[論文レビュー] Construction of a medium-sized Schwarzschild-Couder telescope as a candidate for the Cherenkov Telescope Array: development of the optical alignment system

D. Nieto, S. Griffiths+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の候補であるシュバルツシルト＝カウダー中型望遠鏡（SC-MST）向けに、高精度な光学整合システムの開発と試験が行われた。このシステムは自己自己コリメータ、CCDカメラ、ステュアートプレートフォームを用い、ミリメートル未塔およびミリラジアン未塔の整合精度を達成し、高分解能ガンマ線検出に最適なポイントスプレッド関数性能を保証する。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is an international project for a next-generation ground-based gamma-ray observatory. CTA, conceived as an array of tens of imaging atmospheric Cherenkov telescopes, comprising small, medium and large-size telescopes, is aiming to improve on the sensitivity of current-generation experiments by an order of magnitude and provide energy coverage from 20 GeV to more than 300 TeV. The Schwarzschild-Couder (SC) medium-size candidate telescope model features a novel aplanatic two-mirror optical design capable of a wide field-of-view with significantly improved imaging resolution as compared to the traditional Davis-Cotton optics design. Achieving this imaging resolution imposes strict alignment requirements to be accomplished by a dedicated alignment system. In this contribution we present the status of the development of the SC optical alignment system, soon to be materialized in a full-scale prototype SC medium-size telescope at the Fred Lawrence Whipple Observatory in southern Arizona.

研究の動機と目的

• 最良の像分解能を達成するため、シュバルツシルト＝カウダー望遠鏡設計が要求するミリメートル未塔およびミリラジアン未塔の高精度光学整合要件に対処すること。
• 分離された一次および二次鏡の正確な位置決めを保証するため、グローバルおよびパネル間の二段階構成の整合システムを開発すること。
• 本格的導入の前に、実環境の環境条件下で整合ハードウェアプロトタイプの性能を検証すること。
• OPC-UAなどの標準化された通信プロトコルを用いて、整合システムをCTAの上位制御アーキテクチャと統合すること。
• CTAの感度目標に不可欠な高分解能ガンマ線カメラと互換性のあるポイントスプレッド関数（PSF）をSC-MSTが達成できるようにすること。

提案手法

• 自己自己コリメータとCCDカメラを用いて、一次（M1）および二次（M2）鏡の傾きおよび変位をミリメートル未塔およびミリラジアン未塔の精度で測定する。
• ステュアートプレートフォームを用いたシステムを活用し、校正および試験中の鏡面の変位を模擬・制御する。
• 画像ベースの再構成技術を用いて、LEDと位置センシティブデバイス（PSD）のネットワークを活用し、光学部品間の相対位置を追跡する。
• Gumstix Overo® マイクロコンピュータとArduino Mega 2560を用いて、リアルタイム信号処理および80個のパネルコントローラーの制御を実現するモジュラー制御システムを設計・試験する。
• 電源およびイーサネット配布ボックス（PEDB）に環境モニタリングおよび故障検出機能を統合し、屋外環境下での安定稼働を確保する。
• ソフトウェア制御にOPC-UAプロトコルを採用し、パネルコントローラー、中央処理装置、データアーカイブシステム間のクライアント・サーバー通信を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離型二鏡式シュバルツシルト＝カウダー望遠鏡設計において、どのようにしてミリメートル未塔およびミリラジアン未塔の整合公差を達成できるか？
• RQ2 温度変化や重力負荷などの動的環境条件下でも、光学整合を維持するためのハードウェアおよび制御アーキテクチャはどのようなものが必要か？
• RQ3 整合システムのプロトタイプ部品（自己自己コリメータ、LED、PSD、コントローラー）が、実環境での試験で必要な精度を達成できるか？
• RQ4 標準化された通信プロトコルを用いて、整合システムをCTAアレイ制御システム全体とどのように統合できるか？
• RQ5 実際の望遠鏡環境下で長期間にわたり現場運用された場合、整合システムの性能はいかがなものか？

主な発見

• グローバル整合システムのプロトタイプ部品、特に自己自己コリメータおよびCCDベースのLED追跡技術は、変位においてミリメートル未塔の精度、傾き測定においてミリラジアン未塔の精度を示した。
• パネル間整合システムは、光軸に垂直な変位において標準偏差1.1 mm、径方向軸回りの回転において0.3 mradを達成し、設計仕様を満たした。
• VERITAS望遠鏡で4.5か月にわたり実施した現場試験により、MPESセンサーが熱的および重力的変形を正確に追跡していることが確認され、重心のずれが温度および高度の変化と相関していた。
• 全スケールのプロトタイプSC-MST（pSCT）は、フレッド・ローレンス・フリーパー観測所で建設中であり、すべての整合システム部品が検証済みで、量産化が進行中である。
• OPC-UAに基づく整合システムソフトウェアは、パネルコントローラー、中央処理装置、データ保存装置間でリアルタイムのデータ交換および制御を成功裏に実現した。
• 環境試験により、MPESおよびPEDBシステムの防水性および長期的安定性が確認され、長期間にわたるラボおよび現場運用でも異常動作は観察されなかった。