ASTE 搭載用ミリ波サブミリ波帯 多色ボロメータカメラ光学系の開発

1. ASTE搭載用ミリ波サブミリ波帯多色ボロメータカメラ光学系の開発ASTE搭載用ミリ波サブミリ波帯多色ボロメータカメラ光学系の開発 ○竹腰達哉、南谷哲宏、徂徠和夫 （北海道大）、中坪俊一（北大低温研）、川村雅之、河野孝太郎 （東京大） 大島泰、田村陽一、江澤元、川辺良平 （国立天文台） 6 billion yr 3 billion yr Brightness of galaxy (mJy) • 科学目標 • AzTEC on ASTE(2007-2008) 1.1mm連続波観測 • 多数のサブミリ銀河を検出！ • 新しい連続波カメラによる多波長観測 • 多数のサブミリ銀河に対する赤方偏移の推定 • を目指す！ • Sunyaev-Zel’dovich効果を用いた遠方銀河団の超高温成分の温度の推定 • 銀河系内の分子雲コアや近傍銀河のGMC中の低温ダスト成分の物理量の導出 • ASTE搭載用多色ボロメータカメラの概要 • ASTE望遠鏡　性能緒元 • サブミリ波望遠鏡 • チリ, アタカマ砂漠 標高4860mに設置 • カセグレン光学系 • 主鏡直径 10m • 鏡面精度 19μm • 指向精度 2” rms • 連続波カメラの概要 • 国立天文台ATC・UC Berkeleyと協力して開発 • 冷凍機: パルスチューブ冷凍機 + 3He-4He吸着式冷凍機 • ボロメータ: 超伝導遷移端センサー（Transition Edge Sensor, TES） • 読み出し:SQUIDによる周波数分割Multiplex方式 • 光学系:ASTEに最適なボロメータカメラ光学系を設計 • 多素子化が可能 • 視野 7.5分角 • 2波長帯同時観測 • バンド定義 1 billion years after the Big Bang 450μm 1.1mm 850μm Atacama Submillimeter Telescope Experiment 国立天文台+大学連合 Wavelength (mm) 特別推進研究 「超広帯域ミリ波サブミリ波観測による大規模構造の進化の研究」 研究代表者：河野孝太郎 • 光学素子の構成 • Dichroic filter • 周波数分割メッシュフィルター • 多色同時観測の実現 • Lyot stopを兼ねることで省スペース化 • 誘電体レンズ • telecentric光学系の実現 • 素材: HDPE（高密度ポリエチレン） • Grooveによる反射防止加工 • ホーンアレイ • コニカルホーンをアレイ化 効率的な観測を実現！ HDPEレンズ 搭載計画 270GHz(1.1mm)帯: 244 - 294 GHz (40GHz幅) 350GHz(850μm)帯: 330.5 – 365.5 GHz (35GHz幅) 670GHz(450μm)帯: 630 - 710 GHz (80GHz幅) ホーンアレイ カットオフ周波数 導波管直径: 270GHz:φ0.717mm 350GHz:φ0.531mm TESの素子間隔（3.9mm） 開口直径 • 光学系の設計 • 物理光学による評価 • 物理光学によるLyot stopのサイズ決定 • 4Kの開口絞りをDichroic filterともに設置 • エッジレベルの小さな光学系　　300Kからの漏れ込みを減らすことが重要 • Lyot stopを幾何光学設計値から絞り、各光学素子のスピルオーバーをGRASP9で計算 • GRASP9を用いた物理光学解析 • レンズやLyotstop、デュア窓の効果を考慮 • 薄レンズ近似した等価な反射光学系を解析 フレア長 • ZEMAXによる光学系の設計 • 幾何光学系の設計ソフトZEMAXを用いた設計 全体図 270GHz エアリーディスク 回折限界で決まる分解能 Spot diagram 270GHz skyを除いた光学系起源のノイズとLyot stopのサイズとの関係 • Lyot stopを85%まで絞ったとき、 • 漏れ込みが十分小さい • 素子間でノイズが変わらない • さらに、光軸のズレに対しても強くなる 開口能率に対する光学系からの漏れ込みとLyot stopのサイズの関係 350GHz Lyot stopは85％が最適 デュア内光学系 670GHz 270GHz front 350GHz • 幾何光学系の評価 • Spot diagram: エアリーディスクより十分小さく結像すればOK • Strehl比: 収差がない場合とのピーク強度の比、≳0.8で無収差 • M3修正楕円鏡 • ZEMAXで最適化を実行 Strehl比 670GHz 6.8mm • ビームサイズ • 有効開口径8.5m, エッジレベル-4dBとconsistent • ビームパターンも問題なし! 全ての視野方向、観測周波数帯で0.8以上 6.7mm • 結論 • 幾何光学を用いて1100μm帯で169素子、850μm帯で271素子、450μm帯で881素子で、視野7.5’角、2波長同時観測可能な光学系を設計した。 • 光線追跡シミュレーションにより、すべての視野、周波数帯においてストレール比が0.8以上を満たす、十分な結像性能を持つ光学系であることを示した。 • 物理光学シミュレーションによって、Lyot stopのサイズが幾何光学の85%のとき光学系起源のノイズに対する天体からの信号の比が最大になることを示した。また、開口能率、ビームパターンなどを調べ、十分な性能を得られることを確認した。 • 2010年後半ASTE搭載予定！ 結像性能は問題なし！ 300Kからの放射を減らすため、直径560mmのミラーを使用 参考文献 3.6mm Matsushita, S. et al. 1999, PASJ, 51, 603 Tamura, Y. et al. 2009, Nature, 459, 61 Wagner-Gentner, A. et al. 2006, 48, 249 Wilson, G.W. et al. 2008, MNRAS,386,80 Ade, P.A.R. et al. 2006, Proc. of SPIE, 6275 Ezawa, H. et al. 2004, Proc. of SPIE, 489, 763 Goldsmith, P.F. 1998 Lamb, J.W. et al. 1996, IJIMW, 17, 1997