[論文レビュー] An Alignment System for Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes

A. McCann, D. Hanna+1 more|ArXiv.org|Jul 28, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、焦点面に設置されたCCDカメラを用いて明るい星の周囲を走査することで、画像大気チェレンコフ望遠鏡の低コストで受動的なアライメントシステムを提示する。走査中にミラー素子の強度ピークを分析することで、ずれが生じた素子を特定し、正確な補正を可能にし、VERITAS望遠鏡2での初期テストで、点像関数（PSF）の80％含有半径を22％（0.064°から0.049°）低減した。

ABSTRACT

The reflector used by an imaging atmospheric Cherenkov telescope (IACT) consists of a tessellated array of mirrors mounted on a large frame. This arrangement allows for a very large reflecting surface with sufficient optical quality for the implementation of the IACT technique at a moderate price. The main challenge presented by such a reflector is maintaining the optical quality, which depends on the individual alignment of several hundred mirror facets. We describe a method of measuring and correcting the alignment of the mirror facets of the reflectors used by the VERITAS telescopes. This method employs a CCD camera, placed at the focal point of the reflector, which acquires a series of images of the reflector while the telescope performs a raster scan about a star. Well-aligned facets appear bright when the telescope points directly at the star while misaligned facets appear bright when the angle between the telescope pointing direction and the star is twice the misalignment angle of the mirror. Data from these scans can therefore be used to produce a set of corrections which can be applied to the facets. In this contribution we report on initial experience with an alignment system based on this principle.

研究の動機と目的

• 再コーティングや交換後の大型画像大気チェレンコフ望遠鏡に、数百枚のミラー素子を再アライメントするための費用対効果に優れた受動的手法を開発すること。
• 砂漠環境下での機械的ずれや環境露出による光学性能の低下を是正すること。
• 従来のより複雑で時間がかかるアライメント手順に代わって、星の光の反射パターンに基づく、より高速で正確なシステムを導入すること。
• 校正済みレンチと反復走査を用いて、理論的PSF限界に近づく高精度なミラー調整を可能にすること。

提案手法

• 広角レンズを備えたCCDカメラを望遠鏡の焦点面に設置し、45°ミラーを用いてカメラの仮想像を焦点点に作成する。
• 望遠鏡は明るい星の周囲に21×21グリッド（0.025°ステップサイズ）を走査し、各ミラー素子からの星の光の反射像を撮影する。
• 良好にアライメントされた素子は、望遠鏡が星を直接向いたときに最大の光を反射する。ずれが生じた素子は、望遠鏡の指向方向がミラーのずれ角度の2倍のとき、最大の光を反射する。
• 画像データを処理して各素子ごとのピーク強度を特定し、各ミラーに必要な角度補正を決定する。
• ねじ山付きの三角形ミラー台座のナットを、1/16回転単位で正確に調整できるインデックスホイールを備えたレンチで調整する。
• 0.01°未満の調整分解能を達成するため、より細かいグリッド間隔と4:1ギア比のレンチを用いた高解像度のフォローアップ走査を計画している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的でCCDベースの走査システムは、大型画像大気チェレンコフ望遠鏡のミラー素子のずれを正確に検出し、定量的に評価できるか？
• RQ2 この手法は、アライメント前の性能と比較して、点像関数（PSF）サイズをどの程度低減できるか？
• RQ3 走査のグリッド密度とスキャンの角度分解能が、システムの精度にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 アクティブミラー制御システムと比較して、最小限のコストと運用複雑性で実装可能か？
• RQ5 反復アライメントと0.01°未満の調整精度を用いることで、どの程度のPSF改善が達成可能か？

主な発見

• 走査法により、VERITAS望遠鏡2のPSFの80％含有半径が0.064°から0.049°に22％低減した。
• 345枚のミラー素子のうち150枚が調整を要することが特定され、初期テストで120枚が正常に補正された。
• システムは全走査を2時間で完了し、従来のアライメント手法と比較して実用的で高速であることが示された。
• 0.025°ステップサイズのグリッドを用いた場合でも、強度ピークと素子のアライメント角度との相関関係から、ずれのパターンを特定するのに十分な精度を達成した。
• レイトレーシングシミュレーションにより、さらなる精錬と0.01°未満の調整精度を実現すれば、理論的PSFの80％含有半径0.042°が達成可能であると示唆された。
• 望遠鏡の頂点部に位置する残りの30枚のミラーは、強風のためアクセスできず、アクセス性の向上または天候耐性の強化の必要性が示された。