February 23, 2005 written by T. Mizuno γ線衛星GLASTの概要と開発試験 February 24, 2005@ICRR Tsunefumi Mizuno 広島大学理学部 mizuno@hirax6.hepl.hiroshima-u.ac.jp History of Changes: February 23, 2005 written by T. Mizuno
GLAST Large Area Telescope GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope)=LAT+GBM LAT: Large Area Telescope 2007年打ち上げ予定 4X4=16 towers 3000kg, 650 W, 1.8x1.8x1m3 (30MeV-300GeV) TKR(U.S.A., Japan, Italy): Si-Strip Tracker with Lead converter 18 X-Y tracking planes, 228um pitch, 8x105 channels γ線のidentification、到来方向の測定 Siストリップを用いることで、高分解能を達成 e+ e– ACD(U.S.A.): Segmented 89 plastic scintillator tiles 荷電粒子backgroundの除去 セグメント化で高エネルギーでのself-vetoを減らす CAL(U.S.A., France, Sweden): Hodoscopic array of 1536 CsI(Tl) scintillators (8 layers in each tower) Showerの発達を追い、エネルギーを測定
Expected performance of GLAST LATによるγ線宇宙の観測 広視野 (~2sr、全天の20%) 高位置分解能 (10’ in E>10 GeV) 大有効面積 (~10000 cm-2) 圧倒的な高感度 (next slide) Relative Effective Area Angular Resolution Effective Area Energy Resolution
Sensitivity of GLAST LAT(1) Integral Sensitivity 10-8 E^-2(integralならE^-1)なるスペクトルを持つ点源に対する5σ検出感度 Crab Nebula 1-year observation (galactic center region) 10-9 1-year observation (high galactic latitude) ~10 photons will be detected in one year Flux above E (c/cm^2/sr) 10-10 Morselli et al. 5-year observation (high galactic latitude) http://www-glast.slac.stanford.edu/software/IS/glast_lat_performance.htm 中の図を元に作成 10-11 1GeV 10 0.01 0.1 100
Sensitivity of GLAST LAT(2) (Kamae et al. 2005, Proc. of International Symposium of High Energy Gamma-ray Astronomy, Heidelberg)より作成 Differential Sensitivity vs. Source Fluxes 30MeV-300GeVのエネルギーで、EGRETを数10倍上回る感度 100GeV前後でACTとオーバーラップ COMPTEL EGRET (3000hrs, 3sigma) Crab Nebula galactic center region (1msr) GLAST (1year, 5sigma) extra galactic diffuse (1msr) CANGAROO HESS
Gamma-Ray Sky observed by LAT(1) 全天の20%という広い視野を生かし、scanning modeで観測(<--->pointing observation by EGRET and ACTs); burst/transient sourceを常時モニタ 数日でEGRETに匹敵する感度を達成 100 sec EGRET Fluxes 3C279 flare Vela Pulsar Crab Pulsar 3C279 quiescent EGRET 5sigma sources ~ a few days with LAT 1 orbit 達成される感度(10-6 cm-2 s-1) EGRET: ~270 sources GLAST: ~10000 sources (2year) 1 day GRB, AGN, 3EG + Gal. plane & halo sources
Gamma-Ray Sky observed by LAT (2) Data Challenge1(DC1): 2003/12-2004/2 LATによる1日分の観測をシミュレートし解析することを通し、解析ツールの開発などを行った。 Galactic diffuse, extragalactic diffuse, 3rd EGRET Catalogue sources, Blazars, etc. were simulated 3c279 Vela Cygnus Region Geminga PKS 0528+134 Crab E>100 MeV with some other cuts for illustration PKS 0208-512 DC2: 2005年。1ヶ月の観測のシミュレーションと解析 DC3:フライトデータ(1年間)のシミュレーションと解析
Hardware Development Schedule Beam Test: 1997 and 1999 LATの基本性能の確認。 モンテカルロシミュレーションのvalidation Balloon Flight: 2001/8 高い放射線環境下での動作確認。 宇宙線事象(バックグラウンド)の取得 Engineering Model: 2003/10~ 宇宙線、バンデグラフを用いた、小型タワーの試験 フライトモデルに向け、試験方法、解析方法の確立 Flight Model Integration and Test: 2005/1~ 現在進行中！(2つ目のタワーの試験開始) Environmental testing: 2005/9~ Delivery to Observatory Integration: 2006/1 Launch: 2007/2 日本グループはSi検出器の開発および試験、気球実験とそのシミュレーターおよびバックグラウンドモデルの開発で主に貢献 去年のスケジュールにつき、多少遅れると見込まれます
Si-Strip Detector (1) １５cm コンバータ 読み出し回路 広島大学と浜松ホトニクスにより開発、製造 4x4=16tower 1 tower: 18 trays (36 Si layers) 44 array of Si-strip sensors (X) バイアス回路 １５cm C-fiber face shee Carbon thermal panel Hex cell core Al closeout C-fiber face sheet コンバータ 44 array of Si-strip sensors (Y) 読み出し回路
Si-Strip Detector (2) 1万枚以上のSSDsを製造 非常に高いQuality 安定した製造 ～65 V dead strip率0.008% in 10000 SSD x 384 strips=3.7M strips 安定した製造 Leakage current Full depletion voltage ～65 V = 9 kWcm (high resistivity) ～2.5 nA cm-２ (low noize)
1997/1999 Beam Test 1999 Beam Test Engineering Model: single tower composed of TKR/CAL/ACD # of hit strips per layer (Hit multiplicity) =shower development in TKR (do Couto e Silva et al., 2001, NIMA 474) 0deg. Incident middle layer 30deg. Incident middle layer PSF vs. Energy (W. Atwood et al., 2000, NIMA) 0deg. Incident lower layer 30deg. Incident lower layer
The GLAST Balloon Experiment (1) Objectives: LATの基本デザインをタワー1個のレベルで検証。 宇宙空間に似た高い放射線環境下で、DAQも含めた装置の動作を確認する。 宇宙線事象を取得し、LATのための、バックグラウンドのデータベースとして用いる。 Balloon Flight Engineering Model (BFEM) 日本グループ(広島大、宇宙研)が宇宙線フラックスモデルと検出器シミュレーターを開発。 AMSによる陽子スペクトルのデータ(高度380km、鉛直方向)とモデル関数 e-/e+、大気γなどもモデル化 磁極 赤道
The GLAST Balloon Experiment (2) 2001/8@Palestine, Texas Count rate of each layer for “Charged Events” Trigger rate vs. atmospheric depth muon 1.2kHz maximum (~500Hz is predicted for each tower of LAT) gamma 1kHz upward downward e-/e+ secondary proton 3.8g cm-2 (38km) 500Hz in level flight primary proton alpha 1 10 100 g cm-2 1kHzを超える高カウントレート下で、装置、DAQが動作することを確認。 Background Flux Modelとシミュレーションで、得られたデータを10%内で再現 (T. Mizuno et al. 2004, ApJ 614) CAL ACD TKR
Test of Engineering Model EM: mini-tower(3 x-y layers) (Courtesy of E. do Couto e Silva) TOT (time over threshold): 低消費電力でエネルギー情報を得て粒子を弁別し、対生成を起こした場所を特定 gamma(e-+e+): 2MIP Energy measured by CAL cocmic Ray(muon): 1MIP 17.6MeV 14.6MeV
Flight Tower Integration and Test (1) 2005年1月より開始 Flight Tracker arrived at SLAC Tracker in Clean Room Attach Calorimeter to Tracker
Flight Tower Integration and Test (2) TOT Distribution: ゲインの調整を行い、チップ間でTOTを揃える 宇宙線事象(主にmuon)やcharge injectionを用いて、Flight Modelの動作確認、スレッショルドやゲインの調整を行っている。 1MIP peak 宇宙線(muon)による事象の例 TOT xz-view yz-view Hit Strip Distribution: dead strip/hot stripを探す noise occupancyの測定 スレッショルドの調整 layer number strip number strip number
Summary GLAST LAT (Large Area Telescope)は広い視野、高角度分解能などを生かし、EGRETの数十倍の感度でγ線天文学に新境地を開くことを目指す 日本グループは、GLASTの核心部であるSi検出器の開発および試験、気球実験とそのシミュレーターおよびバックグラウンドモデルの開発で主に貢献してきた。 ビーム試験、気球実験、Engineering Modelの試験を通し、装置の基本的な性能確認を行ってきた。 Flight Modelの組み上げとテストが今年1月から開始。2007年の打ち上げに向け、精力的な試験が行われている。 GLASTで期待されるサイエンスの詳細、TeVγ線との関係については、次の講演を参照されたい。