SMILE14:電子飛跡検出型コンプトンカメラ (ETCC)の新データ取 … · 2012. 9....
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SMILE14:電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)の新データ取得システムの性能評価
京大理A、 Open-ItB、 神戸大理C、 京大生存圏研D、 KEK放射線科学セE、 理研F、 東海大医G、 東北大金研H、 KEK素核研I
水本哲矢A、 谷森達A、 窪秀利A, B、 Parker JosephA、 水村好貴A、 岩城智A、 澤野達哉A、 中村輝石A、 松岡佳大A、 古村翔太郎A、 佐藤快A、
中村祥吾A、 身内賢太朗C、 高田淳史D、 岸本祐二E、 上野一樹F、
株木重人G、 黒澤俊介H、 田中真伸B, I、 池野正弘B,I、 内田智久B,I
日本物理学会2012年年次大会 @京都産業大学 2012年9月14日 14pSP-3
目次
• サブMeV - MeVガンマ線天文学
• SMILE-II計画とETCC
• TPCの動作実証
• ETCCの動作試験
• シミュレーションによる検出効率の見積りと実機との比較
前回
PMT GSO
µ-PIC GSOピクセル シンチレータアレイ
SMILE-II気球実験その他に向けて開発してきた • µ-PIC信号読出し回路 • シンチレータ信号読み出し回路 がそれぞれ単体で動作することを確認した。
コンプトンカメラ
1ピクセル … 6mm×6mm×高さ13mm
サブMeV - MeVガンマ線天文学
← 主に起きる反応
我々の目標 ASTRO-H
感度
MeV近傍の観測感度
keV MeV GeV TeV
COMPTEL
Fermi
天文学的意義
宇宙線の起源
宇宙線の加速機構
leptonic or hadronic
シンクロトロン放射
逆コンプトン放射
π0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)と制動放射によるバースト現象(REP-burst)
(30cm)3 FM ETCC 緒元 m-TPC ガス Ar/C2H6 (90/10), 1– 1.3 atm 封じ切り サイズ ( 30 cm )3
位置分解能 ~0.3mm (設計値)
シンチレーションカメラ シンチレータ GSO;Ce 6x6x13 mm3
ピクセル数 6912 pixels エネルギー分解能 ~10.5% for 662 keV
エレクトロニクス NIMを廃止,VMEと専用ボードの組合せ
気球系 総消費電力 ~ 570W 総重量 ~ 550 kg 電池 Liポリマー2次電池 + 太陽電池
(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
(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 ① 長期運用システムの動作実証 ~ 1日のテストフライト 申請状況
スウェーデンに予算申請中
採択なら,2013年8月放球 @キルナ
宇宙研にも来年の放球を申請中 キルナまたは大樹町
② 明るい天体 REP-burstの観測 2014- 極周回飛行 ~2週間
(2006年9月に実施)
SMILE 極周回飛行 夏季
Sub-MeV gamma-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment
京 大生存圏研、極 地研, 名大STE研, JAXA, 北大理, 金沢大理, スエーデン宇宙科学研, Lulea 工科大., EISCAT, カリフォルニア州立大Santa Cruz校, Dartmouth大、 モスクワ大学による国際協力プロジェクト
電子飛跡検出型コンプトンカメラ (ETCC)
ガス飛跡検出器 μ-TPC
反跳電子の3次元飛跡とエネルギー
(コンプトン点と反跳方向)
シンチレーションカメラ
散乱ガンマ線の吸収点とエネルギー
イベントごとにコンプトン散乱を再構成
μPIC
Drift Plane
e-
PMT Scintillator
α
入射γ線
散乱γ線
反跳電子
Electron-Tracking Compton Camera
運動学的に 幾何学的に
■ 光子 → 到来方向 + エネルギー取得
■ 運動学を用いたバックグラウンド除去
• 広い視野 を持つ (~3str)
VME bus
CPUs
Memory
Board
Scaler
Memory
Board
Data
Processing
Board
μ-PIC
GPS
Anti.
GSO
µ-PIC 信号読み出し 回路
ADC FPGA data
シンチレータ信号 読出し回路
FPGA
Time
Trig. ID & Time
Telemetry
Command
Anti trigger
GPS trigger (1pps)
Analog
digital
DAQシステム
data
SSD
Trig. I/O
Trig.
I/O
ASIC
DAQ取りまとめFPGA基板
220mm
11
8m
m
ASIC
ADC
FPGA
ボード1枚あたり、128stripのhit dataと4ch分(1chあたり32stripのsum)のFADC波形データを取り出せる。 Anode Strip
0番 … 127番 0番
127番
Cathode Strip
TPC
10cm×10cm×15cm
z (d
rift
方向
)
µ-PIC読出し回路
ADC 10bit
Digital 128ch
Ring Buffer
Ring Buffer FIFO
FIFO
Data Format FIFO
メモリボードへ
Analog 4ch
FPGA
Hit Trigger Process
Transfer or Clear Data exist Transfer end
Clear, Resetなど
前回の学会で、読出し回路が単体で動作していることを報告した。 今回、SMILE-IIのDAQシステムに合うようにFPGAロジックを書き、 データが正しく取れていること、 DAQシステムが動くことを確認した。
Anode側の4つのFADC波形から生成した109Cdのスペクトル
トリガー 生成時刻
アノード カソード
宇宙線ミューオン
アノード カソード
133Baガンマ線(31keV) の電子飛跡の例
TPCの測定データ(hitデータ+ FADC波形)
22.2keV(分解能39%)
145m
m
→µ-PIC読出し回路で作成したFPGAロジックで、飛跡、波形データともに正しく取れている。
Z (
Clo
ck)
TPCとシンチレータを組み合わせてDAQシステムを動かす
anode信号 読出し回路 cathode信号
読み出し回路
ガスTPC (底面10cm角、 高さ15cm)
GSOシンチ&PMT (16×24pixel)
スタンバイ
シンチHit、
トリガー信号発生
TPC、シンチにStop Triggerを
送る
バッファ データ転送、 次の準備へ
データ消去 次の準備
データ 転送
TPCに データ有り
TPCに データ無し
CPU
データ 読出し
データ取得の流れ図
GSOシンチレータ 1ピクセル分
GSOシンチレータ 1ピクセル分
22Na線源 22Na線源
GSOピクセルと飛跡の始点 を結んだ線と線源の高さの 面の交点の分布
x[mm] (アノード) y[mm] (カソード)
2γ511keVイベントの例
TPCドリフト 領域
ETCCとして動作試験
anode信号 読出し回路
cathode信号 読み出し回路
ガスTPC (底面10cm角、 高さ15cm)
GSOシンチ&PMT (16×24pixel)
662keVγ線のコンプトンイベントを1イベント分、再構成したもの
反跳電子 : 28 keV 散乱ガンマ線 : 0.65 MeV
→更なる定量的な考察が必要だが、ETCC DAQシステムとして動いている
再構成された 入射γ線
再構成された 入射γ線
anode cathode
新しい飛跡検出アルゴリズムにより、 検出効率は10倍程度改善(古村講演) 評価された10cm立方ETCCにおいて Geant4により期待される検出効率は どれほど合うようになったのか?
Geant4による検出効率再考
Geant4 Version 4.9.5p01 ジオメトリ
10cm立方ETCC,治具は配置せず Air 1atm雰囲気
物理プロセス EMのみ Livermore model
入射粒子 等方放射の単色ガンマ線
50cm
線源
10cm3TPC (Ar 90% C2H6 10%、 1atm)
GSOピクセルシンチレータアレイ (24pixel×24pixel、 1pixel 6mm×6mm×厚さ13mm)
ガス容器 (フレーム Al 側面G10 2mm厚 )
旧アルゴリズム 1.uPICのcathode,anodeで自動コインシデンス 2.信号の立ち上がり時刻のみ記録 新アルゴリズム 全てのヒットを記録、信号の持続時間(TOT)も記録
新しい飛跡検出アルゴリズムにより、 検出効率は10倍程度改善(古村講演)
評価された10cm立方ETCCにおいて Geant4により期待される検出効率は どれほど合うようになったのか?
Geant4による検出効率再考
50cm
線源
シミュレーション 実機 TPC有感領域で コンプトン散乱する && シンチレータで ガンマ線が光電吸収する
&&
反跳電子が 有感領域の中で止まる
&&
シンチレータとTPCでの エネルギー損失の総和が 入射エネルギーの90%以上
~トリガー条件
Energy カット
~dE/dX カット
コンプトン事象の 抽出方法
検出効率
エネルギー Simulation 実機 511 keV 4.4E-5 3E-5 662 keV 2.5E-5 2E-5
エネルギー情報のみ追う簡単な評価でも1.5倍以内でConsistent。従来と異なりTPC内コンプトンの大半はとらえられている
Preliminary
●コンプトン確率 ■コンプトンして電子がTPC内で完全に止まる ▼さらに散乱ガンマがシンチで光電吸収する ▲さらにシンチレータとTPCでのエネルギー 損失の相和が90%以上
SMILE-II用 フライトモデル 30cm ETCCの写真
30cmTPC ガス容器
GSOシンチレータ
µ-PIC信号読み出し回路×3枚
VME
まとめ
• SMILE-II気球実験に向けて、ETCCデータ取得システムの開発を行ってきた。
• DAQシステムを実現できるようにµ-PIC信号読出し回路のFPGAを書き、TPCに取り付けて、実際にデータが取得できることを確認した。
• Geant4シミュレーションを用いて、新飛跡取得アルゴリズムを採用した場合のFM-ETCCのコンプトンイベントの期待される検出効率を評価した。
→ 現在FM 30cm ETCCのシミュレーションを作成中
今後 • 気球実験に向けて準備を進めていく。