γ線グループの活動報告
2011年度 宇宙線研究室 ガンマ線グループの活動報告 2011年度 宇宙線研究室 ガンマ線グループの活動報告 2012年(平成23年)3月12日 教室発表会 教授 谷森 達 助教 窪 秀利 PD Joseph D. Parker・水本 哲矢・園田 真也 D3 岩城 智 D1 澤野 達哉・中村 輝石 M2 青野 正裕・松岡 佳大 M1 粟根 悠介・古村 翔太郎・今野 裕介・佐藤 快 (以上14名)
研究テーマ 低エネルギーγ 高エネルギーγ MeVγ線天体観測 SMILE (医療用 γ線カメラ開発) TeVγ線天体観測(計画) CTA 低エネルギーγ 高エネルギーγ MeVγ線天体観測 SMILE (医療用 γ線カメラ開発) TeVγ線天体観測(計画) CTA TeVγ線天体観測 MAGIC GeVγ線天体観測 Fermi 暗黒物質探索実験 NEWAGE 中性子 イメージング Credit:NASA
気球実験 SMILE Sub-MeV gamma-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment 水本・岩城・澤野・松岡・古村・佐藤
MeVg-ray Science 諸問題の解決にMeVガンマ線観測技術の確立が重要 X・γ線観測装置のエネルギーバンドと感度 感度 悪 良 ← 主に起きる反応 我々の目標ライン ASTRO-H 感度 悪 良 X・γ線観測装置のエネルギーバンドと感度 keV MeV GeV TeV COMPTEL Fermi MeVg-ray Science 天文学的意義 宇宙線起源 加速機構問題 leptonic or hadronic シンクロトロン放射 逆コンプトン放射 p0崩壊 元素合成 核ガンマ線 26Al, 44Ti 地球物理学的意義 地球近傍で~MeVまでの電子加速、 極域への降り込み 高エネルギー粒子の大気への影響 相対論的電子の降込み (Relativistic Electron Precipitation, REP) からの制動放射(REP-burst) 名大STE研、極地研 ERG MeV-e 100keV-e direct-e 雷 100km D 70km θ 諸問題の解決にMeVガンマ線観測技術の確立が重要 40km アンテナ L
Electron-Tracking Compton Camera (ETCC) 10 ~ 30 cm Scintillator μ-PIC GEM ガスTPC(time projection chamber) : 反跳電子の エネルギー および 3次元飛跡 シンチレーションカメラ(位置検出): 散乱ガンマ線のエネルギー および 吸収点 1光子ごとに再構成可能 (誤差範囲は扇側) 広視野(~3str) バックグラウンド除去 SMILE-Ⅰ Takada et al. ApJ, in press 2 events 1イベント 2イベント 3イベント 5イベント 10イベント 100イベント 宇宙拡散γ 大気γ SMILE-I
スゥエーデンキルナでのフライト時 (高度40km) SMILE計画 Sub-MeV gamma-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment 極周回飛行 夏季 (10cm)3MeVγ線カメラ 0.1~1 MeV 気球@三陸 35km 4時間 動作実証 宇宙拡散γ・大気γ線測定 (2006年9月に実施) (30cm)3MeVγ線カメラ 0.1~10 MeV 極周回気球 40km, スウェーデン キルナ 長期運用システムの動作実証 2013 明るい天体 REP-burstの観測 2014~ スゥエーデンキルナでのフライト時 (高度40km) Preliminary Crabに対するSignificance予測計算 (40cm)3MeVγ線カメラ 0.1~10 MeV 極周回気球 (50cm)3MeVγ線カメラ 0.1~30 MeV 衛星 ~数年間 全天サーベイ
SMILE-II目標達成のための システム要件 Efficiency 検出効率: 3.3-6x10-4 有効面積: 0.26-0.5cm2 プロトタイプからFMへの開発(Gap1) シンチレーションカメラの増設 軽量TPC容器の使用 TPC飛跡データ読み出しのS/N改善 シミュレーション結果との差異(Gap2) TPC飛跡検出アルゴリズムの改良 シンチレーションカメラの 読み出しシステムの改良 長期フライトシステムの開発 姿勢制御 省電力化 Efficiency SMILE-II 30cm3プロトタイプ検出器 検出効率:2.5×10-5 for 340keV SMILE-II FM at Kiruna 検出効率: 3.3-6x10-4 有効面積: 0.26-0.5cm2 観測時間: ~2週間
SMILE-II 搭載システム Balloon TPC Target (Crab Nebula) ゴンドラ ETCCの視野~3sr 与圧容器 30cmETCC PET容器写真 太陽電池 ゴンドラ ETCCの視野~3sr TPC 与圧容器 姿勢制御用 依り戻しモーター 太陽電池パネル VME-Bus 与圧容器 2次電池 装置架台、VMEラック
DAQシステム VME bus CPUs SSD Iwakichi μ-PIC Board Memory Board Command Analog ASIC data Telemetry ADC FPGA digital Trig. I/O Scaler GPS GPS trigger (1pps) DAQ Contoroller Trig. ID & Time Time Memory Board Anti trigger Anti. DIO Trig. I/O Control GSO Head Amp Data Processing Board FPGA data
シンチレーションカメラ読み出しシステム ⇒従来のシステムの20分の1の電力で同等の性能 2×3PMTs Readout Circuit 8x8 マルチアノードPMT Hamamatsu H8500と 8x8 Gd2SiO5:Ce (GSO) +NIM+VME modules エネルギー分解能 @662keV(FWHM) 11% 10.5% ダイナミックレンジ [keV] 90-800 80-900 消費電力 1PMT あたり[W] 2.63 0.14 重量 1PMT あたり[kg] 0.52 0.19 エネルギー分解能 (FWHM) [%] エネルギー [keV] ⇒従来のシステムの20分の1の電力で同等の性能
m-PIC 読み出し基板開発 従来の1/3の電力で高精度な荷電粒子飛跡を取得 220mm m-PIC 128ch readout board ASIC ADC FPGA m-PIC 128ch readout board Front end ASIC chip ×8 (128ch). 65MHz FADC ×4 (32 strip). Parallel LVDS output 50MHz, 32bit (1.6Gbps). 消費電力:6W/board 宇宙線μ飛跡 6cm 22keV→ Res.~31%(FWHM) Cu(Ka)8keV 12cm 従来の1/3の電力で高精度な荷電粒子飛跡を取得
飛跡データ取得プログラムの改良 ロジック由来のヒットの取りこぼし 改良内容 v t 従来の問題点 uPIC面に平行・垂直な飛跡に弱い 宇宙線 μの天頂角分布 θ [度] ~cos2θ 分布 カウント ヒット > 3 従来の問題点 ロジック由来のヒットの取りこぼし uPIC面に平行・垂直な飛跡に弱い 改良内容 X、Yのヒット信号 uPICのX,Yで自動コインシデンス → 全てのヒットを記録 X Y 信号の立ち上がり時刻のみ記録 → 持続時間(TOT)も記録 宇宙線μの飛跡比較 Y Z 改良前 m-PICのアナログ信号 改良後 従来のHit点 新手法のHit点 t v
t 平行飛跡の改善 ヒットの取りこぼし改善 位置分解能の向上 (TOTを利用した解析) 今後 Z Y θ [度] ~ cos2θ 分布 赤 : 改良前 青 : 改良後 イベント数 ヒットストリップ数 イベント数 赤 : 改良前 青 : 改良後 ヒットの取りこぼし改善 取りこぼしが大幅に減少 μPIC Cathode θ [度] ~10倍 m-PICに平行な飛跡の取得を確認 位置分解能の向上 (TOTを利用した解析) Z Y 反跳電子の飛跡例 22Na 照射 ・ 散乱点の決定精度 ・ 反跳方向の決定精度 の性能評価を行う。 今後 Reduced Chi2 Count ―ピークが μの通過点 ―立ち上がりが μの通過点 t TOTを用いた解析で、μに対する位置分解能向上
姿勢制御 方位角 GPSコンパス SMILE実験での検出器の姿勢制御システムの開発のため ミニゴンドラを試作 モータ PC MEAN 179.9° σ 1.6 ° 約180secで完了 方位角 SMILE実験での検出器の姿勢制御システムの開発のため ミニゴンドラを試作 PC GPSコンパス モータ 数値計算ソフトScilabを用いてシミュレーション
気球まとめ 2013年のスウェーデンでの放球に向けて 準備中 物は揃ってきたのでシステム全体の組み上げ、検出器全体での詳細な性能評価を 行なっていく
m-PICを用いたその他の開発
NEWAGE (到来方向に感度を持つ暗黒物質探索実験)中村 目的:暗黒物質の到来方向異方性を測定 手段:反跳原子核の飛跡検出(ガス検出器) θ cygnus WIMP 原子核 到来方向異方性には 大きな前後非対称性あり 予想される散乱角θの余弦分布
NEWAGE (到来方向に感度を持つ暗黒物質探索実験) 低圧ガス(0.1atm)を用いる 角度分解能 : 40°@50-100keV 検出効率 : 0.6@50keV ⇒ エネルギー閾値 : 100 -> 50keV angular resolution new K. Nakamura et. al. 2012 JINST 7 C02023 Expected sensitivity detection efficiency 2012年に0.1atmでの地下実験を予定
NEWAGE (到来方向に感度を持つ暗黒物質探索実験) MPGD2011にて Charpak賞を受賞 ElsevierのHP 京大のHP
µ-PICを用いた中性子イメージング(Parker) Refined position resolution Aluminum vessel (gas pressure: 2 atm) Before refinement (σ = 315 µm) Neutron position determination Use pulse widths (Time-Over-Threshold) for hits along p-t track. 9.0 cm µPIC 5cm Neutron position 32.8 cm Proton TPC with 10-cm µPIC. 3He as neutron absorber TPC measures 3D proton-triton tracks. triton TOT 0.5 mm slits Track length from end-points After refinement (σ = 116 µm) ~3.5 cm Refined track-length Two methods: End-point Extrapolation (EPE) and Peak Interpolation (PI). Track length from peaks (PI) Preliminary TOT Track length from extrapolation (EPE) Preliminary Image of a wristwatch at 116 µm resolution. 位置分解能~3倍改善
Transverse diffusion (µm/cm1/2) Expected resolution (µm) µPICを用いた中性子イメージング(Parker) GEANT4 study of position resolution µPIC gain variation Aluminum vessel Summary of results Gain variation contributes 10 – 20%. Anode pitch limits resolution to about 70 µm. Electron diffusion contributes 20 – 30%. Drift cage µPIC Gain variation of prototype detector: 16% (σ) > typical value(4%). Recent improvements in manufacturing process may further reduce intrinsic gain variation. Optimization of gas mixture Up to 15% improvement in position resolution. Filling gas Pressure (atm) Transverse diffusion (µm/cm1/2) Track length (mm) Expected resolution (µm) Ar:C2H6:3He (63:7:30) 2 273 7.9 (116) 3 231 5.3 97 Xe:C2H6:3He (50:20:30) 183 5.0 ~100 Ar:CO2:3He (50:20:30) 107 7.4 Pixel pitch Moderate reductions in pixel pitch show corresponding reduction in position resolution (simulation). Gas studies are underway.
CTA
まとめ MeVグループ TeVグループ MeVガンマ線カメラによる天体観測SMILE 暗黒物質探索 中性子イメージング 2013年の放球に向けた気球システム全体の開発 省電力μ-PIC読み出し回路開発 荷電粒子飛跡取得アルゴリズムの改善 姿勢制御システム開発 暗黒物質探索 低圧ガスの使用による検出効率と角度分解能の改善 中性子イメージング TOTを用いた位置分解能の改善 TeVグループ