LiteBIRD光学系の熱検討litebird.jp/wp-content/uploads/2012/03/hasebe_jps2017ver...4.5K 36.3K 215.7K (10K margin) 103.3K 左: 2段ST冷凍機, シェル冷却and JT 冷凍機予冷

LiteBIRD光学系の熱検討

長谷部孝、関本裕太郎、鹿島伸悟

他LiteBIRD WG

国立天文台

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Introduction

2

□ LiteBIRDは太陽と地球のラグランジュポイント L2 (太陽から約15万km)で三年間の観測を予定

□超伝導検出器 TES を0.1 K 以下に冷却しCMB偏光を超低ノイズで検出

□熱ノイズを抑えるため、放射冷却と機械式冷凍機の組み合わせにより望遠鏡全体を低温冷却

□検出器ノイズを抑えつつ効率の良い冷却系を検討する必要

LiteBIRD低温ミッション部Sapphire HWP (5K)

200K

100K

30K

4K

Primary Mirror (5K)

Secondary Mirror (5K)

Aperture Stop (2K)

Focal Plane Detectors (<0.1K)+ Lenslet + Low Pass Filter (2K)

High Frequency Telescope (HFT)3

Thermal Inputs to 200K Main Shell

Q2:Spacecraft BUS (300K) Q4:Cooler Mount

Q3:AFRP Truss

Radiator

MLI

Q1:SUNQ5:To space

Radiator for compressor

T = 205.7 K

4

Main shell : φ1920, h1758Radiator : φ2320

K.Mitsuda, B-mode from space (2015)

ADR Cryocooler

5

4.5K

36.3K

215.7K (10K margin)

103.3K

左: ２段ST冷凍機 , シェル冷却 and JT 冷凍機予冷

右: JT 冷凍機 , 4K部冷却 and sub-K 冷凍機予冷ADR : 検出器用sub-K 冷凍機

Open Structure Configuration

Reflective HWPLow Pass Filter

4K

Focal Plane Detectors+ Lenslet + Low Pass Filter

High Frequency Telescope (HFT)

4K Baffle

6

4K

30K

100K

200K

4K

MLI

Truss

300K satellite IF

SUN

4K

30K100K200K

Radiator

To space

Thermal Inputs to 200K Main Shell

T = 187.8 K

Main shell : φ2500, h1600Radiator : φ2900

7

4K

φ550 Low Pass Filter

Heat flow diagram (Open Structure)

4.5K

35.1K

Rad

iati

on

19

17

.7 m

W5

.4 m

W

Mai

n T

russ

to space

44

7.9

mW

2ST×3 (@50W EOL)

SQU

IDs

HW

P h

old

er

2475 mW

AD

R c

urr

ent

wir

e

Stage temperature 4.40K

14

91

.4 m

W5

.6 m

W2

28

.1 m

W

Sen

sor

Har

ne

ss1

2.3

mW

0.8

mW

5.6

mW

HK

Har

nes

s2

.8 m

W0

.2 m

W1

.3 m

W

80

.1 m

W1

.1 m

W2

7.3

mW

AD

R c

urr

ent

wir

eJo

ule

he

atin

g1

65

.0 m

W7

8.9

mW

1.1

mW

AD

R3

.0 m

W

3.0

mW

2ST×3 (@50W EOL)

4K-JT×1 (@50W EOL)

20.4 mW

197.8K(10K margin)

102.2K

Sup

po

rt T

russ

45

6.2

mW

17

6.4

mW

0 W

952.2m W

Low

Pas

s Fi

lter

0.3

mW

4K冷凍機1台で4.5Kを満たす (100% margin)

Thermal Loading from Outer Shell

9

Open型ではシェル内壁からの熱放射が検出器の大きなノイズ源となる

主鏡と副鏡間の背面、側面をミラー面で塞ぐことで高温の熱放射を遮蔽することが可能

NEP Calculation

10

Δν/ν = 0.3No optical efficiency included

5K Mirrors Option 30K Mirrors Option

NET Comparison

11

検出器1素子あたりの感度比較

Summary以下の2種類の光学系について検討を行った。

①光学系全体を5K以下に冷却する。

②HWPと検出器部のみを5K以下に冷却する。

①4K冷凍機2台構成。

低ノイズ。

②4K冷凍機が1台構成。

熱放射遮蔽のためミラー形状に工夫が必要。12

13

The shell size and the total mass of the satellite are also important parameters. K. Mitsuda

Incident angles of light from the Earth and Moon depend on the satellite obit.

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Moon: sun+44deg

4K shell

Earth: sun+30deg

1640mm

13

00

mm

Sun

520mm

11

90

mm

1700mm

345mm

α = 65°, β = 30° α = 45°, β = 50°

Sun to main shell : 890 W Sun to main shell : 911 W

Earth to 4K : 2.0 mW

Moon to 4K : 0.4 mW

Earth to 4K : 0 mW

Moon to 4K : 0 mW

On Halo orbit

Minimum size of the 4K shell

On Lissajous orbit

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Moon: Sun+20deg

4K shell

Earth: Sun+10deg

1610mm

Sun

1700mm

11

90

mm

11

00

mm

α = 65°, β = 30° α = 45°, β = 50°

Sun to main shell : 794 W Sun to main shell : 911 W

Earth to 4K : 0 mW

Moon to 4K : 0 mW

Earth to 4K : 0 mW

Moon to 4K : 0 mW

Minimum size of the 4K shell