偏光X線の発生過程と
その検出法
2004年7月28日 コロキウム
小野健一
はじめに
X線のもたらす情報
・到来方向 ⇒ X線画像
・エネルギー ⇒ エネルギースペクトル
⇒ 光度曲線
・時間
⇒ ・・・いまだ十分な観測がなされていない
・偏光
目次
偏光の基礎
偏光X線の発生
偏光X線の検出
偏光の基礎
いろいろな偏光状態
Maxwell方程式の平面波解
E = E0 exp[i(kz - ωt)]
電場の振動する方向分布に偏り
があるとき ⇒ 「偏光」している
2つの方向成分Ex、Eyの
振幅比、位相差により
Ey max
EyExmax
Ey max
Ey
Ex max
E
Ex
Ex max
B
さまざまな偏光状態が存在
位相差0
⇒ 直線偏光
位相差π/2、振幅比1 ⇒ 円偏光
一般の場合
⇒ 楕円偏光
Ex = E1 cos(ωt – φ1)
Ey = E2 cos(ωt – φ2)
単色平面波は必ず偏光している
偏光の基礎
自然光
①放射源はランダムに運動
②Ex、Eyの位相差はランダムに時間変動
③偏光方向もランダムに変動
⇒自然光、または非偏光と呼ぶ
実際に存在する光は
「部分的に偏光」している。
Ex = E1(t) cos(ωt – φ1(t))
Ey = E2(t) cos(ωt – φ2(t))
⇒単色ではない
部分的に偏光した光
=ランダム偏光成分(位相差変動が完全にランダム)
+偏光成分(位相差が一定の楕円偏光)
偏光の基礎
偏光度
偏光度Π = Ip / I
Ip :楕円偏光している光の強度
I :全強度
直線偏光の場合、
Π=
Imax – Imin
Imax + Imin
Imax:最大強度
Imin:最小強度
楕円偏光の場合も使えるが、
偏光度は過小評価される
Imax = (I – Ip) / 2 + Ip
= (I + Ip) / 2
Imin = (I – Ip) / 2
偏光の発生
基本原理
加速する荷電粒子からの電磁波放射
⇒トムソン散乱、シンクロトロン放射、・・・
.
Eの方向 : n× (n × β)
.
放射方向と加速度 を含む
平面内に存在
放射方向
n
β
E
電場
粒子の加速度に垂直な
方向で放射強度大
トムソン散乱
入射波が直線偏光
⇒散乱波も直線偏光
散乱波
n
E
入射波
E
電子
トムソン散乱
n
入射波が非偏光
⇒散乱波は方向によって
部分的に偏光している
散乱波
x
Ex
θ
入射波
z
y
Ey
90°
Ey
Ex
1 : cos2θ (強度比)
偏光度Π=
1 – cos2θ
1 + cos2θ
θ= 90°でΠ=1 θ= 0°でΠ=0
トムソン散乱
Sgr B2分子雲からのX線
Sgr B2分子雲
X線源
GC
X線
銀河中心方向
3’~7pc
Chandra
simulation
(Murakami et al. 2002)
鉄輝線⇒蛍光X線
連続成分⇒外部から照らされたX線をトムソン散乱
シンクロトロン放射
B
B
.
β
磁場に垂直な面内で
直線偏光
シンクロトロン放射
B
偏光度Π(ω) =
P⊥(ω) – P||(ω)
E||
E⊥
P⊥(ω) + P||(ω)
一粒子の場合 周波数積分 ⇒ 75%
N(γ) ∝
γ-pの分布の場合
周波数積分 ⇒
p=2のときΠ=70%
p+1
p + 7/3
シンクロトロン放射
パルサー風星雲からのシンクロトロン放射
強磁場で加速された粒子
がパルサーの磁場により
シンクロトロン放射
かに星雲
(Chandra)
1970年代、 OSO-8衛星に
よりかに星雲からのX線偏
光を検出(有為度3σ)
⇒シンクロトロン放射であ
ることの証拠
(Weisskopf et al. 1978)
偏光の検出
偏光の観測はさまざまな現象の解明につながる。
しかし、その検出は難しく、数少ない観測例を除いて
いまだ未開拓の状況と言える
検出効率、検出感度、エネルギー帯域が重要
• ブラッグ反射
• コンプトン散乱
• 光電吸収
数keV
10keV~
数keV
偏光の検出
OSO-8衛星の場合
ブラッグ反射の利用
E⊥
E||
E||
θ
グラファイト
結晶
OSO-8衛星(1976-1978)
結晶の反射率はE||とE⊥で異なる
θ=45°のとき、E||の反射率1、E⊥の反射率0
偏光の検出
OSO-8衛星の場合
OSO-8衛星搭載の偏光計
比例計数管
グラファイト
結晶パネル
パネルを回転させて
強度変化を測定
かに星雲からのX線偏
X線 光を検出(有為度3σ)
偏光の検出
μ-PICなどガス検出器の場合
コンプトン散乱の利用
z
散乱X線 θ
光電子
放出方向
φ
dσ
dΩ
y
x
微分散乱断面積
偏光方向
入射X線
∝ (1 – sin2θcos2φ)
y
z
x x
z方向から見ると
y方向から見ると
偏光の検出
μ-PICなどガス検出器の場合
光電効果の利用
z
θ
光電子
放出方向
φ
dσ
dΩ
y
x
微分散乱断面積
偏光方向
入射X線
∝
sin2θcos2φ
(1-βcosθ)4
y
z
x x
z方向から見ると
y方向から見ると
偏光の検出
μ-PICの場合
Ar / 20keV
電子雲
数100μ~1mm程度
従来のストリップ読み出し
μ-PICですでに偏光の検
出に成功している
(Ueno et al. 2004)
偏光の検出
μ-PICの場合
ピクセル読み出しにすれば、イメージングが可能
シミュレーションで偏光検出能の向上を検証
600μm
600μm
偏光の検出
μ-PICの場合
現在は
・基礎特性に関する実験
・多チャンネル読み出し回路の構築
10月にはPhoton Factory(KEK)にて偏
光度100%に近いX線を用いた実験を
行なう予定
まとめ
偏光の発生
⇒シンクロトロン放射、トムソン散乱など宇宙で起
こるさまざまな過程で偏光X線が発生
偏光X線の検出
⇒ブラッグ反射、コンプトン散乱、光電効果などを
利用することで検出可
光電効果での光電子放出方向の偏りをピクセル
読み出し型μ-PICで検出する予定
ダウンロード

偏光X線の発生過程とその検出法”(小野)(PPT