ISS軌道上CALETテレメトリデータ模擬

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1 ISS軌道上CALETテレメトリデータ模擬
28aTS5 ISS軌道上CALETテレメトリデータ模擬 早大先進理工　早大理工研A　早大重点領域B 神奈川大工C, JAXAD, 東大宇宙線研E 下村健太, 鳥居祥二A, 浅岡陽一A, 小澤俊介B, 笠原克昌A, 神尾泰樹, 仁井田多絵, Holger MotzA, 力石和樹, 田村忠久C, 上野史郎D, 清水雄輝D, 冨田洋D, 赤池陽水E, 他CALETチーム

2 内容 研究概要 CALETテレメトリデータ模擬システム 模擬データ使用例 まとめ システム全体の流れ ISS軌道上宇宙線流束計算
検出器シミュレーション CALETデータ取得シミュレーション 模擬データ使用例 トリガーレート, データ転送レートの導出 まとめ

3 研究概要 CALET運用開始に向けた準備事項 筑波宇宙センター → 早稲田大学のI/F試験 Quick Look (QL) モニターの開発
実際の形式に基づく 模擬データが必須 筑波宇宙センター → 早稲田大学のI/F試験 Quick Look (QL) モニターの開発 Level0 データ（rawデータ）処理システムの開発 軌道上運用計画の最適化 本研究では数種類のシミュレーションを組み合わせ、 現実的なテレメトリ模擬データを作成するシステムを開発した システム概要 ISS軌道上でCALETに入射する宇宙線を再現する ISS軌道上での入射宇宙線の決定（ATMNC3） 検出器シミュレーション（EPICS/Geant4） 実際の仕様・形式に基づきテレメトリデータを作成する MDC（Mission Data Controller）のシミュレーション

4 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 LDカウンタ処理 トリガー カウンタ 処理 トリガー 判定処理 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

5 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ISS軌道に沿ったCALET検出器 入射粒子のサンプルを行う ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 LDカウンタ処理 トリガー カウンタ 処理 トリガー 判定処理 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

6 高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、1次データを作成
ATMNC3 地球磁場や大気の影響を考慮し、1次宇宙線と2次的に生成する粒子を追跡しFluxを計算する 地球磁場モデル：IGRF2010 大気構造モデル：US-standard 1976 Ref : M. Honda et al., “ New calculation of the atmospheric neutrino flux in a three-dimensional scheme ”, Phys. Rev. Lett. D 70 (2004) 追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、1次データを作成 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角 高度400kmの球殻を約7000個の等立体角Gridに分割する 1次データから緯度・経度を基に粒子情報を振り分け、各Grid毎にリスト化する 高度400kmにおける等立体角Grid ターゲット層： 高度400km球殻 ー１次宇宙線 ー２次宇宙線 Ref : I. Gringorten et al., “The division of a circle or spherical surface into equal-area cells or pixels ”, INSTRUMENTATION PAPERS, NO 343 (1992) AD-A

7 ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
次の粒子入射までの時間間隔 Δｔを決定 Δt秒後のISS軌道上の位置を決定 入射粒子をGridの宇宙線データ リストからサンプル Grid上の宇宙線Flux Probability = 1 – exp(-RΔt) Δt = -ln(1-Probability)/R R:Grid毎のレート 指数分布 粒子入射時のISS位置 Δt秒分ISSを移動 ※実際は平均で 　　Δt = 20μsec ある時刻でのISS位置 1〜3繰り返し 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角・入射時刻 のリスト作成

8 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 LDカウンタ処理 トリガー カウンタ 処理 トリガー 判定処理 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F CALET検出器に粒子を 入射し検出器応答を計算 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

9 入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失
検出器シミュレーション 半径：78cm シミュレーションコード EPICS ver9.161 (Cosmos ver7.641) Geant4 ver9.4p01 粒子入射条件 ATMNC3計算による入射方向に垂直 かつ検出器中心を通る平面上で位置を ランダムに1点取得 観測データ Root fileの形式にて以下のデータを生成 各検出器チャンネル毎のエネルギー損失、 入射位置・方向、相互作用位置 等 軌道上宇宙線データの順番を保持 電子10 GeV 入射例 ISS軌道上入射宇宙線データと合わせて、 入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失 をMDC Simulator へ入力

10 較正データベース (PostgreSQL)
システム全体の流れ データ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ MDC Simulator ADCデータ処理 LDカウンタ処理 トリガー カウンタ 処理 トリガー 判定処理 Pedestal 差引 ゼロサプレス処理 Endian変換処理 ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング テレメトリ出力 CALイベントデータ出力 定時データ出力 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ DB I/F 較正データベース (PostgreSQL) LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン

11 MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う トリガーモード High Energy Shower Trigger (HE) ・・・ 10 GeV以上の電子観測 Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ 1 GeV以上の電子観測 Single Trigger (Single)　　　　　　　・・・ 検出器較正用 重イオンモードを含む全6種類のモードから任意の組み合わせを選択、 それぞれのモードについて任意の値でスレッショルドを設定できる IMC4 7.5MIP TASC 55MIP HEイベント例(e-:10 GeV) IMC 0.7MIP TASC 0.7MIP CHD 0.7MIP Singleイベント例(p:100GeV)

12 MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う Event Buildingタスク データ生成に必要な情報を集約 ADCデータ イベント情報 デッドタイム Event Building タスク完了まで(5ms)の間、 新規トリガーに対する不感時間 Event Processタスク ゼロサプレス処理 ：信号がペデスタル相当のチャンネルを削除 データ送出タスク テレメトリスピードに応じてデータを送出 2次バッファ中のデータ(60kbit)を100ms毎に送出 イベントデータの他、温度・HV等のハウス キーピング項目は定時データにて送出（/1s） データ送出プロセス 1次バッファ Event Process タスク Event Building タスク データ収集命令 データ送出タスク 2次バッファ 上記３つのタスクはパラレル処理

13 シミュレーションでは以下の流れでトリガー・データ生成を行う
MDCシミュレーション シミュレーションでは以下の流れでトリガー・データ生成を行う 次の粒子へ デッドタイム判定 データ収集 カウンタ処理 トリガー判定 CALET入射 宇宙線情報 次の粒子へ 設定可能項目 トリガーモード トリガースレッショルド カウンタ初期値 ADCデータ処理 ΔE → ADC値へ変換 ゼロサプレス処理 データ出力 実際のパケットの形式に 忠実に出力 HKデータ（定時データ） の出力も実装 該当トリガー にHitなし DeadTime ADCデータ処理 データ出力

14 テレメトリ模擬データ作成例 ISS軌道情報 ATMNC3入力条件 運用モード トリガースレッショルド：電子10 GeV
2011/11/01の軌道1周分 ATMNC3入力条件 Primary：p,e+/e-,He 重イオンはHeに含 運用モード 科学解析用データ取得 High Energy Shower Trigger トリガースレッショルド：電子10 GeV IMC4 : 7.5 MIP TASC : 55 MIP 0min 90min

15 トリガーレート・データ転送レート トリガーレートとデータ転送レートをテレメトリ模擬データから導出 データはHEトリガーで取得
トリガーカウンタの数値からトリガーレートを計算 100秒間の平均を１秒毎にプロット トリガーレートの時間変化 データ転送レートの時間変化 ートリガーレート ー緯度 ーデータ転送レート ー緯度

16 まとめ CALET地上運用システムの開発などに使用する現実的な ISS軌道上テレメトリデータ模擬システムを作成した
高度400kmに入射する粒子情報をATMNC3により計算し、ISS軌道上での装置入射宇宙線をサンプルする 検出器応答をEPICS/Geant4により求める 実際の仕様に近いDAQ・データ送出をCALETデータ取得システム（MDC）のシミュレータにて行う ISS軌道1周分の模擬データを作成し、トリガーレート・データ転送レートを導出した トリガーレート　　：10〜25Hzの範囲で変動 データ転送レート：250〜480kbpsの範囲で変動 今後の課題 MDC Simulatorの詳細化 バッファの実装 ISS軌道情報（補助データ）の出力など追加 模擬データを用いた地上システムの開発 地磁気緯度 による影響

17 End

18 Back up

19 ATMNC3の検証 AMS-01の観測条件を満たすイベントを選別（実線） ① 地磁気緯度θM毎 ② 天頂角32度以内
　　　　　　　　　　　（M.Auiglar, et al. Physics Reports 366(2002） )

20 入射天頂角補正による影響 [陽子のみ] トリガーレートの顕著なピークは入射天頂角補正の影響である
天頂角90°付近のイベントの重みが大きく何度もサンプルされる 元サンプルの統計量が小さくなるのを補正するため、この影響が出てくることは避けられない High Energy (HE) Triggerがかかった事象のCos (天頂角)分布 EPICS (CAD Model) Geant4 Number of Event (Log) Cos (天頂角)

21 ランダムサンプリング ATMNC3計算による全体での経過時間：Tall
Tall = N ÷ SΩ ÷ F = 14.1[ps] 各Gridでの宇宙線が全てCALETへ入射すると考えた場合の経過時間：T0 Tall、各GridのSΩGrid及びCALETのSΩCALETの比から、 T0 = 14.2 [ps] × SΩGrid/SΩCALET = 1.09 [s] 単位時間あたりにCALETへ入射する粒子の数：λ 各Gridのイベント数をNGridとして、 λ = NGrid / T0 装置に粒子が入射してから、次の粒子が入射するまでの時間間隔がΔTである確率：P（ΔT） P（ΔT） = 1 – exp(-λΔT)　【exponential distribution】 P(ΔT) を 0〜1 の一様乱数で振り、時間間隔ΔTを ΔT = -ln(1-P(ΔT)) / λ で決定

22 トリガーレート・データ転送レート スレッショルドの値を0.5倍、1.5倍、2倍にした結果と比較 レート平均（ISS１周）
HE Th ×0.5 HE Th ×1 HE Th ×1.5 HE Th ×2 トリガーレート [Hz] 40.7 17.6 9.9 6.5 データ転送レート[kbps] 621 374 260 201 トリガーレート データ転送レート ーHE Th:×0.5 ーHE Th:×1 ーHE Th:×1.5 ーHE Th:×2 ー緯度

23 MDCシミュレーション：トリガーロジック部
MDC（Mission Data Controller） 検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う トリガーモード High Energy Shower Trigger (HE) ・・・ > 10 GeVの電子観測 Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ > 1 GeVの電子観測 Single Trigger (Single)　　　　　　　・・・ 検出器較正用 イベントトリガープロセス 全ての軌道上検出器入射イベント に対し以下の処理を施す デッドタイム判定 データ収集・送出 カウンタ処理 トリガー判定 ※ 宇宙線入射 重イオンモードを含む全6種類のモードから任意の組み合 わせを選択、及び任意の値でスレッショルドを設定できる IMC4 7.5MIP TASC 55MIP HEイベント例(e-:10 GeV) IMC 0.7MIP TASC 0.7MIP CHD 0.7MIP Singleイベント例(p:100GeV) 該当トリガー にHitなし DeadTime ※イベントがデータ送出プロセスへ送られた後 　　約5msの間新規トリガーに対して不感時間が発生

24 MDCシミュレーション：データ収集・送出部
MDC（Mission Data Controller） 検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う データ送出プロセス Event Buildingタスク データ生成に必要な情報を集約 ADCデータ イベント情報 Event Processタスク ゼロサプレス処理 ：信号がペデスタル相当のチャンネルを削除 データ送出タスク テレメトリスピードに応じてデータを送出 2次バッファ中のデータ(60kbit)を100ms毎に送出 イベントデータの他、温度・HV等のハウス キーピング項目は定時データにて送出（/1s） 1次バッファ Event Process タスク Event Building タスク データ収集命令 データ送出タスク 2次バッファ 上記３つのタスクはパラレル処理

25 ISS軌道上宇宙データサンプル方法 1.高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 2.ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
高度400kmにおける等立体角Grid 高度400kmの球殻を通過する粒子に対し次の情報を取得 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角 →緯度・経度を基に、右上図に示す各Grid毎にリスト化 ATMNC3 地球磁場や大気の影響を考慮し、1次宇宙線と2次的に生成する粒子を追跡しFluxを計算する 地球磁場モデル：IGRF2010 大気構造モデル：US-standard 1976 Grid上の宇宙線強度分布 2.ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル 過去のISS軌道情報（緯度・経度・時刻）を使用する 0.2秒間隔で対応するGridのリストからランダムにサンプル 指数分布から1サンプル毎 の時間間隔を導出する Probability = 1 – exp(-Rt) t = -ln(1-Probability)/R 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・時刻 のリスト作成

26 高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 ATMNC3のターゲット層を、ISSの存在する地上400kmに設定
追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、1次データを作成 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角 ATMNC3 地球磁場や大気の影響を考慮し、1次宇宙線と2次的に生成する粒子を追跡しFluxを計算する 地球磁場モデル：IGRF2010 大気構造モデル：US-standard 1976 Ref : M. Honda et al., “ New calculation of the atmospheric neutrino flux in a three-dimensional scheme ”, Phys. Rev. Lett. D 70 (2004) 高度400km 球殻 ー１次宇宙線 ー２次宇宙線 AMS-01との比較の絵

27 ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル
1.宇宙線リスト作成 高度400kmの球殻を約7000個の等立体角Gridに分割する 1次データから緯度・経度を基に宇宙線を振り分け、各Grid毎にリスト化する 2.ISS軌道上宇宙線サンプル 指数分布 ISS軌道情報（緯度・経度・時刻）を使用する 指数分布からサンプル間の経過時間を決定する 宇宙線データリストから粒子をランダムにサンプル Probability = 1 – exp(-Rt) t = -ln(1-Probability)/R Loop 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・時刻 のリスト作成 高度400kmにおける等立体角Grid Grid上の宇宙線強度分布 ISS軌道プロット

28 MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う データ種別 CALイベントデータ ：ADCデータ、トリガー情報 定時データ ：ハウスキーピング項目を含む情報（1s毎） Buildingタスク データ生成に必要な情報を集約 Event Processタスク ゼロサプレス処理 ：信号がペデスタル相当のチャンネルを削除 送出タスク 送出上限（600kbps）の範囲でデータを送出 100ms毎に実行 データ送出プロセス 1次バッファ Event Process タスク Building タスク データ収集命令 Event 送出タスク 2次バッファ CALイベントデータ それ以外

29 MDC（Mission Data Controller）
検出器からの信号を収集し、イベントのトリガー・データ作成・地上システムへの送出等の役割を担う データ送出プロセス Event Process タスク Event Building　タスク データ送出命令 1次 バッファ 2次 バッファ Event 送出 タスク