地球内部磁気圏探査に向けた
高エネルギーイオン観測器の設計
平原研 M2
渡邊 健太
●内部磁気圏とは
内部磁気圏の粒子 : プラズマ圏(電離圏起源) (~eV)
リングカレント (0.1~数百keV)
放射線帯 (>MeV)
・1950年代に発見。安定な領域だと考えられてきた。
・1990年以降のあらたな衛星観測により磁気嵐に伴って
激しく変動していることが再発見。
>300keVの電子フラックス
Dst指数 : 地磁気の変動
磁気嵐の指標
高エネルギー電子の生成機構は?
主相
回復相
Miyoshi & Kataoka 2005
-磁場が大きな影響を与えている
●内部磁気圏でのイオンの役割
リングカレントを電流として直接観測することは困難
プラズマ圧の空間勾配から間接的に電流を求める方法
・磁力線に垂直方向の電流密度
J   J M  J  Jc

B   B 
B 




P

P

P

||

B 2 
B 2 
[Parker,1957]
[Lui et al,1987]
内部磁気圏研究を進める上で大きな障害となってるのは、内部磁気圏の
基本場がよく分かっていないことである
・内部磁気圏では、数百eV~数MeVのイオンがプラズマ圧を担うが、こ
のような広いエネルギー範囲の粒子と電場と磁場を同時に計測した
衛星はかつて無い。
・リングカレントの発達や消失によって電磁場が発生することは予期
されているが、この二次的な効果が荷電粒子に与える影響について
はほとんど知られていない
●プラズマ粒子観測器とHEP-iのスペック
プラズマ粒子観測器(ERG衛星)
XEP-e
HEP-e
電子
MEP-e
LEP-e
TSP-e
HEP-i
MEP-i
イオン
LEP-i
:オプション
TSP-i
10-1 100
10
102
103 104
105 106 107
energy(eV)
HEP-iの求められるスペック
エネルギー範囲 : 100keV~1MeV
視野 : 180deg×360deg (衛星のスピンを利用)
角度分解能 : 10deg×10deg
時間分解能 : 4s ,1spin period (3次元の分布関数)
●計測原理(HEP-i)
入射粒子
Collimator
(Carbon Foil)
Start Signal
半導体検出器(SSD)
MCP
Stop Signal
TOF (Time of Flight)型
質量分析
E
v
m
1)粒子がCarbon foilを透過して観測器内に入射してくる時、2次電子を放出
する。それをStart SignalとしてMCPで検出。
2)入射粒子がSSDに到達するとエネルギーが計測される。同時にSSDから2
次電子が放出されそれをStop SignalとしてMCPで検出。
3)Start,Stop Signalの時間差と粒子のエネルギーEから粒子の質量を算出す
ることで、電子、イオンの切り分け、さらにイオン種を弁別することが可能となる。
●HEP-i 概念図
側面から見た図
carbon foil
stop-ele
start -ele
上から見た図
入射粒子の軌道
形状パラメタ
MCP
SSD
観測器の大きさ : φ160 mm
高さ : 40 mm
電子到達領域
MCP(有効エリア) : φ105mm
SSD (有効エリア) : 16×36 mm
コリメーター
Carbon Foil
: 10.5×1.5 mm
Carbon Foilから
SSDまでの距離 : ~60 mm
G-factor
: ~0.08cm2sr
●二層構造SSDを用いた電子、イオンの弁別
原理
SSD
電子>100keV
イオン<1MeV
HEP-iの場合)
・100keV以上の電子は一層目を透過し、
1MeV以下のイオンは一層目で止まる
SSDの厚さが必要。
・一層目と二層目でカウントのあった粒子は
全て電子とみなす。
シミュレーション設定
・SSD
12um 500um
・最大入射速度ベクトル
30x5 degree
・エネルギー
-電子
100,300,500,700
800,900,1000(keV)
-プロトン 700,800,900,1000
(keV)
100keV電子の一層目透過確率
92%
●電子をイオンとみなしてしまう場合
①
●SSDからの信号閾値は
~30keVであると設定
②
③
①‥‥ 一層目で100keV以上のエネルギーを損失して後方散乱。
②‥‥ 二層目で30keV以下のエネルギーを損失し後方散乱され、一層目で
止まるもしくは透過し100keV以上のエネルギーを損失。
③‥‥ 一層目で100keV以上のエネルギーを損失し透過した後、
二層目に到達しない。
AE8MAX,AP8MAX
シミュレーション設定
エネルギー分布
SSD表面と入射粒子のなす角 ;30x5 deg
イベント数
1000000 event
Differential flux
L=4, E=100~1400keV
●電子をイオンとみなしてしまう場合
・二層目での損失エネルギーが30keV以下
・一層目での損失エネルギーが100keV以上
誤認してしまう確率は
0.05%
・一層目の厚さが12umのSSDなら100~800keVのプロトンと電子の弁別が可能
- これまでのシミュレーションでは不感層を考慮に入れていない
- 強度面で不十分
- 作成が困難
●質量分析器の設計
側面から見た図
carbon foil
stop-ele
start -ele
上から見た図
入射粒子の軌道
粒子の計測時間
MCP
SSD
incident particle
start-ele
stop-ele
電子到達領域
t1
ti
t1 : start ele MCPに到達
t2 : stop ele MCPに到達
ti : 入射粒子SSDに到達
実際に計測する時間
T = t2-t1
t2
時間
●Start,Stop電子
SSDからの2次電子について
Carbon FoilやSSD表面で発生する電子の
初期エネルギーは数eV程度であると知られ
ているが、シミュレーションでは1~10eVの間
の値を等確率で与えた。
Start電子の引き出し
Start電子をMCPに到達させるために
Carbon Foilから放出された二次電子を
加速させる。
SSD側に700kVの電位を与えた
メッシュを設置
n 法線ベクトル
α
v 初速ベクトル
Carbon Foil
SSD
メッシュ
Carbon Foil
初速ベクトルがCarbon Foil,SSDの法線に対
してαとなる確率がcosαに比例するような確
率分布をとった。
p( )  cos
Start電子
700V
●イオンの軌道
●Start電子の軌道
-1.5kV
0.5kV
MCP 1.5kV
●Stop電子の軌道
0.6kV
-0.55kV
MCP 1.5kV
SSD 0.1kV
●計測時間
100keV
1MeV
1MeVのプロトン,start,stop電子の飛行時間
Stop電子の飛行時間が分散している
構造
Φ160×50 mm
エネルギー範囲
100keV~1MeV
イオン種
H,He,O
視野
180deg×360deg
(衛星のスピンを利用)
10×10 deg
角度分解能
時間分解能
4s ,1spin period
(3次元の分布関数)
G-factor
~0.08 cm2・sr
●放射線帯電子
シミュレーション設定
・Double Layered SSD : 300um 1mm
70×18 mm ×3
・MCP : Φ105mm
・Shield : Al 5mm
入射粒子
初期座標
-HEP-iを覆う球殻の上半球
AE8MAX,AP8MAX
速度ベクトル
-球の内側にランダムに入射
エネルギー分布
イベント数 1000000
Differential flux
L=4, E=1~6MeV
●シミュレーション結果
イベント数について
Integral flux
[cm2 s 1 ]
今回、球殻の半径は20cmと設定
-上半球の表面積は約5000cm2
実際は 5000/2×106=2.5×109(/s)
SSDによる検出
SSD1 173counts
SSD2 185counts
一層目のみ反応したカウントはない
p>1MeV
p>10MeV
e>1MeV
e>3MeV
e>10MeV
SSD3 172counts
MCPによる検出
粒子のMCP到達時のエネルギーをプロット
MCP 到達電子の個数 1217
gamma
1974
gamma線 400keV<
MCP到達領域
赤 電子
緑 gamma線
分布に斑があるように見えるが
●まとめと今後
○半導体検出器のみで電子とプロトンの弁別の可能性を検討した。
-100keV~の弁別を実現させるためには12 um以下の薄さの
SSDが必要なことが分かった。
○質量分析器の設計を行った。
-1MeV以下の粒子種の弁別が可能
stop電子の飛行時間の分散を抑えられれば、さらに高いエネルギー
での弁別が可能
○TOFのわりこみについて考察
-エネルギー、飛行時間、電子到達領域の三重相関をとることによる
ノイズ評価
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