超小型深宇宙探査機 PROCYON 搭載用ジオコロナ撮像装置

Lyman Alpha Imagin Camera (LAICA) の開発

亀田 真吾 1 　佐藤 允基 1　桑原正輝 2　池澤祥太 1

吉川 一朗 2 　田口 真 1 　船瀬龍 2 　川勝康弘 3　　1立教大学　 2東京大学　 3ISAS/JAXA

[JAXA]

http://laika.paina.jp/http://kuma1117.cocolog-nifty.com/blog/images/2011/01/13/00001297.jpg

PROCYON質量：約 59kg寸法：H630×W550×D550mm2014 年 12 月打ち上げ予定

[JAXA]

・はやぶさ 2 副ペイロード超小型深宇宙探査機PROCYON に搭載予定

(Hydrogen) Lyman Alpha Imaging CAmera

・打ち上げ後 1 〜 2 週間で観測を実施 ( 空間分解能<0.4Re)⇒ ジオコロナの広視野分布を撮像する ( 視野 25-

300Re)⇒ その後も 3 か月程度観測を継続 ( 空間分解能<2.4Re)

PROCYON軌道PRoximate Object Close flYby with Optical Navigation

　ジオコロナとは外気圏：地球大気層のうち最も外側の領域 ( 高度>400km)・主な構成原子：水素、ヘリウム

特定の太陽紫外放射を選択的に散乱⇒ 地球全体を包む紫外グロー水素ライマン α 線 (121.6nm) が最も明るい

太陽

：ジオコロナ

Apollo 16 で得られたジオコロナ分布 [Carruthers et al., 1976]

南半球は北半球よりも密度が高い夕側は朝側よりも密度が高い

水素原子密度の等高線図：赤道断面 ( 右 ) , 子午面断面 ( 左 )[Bailey and Gruntman, 2011]

昼夜・南北・朝夕の非対称性

TWINS 衛星搭載 LAD(Lyman Alpha Detector) による観測低高度では　　　は　　　よりも密度が高

い 水素原子密度の角度変化 [Bailey and Gruntman, 2011]

昼側 夜側高高度になるにつれて昼側と夜側の密度が同程度に夕側は朝側よりも密度が高い南半球は北半球よりも密度が高い

朝

夕

昼夜 昼夜

南

北

　ジオコロナの空間分布の特徴

　外気圏における原子の軌道外気圏下端：原子が無衝突となる下限高度

(400〜800km)

( エグゾベース )外気圏には主に 3 種類の原子の軌道が存在① 弾道軌道・・・脱出速度未満の速度でエグゾベースから飛び出し、　　　　　　　　　　その後また戻ってくる。② 脱出軌道・・・エグゾベースから飛び出し、そのままエグゾベースから　　　　　　　　　　　　失われる。③ 衛星軌道・・・閉じた軌道内で散乱する

低い軌道では弾道軌道の粒子が支配的⇒ 高度が高くなるにつれて衛星軌道が支配的に

高高度では脱出軌道のものが主成分

③①

②

エグゾベース

　磁気嵐と水素原子数

Dst index( 上 ) と TWINS/LAD で得られた 3 〜 8RE までの水素原子数 ( 下 ) [Bailey and Gruntman, 2013]

磁気嵐が発生した時刻⇒3-8RE の範囲に存在する水素原子量が 6 〜 17% 増加

時間分解能： 12 時間程度 (1 周回 12時間 )

磁気嵐の時間変化に対応して水素原子数の変動を時間分解できない

LAD の観測ジオメトリー [Bailey and Gruntman, 2011]

過去の計画では地球周回衛星からの観測が主⇒ ジオコロナは 20RE 程度まで広がっている

地球から十分離れた距離からの観測例⇒Mariner 5 [Wallace et al.,1970], Apollo 16 [Carruthers et al., 1976], のぞみ [Tsuchiya, 2003]だけ

<目的 >

広範囲 ( 〜 20RE) のジオコロナ分布を撮像

⇒ 高高度における水素密度分布を得る

地球周回衛星よりも高い時間分解能 (1 時間 )

⇒ 地球大気の散逸過程に関する新たな情報の獲得

　ジオコロナの撮像

Apollo 16 で得られたジオコロナ分布 [Carruthers et al., 1976]

⇒ 高高度における密度分布を捉えられない

ジオコロナイメージャ観測目的(1) 高々度 (>8RE) ジオコロナ (H Ly-α) 分布の撮像– 地球周回衛星では観測できない高々度の水素原子の緯度分布を

1枚の画像で取得する。 (Mariner 5: ~16RE, Apollo 16: ~10RE, Nozomi: ~24RE )

観測時期：打ち上げ後 7~14日①電荷交換反応及び光電離による水素原子消滅過程の定量化

Apollo 16で得られたジオコロナ分布。深宇宙から 1shot の 2次元イメ ー ジ が 得 ら れ た唯一 の 観 測例 [Carruthers et al., 1976]

(2) 高々度ジオコロナの時間変動と磁気嵐– 3-8RE の水素原子密度が磁気嵐に応じて増

加する。原因は未解明。 [Bailey and Gruntman, 2013]

観測時期：打ち上げ後 10日~3ヶ月② 外気圏への水素原子供給過程の定量化

① と②より大気散逸過程の定量的理解

MCP+RAE模式図 [Yoshioka et al., 2010]

LAICA ： (Geocoronal Hydrogen) Lyman Alpha Imaging CAmera

・焦点距離 400mm・視野 3 度・角度分解能　 0.024 度・波長範囲　 122±10nm・感度　・主鏡有効径： 71mm・副鏡有効径： 32mm・質量 : 　 2.14kg・消費電力 : 　 max 5W・ 300mm x 160 mm x 130 mm

120mm

LAICA形状図

光学系：カセグレン望遠鏡　主鏡・副鏡ともに球面 (Al+MgF2)フードなしで迷光対策が必要

検出器： Bepicolombo/MPO に搭載される PHEBUS/FUV と同型

MCP+RAE模式図 [Yoshioka et al., 2010]

LAICA ： (Geocoronal Hydrogen) Lyman Alpha Imaging CAmera

・焦点距離 400mm・視野 3 度・角度分解能　 0.024 度・波長範囲　 122±10nm・感度　・主鏡有効径： 71mm・副鏡有効径： 32mm・質量 : 　 2.14kg・消費電力 : 　 max 5W・ 300mm x 160 mm x 130 mm

120mm

LAICA形状図

光学系：カセグレン望遠鏡　主鏡・副鏡ともに球面 (Al+MgF2)フードなしで迷光対策が必要

検出器： Bepicolombo/MPO に搭載される PHEBUS/FUV と同型

LAICA (PM)

80mm

118mm

球面カセグレン鏡

検出器： 1画素あたり約 160µm

⇒FOV3 度の範囲でスポット径＜ 160µm

光学系のスポットダイアグラム

15: 26: 56

New l ens from CVMACRO: cvnewl ens. seq Scal e: 1. 20 10- Nov- 13

20. 83 MM

装置の光路図

y

z

取り付け精度X,Y方向： 1mm 程度Z方向： 0.06mm 程度

↑入射角+/-1.5degの光線

↑開口部から検出器に直達光路はない迷光は惑星間空間水素発光の 1/100以下

迷光対策　 ( スペース不足 )

光学系接着 ( 立教大 )Primary/Secondary mirror & bandpass filter were attached using a space-qualified adhesive and glass beads (φ100 µm)

Primary mirror

Vibration, shock, and thermal tests

Temperature range： -20℃〜 60℃

Vibration level： 27 [Grms]Shock level： 1000 [G]

Adhesive and glass beads・ thickness control・ repeatability

Aluminum plate

Primary/Secondary mirror　 or Bandpass filter

Adhesion of PM mirrors

Preparation of the adhesion primary mirror(PM)

Preparation of the adhesion secondary mirror(PM)

① Primary mirror

② Secondary mirror

Mixture of Space-adhesive & glass beads

156µm

156µ

m

①③

⑤

④

②

Focus adjustment

Spot size (FWHM)①　 Center : 48.9µm②　 Right : 66.3µm③　 Left : 69.6µm④　 Top : 97.4µm⑤　 Bottom: 68.3µm

(Requirement: 156µm )

Focus adjustment

Telescope

Lamp(visible light)LAICA

(lens tube)

Collimated light

Camera(Sony α7)

→OK高温 (60度 )でも問題なし。

スケジュール201310 月 開発スタート・概念設計11 月 保持構造など設計・試作12 月 保持構造試作機を使って振動衝撃

　 (接着強度、 MCP 衝撃レベルの緩和 )20141 月 望遠鏡構造設計確定、 PM製造開始2 月 接着部温度試験 3 月 PM鏡納品、焦点確認

FMセンサ (MCP+RAE) 、読み出し回路部　　　　 保持構造完成4 月 PM鏡接着5 月 　 FM鏡筒構造完成、焦点確認

QT振動衝撃試験 　 温度試験 (焦点確認 )6 月 FM振動試験、熱真空試験、探査機取り付け12 月 打ち上げ　

[JAXA]

予算 : 　 2200万円

　まとめ

・地球周回衛星では捉えられない広範囲 (~8Re20Re) のジオ　コロナ分布を撮像する・地球周回衛星に比べて高い時間分解能 (12h2h) で全球分布　の変動を捉える・低コストで短い開発期間の中、装置開発を進めている。　 ( 学生の教育プログラム。自分自身も。 )

・超小型深宇宙探査機 PROCYON に水素ライマンアルファ線　　撮像装置を搭載予定

[ 小話 ] ライカ犬が打ち上げられたスプートニク 2号は、無謀な計画と言われ、犬も不幸な死を遂げており、この計画自体は大成功と言ってよいかどうかは分かりません。しかし、その後の宇宙開発の発展に大きく貢献しました。