衝突励起による発光の波長分布 Emissivity (Arbitral unit) 3種類の硫黄イオン（S+, S++, S3+）が発する輝線の強度分布 （組成・電子温度等を一定として強度を計算した） 5 + 4 S 3 2 1 0 0 5 ++ 4 S 3 2 1 0 0 5 3+ 4 S 3 2 1 0 0 TE = 4.0 eV, T H = 1 keV, fH = 3 %, NE = 2400 cm-3 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 1000 2000 3000 4000 5000 Wavelength [Å] 6000 7000 8000 90%以上がEUV領域に集中 5 イオプラズマトーラス内における高温電子 Galileo探査機の粒子観測により、イオトーラ ス内において高温電子（>1 keV）の存在を 確認。（Frank and Paterson, 2000） (右図は磁力線に沿って並行・反平行な速度 成分を選択的に検出したもの) Pick up 以外のエネルギー流入もしくは過熱 過程を示唆 Pick up energy Ions： S+, S++, S3+, S4+, O+, O++ Core electrons: ~5 eV, ~2000 ele./cc Hot electrons EUV radiation ~ 2 TW Fast neutral Transport EUV発光のエネルギー源 遠隔観測で高温電子を定量し、その生成過程を特定できないだろうか？ 6 スペクトル診断 電子衝突による輝線強度は 原子の密度 背景電子の温度 背景電子の密度に依存する。 1種類のイオンが複数の波長の輝線を発する。 例：2価硫黄が発する4種類の輝線（680, 701, 822, 1077 Å）の強度比をプロット 電子温度と輝線強度比の関係 電子密度と輝線強度比の関係 0.4 Brightness ratios 0.8 0.3 0.2 0.6 SIII701Å/SIII680Å SIII822Å/SIII680Å SIII1077Å/SIII680Å 0.5 Brightness ratios SIII701Å/SIII680Å SIII822Å/SIII680Å SIII1077Å/SIII680Å Brightness ratios 高温電子密度と輝線強度比の関係 1 0.6 0.4 0.2 0.1 2000 4000 6000 8000 Electron density [cm-3] 10000 0 SIII701Å/SIII680Å SIII822Å/SIII680Å SIII1077Å/SIII680Å 0.4 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 Core electron temperature [eV] 10 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Hot electron (1 keV) ratio 0.1 スペクトル診断の実用例 -鉄イオン ひので衛星搭載の極端紫外分光器（EIS） の解析例 202.0 A 波長分解能：~0.06A FWHM 鉄XIIIが発する輝線の強度比から電子密度を導 出 203.8 A 観測の特徴 電子密度と輝 線強度比の関 係を用いて、電 子密度を導出 輝線強度比[cm-3] 電子密度 [cm-3] 波長分解能が非常に高く、スペクトルの混入がない。 対象が大強度なのでカウント数を稼げる（S/Nがよ い） 太陽活動領域の極端紫外スペクトル （Watanabe et al. 2009） 輝線の強度比を 位置毎にプロット 同様の手法をイオトーラスに応用する。 8 電子衝突によるイオンの発光量 1 2 N A dh [photons/c m /sr/sec] j ji 4 N j : Energy level" j"に存在するイオン密度 I ( ji ) Aji : 発光効率（ A value） dh : 視線方向の積分（一様性を仮定） 電子とのクーロン衝突 により別のエネルギー 準位に遷移 エネルギー準位間で交換平衡を仮定 ↓ 平衡方程式よりエネルギー準位毎の存在確 率” NJ”が求まり輝線強度を導出可能。 輝線発光により下のエ ネルギー準位に遷移 あるエネルギー準位のイオン （相対存在度“Nj”） 電子とのクーロン衝突 により別のエネルギー 準位から遷移 輝線発光を経て上の エネルギー準位から遷 移 9 発光量の導出方法 (level"i"への流入量) (level"i"からの流出量) Ni ij N j ji j i j i ii ij j i 行列式で表す 11 21 31 41 ・ N1 12 22 32 ・ ・ N2 ・ ・ ・ 0 13 23 14 ・ ・ ・ ・ ・ ・ この行列式を解けば、各エネルギー準 位の存在確率”NJ”が求まる。 ij Aij Neqij A-value qij : 衝突励起係数 qij g e v ij dv ^ 0 m g e 4 2 kT ^ 32 mv2 2 v exp kT 2 Thermally averaged cross section 実験及び理論的に求められた原子 輝線に関するデータベース “CHIANTI”を用いる。 モデルスペクトルを作成 Brightness [Rayleigh/Å] Brightness [Arb. unit] Brightness [Arb. unit] [108] 6 5 4 3 SII SIII SIV SV OII OIII ~3E+9 NE = 2200 cm-3 TC = 4.5 eV SII, SIII, SIV, SV, OII, OIII（イ オトーラスの構成要素）が発する輝線 をそれぞれ独立に計算する。 電子温度 電子密度 イオン密度を仮定 ~1.2E+9 2 1 600 50 40 30 NE = 2200 cm-3 TC = 4.5 eV I.F. 2.4 Å FWHM SII SIII SIV SV OII OIII 装置関数を定義し、各スペクトルをな ます 20 10 実際のスペクトルに最もよく一致するパ ラメタ（組成比・電子温度）を決定 1000 CASSINI/UVIS observation DOY 278 L27(5~6RJ) 10 hours integ. 80 60 40 20 0 600 700 800 900 1000 Wavelength [Å] 1100 1200 11 CASSINI/UVISによる観測 CASSINI 1997年打ち上げの土星探査衛星（ NASA） UVIS CASSINIに搭載された紫外線分光器 EUV (560 ~ 1180)領域を分光撮 像 惑星探査機搭載なので、非常に小型。 主鏡：20 mm × 20 mm フライバイ観測 Esposito et al. 1999 2000年10月～ 解析データ フライバイ初期に、イオトーラス全体を視 野に納めた観測 1000秒積分のスペクトルを30枚積分 して使用（S/Nをあげるため） イオトーラスのうち最も発光強度の高い 5.5~6.5RJのデータを解析 オーロラとの同時観測も行っている。（ 課題） 12 パラメタの設定 一部の変数に対しては既存の観測値を適応させる。 波長分解能が律側となり、分離できる輝線に限りがあるため設定できるパラメタも 制限される。 その場観測で存在が確認されている値 電子密度 イオン組成比1（SII/SIII） 変数 イオン組成比1（SIV/SIII） イオン組成比2 （OII/SIII） Emissivity (Arb. unit) 高温電子温度（1 keV） Emissivity (Arb. unit) 固定 イオン組成比（の一部） SV/SIII=0.00, OIII/SIII=0.2 SV：輝線はEUV領域に1つのみ（前々項参 照）なので、無視しても結果に影響しない OIII: Voyager-1のその場観測の値を適用。 （OIIIの輝線はOIIと同じ2組しかない。特にOII とOIIIを分離する必要はない。） 101 SII SIII SIV SV 100 10-1 101 600 650 700 750 800 850 100 10-1 900 950 1000 1050 Wavelength [Å] 1100 1150 1200 熱電子温度 高温電子存在率 視線方向の分布の一様性および電 13 気的中性を仮定 最も光量の多いピクセルを採用 50 Counts per 1000 seconds 40 30 20 10 0 0 DUSK 200 400 600 Pixel number 800 DAWN 校正前データ （ピクセル VS カウント） これを10時間分足し合わせる S/Nを最も稼げるデータを採用する 1000 観測スペクトル 100 SIII680Å Brightness [Rayleigh/Å] 80 SIII822Å OII&OIII834Å SIII701Å 60 SIII729Å SIV657Å 40 SIII901Å&SII906Å SII765Å SII642Å SII875Å SIII1021Å SIV1047Å SIV1063Å SIV1073Å 20 0 SII1102Å 600 700 800 900 Wavelength [Å] 1000 1100 1200 15 最適解を適用したスペクトル 100 □NE = 2450 [cm ] -3 SIII680Å □TC = 4.10 [eV] Brightness [Rayleigh/Å] 80 SIII822Å □fH = 3.5 % OII&OIII834Å □OII/SIII = 1.16 SIII701Å 60 SIII729Å SIV657Å 40 SIII901Å&SII906Å SII765Å SII642Å □SII/SIII = 0.36 □SIV/SIII = 0.16 SIII1021Å SII875Å SIV1047Å SIV1063Å SIV1073Å 20 0 SII1102Å 600 700 800 900 Wavelength [Å] 1000 1100 1200 過去の観測との比較 100 □NE = 2450 [cm ] -3 SIII680Å □TC = 4.10 [eV] Brightness [Rayleigh/Å] 80 SIII822Å □fH = 3.5 % OII&OIII834Å □OII/SIII = 1.16 SIII701Å 60 SIII729Å SIV657Å 40 SIII901Å&SII906Å SII765Å SII642Å □SII/SIII = 0.36 □SIV/SIII = 0.16 SIII1021Å SII875Å SIV1047Å SIV1063Å SIV1073Å 20 0 SII1102Å 600 700 800 900 Wavelength [Å] Distance from Jupiter center (RJ) Voyager-1が取得した電子密度分布（Baganel 1994） 1000 1100 1200 Voyager -1が取得した電子温度、密度の動径分布 （Sitteler and Strobel, 1987） 精度の評価 1 6つのパラメタのうち3つを最適値に固定し、残る2つを変化させた際に、観測機の検出効率 の誤差（1σ）内に入るパラメタ領域を決定精度と定義する。 パラメタの組み合わせは6C2 = 15 通り 電子密度 vs 高温電子存在確率 電子密度 vs 電子温度 電子密度 vs OII/SIII 18 精度の評価 2 電子密度 vs SII/SIII 電子温度 vs OII/SIII 電子密度 vs SIV/SIII 電子温度 vs SII/SIII 電子温度 vs 高温電子存在確率 電子温度 vs SIV/SIII 19 精度の評価 3 高温電子存在確率 vs OII/SIII OII/OIII vs SII/SIII 高温電子存在確率 vs SII/SIII OII/OIII vs SIV/SIII 高温電子存在確率 vs SIV/SIII SII/OIII vs SIV/SIII 20 精度の評価 本解析におけるイオプラズマトーラスのパラメタ決定精度は □ 電子密度：2100 ~ 2700 [cm-3] □ 電子温度：3.55 ~ 4.55 [eV] □ 高温電子存在率：2.7 ~ 4.3 [%] □ OII / SIII: 0.96 ~ 1.40 □ SII/SIII: 0.31 ~ 0.42 □ SIV/SIII: 0.14 ~ 0.19 遠隔観測により高温電子の存在を確認。 21 高温電子の温度設定について 160 eV以上は判別不能 （今回1keVと設定したパラメタ） 電子密度 電子温度 高温電子存在率 イオトーラスのEUV発光のエネルギー源の内訳として、高温電子が60％以上を占める 前半のまとめ イオプラズマトーラス中の高温電子に着目し、遠隔観測による導出 を試みた。 カッシーニ探査機が取得した極端紫外光スペクトルを用いてプラズマ 診断を行った。 過去の探査機による“その場観測”の結果と矛盾しない電子密度、 電子温度、イオン組成を導出した。 イオプラズマトーラス内の高温電子の存在を確認した。 EUV発光における高温電子エネルギーの占める割合が高いことを示唆 より長期間にわたり、高時間分解能でイオトーラスを観測 するために、地球周回衛星からの観測を試みる。 オーロラ増光イベントとの応答を議論できる 経度依存性を議論できる 23 Contents General introduction Jupiter and Io plasma torus (Target) Spectral diagnosis using EUV emissions (Approach) Analysis of the data obtained by CASSINI/UVIS during it’s Jupiter flyby The principle and method of the spectral diagnosis The evaluation of the plasma parameters around the Io torus Hot electron ratio Another parameters Development of the EUV spectroscope on board the earth-orbiting satellite Instrumental overview Entrance mirror Grating Detector Microchannel plate with photocathode Resistive anode encoder The shield structure and noise evaluation The feasibility study of the observation for the Io torus Summary Future works 24 地球周回衛星を用いた極端紫外光観測 小型科学衛星 2012年打ち上げの小型衛星シリーズ1号機 1年以上の観測期間を確保 開発要素 ① ② ③ ④ 主鏡 回折格子 検出器 遮蔽壁 開発要素 対応する部位 目標値 検出効率 主鏡・回折格子・検出器（MCP） >1% 波長分解能 主鏡・回折格子・検出器（RAE） 0.3 nm FWHM 空間分解能 主鏡・回折格子・検出器（RAE） 10 – 30 秒角 ノイズ 遮蔽壁・観測高度 < 1 cps/cm2 25 ① 主鏡の設計 収差解析を行い衛星搭載可能な最適な 大きさ・形状・幾何学条件を決定する。 □ 大きさ □ 入射角 （焦点距離（F値）） スポットダイアグラム（設置誤差0.5mmを想定） 直径 大 入射角 大 直径 小 入射角 小 26 ① 主鏡の設計 103 15 Diameter of the entrance mirror = 200 mm The Aberration [Arcsec.] The Aberration [Arcsec.] Off axis angle = 5.4 degree 10 5 102 101 0 100 200 Diameter of the Entrance mirror [mm] 放物面鏡の直径と収差の関係 300 40 30 20 10 Off axis angle [degree] 0 入射角と収差の関係 イオトーラスの典型的な大きさである、1RJ（~10秒角）の分解能を達成するため には、直径200mm, 入射角5度（F８）が最適と決定。 27 光の反射率 反射率を決める物理 吸収係数（物質固有の値、複素屈折率） 入射角度 面粗さ 高反射率が期待できる材質の候補として、Pt, Si, SiCを検討（過 去の衛星計画で用いられてきた一般的な材料） Pt Reflectivity of Pt 95 nm thickness 0.6 0.4 0.2 70 60 50 40 30 Incidence angle [deg.] 20 10 0 0.6 0.4 0 90 30.4nm 58.4nm 83.4nm 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 80 SiC Reflectivity of SiC 30.4 nm 58.4 nm 83.4 nm 0.8 Reflectivity Reflectivity Si Reflectivity of Si 30.4nm 58.4nm 83.4nm 0.8 0 90 1 1 Reflectivity 1 80 70 60 50 40 30 Incidence angle [degree] 20 10 0 0 90 80 70 60 50 40 30 Incidence angle [degree] 20 10 0 既知の光学定数を用いて計算した各素材（Pt, Si, SiC）の反射率。入射角が小さいほど反射率は低い 28 反射率の測定 サンプルミラー 29 反射率の測定 達光強度と反射光強度を比較 30 反射率（測定結果） 1 1 0.6 0.4 0.2 0 90 30.4 nm 58.4 nm 83.4 nm 0.8 Reflectivity Reflectivity 0.8 1 Reflectivity of Si 30.4nm 58.4nm 83.4nm Reflectivity of SiC 0.6 0.4 0.2 80 70 60 50 40 30 Incidence angle [degree] 20 Pt 02% @30.4 nm 22% @58.4 nm 15% @83.4 nm 10 0 0 90 30.4nm 58.4nm 83.4nm 0.8 Reflectivity Reflectivity of Pt 0.6 0.4 0.2 80 70 60 50 40 30 Incidence angle [degree] 20 10 0 0 90 Si ---% @30.4 nm 02% @58.4 nm 15% @83.4 nm 80 70 60 50 40 30 Incidence angle [degree] 20 10 0 SiC 00% @30.4 nm 13% @58.4 nm 30% @83.4 nm 理論値を下回る反射率 理論的には最も高い反射率を得られるはずのSiC でも30%以下 31 CVD-SiC Chemical Vapor Deposition 材料(SiO2, H2, CH4）封入環境下で 基盤を熱し化学反応エネルギーを与え、選 択的にSiCを蒸着する。（→高純度なSiC を生成） 面粗さと反射率の関係（幾何学的な係数） □ 短波長ほど致命的 2 2 cosin □ 直入射ほど致命的 DWF exp 4 1 従来は斜入射光学系に主に用いられてき た 0.8 0.6 面粗さに着目 0.5 nm以下に抑えることで直入射光学系 に対応可能と判断 相対反射率 0.4 0.2 0 0 入射角10度 2 4 6 8 10 4 6 8 10 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 CVD-SiC サンプル 入射角60度 2 面粗さσ [nm] 32 CVD-SiCの反射率測定（結果） 1 0.6 Incidence angle: 10 degree The incidence angle of the entrance mirror 0.5 0.8 The incidence angle of the grating Reflectivity SiC Pt Si 0.3 Sample No.1 Sample No.3 Sample No.1A Sample No.2A Sample No.5A Sample No.6A Sample No.7A Calculation 0.2 0.1 0 40 60 Sample 面粗さ No. 1 0.34 nm No. 3 0.36 nm No. 1A 0.42 nm No. 2A 0.32 nm No. 5A 0.39 nm No. 6A 0.30 nm No. 7A 0.22 nm 80 100 Wavelength [nm] 120 140 各サンプルの反射率 （波長依存性） Reflectivity 121.6 nm 0.4 0.6 58.4 nm 0.4 0.2 0 90 30.4 nm 80 70 60 50 40 30 Incidence angle [degree] 20 10 0 各サンプルの反射率 （入射角依存性） □高い再現性で30 ~ 50%の反射率を達成 □面粗さ0.4 nm以上（十分条件） 33 その他の開発部位 ② 回折格子 –1次光回折 効率を最適化 素材：CVD-SiC 形状：ラミナー型 溝本数：1800 Lines/mm 溝深さ：22 nm ③ 光検出器 –量子効率の 向上 Detector: MCP Bias angle : 20 degree Photocathode: CsI ④ 遮蔽 －ガンマ線ノイズを 防ぐ構造の最適化－ 遮蔽構造：2 mm Aluminum and 8 mm SUS304 shield 軌道高度：1000 ~ 1200 km 34 回折格子最適化 光学設計 波長・空間分解能 波形決定 回折効率・波長分 散 試作評価 CVD-SiCへの刻印 （実際は露光・現 像・スパッタ）で理 論値とのずれは？ 1 584 Å 791 Å 1000 Å 1210 Å 1420 Å Field = 0" 0.5 0 -200 -100 0 100 200 波長・空間方向に別々の曲率をもつトロイダル形状が最適。このときの設置誤差は0.5mm まで許容 空間分解能10”, 波長分解能2ÅFWHMを達成可能 回折格子最適化 溝の形状・周期・深さを決める フォログラフィック手法ならば、理論的な最適形状であるラミ ナーが実現できるはず。 光学設計 波長・空間分解能 波形決定 回折効率・波長分 散 CVD-SiCへの刻印 （実際は露光・現 像・スパッタ）で理 論値とのずれは？ 0.5 Relative diffraction efficiencies [+1st order] 試作評価 Laminer 18nm Laminer 22nm Laminer 26nm Sine 18nm Sine 22nm Sine 26nm 0.4 0.3 0.2 0.1 0 60 70 80 90 100 110 120 Wavelength [nm] 130 140 6通りの溝深さ（8,15, 20, 22, 26, 39 nm）のサンプルを作成し、回折効率を測定 150 回折格子最適化 0.6 0.6 Diffraction efficiencies 0.5 波長・空間分解能 波形決定 0.5 0.4 0.3 and and and and and and 0.2 0.1 回折効率・波長分 散 Diffraction efficiencies 光学設計 Reflectivity and diffraction efficiencies of the CVD-SiC coated laminer type grating Line density: 1800 mm-1 Line depth: 8 nm 0 40 60 80 100 Wavelength [nm] Reflectivity (Calc. and Meas.) 0th order (Calc. and Meas.) +1st order (Calc. and Meas.) -1st order (Calc. and Meas.) +3rd order (Calc. and Meas.) -3rd order (Calc. and Meas.) 120 CVD-SiCへの刻印 （実際は露光・現 像・スパッタ）で理 論値とのずれは？ 0.5 and and and and and and Reflectivity (Calc. and Meas.) 0th order (Calc. and Meas.) +1st order (Calc. and Meas.) -1st order (Calc. and Meas.) +3rd order (Calc. and Meas.) -3rd order (Calc. and Meas.) 0.2 0.1 120 140 Reflectivity and diffraction efficiencies of the CVD-SiC coated laminer type grating Line density: 1800 mm-1 Line depth: 22 nm and and and and and and 0.3 Reflectivity (Calc. and Meas.) 0th order (Calc. and Meas.) +1st order (Calc. and Meas.) -1st order (Calc. and Meas.) +3rd order (Calc. and Meas.) -3rd order (Calc. and Meas.) 0.2 40 60 80 100 Wavelength [nm] 120 0 140 0.5 and and and and and and 0.3 40 60 80 100 Wavelength [nm] 120 140 0.6 Reflectivity and diffraction efficiencies of the CVD-SiC coated -1 laminer type grating Line density: 1800 mm Line depth: 26 nm Reflectivity (Calc. and Meas.) 0th order (Calc. and Meas.) +1st order (Calc. and Meas.) -1st order (Calc. and Meas.) +3rd order (Calc. and Meas.) -3rd order (Calc. and Meas.) 0.2 0.1 Diffraction efficiencies Diffraction efficiencies 80 100 Wavelength [nm] 0.1 0.4 0 60 0.4 0.6 溝深さ22nmが最も広範囲にわたる高 い回折効率を実現。（理論式からの予 想とほぼ一致） 40 0.6 0.3 0.5 Reflectivity (Calc. and Meas.) 0th order (Calc. and Meas.) +1st order (Calc. and Meas.) -1st order (Calc. and Meas.) +3rd order (Calc. and Meas.) -3rd order (Calc. and Meas.) 0.2 0 Reflectivity and diffraction efficiencies of the CVD-SiC coated laminer type grating Line density: 1800 mm-1 Line depth: 20 nm 0.4 0 and and and and and and 0.3 140 Diffraction efficiencies Diffraction efficiencies 0.5 0.4 0.1 0.6 試作評価 Reflectivity and diffraction efficiencies of the CVD-SiC coated laminer type grating Line density: 1800 mm-1 Line depth: 15 nm Reflectivity and diffraction efficiencies of the CVD-SiC coated laminer type grating Line density: 1800 mm-1 Line depth: 39 nm 0.4 and and and and and and 0.3 Reflectivity (Calc. and Meas.) 0th order (Calc. and Meas.) +1st order (Calc. and Meas.) -1st order (Calc. and Meas.) +3rd order (Calc. and Meas.) -3rd order (Calc. and Meas.) 0.2 0.1 40 60 80 100 Wavelength [nm] 120 140 0 40 60 80 100 Wavelength [nm] 120 140 連続光を用いた溝間隔の評価 ここまでの試験はすべて輝線を用いていたため、とびとびとの波長でしか評価していなかった。 波長を連続的に変化させたときに、本当に分解できるのか？ → 溝間隔は正しいのか？ 放射光施設の連続光を使用し、0.1nmステップで光を照射。 d sin in sin out m x L sin L sin1 2 L d 計算式からもとまる2nm分の移動距離（＠検出器） が、実測値とほぼ一致 （赤四角） その他の開発部位 ② 回折格子 –1次光回折 効率を最適化 素材：CVD-SiC 形状：ラミナー型 溝本数：1800 Lines/mm 溝深さ：22 nm ③ 光検出器 –量子効率の 向上 Detector: MCP Bias angle : 20 degree Photocathode: CsI ④ 遮蔽 －ガンマ線ノイズを 防ぐ構造の最適化－ 遮蔽構造：2 mm Aluminum and 8 mm SUS304 shield 軌道高度：1000 ~ 1200 km 39 ③ MCP (Micro channel plate) MCP－微小な電子増倍管の集合－ 直径10um程の鉛ガラス製の電子増倍管 を数百万本束ねて輪切りにした構造。 管の内壁との衝突を繰り返して電子を増倍 する。 増倍の効率化のために、管に一定の俯角 （バイアス角）をつける。 一本一本が独立した増倍管なので、全体と して2次元の像を得られる。 光電物質 入射面に光電物質を蒸着すれば、量子効 率が向上するはずである。 極端紫外光は適当な窓材がないため、真 空管内でなく入射面上に直接蒸着しなくて はならない。 実験を通して最適な蒸着条件を確立する 40 量子効率の測定 光電物質の光学定数を用いて2次電子再放出 確率の入射角依存性を計算した。（実線） さらに、実験により確認した。 その結果、長波長側では特に効果が大きいこと が予想できる 入射角依存性を考慮し、チャンネルの俯角を20度とすれば、 41 1.5倍から数10倍の量子効率が達成できる。 2 10 5 1 90 Relative QDEs 40 50 60 70 80 90 Bare 13 deg. CsI 13 deg. CsI 20 deg. CsI 30 deg. 100 110 120 130 Wavelength [nm] 1 0.9 0.8 0.7 30 100 50 Relative QDEs 1 0.9 0.8 0.7 30 100 50 Relative QDEs Relative QDEs 2 140 150 10 5 1 90 40 50 60 70 80 90 110 120 130 Wavelength [nm] 140 150 Bare 13 deg. KBr 13 deg. KBr 20 deg. KBr 30 deg. 100 30-84 nm 105-135 nm CsI / Bare 1.5 - 2 5 - 100 KBr/ Bare 0.6 - 2 5 -80 42 MCPとRAEを組み合わせたEUV検出器 2次元EUV検出器 MCPの入射面で光を電子に変換し（光 電効果）、107倍程度に増幅する。 電子雲の落下位置を、RAEで読み取る SELENE/UPI/TEXでも用いられた 3段MCP （~0.1 pC） 7 bits分解能（128×128 pixels） MCP + RAEアッセンブリの模式図 MCP + RAE (PHEBUS/BBM) RAE : 抵抗値1~100 k Ohm 43 MCPとRAEを組み合わせたEUV検出器 ~10bitsの分解能を目指す~ RAE (Resistive Anode Encoder) （セラミック基板+RuO2）でできた、面抵抗体の位置検出素子 1次元の場合（左下図） とても単純 2次元の場合（右下図） 基本的には1次元と同じ 周辺抵抗値を面抵抗よりも軽くすることで電場を平行に保ち、像のゆがみを抑える Q = Q1 + Q2 1-D RAE Q1 電子雲 (~1 pC, 107 ele.) Q2 L1 L2 電荷・電圧変換（Q V） ADC QB QC y L QA QB QC QD Analog to digital converter 14 bits L (x,y) x QA QB L QA QB QC QD ADC 1 1 1 R L, Q , Q , L 位置演算（FPGA） R L Q L 44 2次元RAE MCPからの電子雲が作る電場の時間変化 ~線抵抗を小さくする必要性~ 面抵抗と線抵抗が同じ値だと電場が乱れ距離に反比例した電荷配分にならない 45 RAEの開発のポイント 目標 10 bits (1024 * 1024 pixels)の分解能 SELENE/UPI/TEXは7 bits 考えるべきこと(開発のPoint) 浮遊容量によるパルスの遅延 RAEと周辺の物質（MCP, 接地面）との間には10 pF程度の浮遊容量が生じる。 電極に到達するパルスに遅延が生じる。 各電極に接続されたチャージアンプが十分に電荷を 積分しない。 演算結果が淵側に集中する。（落下位置と演算結 [10 果が1対1対応しなくなる） RAEの模擬回路（1次元） ] 4 -5 3 Current [C/sec.] 従来の使用方法では無視できるレベルだったが、10 bits分解能を達成するためには注意が必要。 100 kOhm 10 pF × 10 100 kOhm 3 pF × 10 10 kOhm 10 pF × 1 10 kOhm 3 pF × 1 2 1 0 0 1 2 3 Time [sec.] 4 5 [10-6] 電極に到達する電荷量の時間変化 （シミュレーション結果） 抵抗値、浮遊容量が大きいほど遅延が顕著になる 浮遊容量小 浮遊容量大 46 RAE 抵抗値と浮遊容量 1 浮遊容量 セラミック基板を薄くする → 1mm (minimum) 抵抗値 塗布する抵抗体物質（RuO2）の量を増やすことで、抵抗値を小さくする。 1 Total charge [pC] 0.8 RAEの抵抗値 0.6 0.4 0.2 0 0 浮遊容量 の合計値 100 kOhm 10 pF 100 kOhm 3 pF 10 kOhm 10 pF 10 kOhm 3 pF 1 2 3 Time [sec.] 4 5 [10 ] 500 k 100 k 50 k 10 k 5k 1k 10 pF 18.1 3.61 1.79 0.42 0.18 0.04 3 pF 6.93 1.38 0.70 0.10 0.07 0.02 総電荷が極に到達するまでにかかる時間 [μs] -6 各抵抗値、浮遊容量において電極に到達する電荷量の時間変化 浮遊容量を10pFと仮定すると、一般的に飛翔体搭載に用いられるチャージアンプ（Amptek/A225） の放電時定数（2.4 us）よりも十分速いパルスを生成するためには10 k Ohmが上限となる。 抵抗値は小さければ小さいほどよい・・・？ 47 RAE 抵抗値と浮遊容量 2 抵抗値の下限 –チャージアンプ入力インピーダンスの測定- すべての入力周波数において100 Ohm以上 RAEの抵抗値が大きいほど、チャージアンプの入力インピーダンスの影響（オフセット効果）が小さ くなる。 Inpidanse [Ohm] 106 105 RAEの抵抗値が10 k Ohmのとき、入力パル ス幅が約0.5 usになるため、入力インピーダン スは200 – 300 Ohmと最小になる。 このとき、RAEの抵抗値と入力インピーダンスの 比も最大になる。 104 103 102 101 104 105 106 Input frequency [Hz] 107 A225Fの入力インピーダンス周波数特性 基板厚さ1mm, 面抵抗値50 k Ohmが最適と結論 48 試作品評価 中心領域と端の2か所で光分解能を測定 0.08 mm間隔の金属メッシュに極端紫外光を照射し、その透過光を検出 600 Counts 400 200 0 0 コントラスト0.3以上を 達成 0.5 1 1.5 2 Distance from the MCP center [mm] 500 Counts 400 300 200 100 0 20.5 20 19.5 19 18.5 Distance from MCP center [mm] 18 17.5 80um（波長分散方向1A,空間方向10秒角に相当）の空間分解が可能 地理緯度と電子（1 MeV以上）フラックスの関係 （AE8MAX model より） その他の開発部位 106 素材：CVD-SiC 形状：ラミナー型 溝本数：1800 Lines/mm 溝深さ：22 nm 105 Electron flux [ele./cm2/sec] ② 回折格子 –1次光回折 効率を最適化- 1000km 0deg. 1000km +30deg. 1000km -30deg. 1500km 0deg. 1500km +30deg. 1500km -30deg. 104 103 102 101 Detector: MCP Bias angle : 20 degree Photocathode: CsI ④ 遮蔽 －ガンマ線ノイズを 防ぐ構造の最適化－ 遮蔽構造：2 mm Aluminum and 8 mm SUS304 shield 軌道高度：1000 ~ 1200 km 100 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Geographic longitude [degree] 270 300 330 10 軌道高度と電子（1 MeV以上）フラックスの関係 5 Electron flux [ele./cm2/sec] ③ 光検出器 –量子効率の 向上- 104 103 Averaged flux Averaged flux without SAA 102 1000 1100 1200 1300 Altitude [km] 1400 1500 50 その他の開発部位 素材：CVD-SiC 形状：ラミナー型 溝本数：1800 Lines/mm 溝深さ：22 nm ③ 光検出器 –量子効率の 向上 Detector: MCP Bias angle : 20 degree Photocathode: CsI Number of incident events ② 回折格子 –1次光回折 効率を最適化- 300 200 Number of input electrons: 1000 ele./cm2/sec Energy distribution: 1~100 MeV power low (index -2.2) Wall thickness: 2mm Al, Panel 1 only is 4mm Chamber thickness: 8 mm Plate1, (1109) Plate2, (899) Plate3, (903) Plate4, (1209) Plate5, (961) Plate6, (1194) 100 0 100 500 1000 Energy of incident gamma ray [keV] 5000 10000 ④ 遮蔽 －ガンマ線ノイズを 防ぐ構造の最適化－ 遮蔽構造：2 mm Aluminum and 8 mm SUS304 shield 軌道高度：1000 ~ 1200 km 51 観測器全体の検出効率（有効面積） 各部位（主鏡・回折格子・検出器）の効率を掛け合わせる 101 0.6 Entrance mirror: Reflectivity 0.4 0.3 Our instrument Effective entrance area [cm2] Efficiencies 0.5 MCP: Quantum detction efficiency 0.2 0.1 Grating: Diflaction efficiency Detection efficiency 0 0.03 0.02 0.01 0 100 10-1 10-2 CASSINI/UVIS (EUV) CASSINI/UVIS 10-3 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength [Å] 1200 1300 1400 各コンポーネント（主鏡・回折格子・検出器）ごとの効 率（上）及び、検出器全体の効率（下） 比較のため、CASSINI/UVISの検出効率を併記した 600 800 1000 1200 Wavelength [Å] 1400 観測機の有効面積の波長依存性 比較のためCASSINI/UVIS/EUVの値も併記した。 CASSINI/UVISに比べて500倍の有効面積（約3倍の検出効率）を達成 52 The feasibility study of our future observation from the Earth-orbiting satellite CASSINI/UVISのデータ解析及び過去のモデルから各イオン、輝線の発光強度を推定し、スペク トルを作成 検出効率の誤差範囲内で同定できるパラメタの精度及び時間分解能を定義する。 Counts per 1 hour 2000 1000 Counts per 1 hour 0 600 700 800 900 1000 ←地球大気由来の混入（Ly-α） 3000 2000 1000 0 1000 1時間積分：30秒角 1100 1200 Wavelength [Å] 1300 1400 53 The feasibility study of our future observation from the Earth-orbiting satellite CASSINI/UVISのデータ解析及び過去のモデルから各イオン、輝線の発光強度を推定し、スペク トルを作成 検出効率の誤差範囲内で同定できるパラメタの精度及び時間分解能を定義する。 電子密度 VS 高温電子存在度 電子密度 VS 電子温度 １時間積分で決定可能な精度 ○ 電子温度: ± 1 [eV] ○ 高温電子存在度： ± 1 % ○ 電子密度： ±500 [cm-3] 電子温度 VS 高温電子存在度 54 Summary 遠隔観測でイオトーラス内の電子温度・密度・高温電子存在率、を導 出する手法を確立した。 CASSINI/UVISの取得データから、イオトーラス内の高温電子（ 1keV）を検出した。 地球周回からのイオトーラス極端紫外光観測を想定した機器開発を 行った。 反射鏡・回折格子・検出器の3個の要素において、それぞれ高効率化 を測り、従来よりも数倍から数十倍の効率を実現した。 地球周回軌道からの観測により、1時間程度の分解能でイオトーラス のプラズマパラメタを導出できることを示した。 55