SCI (SPICA coronagraph 　instrument)

Keigo Enya & SCI team

Outline

A mid-IR coronagraph instrument with both imaging and low-resolution spectroscopic capability at 3.5-27microns

Scientific Objectives - Targets& Required SpecificationsConcept Study, Current StatusResource RequirementsDevelopment and Test PlanObserving Program

Scientific　Objectives/Targets&　Required　Specifications

Scientific Targets

Direct Detection and Characterization of Jovian Exoplanets by

- Coronagraphic imaging

- Coronagraphic spectroscopy

- Monitoring of planetary transit

Consistency with MRD

Description in MDR Objective #1: Direct Detection and Characterization of

Exoplanets

To understand the diversity of the exo-planetary systems, we will attempt direct detection and characterization of exoplanets in the infrared wavelengths. Complement al two methods, coronagraphic observation and planetary transit monitoring, are described as key observations.

Therefore very consistent

Specification of Instrument

Parameter　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Specification 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Core　wavelength　(λ)　　　　　　　　　　3.5−27　micron　Observation　mode　　　　　　　　　　　　　　w/wo　Coronagraph,　Imaging/　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SpectroscopyCoronagraphic　mode　　　　　　　　　　　binary　shaped　pupil　maskInner　working　angle　(IWA)　　　　~3.3×λ/D　　Outer　working　angle　(OWA)　　16×λ/D 　Throughput　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　~20%　　Contrast　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10-6　@PSF　　(　~10-7　after　subtraction)Detector　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1k×1k　Si:As,　InSb　arrayField　of　View　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　~1’　x　1’Spectral　resolution　　　　　　　　　　　　　　~20　and　~200Filter　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Band　pass　filters　Disperser　for　spectroscopy　　　transmissive　devices　(e.g.　grism)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　in　filter　wheleActive　optics　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　cryogenic　DM　and　TTM

　　　

Concept　StudyCurrent　Status

Optics & Optical Elements (1)

Overview

Beamsplitter

Optics & Optical Elements (2)

Coronagraph mask (Binary shaped pupil mask) Laboratory demonstrated with visible light

Pupil mask PSF

Pupil　shape　design

PSF　(simulation)

Coronagrahic　direction

Non-coronagrahic　direction

Discoveryangle

Dark　region

Optics & Optical Elements (3)

Active optics - Deformable mirror

- Tip-tilt mirrorOther devices - Mirrors (Collimetion/Focusing)

- Beamsplitter (Short/Long channel)

- Disperser (Grism, Prism, etc.)

- Science filters

Detectors

Commercailly available detectors will be used.

Detector format num. usageInSb 1k x 1k (2k x 2k is OK) 1 science short channel

InSb 1k x 1k (2k x 2k is OK) 1 tip-tilt sensor

Si:As 1k x 1k (2k x 2k is OK) 1 science long channel

Volume & Structure

Volume & structure: see below Weight: 30 kg (including 20% margin)

Thermal Design

Cooled by only 4.5K stageHeat load: to be updated - 16.36mW @the last report

- Design to reduce heat load is ongoing.

- Film Print Cable for DM control (parastic heat)

- New tip-tilt mirror design (heat generation)

Expected Performance

Parameter　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Specification 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Core　wavelength　(λ)　　　　　　　　　　3.5−27　micron　Observation　mode　　　　　　　　　　　　　　w/wo　Coronagraph,　Imaging/　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SpectroscopyCoronagraphic　mode　　　　　　　　　　　binary　shaped　pupil　maskInner　working　angle　(IWA)　　　　~3.3×λ/D　　Outer　working　angle　(OWA)　　16×λ/D 　Throughput　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　~20%　　Contrast　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10-6　@PSF　　(　~10-7　after　subtraction)Detector　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1k×1k　Si:As,　InSb　arrayField　of　View　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　~1’　x　1’Spectral　resolution　　　　　　　　　　　　　　~20　and　~200Filter　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Band　pass　filters　Disperser　for　spectroscopy　　　transmissive　devices　(e.g.　grism)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　in　filter　wheleActive　optics　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　cryogenic　DM　and　TTM

　　　

Resource　Requirements

Field-of-View Requirement

Area: 1’ x 1’ (TBC)Location: center of FOV

Thermal & Cryogenic Requirement

Cooled by only 4.5K stageHeat load: to be updated - 16.36mW @the last report

- Design to reduce heat load is ongoing.

- Film Print Cable for DM control (parastic heat)

- New tip-tilt mirror design (heat generation)

Pointing / Attitude control Requirement

Requirements PerformancePointing　control　accuracy

0.03　[arcsec](3σ)　

Pointing　stability　 0.03　[arcsec](0-P)/20min

Both　pointing　accuracy　and　stability　are　determinedBy　1/10　x　λ/D　@　5umTo　be　realized　with　a　internal　tip-tilt　mirror　

Structural Requirement

Volume & structure: see below Weight: 30 kg (including 20% margin)

Data Generation Rate & Data Handling Requirement

TBDRoughly ~ half of 1 channel of MIRACLE

Warm Electronics

Function component - Array driver

- Deformable mirror driver

- Tip-tilt mirror driver

- Mask changer

Weight: 25kg including 20% marginVolume: 400 x 500 x 200 [mm^3]

Operation & Observing Mode

Coronagrahic - Imaging

- SpectroscopyNon-coronagraphic (including monitor obs.) - Imaging

- Spectroscopy

Development　and　Test　Plan

Key Technical Issues & TRL

Cryogenic tip-tilt mirror - Design and test are ongoing.Cryogenic deformable mirror - Demonstrated with a proto-deviceCoronagraphic optics - Demonstrated with visible light

Development Plan

Cryogenic tip-tilt mirror - Design and test are ongoing.

Cryogenic deformable mirror - Demonstrated with a proto-device (32ch@95K)

- Demo. of 1K ch. device @5K is in preparation.

- Development of film print cable in ongoing (to

reduce parasitic heat)

Coronagraphic optics - High contrast demonstrated with visible light

- MIR demonstration in a cryo-chamber is in preparation.

Test & Verification Plan

TBDRoughly similar to MIRACLE + DM

operation + TTM operation

Development Cost

TBDRoughly (1 channel of MIRACLE) –

(detectors) + TTM + DM

Observing　　Program

Observation Plan to perform Science Targets

Coronagraphic imaging - the direct detection

- Coronagraphic spectroscopyNon-coronagrapic monitor - Planetary transit

Outline of Ground Data Processing

Normal date reduction for MIR observation.

Organization & Structure for Development

Scientists and engineers in JAXA, community of astronomy.

Finding and Involving engineers in companies. K. Enya, T. Kotan, T. Nakagawa, H. Kataza, T. Wada(ISAS/JAXA), K. Haze (SOUKENDAI, ISAS/JAXA), S. Higuchi (Univ. of Tokyo, ISAS/JAXA), T. Miyata, S. Sako, T. Nakamura (IoA/Univ. Tokyo), M. Tamura, J. Nishikawa, T. Yamashita,N. Narita, H. Hayano (NAOJ), Y. Itoh (Kobe Univ.), T. Matsuo(JPL), M. Fukagawa, H. Shibai (Osaka Univ.), M. Honda (Kanagawa Univ.), N. Baba, N. Murakami(Hokkaido Univ.), L. Abe (Nice Univ), O. Guyon (NAOJ/SUBARU) T. Yamamuro (Optcraft), P. Bierden (BMC), SPICA coroangarph team

To be updated

Summary

We are developing SPICA Coronagraph Instrument (SCI)

Main targets of SCI is detection and characterization of exo-planets. It’s consistent with MDR.

Current design of SCI is presented. R&Ds of key technology is successfully done or

ongoing including cryo-TTM and DM. SCI team is consisting of many scientists and

engineers in JAXA, community of astronomy, companies.