New ultraviolet observation techniques for detecting Earth-type exoplanetary atmosphere

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H01964
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 村上 豪 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (50734026)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 昇也 金沢大学, 自然科学研究科, 准教授 (20772213) ; 桑原 正輝 立教大学, 理学部, 特任准教授 (60827575)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: CMOS / 紫外線 / 検出器 / 光子計数 / マイクロチャンネルプレート / 系外惑星 / 高層大気

Outline of Annual Research Achievements

果たして生命を有する地球という惑星は唯一の存在なのか？これは人類にとって共通の問いであり、生命を保有する惑星を発見することは科学がもつ究極の目標の一つである。生命保有惑星発見へのアプローチとして、口径１ｍ級の紫外線宇宙望遠鏡による恒星紫外線輻射量と太陽系外惑星大気観測の実現を目指す。強紫外線環境下の地球型惑星において高層に大きく散逸する酸素原子大気を検出し、表層環境、特に海洋の有無を明らかにする。この目標に向けて、既存の紫外線観測技術を応用する上で大きな技術的課題の一つに検出器のダイナミックレンジがある。そこで本研究では宇宙望遠鏡に搭載可能な新方式の高ダイナミックレンジ紫外線検出器を開発し、系外惑星観測に展開しうる日本独自の紫外線観測技術を実証する。そのために本検出器用に最適化したMCPおよびCMOSセンサ、演算処理回路を選定・開発し、組み合わせて新型検出器を完成さえる。光学試験によりダイナミックレンジおよび位置分解能を測定し、また宇宙環境試験により衛星搭載性を確認する。
2021年度には高速読み出し可能かつ宇宙機搭載が可能となる見込みのあるCMOSセンサを選定した。選定したCMOSセンサの形状に合わせて接着用のFOPを新規に設計した。また2020年度に開発した高速処理プログラムを搭載するFPGA回路基板を開発した。即時処理に必要な能力のFPGAを選定し、宇宙望遠鏡への搭載を念頭に置いた回路を設計した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年度は以下の2つの研究項目を実施した。
・宇宙機搭載可能なCMOSセンサを用いた新型検出器の試作
2020年度に評価したCMOSセンサと同等の性能をもつ、高速読み出し可能かつ宇宙機搭載が可能となる見込みのある国産CMOSセンサを選定した。CMOSセンサ単体の試験環境を構築し、2022年度の試験実施に向けて準備を整えた。また選定したCMOSセンサの形状に合わせて接着用のFOPを新規に設計した。
・FPGA高速処理回路基板の開発
2020年度に開発した高速処理プログラムを搭載するFPGA回路基板を開発した。即時処理に必要な能力のFPGAを選定し、宇宙望遠鏡への搭載を念頭に置いた回路を設計・試作した。

Strategy for Future Research Activity

今後は以下の研究項目を実施する。
・新型検出器の組み立て（2022年度）：2021年度に選定したCMOSセンサに合わせて新規にFOPを試作し、接着を実施する。2020年度に製作した紫外線用イメージインテンシファイアと組み合わせ、新型検出器センサ部を完成させる。
・光学性能および衛星搭載性の評価（2022年度）：完成させた新型検出器センサ部およびFPGA回路基板を組み合わせて性能を評価する。具体的には即時画像処理により達成可能な最大光子計数能力およびダイナミックレンジを測定する。また本試作機を用いて宇宙機への搭載性を評価する。振動試験、衝撃試験、熱真空試験、放射線照射試験をそれぞれ実施し、その前後における健全性と性能の変化を調べる。この研究により地上実験室における新型検出器の実証が達成でき、宇宙望遠鏡への搭載が可能となる。

Research Products

• [Presentation] Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) mission: instrument overview (2021)
  • Author(s): Murakami, G., F. Tsuchiya, M. Kagitani, A. Yamazaki, K. Yoshioka, M. Kuwabara, K. Enya, and S. Matsuda
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Conference 2021
  • Int'l Joint Research