JPS_2006-03-28.ppt
天体硬X線偏光計PoGOの開発(I)
水野恒史、山本和英、深沢泰司(広大理)、
金井義和、有元誠、植野優、片岡淳、 河合誠之(東工大)、
郡司修一(山形大学)、
斉藤芳隆、高橋忠幸(ISAS/JAXA)、
T.P.Ylinen、M. Kiss、田島宏康、釜江常好、Z. Apte(SLAC)、
M. Pearce(KTH)
ほかPoGOチーム
目次:
PoGOの概要
開発試験1~3
開発体制、スケジュール
諸元
期待される成果1、2
まとめ
1
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硬X線偏光検出器PoGO
•偏光:天体のジオメトリを直接さぐる、まったく新しいプローブ
シンクロトロン放射
•パルサー:磁場構造、放射機構
•AGN、マイクロクエーサー:磁場構造、ジェットのメカニズム
コンプトン散乱
•ブラックホール連星:降着円盤の構造
slow scintillator (t~200ns)/
•PoGO計画 (Polarized Gamma-ray Observer):passive collimator
2009年初頭の気球による硬X線観測
(25-100 keV)。最初のターゲットはかに
パルサー
日米欧の国際協力
約200本のプラスチックシンチレーター
(t~2ns)からなるコンプトン散乱型偏光計
Suzaku HXD-IIでも採用された井戸型
フォスウィッチカウンタのデザインによる
徹底した低バックグラウンド化を実現
side BGO
(t~300ns)
PMT
bottom BGO
2
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開発試験(I):PMT/シンチレーター
•Kataoka et al. 2005, SPIE 5898, 133
PMT
ブリーダー
高圧電源
コンパクト(1 inch、19 cm、228 g)な筐体に、
PMT、ブリーダー、高圧電源を内蔵
Suzaku HXD-IIのデザインに基づいたブリー
ダー回路
•低消費電力(~300mW/unit; 65W total)
•低ノイズ(高感度)
•宇宙線由来の大パルスに強い
•集光率の向上
極めて高い光量(7-8 p.e./5.9 keV)
55Fe
7-8 p.e./5.9 keV
•Fast/Slow プラスチックシンチレーター、BGO、
反射材も工夫をこらす
フライトコンフィグレーションでも0.5 p.e./keV
観測下限:25 keV
one photon peak
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開発試験(II):波形弁別
slow scinti./passive collimator
Fast scintillator
PMT
241Am BGO crystal
波形弁別(PSD)により、バックグラウ
ンドを落とせることを実証
PSDカット前:
PSDカット後:
241Am)
•Fastシンチレーター(
•241Amのみと同
20keV
90
•Slowシンチレーター(
じスペクトル Sr)
Slow branch
Slow Shaper Out
90Sr
Test by T. Ylinen and M. Kiss (SLAC)
Fast branch
241Am
ピーク
60keV
Fast Shaper Out
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開発試験(III):ビーム試験
•定期的にビーム試験を行い、検出器およびシミュレーターの開発にフィードバック
2003年Argonne (Mizuno et al. 2005, NIMA 540, 158)
•Fastシンチ7ユニットによる動作原理の確認。MCのValidation (G4の修正)。
2004年KEK (Kataoka et al. 2005, SPIE 5898, 133)
•フライトPMTを用いた、30 keVまでの試験
2005年KEK (Kanai et al. in preparation)
詳細は植野の講演
•Slowシンチ、BGOも含んだフルユニット
•波形弁別の実証と25 keVまでの試験(観測下限域)
Modulation Curve for 73 keV beam
MCの予想
実データ
Modulation Factor:
42+-1 %(data) vs. ~47 %(simulation)
装置の回転角
Argonneビーム試験(2003)より
beam direction
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開発体制とスケジュール
•日本:東京工業大学、広島大学、山形大学、JAXA/ISAS
PMT、ビーム試験、データ収集システム、センサー試験、シミュレーション
•米国:
データ収集システム、プラスチックシンチレーター、センサー試験および組み上げ、
気球実験、理論モデル
•スウェーデンおよびフランス:
国際協力のもと、
2009年初頭のフライト
を目指す
BGOシンチレーター、 反射材、理論モデル
2003
2004
Proposal
to NASA
Spring8/Argonne
Beam Test
2005
KEK
Beam Test
2006
2007
2008
Proton Beam
Test (Osaka) Sensor
Complete
Next Proposal
Gondola
KEK to NASA
Ready
Beam Test
Flight
Instrument
Integration
1st prototype
2nd prototype
(fast scinti. 7 units)
(fast/slow 19 units+anti) Flight Instrument
Integration and Test
6
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PoGOの諸元
エネルギーバンド(典型値)
25-100 keV
幾何学面積
930 cm2
有効面積(maximum; @40 keV)
250 cm2
バックグラウンド(for ~40 keV)
10-20 mCrab
100mCrab(100%偏光)に対するModulation Factor (6時間のフライト)
23%
100mCrabに対する3 s検出限界偏光度 (6時間のフライト)
<=10%
超低バックグラウンドによる、高感度を実現
Expected source and BG spectra
Modulation Curve for 100 mCrab source, 6h obs.
100 mCrab(incident)
100 mCrab
(detected)
Signal/BG=~4
MF=22.8+-0.7 % (30s)
BG total
(CXB/ atmospheric downward/upward)
20
100 keV
BG
散乱の方位角(rad)
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PoGOで期待される成果(I)
Dyks and Rudak, ApJ, 2003
Polar cap Caustic
Outer gap
高い感度を生かした観測
かにパルサーからの世界初のX線偏
光の検出
パルサーの放射機構の解明
6時間のフライトで、放射モデルを明確に区別可能
モデル毎に異なる偏光度、方位角が予想される
パルス強度
Modulation Curve for the 1st peak
偏光の方位角
Polar Capモデルの予想
(A. Hardingによる)
パルス位相
polar cap model
caustic model
outer gap model
散乱の方位角(rad)
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PoGOで期待される成果 (II)
•ブラックホール連星(Hard State)
Cyg X-1など
降着円盤による散乱の直接検証
系のジオメトリの決定
•AGN、マイクロクエーサー
Mkn501, 1ES1959+650、
GRS1915+105など
X線シンクロトロンの直接検証
磁場構造->ジェットのメカニズム
•X線パルサー(連星系)
Her X-1など
強磁場中での光子伝播、コンプトン
散乱に関するQED予想の検証
有元修論より
10%偏光を仮定
MF: 2.7±0.2%
( ~15σ detection)
散乱の方位角(rad)
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まとめと今後の課題
•PoGO (Polarized Gamma-ray Observer)
硬X線(25-100 keV)での高感度偏光観測
日米欧の国際協力
2009年初頭の気球観測を目指す(かにパルサー、他)
10-20 mCrabという低バックグラウンド
•精力的な開発試験
コンパクト、高性能なPMT
高い光量と透過率を持つシンチレーター
実験室レベルでの波形弁別、偏光測定の実証
定期的なビーム試験
実験とシミュレーションの相互フィードバック
•多様な観測対象
パルサー(磁場構造と放射機構、QED予想の検証)
ブラックホール連星(降着円盤の構造)
AGN/マイクロクェーサー(磁場構造、ジェットのメカニズム)
今年度は、、、
シンクロトロンビーム試験、陽子ビーム試験
気球搭載用読み出し回路の開発
フライトユニットの製作、性能評価に着手
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Backup Slides
Backup Slides for discussion
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ブリーダー回路
②
①
Suzaku HXD-IIのデザインを踏襲(実証済み!)
(1) ゲインの安定性
(2) 大パルスに対する早いリカバリ
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大パルス応答(1)
random
pulse
generator
discri
logic
level
adapter
gate
generator
attenuator
scaler
LED
241Am
Dy
CSA
R7899 ZL5951
BGO
HV = +1100 V
scintillator
shaper
τ= 1 us
ADC
oscilloscope
Weak scintillation light from BGO crystal (241Am: ~100Hz)
were read by PMT-ASSY, under a random illumination of
high-counting (> 100 Hz), large (~ 100 MeV) LED signals.
13
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大パルス応答(2)
Recovery time is < 80ms.
80 ms
Peak ch of 59.5 keV signal
is unchanged within 5% level.
Noise increased with LED
rate, but < 0.4 p.e. for 1kHz.
241Am
すばやいリカバリ
peak ch
低ノイズ
±5%
安定したゲイン
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Bug fix of Geant4 (1):Rayleigh Scattering
(a)100%偏光した単色(100keV)
のγ線を入射
Rayleigh散乱後の偏光ベクト
ルと運動量ベクトルのなす角
-- Geant4
(original)
-- Geant4
(with PoGO-fix)
(b)217ユニットのプラスチックシンチレータ
(full size PoGO)に、100%偏光したCrabの
スペクトル(25-200keV)を入射
初回のコンプトン散乱の際の、方位角の異方性
cos(theta)
•G4のRayleigh散乱には偏
光のプロセスがなく、結果と
して偏光の情報が失われる
->修正
-- Geant4 (original) : MF=46.5%
-- Geant4 (with fix) : MF=49.4%
-- EGS4
: MF=49.4%
散乱の方位角(度)
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Bug fix of Geant4 (2): Compton Scattering
(a)100%偏光した単色(100keV)
のγ線を入射
前方Compton散乱後の偏光ベ
クトルの向き(Thomson極限)
-- Geant4
(original)
-- Geant4
(with PoGO-fix)
217ユニットのプラスチックシンチレータ
(full size PoGO)に、100%偏光したCrabの
スペクトル(25-200keV)を入射
2回めのコンプトン散乱の際の、方位角の異方性
方位角(度)
•G4でCompton散乱の際、偏光
ベクトルの向きがばらばらにさ
れ、次の散乱での異方性がなま
される->修正
•Rayleigh散乱、コンプトン散乱の
プロセス修正後のG4は、PoGO
のエネルギー範囲でEGS4と数%
で一致
-- Geant4 (original) : MF=16.7%
-- Geant4 (with fix) : MF=32.5%
-- EGS4
: MF=32.5%
散乱の方位角(度)
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Effective Area
Eth=2 keVを仮定
17
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JPS_2006-03-28 10 まとめと