Development of MEMS Telescope for Extreme Lightning (MTEL) for the study of Transient Luminous Events

Abstract

The mechanism and origin of extreme lightning phenomena in the upper atmosphere, so called transient luminous events (TLEs), have been a great deal of research during recent years. One of the theoretical explanations is the runaway breakdown generated by the accelerated relativistic runaway electrons. These electrons might be produced in extensive air shower (EAS) by high energy cosmic rays. The runaway breakdown (RB) model can explain large scale discharges occurred in lower electric field than conventional breakdown field. For example, in red sprite of TLEs, the observation of temporal evolutions of optical emission was in good agreement with theoretical RB model estimation. In the runaway model, the temporal profile would be very characteristic such that the highest sharp peak is expected to appear at the beginning, i.e. 1~3ms, because of the runaway electron beam induced emission at high altitude. It is important to observe such events particularly from space and thus to study the connection between the runaway break down and high energy cosmic rays. There is no clear data of light curves (intensity versus time) with high time resolution. Even though there is a ground observation with 100 μs time resolution, this data may not provide the original energy, spectrum, and temporal generation of upper atmospheric lightning, because high energy emissions created by runaway electrons are mostly scattered and absorbed in air and thus extinguished in measurements. To overcome these drawbacks in ground observation, space observation is importantly demanded, especially for the study of runaway breakdown and cosmic ray related mechanism. The MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Telescope for Extreme Lightning (MTEL) was proposed for the first time to observe TLEs from space with the instrument specially focused on ultra violet radiation as expected from the runaway electron beam emissions. The MTEL consists of two telescopes, called trigger telescope and zoom telescope, each with a different spatial resolution, and a simple spectrophotometer. The trigger telescope and the spectrophotometer look down the Earth atmosphere with a field of view of 11.3˚ at altitude 800km. The triggered TLEs with the trigger telescope are tracked and zoomed-in by the zoom telescope with a spatial resolution of 5 km x 5 km area of ground. The telescopes are equipped with Multi-anode photomultipliers (MAPMTs) for UV/optical observation in high time resolution of 100,000 fps (i.e. 10 μs/frame) and single photon sensitivity. As a unique feature of the MTEL, the fast tracking and zooming was realized by introducing MEMS micromirror. It was designed and fabricated to achieve not only a wide field of view but also a high space resolution. The MTEL had been assembled, calibrated and tested for space qualification before successfully launched to space aboard Tatiana-2 satellite on September 17, 2009. It observed a sprite candidate event, which exhibits the duration of 70 ms, the size of around 30 km and the energy of 315 kJ in spectral region of 300-400 nm. The reported temporal profile of optical emission has the highest sharp peak with 1.5 ms duration, which is in good agreement with the runaway electron beam emission of RB model. Unfortunately, the MTEL payload had a very short operation in space, i.e. only 17 hours, because of the problem in the satellite power system. In spite, the next upcoming mission has been prepared to be launched in 2014 for the further study. We modified a bit and built MTEL-II payload. It went through successfully the space qualification before being integrated to Relativistic Electrons (RELEC) satellite on September 2013. It will be launched in early 2014. We foresee to observe the TLEs in high space and time resolution of 5 km and 10 μs, respectively. The number of expected upper atmospheric lightning events is 5000 at minimum for three years of operation in space. I designed and fabricated the MEMS micromirror that is the key part of MTEL, for realization of the fast tracking and zoom-in concept in this new kind of telescope. I built and calibrated successfully the MTEL instrument in our laboratory. The MTEL turned out to be in perfect operation in space as designed. For example, we observed several TLE candidates, and one of the sprite candidates shows its short and high pulse emission peak and thus supports the RB model. I also built the system of MTEL-II, completed space qualification tests, and made it ready to be launched in 2014. This thesis describes the details of MTEL development including the design, fabrication, calibration, tests including the development of two-axis gimbal analog micromirrors. The observed TLE data in space is discussed in detail, and the design, construction and performance tests of MTEL-II will be presented. ;구름 위 고층대기에서 일어나는 고 에너지 섬광은 기존의 대기 방전현상으로는 설명이 어려운 현상으로 아직까지 그 기원과 매커니즘이 정확히 밝혀지지 않은 자연 현상 중 하나이다. 특히 초고에너지 우주선 입자들이 지구 대기로 입사하면서, 대기입자와의 상호작용을 통해 대기샤워(EAS, extensive air shower)를 형성하는데 이때 생긴 이차전자들이 그 원인으로 생각되는 이론 및 실험 결과들이 있다. 이들 높은 에너지의 이차전자가 대기중의 강한 전기장에서 가속되어 방전현상을 발생시켰다는 'runaway break down' 이론이다. 이러한 고층대기 방전현상의 이해는 그 메커니즘의 과학적 규명으로서는 물론, 고에너지 우주선 연구와 우주 극한 현상 연구에 있어서도 매우 중요하며, 이를 위해 우주에서의 섬광 검출 실험이 중요하다. 이러한 지구 고층대기에서 무작위로 발생하며 매우 짧은 지속시간을 지닌 큰 에너지의 섬광인 TLE를 선택적으로 정밀히 관측하기 위하여 초소형 망원경인 MTEL이 개발되었다. MTEL은 회전이 가능한 미세 반사경을 이용하여 광시야에 걸친 미세신호를 감지, 추적하여 확대 관측할 수 있도록 개발되었다. 모두 세 개의 광학계로 이루어져 있으며 각각의 광학계는 핀홀 카메라의 원리로 서로 다른 초점거리를 가지도록 설계되어 전체 관측 영역, 지구 대기 160km x 160km의 영역을 각기 다른 해상도로 관측한다. 관측하고자 하는 TLE가 관측 영역 내에 발생하면, 전체를 한눈에 보고 있는 트리거 광학계가 그 위치 정보를 확대 광학계에 전하고 확대광학계에 장착된 반사경이 빠르게 회전하여 발생한 TLE를 16배 확대하여 보다 정밀한 관측이 가능하도록 제작하였으며, 동시에 분광계를 이용해 섬광을 파장 영역으로 나누어 스팩트럼을 관측할 수 있도록 설계하였다. 광 검출기로는 다중채널 광전자증배관(MAPMT)을 사용하여 이제까지 관측이 어려웠던 수 ms 길이의 runaway breakdown의 증거 섬광을 10 μs 단위로 관측하고자 하였으며, 초고속 회전 반사경은 380μm x 380μm 크기의 초소형, 8 x 8 채널로 미세 전자 기계(MEMS) 소자 기술을 이용하여 수 ms 이내에 확대 정밀 관측하도록 제작하였다. 특히 이 반사경은 콤 (comb) 전극 구조를 이용한 2축 구동부에 반사경이 접합된 모양으로 설계 및 제작하였으며, 우주 망원경에 적용을 위해 제작 후 정특성, 동특성 측정은 물론 우주 환경 시험을 거쳐 그 적합성을 검증하였다. 이렇게 직접 설계 및 제작, 결합 및 정렬된 MTEL은 지상에서 그 전체 성능 시험 및 우주환경 시험을 거쳐 2009년 9월 러시아 인공위성 Tat'yana-2에 탑재되어 성공리에 발사 운용되었다. 그 운용기간이 위성체 전원 문제로 인해 단 17시간이라는 짧은 시간이었으나 135kJ의 에너지의 70ms 지속시간을 가지는 TLE의 한 종류인 Sprite로 보이는 섬광현상 관측에 성공 하였고, 이를 통해 목표로 하였던 TLE섬광을 우주에서 수 ms내에 성공리에 관측한 데이트를 얻을 수 있었다. TLE에 대한, 고에너지 우주선과의 연결 증명을 위해 더 많은 추가 관측 결과가 꼭 필요하였고 이를 위해 MTEL-II를 또한 개발하였다. 관측 영역 및 기본 성능은 그대로 유지하면서 바뀐 위성체 사양에 맞추어 절반의 크기로 견고하게 설계 및 제작, 완성하였으며 정밀 관측을 위한 확대 반사경의 고속 회전 안정화 시간을 1ms 내로 줄여 보다 정밀한 초기 증거섬광 연구를 가능케 하는데 성공 하였다. 또한 보다 많은 섬광 관측을 위해 관측 데이터 저장 횟수를 두 배로 늘렸으며 이렇게 개발된 MTEL-II는 오는 2014년 초 발사를 기다리고 있다. MTEL-II는 2014년 발사되어 800 km 고도의 태양동기궤도에서 3년의 운용기간 동안 최소 5000개 이상의 섬광현상을 관측할 수 있을 것으로 기대한다. 본인은 극한대기 방전현상 관측을 위한 초소형 망원경의 핵심소자인 초소형 반사경을 MEMS기술을 기반으로 직접 설계 및 시뮬레이션, 제작완료 하여 MTEL에 탑재하였고, MTEL의 전체 광학계 설계에 참여 하였으며, 각 부분의 결합, 교정 및 정렬은 물론 우주 섬광 관측 상황을 가정한 지상 성능 시험을 계획, 직접 실행하였다. 또한 우주 성능평가 전 후에 그 성능 평가 검증을 하였으며, 우주 운용 결과 수집 및 정밀 분석을 진행 중이다. 나아가 MTEL-II의 개발을 주도하여 설계 및 제작, 조립, 성능 평가와 우주환경 시험 전부를 책임하에 완료 하였다. 개발된 망원경은 올해, 2013년 5월 러시아에서 Relec 위성에 탑재되었으며, 11월 위성체와 함께 최종 우주 시험이 완료 되었다. 모든 준비를 마친 Relec위성은 2014년 가을 우주로 발사 될 예정이다. 이 논문에서는 초소형 우주 망원경의 개발에 있어 핵심 소자로서 많은 장점을 가지는 초소형 반사경의 개발을 위한 연구를 포함하는 두 차례에 걸친 초소형 우주 망원경의 개발 및 지상 성능 검증 과정을 다루었다. 또한 2009년 MTEL이 검출한 결과인 섬광 관측 결과에 대해 논의 하였다.