ERG衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価

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1 ERG衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価
斎藤研　M2 白井 康裕

2 本日の流れ 開発の意義 LEP-iの紹介 実験＆シミュレーション内容 実験＆シミュレーション結果 まとめ

3 内部磁気圏 内部磁気圏は様々なエネルギー粒子が共存する領域 0.1-10eV <1eV 0.1-10keV 電離圏プラズマ
主にMeV領域 keV これまで高エネルギー粒子による背景ノイズが原因で低エネルギー粒子の観測が困難だった 背景ノイズを除去可能な観測器の開発が必要となっている

4 LEP-i 飛行時間分析部は16セクタ(22.5°分割)で構成され、どのセクターも同じ構造になっている。 ion Carbon foil
electron ion Post acceleration MCP carbon foilを通過できるだけのエネルギ ーをもたせるために+5kV加速させる [Uchida 2008] modified 現在、飛行時間分析部だけを試作し、構造・性能評価を行っている

5 飛行時間分析部の検出原理 Time Of Flight法によって飛行時間を測定 start信号,stop信号の検出タイミングの
時間差を計測することでion の飛行時間を測定 ionが当たることで 二次電子が発生 Ion beam carbon foil Foil通過時のタイミング start stop electronの 飛行時間 (te) ionの飛行時間:ti time ti L 距離：L te ⊿t MCP start信号 stop信号 得られたイオンの飛行時間、距離と静電分析部で得られたE/qを用いてm/qがわかる

6 ノイズ対策のための工夫 検出部の面積を小さくすること CLUSTER/CIS 開発中のLEP-i anodeの形
[mm] CLUSTER/CIS 開発中のLEP-i anodeの形 start anode stop anode 10 30 50 70 90 [mm] [Uchida 2008] modified

7 Simulationで得られた電子・イオン(H+)の軌道
z φ r r E/q=10eV/q

8 飛行時間分析部の特性評価実験 目的 これまでの計算機シミュレーションによる設計を踏まえて試作した飛行時間分析部に直接
イオンビームを照射する。シミュレーションと実験の結果を比較し、設計通りの性能、 構造となっていることを確認する。 ion beam slit -4850[V] -3500[V] -4900[V] -3700[V] ion electron MCP 図 スリットと飛行時間分析部

9 イオン計測試験セットアップ 真空チェンバー ジンバル(垂直回転盤) slit c c Ion source sensor
start signal パルスジェネレータで発生したstartパルスとstopパルスを同時に計測することでイオン飛行時間の零点を決める カウンタ 飛行時間計測回路 オシロ stop signal 高圧電源 PC

10 実験① ion beam electron ion 目的
飛行時間分析部がそれぞれのイオン種(H+, He++, He+, O+)の飛行時間を正しく 計測できることを確認する。 実験内容 イオン種H+, He+, He++, O+のそれぞれについて粒子エネルギー2keV/q、8keV/qの イオンビームを飛行時間分析部へ照射し、計測を行う。 z ion beam セクター中心 1 sector 幅2mmのslit φ=22.5deg Foil folder φ electron ion r r

11 TOF profile 2keV/q H+ He++ simulation experiment Arbitrary unit He+ O+
O+ビームはCO2ガスから生成しているため、CO+, C+などのイオンが混入が考えられ、データが一致しないと考えられる カーボンフォイルを厚くしすぎたか O+ 20 40 60 80 100 120 140 Time-of-flight[ns] O+以外は実験とシミュレーションはよく合っていて、十分分別可能である

12 TOF profile 8keV/q H+ He++ simulation He+ Arbitrary unit experiment O+
20 40 60 80 100 120 140 Time-of-flight[ns] 実験とシミュレーションはよく合っていて、十分分別可能である

13 実験②，③ ion beam electron ion 目的
本センサーはstart anodeの面積をできるだけ小さくする工夫をしている。イオンビームに 対してφ方向、radial方向それぞれについてセンサーの回転、電極への印加電圧の変更 などを行う。 カウントレートの変化 から二次電子の軌道が設計通りに収束していることを確認する。 Φ方向のカウントレートを調べる radial方向のカウントレートを調べる 実験内容③ 実験内容② ジンバルを回転させ、2°ごとにSTART、STOP カウントレートを計測する。 飛行時間分析部内の電極Bの電圧を-4900Vまで 変化させて計測する z ion beam セクター中心 Foil folder 幅2mm φ=22.5deg φ electron ion r r

14 ①Φ方向へ照射位置を変化させた結果 8keV/qのプロトンビームの場合 start count rate Arbitrary unit
stop count rate 太線・・・・experiment 細線・・・・simulation 素晴らしい点 セクターの端についても、二次電子は隣のセクターには影響しない -10 -8 -6 -4 -2 セクター中心からの角度[deg] 実験とsimulationはよく合っている

15 ②電圧を変えた結果(電子の軌道と到達位置)
8keV/qのプロトンビームの場合 ②電圧を変えた結果(電子の軌道と到達位置) z B=-3500[V] : simulation B=-4500[V] : simulation r Start MCP Stop MCP φ r 電圧を上げることでstartアノードに来ていた電子がstopアノードへ移動する

16 ②電圧を変えた結果（カウントレート） イオンの量子効率：0.6 電子の量子効率：0.45とする 8keV/qのプロトンビームの場合
太線・・・・experiment 細線・・・・simulation stop count rate Arbitrary unit イオンの量子効率：0.6 電子の量子効率：0.45とする start count rate -3400 -3600 -3800 -4000 -4200 -4400 -4600 電極Ｂの電圧[V] よく合っている

17 まとめ 飛行時間分析部に直接イオンビームを照射させることで特性評価を行った.
E/q=2keV/q, 8keV/qの　H+, He++, He+, O+ の各イオン種を十分弁別可能であることが分かった. 2keV/q, 8keV/qのイオンの飛行時間について、カーボンフォイルの厚みを100Åとしてシミュレーションを行ったとき、2keV/qのO+を除いて実験データとよく合っている. セクターの端ではstartとstopのカウントレートがともに減少する。これは計算機シミュレーションの結果と一致する. 飛行時間分析部内の電位配分を変え、カウントレートを計測した。その結果、ε_i=0.6, ε_e=0.45のときの計算機シミュレーションとよく合った。

18 Future work １セクターは22.5°の角度幅を持っている。今回はセクター中央に粒子が入射した場合の結果を示したが、実際には他の角度からの入射を考慮する必要がある。実験データは得られており、今後詳細な解析を行う。 静電分析部の設計 静電分析部＋飛行時間分析部の特性評価試験

19 資料

20 TOF profile 2keV/q(50A) H+ He++ simulation experiment Arbitrary unit
20 40 60 80 100 120 140 Time-of-flight[ns]

21 TOF profile 8keV/q(50A) H+ He++ simulation He+ Arbitrary unit
experiment O+ 20 40 60 80 100 120 140 Time-of-flight[ns]

22 Ring currentに関する諸問題 生成過程 消失過程 それぞれの過程を理解するために定量的な観測が求められる
Ionospheric plasma Ring current O+ Solar wind Plasma sheet Which way? Ring current ion Energy density : 10 ~ 200keV Plasma sheet Number density : 0.1 ~ 10 / cm^3 イオンサイクロトロン波動(EMIC波) 10keV-50keVのイオンの熱非等方性によって励起 Ionの熱非等方性は電荷交換によって発生 結果この波動相互作用によってプロトンが電離圏へ降下するのも観測されている 消失過程 電離圏粒子との電荷交換による中性粒子化 磁気圏外への流出 ピッチ角散乱、波動粒子相互作用による電離圏への落ち込み

23 過去の観測 図 観測位置 信号が高エネルギー粒子による背景ノイズに隠れてしまう 図 cluster衛星によって観測した低エネルギーイオン
図　　観測位置 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 図 　cluster衛星によって観測した低エネルギーイオン 信号が高エネルギー粒子による背景ノイズに隠れてしまう

24 ERG mission ERGミッション 特徴 広いエネルギーレンジによる 粒子・電磁場・波動の初の総合観測
太陽活動極大期(2014?)に打ち上げ予定 他衛星(RBSP(NASA), ORBITALS(カナダ))との連携 軌道 近地点高度：250km 遠地点高度：25000km

25 ERG衛星に搭載予定の粒子観測機器 電子観測器 ion観測器 0.1eV 12eV 5keV 30keV 200keV 10eV 20keV
2MeV 20MeV ion観測器 0.5eV 10eV 10keV 100eV 25keV 180keV

26 LEP-iの役割 Ring currentの観測には粒子と電磁波・波動の総合観測が必要. LEP-iはその一端を担う
Ring currentに存在するO+の供給源は地球の電離圏とされるため どのようにして加速されるかをみるためには低エネルギーion観測が必要不可欠 高エネルギー粒子に対するノイズ対策を施した小型・高性能な観測器が必要

27 LEP-iの計測概念 incoming ion 静電分析部 飛行時間分析部(TOF unit) E/q v M/q

28 静電分析部の検出原理 球殻状の極板に電圧をかけることで E/q を測定 式変形 m: 荷電粒子の質量 v : 荷電粒子の速度
Energy range:10eV/q　～25keV/q E1<E2<E3 m: 荷電粒子の質量 v : 荷電粒子の速度 E: 荷電粒子のエネルギー q: 電荷 ⊿Φ: 極板間に生じる電位 Rc=(Rinner+Router)/2 Router ΔR=Router - Rinner 軸対称 Rinner 式変形

29 飛行時間分析部の検出原理 start信号,stop信号の検出タイミングの 時間差を計測することでion の飛行時間を測定
Time Of Flight法によって飛行時間を測定 start信号,stop信号の検出タイミングの 時間差を計測することでion の飛行時間を測定 ionが当たることで 二次電子が発生 静電分析部 を通過したion carbon foil Foil通過時のタイミング start stop electronの 飛行時間 (te) ionの飛行時間:ti time ti L 距離：L te ⊿t MCP start信号 stop信号 得られたイオンの飛行時間、距離と静電分析部で得られたE/qを用いてm/qがわかる

30 ②電圧を変えた結果（カウントレート） ε_se=0.75ε_iとする 8keV/qのプロトンビームの場合 太線・・・・experiment
細線・・・・simulation ε_i:0.1 ε_i:0.6 Arbitrary unit stop count rate ε_se=0.75ε_iとする start count rate -3400 -3600 -3800 -4000 -4200 -4400 -4600 電極Ｂの電圧[V] イオンの量子効率を0.6としたときによく合っている

31 ノイズ対策のための工夫① 時間・空間による二重相関を取ること 時間的相関
イオンの飛行距離を短くする工夫を凝らす 時間的相関 Start電子が検出されてから150nsec以内にstopMCPに入った粒子をstop信号とする electron H+ O++ ノイズとして除去 time t0 te tH+ To++ 150nsec 空間的相関 セクター構造にする(22.5°分割) [Uchida 2008] modified

32 ノイズ対策のための工夫② 検出部の面積を小さくすること CLUSTER/CIS 開発中のLEP-i anodeの形
[mm] CLUSTER/CIS 開発中のLEP-i anodeの形 start anode stop anode 10 30 50 70 90 [mm] [Uchida 2008] modified

33 先行研究 静電分析部と飛行時間分析部の設計開発によって、すでに十分な性能を得られている E/q ~10eV/q E/q ~23keV/q
性能をみるため、静電分析部をとりつけた。Foilにかかる電圧によって加速されるために異なるエネルギーによってエネルギーが変わった。 図　静電分析部での粒子軌道

34 TOF profile simulation
E/q～10eV/q E/q～23keV/q H+ He++ He+ O++ O+ それぞれのエネルギーで十分に質量弁別可能である

35 それぞれのカウントレート

36 LEP-iの性能 LEP-iの性能 Energy range 10eV/q~25keV/q Time resolution 8sec
Angle resolution(azimuth) ° Angle resolution(elevation) 5°(FWHM) Energy resolution 16% (FWHM) G-factor x10-3 cm2 sr keV/keV/22.5° 他衛星との比較 AMPTE/CCE Energy range　　0.3 – 300 keV/q Time resolusion < 60sec Angle resolusion Energy resolusion Mass resolusion G-factor // Cluster // Energy range – 40000eV/q Time resolusion Energy resolusion G-factor *10^-3cm^2 sr

37 angle 1.25deg

38 angle 3.25deg

39 angle 5.25deg

40 angle 7.25deg

41 angle 9.25deg

42 angle 11.25deg

43 B:-3500V

44 B:-3600V(B-100V)

45 B:-3700V(B-200V)

46 B:-3800V(B-300V)

47 B:-3900V(B-400V)

48 B:-4000V(B-500V)

49 B:-4100V(B-600V)

50 B:-4200V(B-700V)

51 B:-4300V(B-800V)

52 B:-4400V(B-900V)

53 B:-4500V(B-1000V)