Development of low energy ion analyzer for ERG

ERG衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器
の飛行時間分析部の特性評価
斎藤研 M2 白井康裕
本日の流れ
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開発の意義
LEP-iの紹介
実験＆シミュレーション内容
実験＆シミュレーション結果
まとめ
内部磁気圏
内部磁気圏は様々なエネルギー粒子が共存する領域
電離圏プラズマ
これまで高エネルギー粒子による背景ノイズが原因で低エネルギー粒子の観測が困難だった
背景ノイズを除去可能な観測器の開発が必要となっている
LEP-i
飛行時間分析部は16セクタ(22.5°分割)で構成され、どのセクターも同じ構造になっている。
ion
Carbon foil
electron
MCP
ion
Post acceleration
carbon foilを通過できるだけのエネルギ
ーをもたせるために+5kV加速させる
[Uchida 2008] modified
現在、飛行時間分析部だけを試作し、構造・性能評価を行っている
飛行時間分析部の検出原理
Time Of Flight法によって飛行時間を測定
ionが当たることで
二次電子が発生
Ion beam
carbon foil
electronの
飛行時間
L
start信号,stop信号の検出タイミングの
時間差を計測することでion の飛行時間を測定
Foil通過時のタイミング
ionの飛行時間:ti
(te)
距離：L
start
stop
time
ti
te
⊿t
MCP
start信号
stop信号
m/qがわかる
得られたイオンの飛行時間、距離と静電分析部で得られたE/qを用いて
m
E ti 2
 2( )( )
q
q L
ノイズ対策のための工夫
検出部の面積を小さくすること
[mm]
CLUSTER/CIS
開発中のLEP-i
anodeの形
start anode
stop anode
10
30
50
70
90 [mm]
[Uchida 2008] modified
z
Simulationで得られた電子・イオン(H+)の軌道
φ
r
r
飛行時間分析部の特性評価実験
目的
これまでの計算機シミュレーションによる設計を踏まえて試作した飛行時間分析部に直接
イオンビームを照射する。シミュレーションと実験の結果を比較し、設計通りの性能、
構造となっていることを確認する。
ion beam
slit
-3500[V]
-4850[V]
-4900[V]
-3700[V]
ion
electron
MCP
図スリットと飛行時間分析部
イオン計測試験セットアップ
真空チェンバー
slit
(
ジ
ン
バ
ル
垂
直
回
転
盤
c
sensor
c
start signal
)
オシロ
高圧電源
stop signal
カウンタ
飛行時間計測回路
PC
実験①
目的
飛行時間分析部がそれぞれのイオン種(H+, He++, He+, O+)の飛行時間を正しく
計測できることを確認する。
実験内容
イオン種H+, He+, He++, O+のそれぞれについて粒子エネルギー2keV/q、8keV/qの
イオンビームを飛行時間分析部へ照射し、計測を行う。
ion beam
1 sector
セクター中心
幅2mmのslit
φ=22.5deg
Foil folder
φ
r
electron
ion
TOF profile 2keV/q
H+
He++
simulation
Arbitrary unit
experiment
He+
O+
0
20
40
60
80
100
Time-of-flight[ns]
120
140
O+以外は実験とシミュレーションはよく合っていて、十分分別可能である
H+
TOF profile 8keV/q
He++
simulation
Arbitrary unit
He+
experiment
O+
0
20
40
60
80
100
Time-of-flight[ns]
120
実験とシミュレーションはよく合っていて、十分分別可能である
140
実験②，③
目的
本センサーはstart anodeの面積をできるだけ小さくする工夫をしている。イオンビームに
対してφ方向、radial方向それぞれについてセンサーの回転、電極への印加電圧の変更
などを行う。
カウントレートの変化から二次電子の軌道が設計通りに収束していることを確認する。
Φ方向のカウントレートを調べる
radial方向のカウントレートを調べる
実験内容②
実験内容③
ジンバルを回転させ、2°ごとに
START、STOP カウントレートを計
測する。
飛行時間分析部内の電極Bの電圧を-4900Vまで
変化させて計測する
ion beam
セクター中心
Foil folder
幅2mm
φ=22.5deg
φ
r
electron
ion
8keV/qのプロトンビームの場合
①Φ方向へ照射位置を変化させた結果
Arbitrary unit
start count rate
stop count rate
太線・・・・experiment
細線・・・・simulation
-10
-8
-6
-4
-2
セクター中心からの角度[deg]
実験とsimulationはよく合っている
0
8keV/qのプロトンビームの場合
②電圧を変えた結果(電子の軌道と到達位置)
B=-3500[V] : simulation
B=-4500[V] : simulation
Start MCP
Stop MCP
φ
r
電圧を上げることでstartアノードに来ていた電子がstopアノードへ移動する
8keV/qのプロトンビームの場合
②電圧を変えた結果（カウントレート）
太線・・・・experiment
細線・・・・simulation
Arbitrary unit
stop count rate
イオンの量子効率：0.6
電子の量子効率：0.45とする
start count rate
-3400
-3600
-3800
-4000
電極Ｂの電圧[V]
よく合っている
-4200
-4400
-4600
まとめ
• 飛行時間分析部に直接イオンビームを照射させることで特性評価を行っ
た.
• E/q=2keV/q, 8keV/qの H+, He++, He+, O+ の各イオン種を十分弁別可能
であることが分かった.
• 2keV/q, 8keV/qのイオンの飛行時間について、カーボンフォイルの厚みを
100Åとしてシミュレーションを行ったとき、2keV/qのO+を除いて実験デー
タとよく合っている.
• セクターの端ではstartとstopのカウントレートがともに減少する。これは計
算機シミュレーションの結果と一致する.
• 飛行時間分析部内の電位配分を変え、カウントレートを計測した。その結
果、ε_i=0.6, ε_e=0.45のときの計算機シミュレーションとよく合った。
Future work
• １セクターは22.5°の角度幅を持っている。今回はセクター中央に粒子が入射
した場合の結果を示したが、実際には他の角度からの入射を考慮する必要が
ある。実験データは得られており、今後詳細な解析を行う。
• 静電分析部の設計
• 静電分析部＋飛行時間分析部の特性評価試験
資料
TOF profile 2keV/q(50A)
H+
He++
simulation
Arbitrary unit
experiment
He+
O+
0
20
40
60
80
100
Time-of-flight[ns]
120
140
H+
TOF profile 8keV/q(50A)
He++
simulation
Arbitrary unit
He+
experiment
O+
0
20
40
60
80
100
Time-of-flight[ns]
120
140
Ring currentに関する諸問題
それぞれの過程を理解するために定量的な観測が求められる
生成過程
Ionospheric plasma
Ring current
O+
Solar wind
Which way?
Plasma sheet
消失過程
電離圏粒子との電荷交換による中性粒子化
磁気圏外への流出
ピッチ角散乱、波動粒子相互作用による電離圏への落ち込み
過去の観測
図
観
測
位
置
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
図 cluster衛星によって観測した低エネルギーイオン
信号が高エネルギー粒子による背景ノイズに隠れてしまう
ERGミッション
ERG mission
特徴
広いエネルギーレンジによる
粒子・電磁場・波動の初の総合観測
太陽活動極大期(2014?)に打ち上げ予定
他衛星(RBSP(NASA), ORBITALS(カナダ))との連携
軌道
近地点高度：250km
遠地点高度：25000km
ERG衛星に搭載予定の粒子観測機器
電子観測器
0.1eV
12eV
5keV
10eV
30keV
20keV
200keV
2MeV
80keV
ion観測器
0.5eV
10eV
10keV
100eV
25keV
180keV
20MeV
LEP-iの役割
Ring currentの観測には粒子と電磁波・波動の総合観測が必要.
LEP-iはその一端を担う
Ring currentに存在するO+の供給源は地球の電離圏とされるため
どのようにして加速されるかをみるためには低エネルギーion観測が必要不可欠
高エネルギー粒子に対するノイズ対策を施した小型・高性能な観測器が必要
LEP-iの計測概念
incoming ion
静電分析部
飛行時間分析部(TOF unit)
v
E/q
M/q
静電分析部の検出原理
球殻状の極板に電圧をかけることで
E/q を測定
Energy range:10eV/q ～25keV/q
E1<E2<E3
Router
軸対称
Rc=(Rinner+Router)/2
ΔR=Router - Rinner
Rinner
m v2

q
Rc
R c
式変形
m: 荷電粒子の質量
v : 荷電粒子の速度
E: 荷電粒子のエネルギー
q: 電荷
⊿Φ: 極板間に生じる電位
E m v2    Rc 




q
2q  2  R 
飛行時間分析部の検出原理
Time Of Flight法によって飛行時間を測定
ionが当たることで
二次電子が発生
静電分析部
を通過したion
carbon foil
electronの
飛行時間
L
start信号,stop信号の検出タイミングの
時間差を計測することでion の飛行時間を測定
Foil通過時のタイミング
ionの飛行時間:ti
(te)
距離：L
start
stop
time
ti
te
⊿t
MCP
start信号
stop信号
m/qがわかる
得られたイオンの飛行時間、距離と静電分析部で得られたE/qを用いて
m
E ti 2
 2( )( )
q
q L
8keV/qのプロトンビームの場合
②電圧を変えた結果（カウントレート）
ε_i:0.1
太線・・・・experiment
細線・・・・simulation
Arbitrary unit
ε_i:0.6
stop count rate
ε_se=0.75ε_iとする
start count rate
-3400
-3600
-3800
-4000
-4200
-4400
電極Ｂの電圧[V]
イオンの量子効率を0.6としたときによく合っている
-4600
ノイズ対策のための工夫①
時間・空間による二重相関を取ること
時間的相関
Start電子が検出されてから150nsec以内にstopMCPに入った粒子をstop信号とする
electron
H+
O++
ノイズとして除去
time
t0
te
tH+
To++ 150nsec
空間的相関
セクター構造にする(22.5°分割)
[Uchida 2008] modified
ノイズ対策のための工夫②
検出部の面積を小さくすること
[mm]
CLUSTER/CIS
開発中のLEP-i
anodeの形
start anode
stop anode
10
30
50
70
90 [mm]
[Uchida 2008] modified
先行研究
静電分析部と飛行時間分析部の設計開発によって、すでに十分な性能を得られている
E/q ~10eV/q
図静電分析部での粒子軌道
E/q ~23keV/q
TOF profile simulation
E/q～23keV/q
E/q～10eV/q
H+
He++
He+
O++
O+
それぞれのエネルギーで十分に質量弁別可能である
それぞれのカウントレート
LEP-iの性能
LEP-iの性能
Energy range
10eV/q~25keV/q
Time resolution
8sec
Angle resolution(azimuth) 22.5°
Angle resolution(elevation) 5°(FWHM)
Energy resolution 16% (FWHM)
G-factor
2.6x10-3 cm2 sr keV/keV/22.5°
angle 1.25deg
angle 3.25deg
angle 5.25deg
angle 7.25deg
angle 9.25deg
angle 11.25deg
B:-3500V
B:-3600V(B-100V)
B:-3700V(B-200V)
B:-3800V(B-300V)
B:-3900V(B-400V)
B:-4000V(B-500V)
B:-4100V(B-600V)
B:-4200V(B-700V)
B:-4300V(B-800V)
B:-4400V(B-900V)
B:-4500V(B-1000V)

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