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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

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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. 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
cta 37 cta

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

cta lst large size telescope
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

slide3
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

winston cone
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

slide5

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

ray trace
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

slide7
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

winston cone1
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?

3 bezier
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)

slide10
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

3 bezier1
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

slide12

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

slide13
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

slide15
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

slide16

約50cm

LED

ライトガイド