1. 気球搭載硬 X 線偏光検出器 PoGOLite
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気気気気気 X 気気気気気気 PoGOLite 気気気気気気気気気気気気気気 ( ) Ⅱ 気気気気 ○気気気気 気気気気気 気気気気気 気気気気気 気気気気 、 、、、、 ( 気気気 ) 気気気気気 気気気気 、、 (SLAC) 気気気気気 気気気気気 気気気気 気気気気 気気気気 気気気気 、、、、、、 ( 気気気 ) 、 気気気気 気気気気 気 、一 (ISAS/JAXA) 気気気気 、一 ( 気気気 ) 、 Mark Pearce 、 Mozsi Kiss (Royal Institute of Technology) 気 、 PoGOLite 気気気 1. 気気気気気 X 気気気気気気 PoGOLite 気気 X 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線 体、。 1970 線線線 10 keV 線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線、 「」 2008 線線 INTEGRAL 線 線線線線、 100 keV 線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線 線 。 体 X 線線線線線線 PoGOLite 線線線線線線線線線 線線線 。 25-80 keV 線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 、、 6 線線線線線線線線 線 「 線線線線線線線線線線線線線線 線線線 体 10% 線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線 、。 2010 線線線 Engineering flight 線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 、、「」「 CygX-1 線線線線線線線線線線線線線線線。 」 INTEGRAL 線線線線 X 線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線 線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線 、体。 PoGOLite 線線 217 線線 PDC 線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 、。 2008 線 2 線線 19 線線線線 ( 線線線線線線線線 ) 線線線線線線線線線線線線線線線 線線 KEK 線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 。、、。、 ~5% 線線線線線線線線線線線線線線。 2. 気気気気気気 PoGOLite 線線線 3. 気気気気気気 気気気気気気 ・ 4. 2 気気気気気気気気気 6. 気気気気気気 SAS SAS PDCs PDCs 気気気気 気気 気気 気気気 気気 気気 気気気 気気 PMTs PMTs Fast plastic scintillato r Slow plastic scintillat or Bottom BGO 線 X 線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線 体 •気気気気気気気気気気気気気気気気気気 •気気気気気気気気気 線線線 線線線線線線 、 X 線線線線線線線線線線 2気線線 線線線線線線 OSO-8 線線線線線線線 ( 線 30 線線 ) :10keV 線線 線線線線線線 INTEGRAL 線線線線線線線 (2008) :100keV 線線 217 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線 、。 線線線線線線 HXD 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線 ・。 線線線線線線線線線： 25‐80 keV → 線線線線線線線線線線線線線線線線。 線線線線線線 線線線線 一 SpaceWire 線線線線線線線線線線 → 線線線線線線線線線線線線線線 → 217 線線 PDC 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 2010 線： Engineering Flight(61 線線線線 ) → 線線線線・ Cyg X-1 線 PoGOLite(217 線線線線 ) → 線線線線線線線 線線線線線 τ~230ns 50keV 線線線 ( 線線線線線線 線線線 ) Slow 気気気気気気 Fast 気気気気気気 BGO PMT Flash ADC Board 気気気気気＋ ADC Space Cube PC 50keV 気気気 1. 気気気気 気気気気気気気気気 2. 気気気気気気気 気気気気気気気気 １ 4. 気気気気気気気 気気気気 気気気 1. 気気気気気気気気気気気気気 2. 気気気気気気気気気気気気気気 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線 、 normalized counts Rotation angle [deg] 線線線線線線線線線線線 ( 線線 ) MF 線線線線線線線線線 (Geant4) 線線線線 inner outer1 outer2 KEK data 線線線線線線線線 (89.7% pol) Modulation Factor[%] 5. 3 気気気気気気気気気 気気気気 気気気気 Slow 気気気 Fast 気気気 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線。 PDC 線線線線線線線線線線 fast 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線、 線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線 「」・「」。 線線線線線線線 線線線線線線線線線 Energy[keV] PH/keV(=1@50keV) 気気気気気気気気気気気気気気気気気気 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 3. 気気気気気気気 2 気気気気気気気気 2008/2/27-29 @ KEK PFBL14-A 線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線 fast 線線線線線線 線線線線線線線線線 線線線線 線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線 線線線線線線線線 線線線線線線線線 3. 気気気気気気気気気気気気 fast 気気気気気気 気気 BGO/ slow 気気気気気気気気 Slow 線線 Fast 線線 14keV 線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 → 線線 X 線線線線線線線線線線線線線線線線線線 8~75keV 線 KEK 線線線線線線線線線線線線線。 線線線線線 Birk’s 線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線 、 ( 線線線線線線線線線線 線線線線線線線 、 ) 線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線 線線線線線線線線線線線線線 、 (MF) 線線線線線線線線線 、。 Inner Ring Outer Ring1 Outer Ring2 inner outer1 outer2 KEK data 線線線線線線線線 Detection Efficiency[%] 気気気気気気気 MF(inner ring)=31.30+-0.41% MF(outer ring1)=37.97+-0.66% MF(outer ring2)=40.08+-0.79% MF 線線線線線線線線線線線線線 Inner ring ~6% Outer ring 1 ~5% Outer ring 2 <1% MF 線 線線線線線線~5% 線線線線線線線線線線線。 fast 線線線線線線線 20cm 線線線 → 線線線線線線線線線線線線線線。 線線線線線 線線線線線線線線線線線線 、。 線線線線線線 ~13% 線線線線線線線線線線線線 線線線線線線 3 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線、 線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線線 、。 outer ring 1 outer ring 2 Outer ring 1 MF=21.05+- 1.42% Outer ring 2 MF=24.33+- 1.73% MF 線線線線線線線線線線線線 Outer ring 1 ~5% Outer ring 2 ~7% 2 線線線線線線線線線、 MF 線線線線線 ・ ~5% 線線線線線線線線線線線線線線。 2 線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線 、 、 ・ 線線線線線線線線線線線線線線線。 normalized counts Rotation angle [deg] 線線線線線線線線線線線 ( 線線 ) outer1 outer2 KEK data 線線線線線線線線 Detection Efficiency[%] 線線線線 •線線線線線線線線線 fast 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 •KEK 線線 PoGOLite 線線線線線線線線線線線線線線線線線。 (2008/2/25-29) PDC 19 線線線線 線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線 線線線線線線線線線線線線 •2 線線線、 3 線線線線線線線線線線線線線線線線線線 線線線線線線線線線 、。 線線線線、 5% 線線線線線 ( 線 線線線線線線線線 体 ) 線線線線線線線線線線線 • Engineering Flight(61 線線線線 ) 線線線線 線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線線 、。 2010 線 Engineering Flight(61 線線線線 ) 線→線線線線線線線線線線線線線。 bottom top 気気気気気気気気気 ~13% PH/keV(=1@11cm) position[cm] Cd 22keV 気気気 気気 τ ~2ns τ~300ns 線線線線 7 線線線線 → 線線 19 線線線線 気気気気気気気気気気気気 気気気気気気 ・ 線線線線 線線線線線線線線線線線線線線線線線線 気気気気気気気気 気気気気気気 線線線線線線 outer1 outer2 KEK data 線線線線線線線線 (89.7%) Modulation Factor[%] 線線線線線線線線線線線線
description
outer1. outer2. outer1. outer2. クエンチング効果による光量の非線型性. PH/keV(=1@50keV). Energy[keV ]. 集光率の位置依存性. Cd 22keV により 測定. ~13%. PH/keV(=1@11cm). bottom. top. position[cm ]. プリアンプ＋ ADC. Fast プラスチック. PMT. 50keV ビーム ( 中心ユニット に入射 ). Flash ADC Board. Space Cube. モジュレーションカーブ ( 実測 ). PC. - PowerPoint PPT Presentation
Transcript of 1. 気球搭載硬 X 線偏光検出器 PoGOLite
気球搭載硬 X 線偏光検出器 PoGOLite の地上キャリブレーション試験 ( )Ⅱ
吉田広明、○水野恒史、梅木勇大、田中琢也、高橋弘充、深沢泰司 ( 広島大 ) 、釜江常好、田島宏康 (SLAC) 、栗田康平、金井義和、有元誠、植野優、片岡淳、河合誠之 ( 東工大 ) 、高橋忠幸、勝田隼一郎 (ISAS/JAXA) 、郡司修一 ( 山形大 ) 、 Mark Pearce 、 Mozsi Kiss (Royal
Institute of Technology) 、他 PoGOLite チーム
1. 気球搭載硬 X 線偏光検出器 PoGOLite
概要
X 線領域での偏光観測はシンクロトロン放射やコンプトン散乱などが関連する天体において、これまで未知であった磁場や降着円盤の構造を解明する新しいプローブとなる。これまでは1970 年代に 10 keV 以下で「かに星雲」の偏光が観測されたのみであったが、 2008 年に INTEGRAL 衛星により、 100 keV 以上で初めて偏光検出が報告された。我々は気球による天体硬X 線偏光検出器 PoGOLite の開発を進めている。これは 25-80 keV に感度を持ち、デザインに井戸型フォスウィッチを採用し大面積と低バックグラウンドを両立することで、 6 時間のフライトで「かにパルサー」程度の明るさの天体からの 10% の偏光を有為に検出できる等、かつてない感度を誇る。 2010 年には Engineering flight を行い、機器の動作実証に加え、「かに星雲」や「 CygX-1 」からの偏光の検出を目指している。 INTEGRAL 衛星と軟 X 線領域の間の帯域を高精度で測定可能なため、これ自体が極めて重要なミッションである。 PoGOLite では 217 本の PDC と呼ばれるユニットを蜂の巣状に並べ、コンプトン散乱の異方性を利用して偏光を測定する。 2008 年 2 月に 19 ユニット ( 三層の蜂の巣構造 ) から成るプロトタイプのビーム試験を KEK にて行った。このビーム試験はフライトデザインの検出器、読み出し装置を用いており、実機と同等の構成での試験となった。結果、その性能を ~5% の精度で再現することができた。
2. 検出器の応答
PoGOLite の概要
3. 本試験の概要・セットアップ 4. 2ヒットイベント解析
6. まとめと今後
SASSASPDCsPDCs
偏光ベクトル
散乱
光子
の分布
散乱
光子
の分布
PMTsPMTs
Fast plastic scintillator
Slow plastic scintillator
Bottom BGO
硬 X 線偏光観測でしか理解出来ない天体の物理が多く存在•ブラックホール連星近傍の幾何学的情報•パルサーの放射機構
しかし、これまでの硬 X 線偏光観測はたったの 2例のみ太陽観測衛星 OSO-8 によるかに星雲 (約 30 年前 ) :10keV 以下ガンマ線衛星 INTEGRAL によるかに星雲 (2008) :100keV 以上
217 本のプラスチックシンチレータを蜂の巣状に並べ、散乱の異方性から偏光を計る。すざく衛星の HXD で用いられた井戸型フォスウィッチのデザインを採用することで大面積・低バックグラウンド化を実現。
検出エネルギー帯域： 25‐80 keV → 未開拓な帯域を高感度で観測を行う。
衛星機器・統一通信規格 SpaceWire を実証試験として搭載→ 信号を波形データとしての取得→ 217 本の PDC からの信号のペアリングを取ることが可能2010 年： Engineering Flight(61 ユニット ) → かに星雲・ Cyg X-1
等PoGOLite(217 ユニット ) → かにパルサー等
研究の背景
τ~230ns
50keV ビーム( 中心ユニットに入射 )
Slow プラスチック
Fast プラスチック
BGO
PMT
Flash ADC Board
プリアンプ＋ ADC
Space Cube
PC
50keV ビーム
1. ビームが中心ユニットに入射
2. 中心ユニットで１次コンプトン散乱
4.外層ユニットで光電吸収
ビーム
1. ビームが中心ユニットに入射 2. 中心ユニットでコンプトン散乱
入射ビームが中心ユニットでコンプトン散乱、周りのユニットで光電吸収したイベント
norm
aliz
ed c
ount
s
Rotation angle [deg]
モジュレーションカーブ ( 実測 ) MF のシミュレーション (Geant4) との比較
inner outer1 outer2
KEK dataシミュレーション (89.7% pol)
Mod
ulat
ion
Fac
tor[
%]
5. 3ヒットイベント解析
短い遅延 長い遅延
Slow波高値
Fast波高値
地上試験の解析には検出器の応答を含んだシミュレーションが用いられる。PDC として組み上げられた fast プラスチックシンチレータの特性試験として、「光量の非線形性」・「集光率の位置依存性」を求めた。
光量の非線型性
集光率の位置依存性
Energy[keV]
PH
/keV
(=1@
50ke
V)
クエンチング効果による光量の非線型性
これらの結果を地上試験の解析に用いるシミュレーションに組み込む
3.内層ユニットで2次コンプトン散乱
2008/2/27-29 @ KEK PFBL14-A
時定数の違いを利用した波形弁別を用いて fast プラスチックの信号だけを選ぶ。
元の波形長い遅延をかけた波形短い遅延をかけた波形長い遅延との差分短い遅延との差分
3.周りのユニットで光電吸収
fast プラスチック成分
BGO/slow プラスチック成分
Slo
w波
高
Fast 波高
14keV 以上で弁別が可能
有機シンチレータにはクエンチング効果が見られる→入射 X 線のエネルギーに対する光量の非線型性
8~75keV の KEK ビームにより光量を実測した。その結果を Birk’s の経験式によって再現
各ユニットのスペクトルを見て、欲しいイベント ( 中心でコンプトン散乱、周りで光電吸収 ) に対応するエネルギー帯域のイベントのみ選び、モジュレーションファクター (MF) 、検出光率を求める。
Inner RingOuter Ring1Outer Ring2
inner outer1 outer2
KEK dataシミュレーション
Det
ectio
n E
ffic
ienc
y[%
] 検出効率の比較MF(inner ring)=31.30+-0.41%MF(outer ring1)=37.97+-0.66%MF(outer ring2)=40.08+-0.79%
MF のシミュレーションとの比較Inner ring ~6% Outer ring 1 ~5%Outer ring 2 <1%
MF・検出効率共に ~5% 以下の精度で再現できる。
fast プラスチックは 20cm と長い → 先端部と根元で集光率が異なる。実測により、この位置依存性を調べた。
先端と根元で ~13% の光量の違いが見られた。
下図のような 3ヒットイベントを扱うことで統計を増やすことができ、感度を上げることが可能となるため、この評価も非常に重要である。
outer ring 1outer ring 2
Outer ring 1 MF=21.05+-1.42%Outer ring 2 MF=24.33+-1.73%
MF シミュレーションとの比較Outer ring 1 ~5% Outer ring 2 ~7%
2ヒットイベント同様、 MF・検出効率を ~5% の精度で再現することができた。
2ヒットイベント時と同様に、モジュレーションファクター・検出効率を求め、シミュレーションと比較を行った。
norm
aliz
ed c
ount
s
Rotation angle [deg]
モジュレーションカーブ ( 実測 )
outer1 outer2
KEK dataシミュレーション
Det
ectio
n E
ffic
ienc
y[%
] 検出効率
•検出器の応答として fast プラスチックシンチレータの特性を調べた。•KEK にて PoGOLite の地上キャリブレーション試験を実施。 (2008/2/25-29)
PDC 19 ユニットフライトデザインの検出器・読み出し装置 実機と同等の構成での試験
•2ヒット、 3ヒットにイベントを分けてて解析を行い、性能評価を行った。 その結果、 5% 程度の精度 ( 天体観測に十分な精度 ) で再現することができた
• Engineering Flight(61 ユニット )へ向けて現在、検出器ユニットの製作が順調に行われている。2010 年 Engineering Flight(61 ユニット )へ→かに星雲などの観測を目指す。
bottom top
集光率の位置依存性
~13%
PH
/keV
(=1@
11cm
)
position[cm]
Cd 22keV により 測定
τ ~2nsτ~300ns
これまで 7 ユニット → 今回 19 ユニット
フライトデザインの検出器・読み出し装置を用いる
シンチレータの応答の詳細を事前に取得
実機と同等の構成での実証試験
セットアップ
outer1 outer2
KEK dataシミュレーション (89.7%)
Mod
ulat
ion
Fac
tor[
%] シミュレーションとの比較
