MeV-γ線カメラの気球搭載実験 - SAGA-HEP

Balloon borne experiment of
MeV-Gamma Camera
with μ-PIC
H.Nishimura
T.Tanimori, H.Kubo, K.Miuchi, K.Tsuchiya, S.Kabuki,
A.Takeda, Y.Okada, K.Hattori, K.Ueno, S.Kurosawa
(KYOTO University)
Photo: Saga balloon Festi.
 MeV gamma-ray Camera with μ-PIC
 System and Operation
of first balloon experiment
 Summary and Future work
2007 MPGD 研究会＠佐賀
MeV Gamma-ray Astrophysics
COMPTEL(1-30MeV) onboard GRO (1991-2000)
COMPTEL(1-30MeV)
Nucleosynthesis
Supernova:
Nuclear emission from RI
Particle Acceleration
Pulsar, GRB, Solar flare,
32 sources Schönfelder, et al.(2000)
Active Galactic Nuclei
Strong gravitational field
EGRET(>100MeV)
Stellar BH, PBH (Page & Hawking, 1976)
Galaxy evolution・structure
extra-galactic g-ray diffuse BG
Cosmic-ray origin, propagation
galactic g-ray diffuse emission
271 sources Hartman, et al,(1999)
Sensitivity gap
in MeV gamma-ray region
keV
MeV
GeV
TeV
EGRET
sensitivity
Our Goal GLAST(2007)
NeXT
All Sky
survey
～１°
Air
Cherenkov
MeV-gamma Compton Camera
Classical
ex.COMPTEL
Detect energy of e- and γ
and direction of γ
restrict a direction of γincident
in donut-shaped area
Advanced
⇒Our Detector
CGRO衛星COMPTEL
Detect energy of e- and γ
and direction of e- andγ
scinti.
restrict a Liquid
direction
of γinciden
in arc area
Image become broad,
and generate ghost.
15
1.7m
two source image
X [cm]
15
NaI(Tl) scinti
Y [cm]
Y [cm]
15
600 events
-15
-15
Able to image with
less events
-15
150 events
Our Compton Camera
 Gas Time Projection
Chamber (μ-TPC)
Recoil electron with 3D
track and energy
less Multiple Scatter
 Scintillation Camera
Direction and energy of
scatter γ-ray.
Get Direction and energy
of incident gamma-ray
event by event
Geometrical angle v.s Kinematics angle
⇒ Reject incorrect Compton event
To detect recoil electron.
Gas Time Projection Chamber
μ-PIC + GEM
gain 2000 10
Electric Field
(E=0.4kV/cm)
～5000 ～20
Drift Velosity(Ar)
=4cm/msec
3mm
400μm
・Large Volume.
>10×10×10cm
・Strong Structure
・less readout
65000pixel⇒512line
[cm]
Our Camera imaing
137Cs:662keV
40cm
１２ｃｍ
[cm]
622-702keV
137Cs
All range
エネルギー範囲を
指定
54Mn
[cm]
137Cs
785-885keV
[cm]
54Mn
エネルギーを分けた
[cm]
イメージングができる！
54Mn:835keV
[cm]
Our road map
(10cm)3 MeV γ-ray Camera @ Sanriku(2006)
•Operation test of gas-TPC @ 35km
•Cosmic Back ground ・atmosphere gamma-ray
measurement
（expect: 0.1～1MeV Total 300 Photons@35km）
(30cm)3 Camera @Japan 6 hours (2009?)
•Observation of Crab and Cyg X-1
(40cm)3 Camera
Long flight Balloon～10 Days
(50cm)3 Camera all-sky survey on satellite
Balloon Model of Our Camera
Plastic Scinti
GSO
Scinti
TPC
TPC Amplifier
NIM Module
• Scint. AMP
• DAC
φ1×1.4m３
FPGA DATA
taking system
VME Module
• CPU
• ADC
• telemetry
• Counter board
•TPC
10cm μ-PIC+10cmGEM
Xe+Ar+C2H6gas
(80:18:2) 1atm
101014cm3
Gain μ-PIC ×2000
GEM ×15
・GSO scintilator
5cm 33 MAPMT
•Anti Plastic scintillator
30cm×30cm×3mm
DATA
write HDD
+
send ground by FM radio
Balloon container
•container :1.451.21.55m3
•Bessel:φ1×1.4m3
•Container +detector Mass 397kg
Bessel
•Power: ～350W
•Bessel：220W
Inside of Bessel（１atm）
f~1m
Outside of Bessel
DC-DC converter
Battery
Sensors
Al
thickness=3mm
1.4m
MI sensor
Battery
Battery
For Balloon flight
transmitter, receiver,
transponder, buoy,
sensor
GPS
No attitude control
1.55m
Detector
DAQ system・Hard Disk
Sensors
DC-DC conv.
Ballast Case
Balloon
• B100(100,000m3)
• Mass 816kg
(balloon 263kg、gondola397kg
25.8kg、130kg）
• buoyancy 888.2kg
1.55m
1.20m
1.45m
gondola
package
Balloon launch
@ Sanriku, Japan
Our detector Flight
altitude
launch
Flight trace
35.0Km
Level flight
Miyako
宮古
岩手県
Iwate Pre.
０
釜石
kamaishi
気仙沼
kesennuma
宮城県
Miyagi Pre.
32.0Km
１
２
３
４
Obserb.
End
５
６
７
８
[hour]
150km
Flight for 7 hours
AM 5:26(JST) DAQ on
6:11
Launch
8:56 into Level Flight
12:59
13:45
14:32
DAQ off
Slash down
recover by ship
Ｈｚ/ＰＭＴ
Max at 16km
operation end
launch
level flight
Flight Status
・telemetry
no problem
・detector・DAQ
no problem
・rate of data taking
～20Hｚ
・Dead time
～１０％
GSO TRIGGER RATE (No VETO)
GSO （sum）trigger rate
１０３
１０２
１０
DAQ trigger rate
Temperature
０
１
２
３
赤
青
緑
紫
黒
４
５
６
７
CPU
inner air
outer air
Power System
battery（３Ｂ３６）
[hour]
operation of TPC @32km height
Rate of micro discharge
No critical discharge
and damage
for μ-PIC and GEM.
Increasing μ-discharge
caused
by large energy deposit
event .
altitude
launch
End
hour
Charged Particle Mode
Single Track
dE/dx分布（Single track）
ｄE /dx[keV/cm]
Multi Track
red：Landau function
4.8 keV/cm @ peak
MIP
5.3 keV/cm
Observation of MeV Gamma-ray
Preliminary
← Observed γ-ray spectrum
• @height of 32～35 km, 3.5 hour
• with 3str Field of view
• Total ~250 photons
Final result is coming soon...
Next Step
(10cm)3 MeV γ-ray Camera @ Sanriku(2006)
(30cm)3 Camera @Japan 6 hours (2009?)
•Observation of Crab and Cyg X-1
・30×30 cm2 μ-PIC
・23×28cm2 GEM or 15×28cm2GEM×２
・Development
low power read out system
(40cm)3 Camera
⇒CMOS-ASIC with
LongKEK
flight Balloon～10 Days
(50cm)3 Camera all-sky survey on satellite
Conclusion
 Balloon experiment of MeV gamma-ray Camera with μPIC
10X10X14cm３ Gas TPC + GSO Scintillator
measurement of diffuse gamma-ray
 2006/9/1 launch、７hours flight
4 hours level flight at the hight of ３２～３５ｋｍ
 Detect ～250 photons (100keV～１MeV)
 No critical discharge and no damage at detector (μ-PIC)
 Our μ-TPC TPC was operated without any problem.
Future work
more detail analys of flight data
Construct larger detector
ガンマ線観測モード
0.3 MeV
0.5
0.8
Preliminary
1.0
← レベルフライトで観測された
ガンマ線スペクトル
• 高度32～35 km, 3.5時間
• 視野 3str 内のイベントのみ
• Total ~250 photons
Preliminary
天頂角依存性
Atmospheric flux →
Total fluxkeV
• 100～900
(Atmospheric + Cosmic)
• 高度32～35km,
3.5h
0
90
180
Zenith angle [degrees]
← 大気の厚みに対する
カウントレートの変化
Preliminary
cosmic
atmospheric
• 視野(3str)内
• エラーバーは
統計のエラーのみ
• 図中の曲線は
cosmic成分:
Fc = a E–b× exp(-z/τtot)
a,b: free parameter
τtot: mean free path
atmospheric成分:
Fa = c E-d × z
c,d: free parameter
と仮定して
R(z) = ∫(Fc + Fa)εeffdE
でfittingして得たもの
← Diffuse Cosmic Gamma-ray flux
赤線: 今回の実験で得られたflux
30cm角γ線カメラ開発
30cm角ガスTPC
30cm角GSOシンチレーションカメラ
33cm
宇宙線ミューオン
今までの
アレイカメラ
の大きさ
省電力化
•TPC用CMOS LSI
（KEKと共同開発）
•PMT用CMOS LSI
IDE社VATAチップ試験中
通信系
• 気球⇒地上テレメトリー 64kbps Bi-phase
– イベント毎に送信。
• イベントデータ（DAQ取得情報の一部。1kB）
– 1秒毎（GPS 1pps）に送信。
• モニター（電圧・温度・圧力・位置等） 1kB
• カウンター（各種トリガーカウンター） 0.5kB
• 地上⇒気球コマンドダブルトーン 15ch
– 6ch 気球制御用（カッター・排気弁・バラスト等）
– 6ch PI用電源システムON・OFF
– 3ch PI用コマンドテーブル 15メニュー×8項目
DAQコントロール（shutdown）、HVコントロール等
[cm]
イメージングの結果
137Cs:662keV
検出器から40cmの位置に、
１２ｃｍ離した２つの線源
[cm]
622-702keV
137Cs
All range
エネルギー範囲を
指定
54Mn
[cm]
137Cs
785-885keV
[cm]
54Mn
エネルギーを分けた
[cm]
イメージングができる！
54Mn:835keV
[cm]
散乱γ線検出シンチレーションカメラ
662keV γ線全面照射
GSO(Ce)6x6x13mm3
再構成画像
8x8アレイ
抵抗分割読出し
５cm
エネルギー分解能
9.0%@662keV
(FWHM)
8x8マルチアノードPMT
(HPK フラットパネルH8500)
TPCの周囲に33ユニット配置
エネルギー分解能
10%@662keV(FWHM)
8
7
6
5
4
3
2
1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
6
5
7
8
9
6
7
8
9
γ線検出モードの結果
検出レート
エネルギースペクトル
0.5MeV
raw
1.0MeV
Event selection
地上
高度10～15 km
荷電粒子トリガー
モード
回収された検出器
•
•
•
•
•
フレームゆがみ特になし
与圧容器内浸水なし
観測データHDD 損傷なし
ガスTPC 異常なし
GSOシンチ+PMT 異常なし

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