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 JPS_2006-03-28.ppt 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 JPS_2006-03-28.ppt 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 3 JPS_2006-03-28.ppt 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 4 JPS_2006-03-28.ppt 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 5 JPS_2006-03-28.ppt 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 JPS_2006-03-28.ppt 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) 7 JPS_2006-03-28.ppt 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) 8 JPS_2006-03-28.ppt 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) 9 JPS_2006-03-28.ppt 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 10 JPS_2006-03-28.ppt Backup Slides Backup Slides for discussion 11 JPS_2006-03-28.ppt 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 12 JPS_2006-03-28.ppt 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 JPS_2006-03-28.ppt 27 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 14 JPS_2006-03-28.ppt 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) 15 JPS_2006-03-28.ppt 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) 16 JPS_2006-03-28.ppt Effective Area Eth=2 keVを仮定 17
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