[論文レビュー] MITS: the Multi-Imaging Transient Spectrograph for SOXS

Adam Rubin, Sagi Ben-Ami+48 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ESO 3.6 m NTT向けの中分解能分光計（R ~ 4500）であるSOXSのためのMulti-Imaging Transient Spectrograph（MITS）の光学設計を提示する。4つのイオンエッチング加工グレーティングを1次効用（m=1）で使用し、デュアコロイドミラーを介して4つの準オーダーに分割し、1つの3素子キャタディオプトリックカメラで同時に像を形成することで、60%を超えるシステムスループットを達成し、350–850 nmの波長域で3500以上のスペクトル分解能を維持する高効率なトランジents追跡が可能となる。

ABSTRACT

The Son Of X-Shooter (SOXS) is a medium resolution spectrograph R~4500 proposed for the ESO 3.6 m NTT. We present the optical design of the UV-VIS arm of SOXS which employs high efficiency ion-etched gratings used in first order (m=1) as the main dispersers. The spectral band is split into four channels which are directed to individual gratings, and imaged simultaneously by a single three-element catadioptric camera. The expected throughput of our design is >60% including contingency. The SOXS collaboration expects first light in early 2021. This paper is one of several papers presented in these proceedings describing the full SOXS instrument.

研究の動機と目的

• ZTF、ATLAS、PanSTARRS、LSSTなどの広視野サーベイで同定されたトランジエンス源の専用分光追跡の増大するニーズに対応する。
• 従来のエッケル分光計の限界を克服し、トランジエンス科学に適した高スループット・中分解能設計を開発する。
• デュアコロイドミラーを用いた画期的なポリクロマチックビームスプリッティング手法により、複数のスペクトルバンドを同時に効率的に観測可能にする。
• 高効率なイオンエッチング加工グレーティングを1次効用（m=1）で使用することで、高次エッケル系の複雑さと損失を回避し、システムスループットを最大化する。
• 350–850 nmの全波長域で、スペクトル分解能 >3500、ピーク効率 >25%、および不要な反射光やゴーストの最小化を実現し、堅牢な性能を確保する。

提案手法

• UV-VISスペクトル（350–850 nm）をデュアコロイドミラーで4つの準オーダー（各100–200 nm）に分割し、グレーティング効率を最適化する。
• カスタム製の高効率イオンエッチング加工グレーティングを1次効用（m=1）で使用し、高次エッケル系と比較して損失を最小限に抑える。
• MOONS設計を基にした3素子キャタディオプトリックカメラ（CaF₂コリゲーター、ミラー、フUSEDシリカフィールドフラッタナーを含む）を用い、4本の分散光束を同時に像形成する。
• 高速f/6.5コリゲーターと45 mmのビーム径を維持するようカメラを最適化し、スペクトル範囲全域で高スループットと良好な像質を確保する。
• Al6061、インバー、ステンレス鋼を用いたキネマティックマウント方式を採用し、光学素子の機械的安定性、熱的非感応性、正確なアライメントを実現する。
• 3つの準オーダーごとに各1波長ずつを対象とした連続レイトラシングモデルを用い、ゴーストおよび不要光の分析を厳密に実施。その結果、ゴースト強度は主信号に対して約6×10⁻⁶と非常に小さく、運用上のリスクはないと確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランジエンス追跡に適した中分解能分光計において、60%を超えるスループットを達成する最適な光学構成は何か？
• RQ2 イオンエッチング加工グレーティングを1次効用（m=1）で使用する場合、マルチチャネル分光計設計に効果的に統合することで、従来のエッケル系を上回る性能を実現する方法は何か？
• RQ3 スペクトル漏れおよび2次効用回折がシステム性能に与える影響は何か？ また、その影響をどのように低減できるか？
• RQ4 運用条件下で複数の光学素子の熱的安定性と正確なアライメントを確保するための機械的設計は、どのようなものか？
• RQ5 ゴーストおよび不要光の許容レベルは何か？ また、光学面の反射が背景ノイズに与える実際の寄与度はどの程度か？

主な発見

• MITS設計は、350–850 nmの全波長域で60%を超えるシステムスループットを達成し、予備対策を含めた状態でも従来のエッケル分光計設計を著しく上回る。
• 全バンド域でピークスペクトル分解能が4700（λ/Δλ）を超えることが確認され、1''スリットでは最小でも3500以上を達成しており、中分解能トランジエンス分光の要件を満たしている。
• 検出器およびフィールドフラッタナーでの反射に起因するゴーストは、デフォーカスとコーティング損失のおかげで相対強度6×10⁻⁶にまで抑制されており、運用上のリスクはない。
• iバンドグレーティングの2次効用回折は、デュアコロイド漏れのおかげで最大0.05²（0.0025）まで低下し、さらにグレーティング最適化で10–20%のさらなる低減が図られ、順次遮断フィルターをバックアップとして備える。
• インバーとキネマティックマウントの使用により、熱的安定性が確保され、温度変動に対してもコリゲーターとメインミラー間の距離とアライメントが維持される。
• レイトラシングシミュレーションにより、ゴーストの寄与はフィールドフラッタナーの裏面からの拡散反射のみであり、その強度は無視できるほど小さいことが確認され、システムの光学的クリーニング性が裏付けられた。