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CTA 報告 37 CTA 大口径望遠鏡用ライトガイドの開発

CTA 報告 37 CTA 大口径望遠鏡用ライトガイドの開発. 日本物理学会第 67 回年次大会 2012 年 3 月 24 日 ( 土 ) 茨城大学理 工学 研究科 黒田和典 片桐秀明 A 、 吉田龍生 A 、 柳田昭平 A 、 加賀谷美佳 A 、 手嶋政廣 B 、 榎本良治 B 、 奥村曉 C 、 林田将明 D 、 山本常夏 E 、 千川道幸 F 、 他 CTA-Japan 一同 茨城大理 A 、東大宇宙線研 B 、名大 STE 研 C 、京都大理 D 、甲南大理工 E 、近畿大理 F. CTA の大口径望遠鏡 LST(Large Size Telescope).

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Presentation Transcript

  1. CTA報告37CTA大口径望遠鏡用ライトガイドの開発CTA報告37CTA大口径望遠鏡用ライトガイドの開発 日本物理学会第67回年次大会 2012年3月24日(土) 茨城大学理工学研究科 黒田和典 片桐秀明A、吉田龍生A、柳田昭平A、加賀谷美佳A、手嶋政廣B、榎本良治B、奥村曉C、林田将明D、山本常夏E、千川道幸F、他CTA-Japan一同 茨城大理A、東大宇宙線研B、名大STE研C、京都大理D、甲南大理工E、近畿大理F

  2. CTAの大口径望遠鏡LST(Large Size Telescope) • 反射鏡でチェレンコフ光を反射し、焦点面にある光電子増倍管(PMT)からなるイメージングカメラで撮像 • イメージングカメラの前方にライトガイドがある PMT ライトガイド イメージング カメラ 入射光 Cherenkov Telescope Array 反射鏡 LST 23m (10GeV~1TeV) MST 12m (100GeV~10TeV) SST 4~7m (1TeV~100TeV) LST(Large Size Telescope)完成予想図

  3. ライトガイドについて • イメージングカメラに並んだ光電子増倍管(PMT)の隙間は不感領域 • PMTに実効的な開口面積を拡大し、同時に視野外のノイズ光をカットするために必要な光学部品 ライトガイド 直径約50mm dead space 入射光 ライトガイド PMT PMT PMT 直径38mm Effective Area dead space

  4. Winston Cone形状 特徴 2次元 • ある最大入射角θ以内で入射した光は100%集光 • 最大入射角以外の光は排除 関係式 入口開口部 出口開口部 , LST用ライトガイドの仕様 最大入射角 入口開口半径 [mm] D = 23m f/D = 1.2 [mm] 出口開口半径 f 問題点 LGの長さ [mm] 3次元で六角形の形状では最適化されていない

  5. 研究の目的 光線追跡のツール ROBAST:ROotBAsed Simulator for ray Tracing (名古屋大　奥村曉　開発) 光線追跡シミュレーションを行い、ライトガイドの高集光・高ノイズ除去効果を最大にするように LST用ライトガイドの形状最適化を行う

  6. 光線追跡(ray trace)のイメージ ライトガイドの中心軸からあるθだけ傾いた方向から、1mm間隔に並んだフォトンを入射させる 集光率を以下の式で定義 六角形のライトガイドはφによって形状が異なるので集光率が変化 ある入射角θ(固定)のときのφで平均化した集光率を定義 θが大きいほど立体角は大きくなる 光があらゆる方向で等確率で到来すると仮定したとき θの重みのついた集光率を定義

  7. 最適化の流れ • Winston Cone形状のライトガイドでの光線追跡 • ライトガイド表面の反射率とPMT形状の考慮 • Winston Coneを越える形状の検証 • 2次Bezier曲線を用いた最適化(省略) • 3次Bezier曲線を用いた最適化 ライトガイド ・ライトガイド表面反射率98% 　　高反射率フィルム(3MのESRフィルム)を想定 ・PMTのPhoto Cathodeは曲率半径20mmの球面 ・ライトガイドとPMTを密着させる PMT形状

  8. Winston Cone形状での光線追跡シミュレーション結果 Winston Coneでは理想の集光率よりも10%ほど低い 重みつき集光率[%] 反射率・PMT形状を 考慮した 六角Winston Cone Ideal Rate 最大入射角 六角形のライトガイドではWinston Coneの特徴の理想的な集光率は得られなかった 入射角[deg] Winston Cone以上に 高集光率・高ノイズ除去率の形状はないか?

  9. 3次Bezier曲線を用いた最適化 3次Bezier曲線 始点、終点、2つの制御点の4点からなる 制御点を変化させることで曲線の形が変化 R Bezier曲線は媒介変数t(0≦t≦1)を用いて以下の式で表される Z (r,z)

  10. 最適化の方法 • ライトガイドのR方向とZ方向を等間隔に分割した座標点ごとの集光率を計算 • 範囲を絞りながら理想的な集光率モデルと比較 重みつき集光率 Bezierの曲線 制御点1 制御点2 終点 理想モデル Bezier曲線 R 始点 Z 理想モデルとの集光率(重みつき集光率)の差が最小になる制御点を探す

  11. 3次Bezier曲線でのシミュレーション結果 BezierでWinston Coneより6%向上(25度) 重みつき集光率[%] Ideal Rate Winston Cone 2次Bezier curve 3次Bezier curve 最大入射角 入射角[deg] Bezier曲線では、入射角20度～25度の範囲で、重みつき集光率がWinston Coneよりも最大で約6%向上

  12. ライトガイドの試作 試作(国立天文台) 六角形の一辺で切り抜いたような形のパーツに 反射フィルムを貼り、固定用の治具にはめ込んだ ライトガイド底面でのフォトン分布の シミュレーションとの比較 シミュレーションの像 0度 10度 20度 30度 試作LGの像 今後、集光率の検証へ

  13. まとめ ROBASTによる光線追跡シミュレーションを行い、高集光率・高ノイズ除去率になるようなCTAのLST用ライトガイドの形状最適化を行った • Winston Cone形状での集光率 • 表面反射率とPMT入射窓形状の考慮 • Winston Coneに代わる形状での最適化 • 2次Bezier曲線による形状最適化(省略) • 3次Bezier曲線による形状最適化 3次Bezier曲線を用いて、入射角20度～25度の範囲で、重みつき集光率がWinston Coneよりも最大で約6%向上 今後・・・ 試作の集光率の検証 PMT応答実験

  14. 補足スライド

  15. 表面反射率とPMT形状の考慮 • ライトガイド表面の反射材 • マックスプランク物理学研究所の高反射フォイル(300～600nmの波長域で98%)を使用予定 • 表面の反射率を98%で計算 • PMTの入射窓 • 曲率半径20mmの球面形状 • 出口開口部の削り出し • 六角形のライトガイド出口開口部と球面形状PMTの隙間からフォトンが逃げて集光率低下 • ライトガイドの底面をPMT形状に合わせて削除 PMT入射窓形状 削り出し ライトガイドの底面

  16. 約50cm LED ライトガイド

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