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

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）第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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 et al., GRL, 1998] 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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第１回宇宙科学シンポジウム　P29

INDEX図面 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（３）軌道　　近地点：　680km 　　遠地点：　680 km 　　軌道傾斜角：　98.6° 　　　　（1030 – 2030 MLT）　　軌道周期：　98.8分　　日陰率：　35.7 ％（Max）　　運用可能時間：　　　　１日辺りの可視パス数：４　　　１パス辺りの可視時間：12分(Max）（４）運用：　ＫＳＣと相模原（５）運用姿勢　定常時：　低スピンまたはゼロスピン。太陽指向　　を基本とするが、観測要求により太陽から最大 10°（TBD）限定時間内で傾けることがある。 Safe Hold時：　太陽指向、スピン（６）ビットレート： 8－131kbps 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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 • 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 32steps（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つの静電プローブ第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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。第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(２)　基本的な諸元 波長　３Ｃｈ（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° 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(３)　カメラ図面 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

MAC MTM / TTMモデル 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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 557.7nm (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)。第１回宇宙科学シンポジウム　P29

・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？第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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)　高度詳細モード第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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（40msec）とシンクロ第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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以上の繰り返し第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(６)感度見積もり N=I (10^6 / 4π)AΩTη N:CCD 1pixel上の電子数 (count / sec) I　：　オーロラ強度（R） A　：　対物レンズ面積（cm2） = 13.63 Ω　：　1 pixelの見込む立体角(sr)= 1.664 e-8 T　：　光学系透過率（0-1） = 0.5 (filter) x 0.8 (optics) η　：　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 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

(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（CCD207- 223K）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？第１回宇宙科学シンポジウム　P29

５．MTM試験 • MTM試験は2000年12月初め　　より開始されている。第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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　打ち上げ第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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。第１回宇宙科学シンポジウム　P29

INDEX-CRMによるオーロラ帯背景プラズマの微細構造の観測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日第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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。第１回宇宙科学シンポジウム　P29

MAC、CRM取り付け図 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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（８０ｍ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) １０２～１０４ｃｍ-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 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

CRM主要諸元(2) • バイアス電圧 10msec × 32 step = 320msec 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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) 第１回宇宙科学シンポジウム　P29

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