Γ線グループの活動報告.

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1 γ線グループの活動報告

2 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）

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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：　 cm2 観測時間：　~2週間

9 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

10 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

11 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 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 m-PICを用いたその他の開発

18 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

19 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 : 検出効率 : ⇒　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

20 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

21 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

22 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.

23 　 CTA

24 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