PowerPoint プレゼンテーション

INDEX衛星搭載多色カメラ
ならびに電流モニターによる
オーロラ微細構造の観測
○坂野井
健、岡野 章一(東北大)
岡田 雅樹、江尻 全機、菊池 雅行(極地研)
平原 聖文(立教大)
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1.イントロダクション
オーロラ粒子加速領域
• 極域高度数千kmに存在する沿磁力線上向き準静電
場領域
• 磁気圏電子は下向きに加速され電離圏・熱圏へ降下、
オーロラ発光と強い因果関係
• 電離圏イオンは上向き加速(イオンアウトフロー)
• 加速領域の形成には波動-粒子相互作用が寄与(ミク
ロ過程)
• 加速域電位差と沿磁力線電流は比例。グローバルな
磁気圏-電離圏結合におけるエネルギー輸送に寄与
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これまでの加速領域の衛星観測
・ ISIS, S3-3, DE-1&2, Viking, Akebono
最近のトピック
• 下向き準静電場加速領域の観測、ブラック
オーロラとの関連
• 波動-粒子相互作用(イオンサイクロトロ
ン波)の直接(波形)観測
Finger Potential
Region (~1000km?)
の高時間分解観測
が無い
[Elphic
1998]
et
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al.,
GRL,
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地上光学観測と衛星観測の比較
[Stenbaek-Nielsen et al., 1998]
2 km程度の空間構造は地上光学と粒子
観測が一致。
・地上光学観測による観測
オーロラアークの幅
=200-300 m
・20余りのモデルによる加
速領域の幅>1 km
→ 両者に隔たり
・地上観測の多くはパンクロ
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2.INDEX衛星(1号機)
ミッション概要
(1) ミッションライフ
3ヶ月以上
(2)打ち上げ
ロケット:H-ⅡA(ピギーバック)
時期:2002年6 – 9月
INDEX図面
(3)軌道
近地点: 680km
(4) 運用: KSCと相模原
遠地点: 680 km
(5) 運用姿勢
軌道傾斜角: 98.6°
定常時: 低スピンまたはゼロスピン。太陽指向
(1030 – 2030 MLT)
を基本とするが、観測要求により太陽から最大
軌道周期: 98.8分
10°(TBD)限定時間内で傾けることがある。
日陰率: 35.7 %(Max)
Safe Hold時: 太陽指向、スピン
運用可能時間:
(6) ビットレート:
1日辺りの可視パス数:4
8-131 kbps
1パス辺りの可視時間:12分(Max)
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3.理学ミッション
(0) 目的
オーロラ粒子の高時間分解能観測とオーロラの単色撮像観測による
オーロラ微細構造の解明
(1) 観測器: PI 平原
●粒子観測(ESA/ISA; 班長 平原):
電子、イオンのトップハット型静電スペクトルアナライザ
エネルギー掃引 10 ― 16 keV
32 steps(片側16 steps)、1.25 msec/step
空間分解 160 m(片側掃引)
●光学観測(MAC; 班長 岡野): 3波長CCDイメージャ
●電流モニタ(CRM; 班長 江尻): 3つの静電プローブ
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4.多色オーロラカメラ(Multispectral Auroral Camera; MAC)
(0) オーロラ単色イメージングの重要性
オーロラ単色イメージによって得られる情報・・・発光原子・分子の同定、発光メ
カニズム、発光高度、オーロラ電子エネルギーの2次元分布、などなど。
(1)MACの目的
オーロラ発光を高時間分解イメージング観測することにより、オーロラ微細構
造を捉える。さらに、多波長観測データを用いて、発光メカニズムやオーロラ
電子エネルギーの2次元分布などを明らかにする。
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(2) 基本的な諸元
波長 3 Ch(同時観測)、波長についての詳細は後述
使用CCD: インターライン型CCD
(下記ノイズは民生品カメラでの値)
1 pixel 6.45 μm x 6.45 μm
1024 x 1024 pixels
6.605 x 6.605 mm
η~0.6 @ 557.7 nm
RO noise~ 9 el @ 5°C
dark noise < 1el/sec @ 0°C
対物レンズ: f=50 mm / F1.2
CCD全ピクセルを用いた視野:
7.56°X7.56°
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(3) カメラ図面
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MAC MTM / TTMモデル
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(4) 観測波長および対象
(A) オーロラ許容線
OI 844.6 nm / 777.4 nm, N2(1P) 670.5 nm, N2+(1N) 427.8 nm
(B) OI 557.7 nm
(C) OI 630 nm
[ 対象 ]
・降下電子エネルギーの推定
557.7/630/427.8
→ Maxwell分布を仮定し降下電子フラックスの推定[Rees et al., 1974]
844.6/670.5
→ 降下電子の全エネルギーと平均エネルギーの推定[Ono and Morishima,
1994]
※ 844.6 nm はおそらく観測不可能。
・557.7 nm発光メカニズムの解明
557.7 nm発光:降下電子直接衝突とN2(A3Σg+)の衝突[Rees, 1989]
※N2(VK band)の観測が必要。N2(1P) やN2+(1N) から推定できるか?
・HEM(エンハンストオーロラ)等のオーロラ発光高度分布の詳細観測
557.7またはN2(1P) やN2+(1N)。
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・地上観測器との同時観測
EISCATによる電子密度等高度プロファイルとオーロラ発光構造の比較
ASI、ASG(@スバールバード)との同時観測
ALIS@スカンジナビアとの同時観測
SuperDARN / Poker Flat との同時観測
※地上光学観測は557.7/630/427.8が多い。INDEXカメラも同波長が有利?
・プラズマシート低緯度側境界ダイナミクスのリモートセンシング
557.7
→ プラズマシート低緯度側境界のプロトン降下による発光[Ono et al., 1987]
・SAR アーク
630 nm
・フリッカリングオーロラ
衛星光学観測と粒子観測によるフリッカリングオーロラの観測はこれまでない。
高速カメラの特徴を生かせるか?
サンプリング~40Hz、空間分解能 < 1km、NEI~ 1 kRの観測モードが可能
か?
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(5) 観測モード
衛星データ蓄積可能容量、およびKSCにおけるテレメータ量の制限から、
CCD全ピクセルを用いた連続観測は不可能。また、極域夜側オーロラオーバ
ル通過時の250秒間程度のみ観測を行う予定。
以下の4つのモードを設定した。
(A) 粒子同時モード
(B) 高度分布モード
(C) 画像校正モード
(D) 高度詳細モード
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(A)
粒子同時モード
[ 視野 ]
視野は衛星の磁力線フットポイント。
1bin(16 x 16 pix)辺りの視野=0.12°x0.12°(100km高度で~1.2 x 1.2 km)
1 flame(64 x 64 bin)の視野=7.56°x 7.56°(100km高度で~80 x 80 km)
●撮像サイクル120
msec(露出40msec、休
止80msecの繰り返し)
※120 msecで衛星の進
行は約900 m ~ 3/4
bin
※露出タイミングは粒子
の両側掃引(40
msec)とシンクロ
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(B) 高度分布モード
[ 視野 ]
視野はリム方向。
1bin(16 x 16 pix)辺りの視野=0.12°x 0.12°(2000km距離で約4 x 4 km)
1 flame(64 x 64 bin)の視野=7.56°x 7.56°(2000km距離で~270 km(V) x 270 km(H)
●撮像サイクル1 sec(露出
480 msec、休止520 msecの
繰り返し)
※ 1 secで衛星の進行は約7.5
km
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(C)
画像校正モード
全CCD画素を用いた撮像。
•
•
•
•
•
沿磁力線直下方向のオーロラ詳細画像取得
KSC上空におけるテスト画像取得
1 bin(2 x 2 pix)辺りの視野=0.03°x0.03°(100km高度で~310 x 310 m)
1 flame(512 x 512 bin)の視野=7.56°x 7.56°(100km高度で~80 x 80 km)
露出20 msec、休止1000 msec以上の繰り返し
(D)
高度詳細モード
全CCD画素を用いた撮像。
•
•
•
•
リム方向のオーロラ高度分布詳細画像取得
1 bin(8 x 8 pix)辺りの視野=0.059°x0.059°(2000 km距離で~2 x 2 km)
1 flame(128 x 128 bin)の視野=7.56°x 7.56°
(2000km距離で~270 km(V) x 270 km(H)
露出240 msec、休止1000 msec以上の繰り返し
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(6) 感度見積もり
N=I (10^6 / 4π)AΩTη
N
I
A
Ω
T
η
:
:
:
:
:
:
CCD 1pixel上の電子数 (count / sec)
オーロラ強度(R)
対物レンズ面積(cm2) = 13.63
1 pixelの見込む立体角(sr) = 1.664 e-8
光学系透過率(0-1) = 0.5 (filter) x 0.8 (optics)
CCD量子効率(0-1) = 0.6
CCD dark < 1 el/sec@0°C 、RO=9el @5°C (合計10 el)
(A) 粒子同時観測モード
・露出40 msecで1 bin(64 pix)における最大輝度(12 bit) = 62 kR/bin
・ノイズ(dark + RO)~25 el / bin
・8 bit化: 上位1 bitと下位3 bit捨て
→ 感度範囲 31 kR – 120 R, LSB=120R/bit
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(B)高度分布観測モード
・露出480 msecで1 bin(256 pix)における最大輝度(12 bit) = 7.7 kR/bin
・ノイズ(dark + RO)~140 el / bin
・8 bit化: 上位0 bitと下位4 bit捨て
→ 感度範囲 7.7 kR – 30 R, LSB=30 R/bit
(C)画像校正モード
・露出20 msecで1 bin(4 pix)における最大輝度(12 bit) = 11800 kR/bin
・ノイズ(dark + RO)~10 el / bin
・8 bit化: 上位4 bitと下位0 bit捨て
→ 感度範囲 730 kR – 3 kR, LSB=3 kR/bit
(D)高度詳細モード
・露出240 msecで1 bin(64 pix)における最大輝度(12 bit) = 62 kR/bin
・ノイズ(dark + RO)~25 el / bin
・8 bit化: 上位1 bitと下位3 bit捨て
→ 感度範囲 31 kR – 120 R, LSB=120 R/bit
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(7) データ量
(A)粒子同時観測モード
64 bin x 64 bin をエリアとするデータ量は、
8 bit x 64 x 64 = 32.8 kbit /frame/ch
120 msec cycleの場合、8.3 frame/sec/ch → 273 kbps/ch
1 orbit のデータ量 = 273 x 250 sec = 68.3 Mbit/ch/orbit
= 8.54 Mbyte/ch/orbit
(B)高度分布観測モード
64 bin x 64 bin をエリアとするデータ量は、
8 bit x 64 x 64 = 32.8 kbit /frame/ch
1 sec cycleの場合、1 frame/sec/ch → 32.8 kbps/ch
1 orbit のデータ量 = 32.8 x 250 sec = 8.2 Mbit/ch/orbit
= 1 Mbyte/ch/orbit
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(8) 熱解析
菊池さん(極地研)の計算を下に若干修正
詳しい解析はレジメ参照のこと。
撮像時の条件
T=196K(- 77degC)
非撮像時の条件(放熱板が地球を向く場合)
T=307degK(34degC)
問題点:
撮像時では温度が必要以上に低く、非撮像時
で放熱板が地球日照領域を望むと温度が高く
なりすぎ、1周の間の温度変化が大きすぎる。
現在放熱版と構体結合部分の熱伝導は計算
に入っていないが、熱容量の大きな構体と若干
熱結合させることで温度を安定化させた方がよ
いか?
また、この見積もりは田口見積もり(CCD207223K)や三菱重工業(MHI)見積もり(CCD
286K)と若干食い違う。この食い違いの理由は
なぜか?
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5.MTM試験
• MTM試験は2000年12月初め
より開始されている。
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6.今後の作業スケジュール(予定)
2001年1月ーMTM/TTM試験
5月 FM品完成
5-8月 FM噛み合わせ試験
8-10月 ESA/ISA校正実験、カメラ校正実験
11-12月 FM総合試験
2002年6月 打ち上げ
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7.まとめ
2002年6月打ち上げ予定のINDEX1号機には理学ミッションとして粒子
と光学観測器が搭載され、オーロラの微細構造の解明を目指す。光学班
は岡野教授を班長とし、3波長観測オーロラカメラの開発を進めている。
<課題>
基盤設計、特にコネクタ配置の決定。
CCD動作環境、特にノイズ低減の工夫。
電力消費の正確な見積もり。
熱解析、特にCCD冷却のためのグラファイトシート性能評価および放熱
板への固定法。
フィルタ発注。
FM品製作。
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INDEX-CRMによるオーロラ帯
背景プラズマの微細構造の観測
2001年1月9日
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INDEX-CRMの観測目標
• オーロラ微細構造を680km高度において、背景電子密度、
背景電子温度を高空間分解能(80m程度)で観測する。
• 太陽光による光電子、衛星構体による航跡(ウェイク)の
影響を除去するため、視野が異なる3つの静電プローブに
より背景プラズマ密度及び温度を測定し、衛星近傍でのプ
ラズマ密度をモデル計算の比較し、背景プラズマの密度
及び温度を推定することを目標とする。
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MAC、CRM取り付け図
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CRM主要諸元(1)
• 観測目的
オーロラ帯上空における背景電子温度、背景電子密度
を衛星自身による擾乱を取り除いて、高空間分解能(80
m程度)観測を行う。
• 主要観測パラメータ(極域高度700kmを仮定)
電子密度(Ne)
102 ~ 104 cm-3
電子温度(Te)
500K(0.05eV) から 5000K(0.5eV)
• センサー電極
3.5cm×3.5cmの平板電極×3対
• 入力インピーダンス
500kΩ
• アンプゲイン
50:1
• サンプリング周波数
100Hz
• A/D変換ビット数
12bit/sample
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CRM主要諸元(2)
• バイアス電圧
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10msec × 32 step = 320msec
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CRMで使用する電極
板厚:1.0t
ガラスエポキシ材(FR-4)地のまま
金めっき+アクアダック処理:メッキ厚(TBD)
金めっきのみ:メッキ厚(TBD)
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