CELT

CELT Green Book まとめ

Chapter 3. Telescope Performance Specifications (担当：泉浦、詳しい説明)

3.1 Introduction
3.2 Science Related Goals
1)集光面積 => 口径30m(サイエンス・技術・予算のバランス)
2)空間分解能 => 回折限界(サイト選択・AO 開発)
3)視野の広さ => 広視野の方がいい
望遠鏡の特性は比較的恒久的、観測装置開発が重要
その他考えるべき事
　観測可能天域
　駆動速度・精度
　大気の透過度
　バッフリング
　望遠鏡輻射等
3.3 General Optical Configuration
3.3.1 Basic Design Choice: Filled or Unfilled Aperture
単一・高開口率の面を選択 => 高効率・低コスト
3.3.2 Basic Optical Configuration
望遠鏡：
　リッチークレチェン型
　ナスミス焦点のみ(ナスミス台はできるだけ大きくする)
　経緯台式架台で高度軸は主鏡の前
　エンクロージャーはなるべく小さく
光学系：
　主鏡 F/1.5、合成 F/15
　視野 20'□
副鏡：
　ティップティルト 1Hz
　AO 副鏡も予定(ストレール比≧0.9 @5μm)
3.3.3 Nasmyth Foci
重力的に安定し巨大装置を置ける
　15m x 30m 2 個所
　80トンまで
第三鏡：
　角度を変えて焦点部に同架してある別装置にスイッチ可能。
　偏光観測は難しいがキャリブレーションをしっかりやれば可能。
設備：
　装置交換機構、冷媒、電源、ガイダー、温度制御
　視野回転と大気分散補償は装置で
3.3.4 Prime Focus
1)補正光学系が必要
2)望遠鏡が装置の分長くなる => エンクロージャーの費用が増す
3)不便でコスト高
ということで主焦点は無し。
3.3.5 Cassegrain Focus
主鏡のすぐ後ろなので装置アクセス・交換が厄介
設計、建設、運用の簡素化を考えてこれも無し。
3.4 Optical Specifications
3.4.1 Correcting Area
口径 30m (707m²)、開口率 90%～95%
六角形のセグメントでほぼ円形にする
PSF へのセグメントの影響は最小に
3.4.2 Seeing Limited(Adaptive Optics Off)
サイトシーイング(0.3"～0.5")を劣化させない安定性が必要
　=> 望遠鏡の PSF は FWHM≦0.137"
3.4.3 Adaptive Optics On
ストレール比 S=0.5(@1μm)
　=> 波面誤差 σ=133nm (S(λ)=exp(-(2πσ/λ)²) より算出)
　=> S～0.2(@0.65μm) 程度まで使えそう

ストレール比の波長依存性
大気モデル：r₀=20cm(@0.5μm)、τ₀=2.7msec を仮定して AO 仕様を出す
MCAO はレーザーガイド星を用いて 2'□(@2μm)、～52"□(@1μm) (視野∝λ^6/5)
AO には望遠鏡の基本性能が大切。
3.4.4 Criteria for Thermal Infrared
10μm 帯で 4% 以下の放射率が目標
セグメント間の gap を減らす(面積比 1% 以下)
装置までの鏡の数を減らす
スパイダーは単純な形状(Cold stop で隠す)
3.4.5 Wavelength Coverage
0.3～28μm の大気の窓全て

3.4.6 Pointing and Tracking

Pointing	全天で 1"rms 以内
Tracking	10秒間で 0.02"rms
	10分間で 0.1"rms
	1時間で 0.5"rms
Guiding	10分間で 0.02"rms
Guiding	1時間で 0.05"rms
Slewing	5分間で Az 360°,El 65°
Sky coverage	El>25°, Az 駆動範囲の 75% は遮蔽なし天頂の特異点直径は <2°
Observation range	-120°<Az<320°, 25°<El<89°

3.5 Environmental
3.5.1 Solar
昼間は観測しない。
3.5.2 Thermal
温度に対する条件：
　90%温度範囲(-2℃～6℃ @MKO)で仕様を満たす動作
　99%温度範囲(-14℃～18℃ @MKO)で観測可能
　-35℃～35℃で故障しない
3.5.3 Wind, Precipitation, and Dust
風に対する条件：
　90%風速範囲(<12m/s @MKO)で観測可能
　70m/s にエンクロージャーが耐える
　Dust の侵入を防ぐ
氷結に対する条件：
　10cm の氷結に耐える
湿度に対する条件：
　相対湿度98%まで運用可能
　もちろん結露はさせない
3.5.4 Seismic
100年に一度の地震に重大な損傷なく耐える
3.6 Operational
3.6.1 Telescope Enclosure
回転範囲は無制限
観測を妨げない駆動速度
望遠鏡を夜間の予想温度に保つ
観測中の発熱は最小
3.6.2 Telescope Servicing
保守点検に必要な装備を備える
3.6.3 Instrument Handling
装置交換・定常的な保守
観測装置のアップグレードと修理のための実験室
3.6.4 Segment Storage
セグメント数：180種 x 6枚 = 1080枚、予備は各1枚で 180枚
ハンドリング装置
3.6.5 Mirror Covers
主鏡・副鏡カバーは無し
第三鏡にはカバーを付ける
3.6.6 Mirror Coatings and Reflectivity

0.3～28μm でアルミと銀の良い方と同じ反射率を持つ鏡が理想
定期的に清掃しても劣化がなく最低10年は使えるもの
3.6.7 Other Support Requirements
California からのリモート観測が可能
他通常の観測施設としての役割
3.6.8 Overall Reliability
全般的な信頼性最大、保守最小
観測時間最大(>90%)、運用コスト最小

Chapter 4. Optical Design (担当：長田、詳しい説明)
- 4.1 Introduction
  口径30m
  シーイング限界視野では観測装置は巨大に
  　→ カセグレンよりもナスミス
  AOを使った回折限界観測では装置は比較的コンパクト
  主鏡 F値：
  　明るい → 望遠鏡サイズ小、コスト安
  　暗い　 → セグメントの非球面度小、位置合わせ楽
  合成 F値：
  　明るい → 観測装置小
  　暗い　 → 副鏡小
  反射率はできるだけ高く
- 4.2 CELT Optical Design
- 4.2.1 Ritchey-Chretien Concept
  視野 20'φ (非点収差∝視野角²)
  回折限界に近い波面誤差(AOで補正できるような)
  大きくない副鏡
  強く曲がっていない像面
  
  視野はどれもほぼ同じ
  明るい主鏡 F → 小さな副鏡、焦点面はかなり曲がる
  主鏡 F/1.5、合成 F/15 の場合
  
  視野角1分以内の収差は AO で除去可能
- 4.2.2 Prime Focus
  放物面主鏡の場合：軸上で完璧な像だが、視野角 12" でコマ 1"
  RC主鏡の場合：軸上でも 1.3" → セグメント押し引きで何とか 0.3"
  ドームが大きくなるし、交換が大変なので今のところ考えない。
- 4.2.3 Cassegrain Focus
  偏光は最小だが、
  ミラーセルのデザイン複雑
  観測装置等のスペース小
  重力方向の変化有
  装置交換がやや面倒
  カセグレンもやめ
- 4.2.4 Nasmith Focus and Platforms
  第3鏡の位置：
  　主鏡の後(GSMT) → 望遠鏡は長くなりエンクロージャも大きくなる
  　主鏡の前(Keck) → こちらを採用
  Articulated tertiary to move focus
  第3鏡の角度を変えて装置をスイッチ
  
  Motion of secondary to shift focus along optical axis
  焦点移動量は副鏡移動量の101倍 (δe = δd (1+m²), m=15/1.5=10)
  　→ 球面収差は δe = 1m あたり 0.425"
  Adjustment of primary segments to shift focus along optical axis
  主鏡のセグメントの押し引きで調整 → 球面収差は δe = 3m でも 0.22"
  Chopping and nodding of secondary
  副鏡で 1Hz,10" のチョッピング
- 4.3 Diffraction
- 4.3.1 Circular Primary
  理想的な 30mφ 円形開口の PSF (赤は 1mφセグメント単体の PSF) → Airyパターン
- 4.3.2 Perfect Segment Primary
  実際の主鏡開口形状での PSF (セグメントギャップ無し)
  　軸対称でないので、x方向とy方向を別々に表示
  　中央では問題ないが、周囲で多少の悪化
- 4.3.3 Effect of Including Segment Gaps
  更にセグメントギャップ 4mm (面取り 1mm x 2 + 隙間 2mm) 追加
  　光のロスは0.9%
  　回折で 50"(λ/4mm)程度に広がる (1×10^-5レベルのいくつものピーク)
  　中央では問題ないが、周囲でかなり悪化
- 4.3.4 Effect of Secondary Support Structure
  副鏡サポート構造(40cm 幅 x3 + 3.8cm 幅 x6)の影響
  　光のロスは2.8%
- 4.3.5 Overall Effect
  PSF の中心部は OK
  副鏡サポート構造は赤外線装置は Cold Stop で隠す必要あり
- 4.4 Effects of Misalignment
- 4.4.1 Primary Mirror Misalignment
  光軸方向の変位は数mm（重力でも温度でも）
  光軸と垂直な変位は数cm（重力） → ガイドシステムで補正可能
- 4.4.2 Secondary Mirror Misalignment
  
  副鏡端で 1mm (52")の傾き変化は 13" 像移動 + コマ 0.52" → 0.05mm の精度が必要
  重力による変位は20mm程度と予想
  オープンループ + (軸外し)ガイダーシステムでのコマ測定などから閉ループ制御
  プレートスケールの変化やフィールドの歪みは未計算
- 4.4.3 Tertiary Mirror Misalignment
  
  第3鏡端で 1mm(69")の傾き変化は 3"～6" の像移動 → ガイドシステムで補正可能
  (但し、焦点面傾き瞳位置ともに少し変化)
- 4.5 Additional Configurations
  AO副鏡 → 200-300自由度の補正でも長波長では十分
  MMTのAO副鏡: 0.64mφ, 336アクチュエータ → 将来は2mまで可能か
- 4.6 Optical Baffling for f/15 System
  CELTでは観測装置内部の瞳でバッフリング(風の影響など顧慮して望遠鏡側には付けない)
- 4.7 Field Curvature
  20' で 15cm の凹み
- 4.8 Distortion
  20' 視野端で 0.084" と少ない(歪曲∝視野角³)
- 4.9 Mirror Coatings
  アルミ反射率～90% → ナスミスでは70%
  　毎月のドライアイスクリーニングでも2年毎に蒸着が必要
  UV-shifted Durable Silver Coating 反射率～95%(Thomas and Wolfe (2000)) → ナスミスでは85%
  アルミ・銀の良いところに匹敵し少なくとも10年はもつ
  1μm以上では99%以上の反射率で、赤外性能も優秀
- 4.10 Thermal IR Performance
  
  エミシビティ: 鏡 1% x3 (汚れれば2倍) + セグメントエッジ 0.9%
  (スパイダーは cold stop で隠す) → 全体で 4%-7%
Chapter 5. Primary Mirror (担当：栗田 5.3.7まで、岩室 5.3.8以降)
- 5.1.1 Conceptual Design
  
  左がCELT、右がKECK。鏡の大きさと外形が円か六角の違いがある。
  
  セグメントの対角の長さa、厚さをhとすると
  研磨の難しさ∝a²
  重力によるたわみ∝a⁴/h²
  重量∝a²h
  位置の誤差∝a²
  セグメントとセンサの数、制御の難しさ∝a^-2
  コスト??
- 5.1.2 Rigid Body Control
  基本的にKECKのサポート方法と同じ
  アクティブとパッシブサポートを使用
  アクティブで位置決定
  パッシブで形状と位置の保持
  緩やかな形状変化はWarping Harnessで矯正
- 5.1.3 Active and Passive Degree of Freedom
- 5.1.4 Active Control System
  各セグメントの位置をセンス→修正位置の計算→アクチュエータの駆動
  遅い変動：重力と温度
  早い変動：風
- 5.2 Segment Passive Support
  
  a=1m
  h=45mm
  材質：zerodur (E=91GPa、ρ=2.53×10³kg・m³、CTE=10^-8/℃)
  表面の変形：≦ 5nm rms (20nm p-v)
  観測高度： 0°～65°
  アクチュエータ駆動範囲：2mm
  注意　Passiveサポートで変形を軽減し、activeサポートで姿勢を補正
- 5.2.1 Axial Support
  
  3×2×3=18点のwhiffletree支持
  たわみの解析結果: 5nm (rms)、21.1nm(p-v)
  9.4kg、 $695
- 5.2.2 Lateral Support
  
  中心付近一点をサポート
  たわみ解析結果: 1.5nm (rms) 10.5mn(p-v)
  12.2kg 、$407
- 5.3 Segment Fabrication
- 5.3.1 Fabrication Process Overview
- 5.3.4 Planetary Stressed-Mirror Polishing
  
  複数の鏡を同時に研磨
  　　　　　　＋
  
  力を加え変形させて研磨し、研磨後に力を開放
  　　　　　　↓
  残存球面収差は Ion Figuring
- 5.3.7 Warping harness
  
  最後まで残る誤差を力で曲げて矯正
  力の掛け方はシャックハルトマンで星を見て行う
- 5.3.8 Segment Figure Testing
  
  非球面ミラーを直接干渉計で調べると干渉縞の密度が高くなるので、縞のコントラストを維持するため前置干渉計でレーザー光の出力バンド幅を更に狭くして干渉させる。X-ray 反射鏡検査で 1nm 精度の実績ある方法らしいが、fiber 出口付近の diffraction aperture 付近の構造がかなり難しそう(記述無し)。
- 5.4 Segment Active Control
  セグメントの前後・角度の3つの自由度は Active、横ずれ・回転の3つの自由度は passive
  アクチュエータでの補正量
  　EL = 90°→ 0°で 2mm
  　Tracking 中最大 140nm/sec (0.015"/sec)
  　10℃ の温度変化で 150μm(副鏡は別に移動)
  アクチュエータ(～7k$)は 3240個、センサー(～5k$)はその約2倍必要
- 5.4.1 Control Algorithm
  補正は 10Hz
  センサー精度に関する条件が書いてあるが意味不明
- 5.4.2 Sensors
  
  平行に並べた一組のコンデンサをセグメント側面に直接張り付け、光軸方向の相対移動量 δz と捻じれ角 ω を測定。
  　コンデンサの gap (上図 g) は 2mm、100μm までの間隔の変化(10℃の温度変化に相当)は許容できる。
  　(passive だけでこれだけの歪みに抑えるのはほとんど無理だと思うが...)
  drive #1,2 には位相 π/2 ずらした交流(矩形波 ?)を入れ、16bit ADC で変換。
  　コンデンサ容量の和で gap を、差で δz,ω を検出。
  　ground loop を小さくするためセグメント間を ground cable で繋ぐか、別なコンデンサを介して読み出し情報を戻す必要がある。
  このあと、センサのノイズ評価について書いてあるが難解。相対測定で数が多いため、個々のノイズが全体の形状にかなり影響を与えるようだ。
- 5.4.3 Actuators
  セグメントの位置補正は 1Hz、目標精度は 5nm。
  アクチュエータは voice coil + lever のものを検討中。
  
  Top view に示されるような三角形状に配置されたてこ(多分押しすぎないような安全機構も兼ねる)で 1:10 変換。
- 5.4.4 Global Electronics
  センサーはアクチュエータの約2倍あるので自己診断が可能で、異常のあるセンサーの自動検出と非選択は自動でできる。
  全センサーの読み出しは 100Hz、共鳴状態を避けるための filtering をしてアクチュエータに feed back。
  その他注意すること：同じものを沢山使う、回路の温度管理、ground loop 注意、長持ちするものを使うなど。
- 5.5 Assembly
  Keck では2つの経緯儀を用いて各アクチュエータの位置を 100μm 精度で修正。
  鏡を置いた状態で写真で測定した誤差は 30μm だったらしい。
  CELT では写真測定システムか自動測定の経緯儀が必要。
- 5.6 Segment Alignment
  Keck PCS (SH 的な位相合わせカメラ) system で星を使って alignment。
  SH camera
  　2k x 2k CCD
  　0.25"/pixel
  　隣の image までの間隔 6"
  1回の計算量は 1000x3000 の逆行列の計算程度で、現在の環境だと 15分かかる。
Chapter 6. Secondary and Tertiary Mirrors (担当：沖田)　
- 6.1 Introduction
- 6.2 f/15 Secondary Mirror
  20分視野、鏡筒は短く。
  　Gregorian 光学系は光学検査容易だが鏡筒が長くなるので採用しない。
  SOAR 4.2m 鏡用の汎用技術を使いたい。
- 6.2.1 Optical Fabrication
  非球凸面で AO に対する許容が厳しい。
  凸面の検査は凹面に比べて難しいので 1m 鏡を用いた部分干渉法(20分割)で試験。
  非球面度が大きいので、局所的な球面近似の研磨では周辺での誤差が大きくなる。
  KECK、CELT、SOARの比較を示す。
  
  Scondary Aspheric departure Departure/size Astigmatism on 10% tool
  
  Keck 0.46mm 6.7e-4 8.8μm
  
  CELT 1.54mm 7.8e-4 28.9μm
  
  SOAR(Primary) 0.98mm 4.7e-4 18.7μm
  
  CELTの副鏡研磨はKeckより数倍困難。
  　Keck の 1/2 サイズの Tool を使用 => 研磨時間が長くなる。
  　(実際には試験とアナリシスの時間が研磨時間より長くなるだろう)
  　AO で低次の補正はできるが高次のエラー誤差には不十分。
  　=> AO アクチュエータの間隔は副鏡上で 4cm 相当で、この範囲の研磨精度を 10nm にする必要あり。
- 6.2.2 Passive Mirror Support System
  副鏡形状
  　口径 3.96m、厚さ 10cm のメニスカス。
  　Zerodur で～3.2トン。
  　Axial サポート 60 個。
  　=> 重力変形は鏡面で 15nm rms (セグメント主鏡による誤差に比べて小さい)。
  MCAO 時の副鏡の対応点は主鏡の裏 320m だが他の scale hight に比べて小さいので気にしない。
  in-plane 支持機構の詳細はまだだが SOAR、Gemini、VLT と同様で OK。
  今後2トンまで減らす予定。
- 6.2.3 Active Mirror Support System
  Active control of mirror shape
  　サポートシステムを安く作って Active control で補う2つの方法。
  　　1. セグメントは 1080 もあるので、再現性のある副鏡変形なら主鏡で補正。
  　　2. 60本の副鏡アクチュエータで強制変形。
  　主鏡変形と副鏡変形を切り分ける事が困難。
  　　=> off-axis の星も利用 ?
  Active control of mirror position
  　望遠鏡全体の変形を cancel するための副鏡移動量は 20mm (Chapter 7)。=> hexapod 使用
  　　ラテラル 100μm 移動 => 像移動 0.4"、コマ 0.04"
  　アキシャル 1mm 移動 => 像サイズ 3"
  　温度変化 10℃ => 5mm 移動
  　移動範囲 100mm、1ステップ 50μm(2000:1) の hexapod は既に入手可能なので OK。
  　エラー伝播の評価をする必要あり。
  Active compensation for wind loads
  　望遠鏡の風力によるパワースペクトル詳細検討はまだ。
  　(風による望遠鏡筒先での Karman 渦 => ラテラル方向の振動)
  　ドーム外風速: 15m/s まで想定。
  　Keck、Gemini ドームでのテストでは、望遠鏡筒先での風の影響はエンクロージャにより少なくとも 1/2 に。
  　風速 7.5m/s での構造的外乱: 0.25Hz を想定。
  　副鏡で起こる振動渦のパワー: ～0.2v/D_sec or 0.4Hz
  　風の影響を 1Hz アクティブ制御で補正。
  　CELTの重要課題である(詳細はChapter 7)。
  Chopping and Nodding
  　Chopping: 10", 1Hz 以上 (望遠鏡の筒先の固有振動数は 5Hz)
  　　=> アクチュエータ移動～200μm (繰り返し精度～1μm (0.05"))
  　hexapod では困難 => 2段階のアクチュエータ制御
- 6.3 Adaptive Secondary Mirror
  
  口径 2m 以上は無理かも。
  AO 副鏡では低次の波面誤差を補正(重力変形は問題ない)。
  エミシビティを評価する必要がある。
- 6.4 Tertiary Mirror
  第3鏡形状
  　～3.1m x 4.4m、厚さ 10cm。
  　Zerodur で～2.7トン。
  　Passive Support を想定(～2.7トン)。
  　Active Support は +2トン。
- 6.4.1 Optical Fabrication
  単一星のビーム径は 1.33m。
  MCAO 視野2'での光束移動量 90mm => この範囲内での鏡面誤差 10nm 以下 => 大きい研磨パッドで OK
- 6.4.2 Passive and Active Support
  第3鏡は副鏡と同程度の大きさでサポートも同様。
  MCAO 時の第3鏡の対応点は主鏡の裏 6.7km で、MCAO では補正不可なので注意。
  (MCAO の DM は主鏡と、高度 3～10km の大気層に対応。)
- 6.4.3 Motion Requirement
  主鏡光軸周り 180°回転 + あおり ±14°(焦点を上下 5m 移動可)
  ロータリーベアリングを使用、エンコーダも問題なし。
- 6.5 Primary, Secondary, Tertiary Control
  制御方法、駆動精度の検討はまだ。
  0.05秒角の精度で制御する必要があるのか、どこか１個所を早く制御すれば OK なのか...
  (例えばガイダーで、像ズレを迅速検出し素早く補正)
Chapter 8. Optics Alignment (担当：岩室)
- 8.1 Introduction
- 8.2 Degrees of Freedom
  Keck: セグメント数 36 => 自由度 108
  CELT: セグメント数 1080 => 自由度 3240
  　どちらの場合も3つの自由度は全体の δz,ω
- 8.3 Optics Alignment Experience at Keck and Implications for CELT
  Phasing Camera System (PCS)
  　Passive Tilt mode: 普通の SH camera
  　Fine Screen mode: 各セグメントを 13 subaperture に分割し δz 補正
  　Ultra Fine Screen mode: 各セグメントを 217 subaperture に分割しセグメント鏡面の歪み補正(1セグメントずつ)
  　Phasing mode: セグメントの端をまたぐように 78 aperture を置き、干渉を調べることで隣同士の δz 補正
  　セグメントを置き換えたときには半夜から全夜を使って測定。
  　毎月センサーの原点ドリフトを補正。
  　1-2時間おきに測定。
  　マスクは manual で交換 => CELT では自動にする。
  MAlign
  　観測の合間に全てのセグメントの向きを変えて、装置検出器上で各セグメントに対する星像を分離し副鏡位置の調整。
  　=> CELT では省略かも。
  Phase Discontinuity Sensing (PDS)
  　NIRC を用いて PCS (Phasing mode ?)相当の測定をする。
  Guiders
  　普通のもの。
  Guider による全体の ω 補正と同様、δz や低次の歪み等も常にモニタして補正したい。
- 8.4 Optical Effects of Motions in Various Degrees of Freedom
  ?
- 8.5 Focus and Focus Mode
  ?
- 8.6 System Overview
  VLT, Gemini, Magellan は同じタイプの AG/SH を使っているらしい。
  　20 x 20 micro lens array (0.5mmφ, f=45mm)
  　512 x 512 CCD (20 pix/subaperture)
  　0.5 sec/readout (低ノイズ、均一性重視)
  $50k
  副鏡のずれ検出専用の SH が欲しいところ。
  SH の精度を決めているのは大気揺らぎ。
- 8.7 Procedures for Optics Alignment
  error の伝播も顧慮に入れた調整方法の詳細を検討中。

Scondary	Aspheric departure	Departure/size	Astigmatism on 10% tool
Keck	0.46mm	6.7e-4	8.8μm
CELT	1.54mm	7.8e-4	28.9μm
SOAR(Primary)	0.98mm	4.7e-4	18.7μm

CELT Green Book まとめ