TALE 実験用地表検出器のた めの
データ 通信エレ ク ト ロ ニク ス の開発
(The development of the data communication electronics
for the surface detectors of the TALE experiment)
理学研究科
数物系専攻
後藤昂司
目次
第 1 章 2nd knee 領域の宇宙線
1.1 宇宙線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 宇宙線のエネ ルギース ペク ト ル . . . . . . .
1.1.2 宇宙線の化学組成 . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 宇宙線の加速機構 . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 2nd knee 領域の宇宙線 . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 宇宙線起源の銀河系内から 銀河系外への遷移
1.2.2 宇宙線源の進化 . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 LHC と 空気シャ ワ ー現象 . . . . . . . . . .
1.3 空気シャ ワ ーと 宇宙線観測 . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 空気シャ ワ ー現象 . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 空気シャ ワ ーの縦方向発達 . . . . . . . . . .
1.3.3 空気シャ ワ ーの横方向分布 . . . . . . . . . .
1.3.4 空気シャ ワ ー粒子の到来時刻分布 . . . . . .
1.3.5 空気シャ ワ ーの観測方法 . . . . . . . . . . .
1.4 観測結果の現状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 エネ ルギース ペク ト ル . . . . . . . . . . . .
1.4.2 質量組成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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第 2 章 TA Low Energy extension (TALE) 実験
2.1 TALE 実験の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 宇宙線起源の銀河系内から 銀河系外への遷移の検出 . . . . .
2.1.2 宇宙線源の進化の解明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 ハド ロ ン 相互作用モデルへのフ ィ ード バッ ク . . . . . . . . .
2.2 TA 実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 TA 実験の地表検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 TA 実験の大気蛍光望遠鏡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 TALE 実験の装置の概観 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 地表検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 地表検出器基本構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 地表検出器電子回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 通信塔基本構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4 ト リ ガー DAQ サイ ク ル概観 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.5 各検出器に おけ る データ バッ フ ァ リ ン グと レ ベル 1 ト リ ガー
2.4.6 通信塔に おけ る レ ベル 2 ト リ ガー . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.7 モニタ ー情報と モニタ リ ン グシス テム . . . . . . . . . . . .
2.4.8 バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン 信号に 対応する エネ ルギー損失
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2.5
大気蛍光望遠鏡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 光学系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
第 3 章 TA 実験用 SD のエレ ク ト ロ ニク ス及びフ ァ ームウ ェ ア
3.1 CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 start.asm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 ブート コ ード 部分 . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 割り 込み処理ハン ド ラ 部分 . . . . . . . . . . . .
3.3 main.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 メ モリ の初期化 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 ハード ウ ェ ア の初期化 . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 ソ フ ト ウ ェ ア の開始 . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 タ イ ト ル画面表示 . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 メ イ ン のタ ス ク ループン . . . . . . . . . . . . .
3.4 FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 u0 wmodem . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 u wm send buf . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 u wm recv buf . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 u wm if . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.5 u wm init . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.6 u wm sercmd . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.7 u wm recv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 無線 LAN モジュ ール . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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第 4 章 TALE 実験用 SD のための通信エレ ク ト ロ ニク ス
4.1 TALE 実験用 SD のための無線 LAN モデム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 無線 LAN モデム の選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Redpine Signals 社製無線 LAN モデム RS9110-N-11-02 の性能と 動作の概要
4.2 フ ァ ーム ウ ェ ア の最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 ア ド リ ン ク と レ ッ ド パイ ン の通信量の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 TALE 実験用 SD エレ ク ト ロ ニク ス を 用いた通信テス ト . . . . . . . . . . . . . . .
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第 5 章 TALE 実験の現状と そ の性能
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第 6 章 結論
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要旨
宇宙線物理学と いう 研究分野で， 現在最も 興味深いト ピッ ク スの一つは”2nd knee” である ． 2nd
knee と は宇宙線のエネ ルギース ペク ト ルの 1017.5 eV 付近に 見ら れる 折れ曲がり 構造である ．
1017 eV 付近のエネ ルギー領域では宇宙線の組成が鉄である と いう 結果が出て おり ， ま た， 宇宙
線望遠鏡実験 (Telescope Array Experiment， TA 実験) は 1018.2 ∼ 1019.5 で宇宙線の組成は陽子
であ る と いう 結果を 出し て いる ． 銀河系内で陽子が 1018 eV 以上のエネ ルギーま で加速さ れる 可
能性は非常に 低く ， ま た 銀河系内起源で最も 高いエネ ルギーを 持つ宇宙線は， 磁場に よ る 閉じ 込
め効果が最も 高い， すな わち 電荷の大き い， 鉄だと 考え ら れて いる ． そ こ で， こ の 2nd knee と い
う 折れ曲がり 構造は， 宇宙線の起源が銀河系 ⌈ 内 ⌋ から 銀河系 ⌈ 外 ⌋ へと 移り 変わっ て いる こ と
に 対応し て いる のではな いかと 考え ら れて いる ．
ま た ， 銀河系外起源の宇宙線は， 主に ， 宇宙の膨張と 宇宙背景放射 (Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR) と の相互作用に よ っ て そ のエネ ルギーを 失う ． こ れら のエネ ルギー損
失過程は， 宇宙線源から 地球への伝搬距離によ る ため， 観測さ れる エネ ルギースペク ト ルには， 距
離毎の宇宙線発生源の密度の違いを 反映し たさ ま ざま な の構造が見ら れる と 予想さ れる ． そ し て ，
2nd knee 領域では赤方偏移パラ メ ータ ー z が 1 程度の宇宙論的距離に ある 宇宙線源の寄与が支配
的である と 考え ら れて いる ．
そ こ で， こ の興味深い 2nd knee エネ ルギー領域の組成と エネ ルギース ペク ト ルを 精密に 測定
し ， 宇宙線源の銀河系内から 銀河系外への遷移と 宇宙線源の密度と 距離の変化を 明かに する た め
に TA Low Energy extention (TALE) 実験が進んでいる ． TALE 実験は TA 実験に 隣接し て ， 10
台の大気蛍光望遠鏡 (Fluorescence Detector, FD) と 105 台の地表検出器 (Surface Detector, SD)
を 設置する ．
本研究では TALE 実験用の無線 LAN モデム を 選定， 交換し ， それに伴い SD 用エレ ク ト ロ ニク
ス内の CPU と FPGA のフ ァ ーム ウ ェ アを 書き 換え て 最適化し た． ま た TALE 用に最適化し た SD
エレ ク ト ロ ニク スで通信テスト を 行っ た． TALE 実験用無線 LAN モデム の候補機を 用いて 米国ユ
タ 州に あ る TA 実験サイ ト 内で通信テ ス ト を し た 結果， Redpine signals 社製の RS9110-N-11-02
を 選んだ． こ のモデム はホス ト イ ン タ ーフ ェ イ ス に UART や SPI を 採用し て おり ， TA 実験で使
用さ れて いる ADTEK 社製無線 LAN モデム ADLINK540F.RF よ り 扱いやすく ， ま たモデム 自体
が手に 入り やすいと いう 利点があ る ． し かし RS9110-N-11-02 は， 独自のヘッ ダを 構成する こ と
が可能で結果的に 1 パケ ッ ト あたり のデータ サイ ズを 小さ く する こ と ができ る ADLINK540F.RF
よ り ， 一回の無線通信に かかる データ 量が多いと いう 問題点も ある ． だが TALE 実験では 1 つの
通信塔がやり 取り する SD の台数が TA 実験よ り も 少な いた め， 総通信量は減る と いう こ と がわ
かっ て いる ． こ のよ う な 違いを 考慮し ， CPU と FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア を 書き 換え て TALE 実
験用エレ ク ト ロ ニク ス を 完成さ せた． ま た TALE 実験用に 最適化し た SD エレ ク ト ロ ニク ス で通
信テス ト を 実施し た． そ の結果， 通信に かかる 時間は 386Byte の転送に 21.6m 秒と ， TALE 実験
のために 必要な 速度の約半分し か出せて いな いこ と がわかっ たが， こ れは FPGA のフ ァ ーム ウ ェ
ア を 書き 換え て ， エレ ク ト ロ ニク ス 内でのデータ 通信速度を 向上さ せる こ と で解決でき る 目途が
立っ て いる ．
こ の完成さ せた SD エレ ク ト ロ ニク ス を 使っ て TALE 検出器を 完成さ せる と ， ハイ ブリ ッ ド 事
象の最頻エネ ルギーは 1017.3 eV と な り ， こ れは 2nd knee(1017.5 eV 付近) よ り 低い． ま た ， 年間
事象数 5000 イ ベン ト が期待でき ， 数年の観測から こ のエネ ルギー領域のエネ ルギース ペク ト ルと
化学組成を 明ら かに する 予定である ．
第1章
1.1
2nd knee 領域の宇宙線
宇宙線
宇宙線と は宇宙空間に 存在する 高エネ ルギー放射線であり ， 1912 年に オース ト リ ア の物理学者
V.F.Hess に よ っ て 発見さ れた ． 1 核子の持つエネ ルギーを 1010 eV∼1011 eV の範囲で見る と ， 宇
宙線の成分は約 82% が陽子で， 約 11% が α 粒子， 残り はそ れよ り 重い原子核であ る ． こ れま で
に 観測さ れた 宇宙線のエネ ルギーは 108 eV から 1020 eV 以上ま での広範囲に わたっ て おり ， そ の
到来頻度はエネ ルギーのほぼ 3 乗に 比例し て 小さ く な る こ と が知ら れて いる ． (図 1.1)
図 1.1: 一次宇宙線のエネ ルギース ペク ト ル．
1.1.1
宇宙線のエネルギースペク ト ル
太陽活動の影響を 受け な い 1010 eV を 越え る エネ ルギー領域では， 宇宙線のエネ ルギース ペク
ト ルはエネ ルギーの冪乗 F (E) = K × E −γ で近似さ れる ．
1
図 1.2: 一次宇宙線のエネ ルギース ペク ト ル． 1015 eV,1017.5 eV,1018.5 eV 付近に 構造がある のが分
かる ． [1]
1013 eV から 1020 eV のエネ ルギー領域のフ ラ ッ ク ス に E 3 を 掛け た も のを 図 1.2 に 示す． 宇宙
線の冪 γ は 1015 eV 付近ま では ∼ 2.7 であり ， そこ から γ ∼ 3.0 と 変化し ， 1017.5 eV 付近でさ ら に
傾き が急に な り ， 1018.5 eV 付近から ま た γ ∼ 2.7 と な る ． こ れら 3 つのス ペク ト ルの折れ曲がり
を そ れぞれ “knee”， “2nd knee”， “ankle” と 呼んでいる ．
knee よ り 低いエネ ルギー領域の宇宙線は， 超新星爆発の衝撃波で加速さ れる と 考え ら れて いる ．
ま た， 1015 eV 以上の宇宙線はこ れ以下のエネ ルギー領域と は別の機構， 例え ば， 超新星爆発の磁
場がも っ と 強い場合や恒星と コ ン パク ト 星 (中性子星やブラ ッ ク ホール ) の連星な ど で宇宙線が生
成， 加速さ れて いる と 考え ら れて いる ．
knee でのス ペク ト ルの折れ曲がり の原因に は全く 別の考え 方も ある ． そ れは， こ のエネ ルギー
以上では荷電粒子のラ ーモア 半径 rL が銀河円盤の厚さ よ り も 大き く な る ため， 粒子が銀河円盤の
外に 逃げ出し て いく 効果が現れる ， と いう も のである ． 銀河磁場は約 3 µG な ので， 1015 eV の陽
子では rL ∼ 0.3 pc と な る ． こ の値は銀河円盤の厚さ よ り 小さ いが， 銀河風の効果を 合わせる と ，
こ れ以上のエネ ルギーを 持つ宇宙線に 対し て は銀河系内への閉じ 込め効果が効き に く く な る ため，
エネ ルギース ペク ト ルの冪が大き く な る と する 考察がある [2]．
ankle 領域のエネ ルギーの宇宙線に ついて も 複数の理論があ る ． 1 つは knee と 同様に 宇宙線に
対し て 銀河内への閉じ 込め効果が効き に く く な り ， 十分に 加速でき な いた め， 主要な 宇宙線の起
源が銀河系内から 銀河系外へと 遷移する と いう 考え 方であ る ． こ の場合は ankle 周辺での銀河系
内起源の宇宙線の到来方向に 異方性が検出さ れる と 期待さ れる ． ま た ， 化学組成は宇宙線の起源
の変化に 伴っ て 1 次エネ ルギーの増加と と も に 鉄から 陽子へと 変化し て いる と 期待さ れる ． 一方，
ankle 構造が p γ → p e+ e− の対生成に よ る エネ ルギー損失に よ っ て 生じ る と いう 解釈も あ る ． そ
う する と 化学組成は ankle を はさ んだ高いエネ ルギー側， 低エネ ルギー側ど ち ら でも 陽子のま ま
で変化し な いと 予想さ れる ．
ま た 1017 eV 付近で粒子種が鉄であ る と いう 結果も 出て お り [2]， 1017 eV 付近から ankle 領域
2
で組成が変わら な け ればな ら な い． そ の組成の変化が 1017.5 eV 付近の折れ曲がり に 現れて いて ，
“2nd knee” に 対応し て る と する 考え も ある ．
1.1.2
宇宙線の化学組成
宇宙線の化学組成は， 宇宙の化学組成と 比べる と ， 図 1.3 に 見ら れる よ う に MeV のオーダーの
エネ ルギー領域では， 重い元素が H， He に 比べて 相対的に 多い [3]． こ れは H， He が加速領域に
入る 際に 比較的イ オン 化さ れに く いこ と と 関係があ る と 考え ら れて いる ． し かし ， 大ま かに 見る
と 宇宙線の化学組成と ， 宇宙の化学組成はよ く 一致し て いる ． 原子は星の中で核融合に よ っ て 合
成さ れ， 星風や爆発に よ っ て 星間物質と な り ， 再び凝縮し て 星と な る と いう のを 繰り 返し て ， 宇
宙の化学組成を 形成し て いる ． つま り ， 宇宙線の化学組成が宇宙の化学組成から 大き く ずれて い
な いのは， 星の中で合成さ れた 原子核が何ら かの形で加速さ れて 宇宙線と な っ て いる こ と を 示し
て いる ． 宇宙線の化学組成に は， 宇宙線の原子核がど こ で合成さ れ， ど こ で加速さ れ， ど のよ う
に し て 伝播し て き た のかが反映さ れて いる はずであ る ． 従っ て ， 宇宙線中の放射性同位体比や重
元素比を 知る こ と で， 宇宙線の起源に ついて 知る こ と ができ る ．
knee よ り 低いエネ ルギー領域の宇宙線の観測は人工衛星や気球， 惑星探査機な ど の飛翔体技術
の発達と 測定技術の向上に よ り Fe グループま での元素に 対し て は精度よ く 行われて いる ． そ の構
成比は数 10 MeV∼ 数 10 GeV ま ではほと んど 変わら な い． 図 1.3 に He から Ni ま での領域での，
宇宙線の組成と 太陽系の組成と の比較を 示す [3]． こ こ から ， Li， Be， B と Sc， Ti， V， Cr， Mn
の二つの元素群が， 太陽系物質に 比べて 宇宙線に は圧倒的に 多いこ と がわかる ． こ れら の元素は
星の核合成の最終生成物と し て は非常に 少な いが， 炭素や酸素核の破砕に よ っ て Li， Be， B が，
鉄の破砕に よ っ て Sc から Mn ま での原子核が生成さ れる ためである ．
そ れら は宇宙線と 星間物質と の衝突でつく ら れる ． 破砕の断面積は分かっ て いる ので， 宇宙線
がつく ら れて から 観測さ れる ま で通過し た 物質量に ついて 知る こ と ができ る ． 宇宙線の大部分が
横切る 物質量の平均値は X = 5 ∼ 10 g/cm2 程度であ る ． 銀河円盤の密度 ρN は， 1cm3 に つき 陽
子 1 個程度である から ， 物質のこ の厚さ は長さ に し て
l = X/(mP ρN ) = 3 × 1024 cm ≈ 1000 kpc
(1.1)
宇宙線がも っ と 薄い銀河ハロ ーを 通る 可能性も 考え る と ， こ の値は通過し た 距離の下限値であ
る ． いずれに せよ ， d を 銀河円盤の厚さ の半分と すれば l ≫ d≈ 0.1 kpc であ る ． こ のこ と は， 宇
宙線の閉じ 込めは， 銀河間空間に 逃げ出す前に 長い間飛び回る 拡散過程である こ と を 意味し て る ．
1.1.3
宇宙線の加速機構
宇宙線の加速機構に ついて も 多く の議論がな さ れて いる ． 宇宙線の加速機構を 考え る 上で， 先
に 述べた よ う な 冪型のエネ ルギース ペク ト ルを 導き 出せる こ と が必須条件と な る ． 現在， こ の条
件を 満たす加速機構と し て 最も 有力と さ れて いる のが “フ ェ ルミ 加速機構” である [4]．
フ ェ ルミ 加速
フ ェ ルミ 加速は 1949 年に Fermi に よ っ て 提唱さ れた 荷電粒子加速理論で， 荷電粒子が磁場を
持っ た 星間雲と の衝突を 繰り 返すこ と に よ っ て 運動エネ ルギーを 得る と いう 統計的な 加速モデル
であ る ． こ れに よ れば， 星間雲と 荷電粒子の衝突方向は統計的に ラ ン ダム であ る が， 粒子の 1 回
3
図 1.3: Si を 100 と し たと き の， 宇宙線の組成と 太陽系の組成． • は 70 ∼280 MeV の低エネ ルギー
の宇宙線， ◦ は 1000 ∼2000 MeV 高エネ ルギーの宇宙線， ⋄ は太陽系の組成を 表し て いる [3]．
4
の衝突あ た り の平均的な エネ ルギー増加量 ∆E は正であ り ， ∆E = αE と 粒子のエネ ルギーに 比
例する こ と が示さ れる ． 星間雲と の衝突に よ る 加速は， こ の α が星間雲の移動速度の 2 乗に 比例
する こ と から ， 2 次のフ ェ ルミ 加速と 呼ばれる ． 実際の宇宙線加速モデルと し て は， こ の 2 次フ ェ
ルミ 加速よ り も プラ ズマ 衝撃波に よ る 加速が有力であ る と 考え ら れて いる ． こ の場合， 加速領域
の形状の考察から α が衝撃波の移動速度の 1 乗に 比例する こ と が示さ れ， 1 次のフ ェ ルミ 加速と
呼ばれる ． 荷電粒子が衝撃波と の 1 回の衝突で ∆E = αE のエネ ルギーを 獲得する と する と ， n
回の衝突後の粒子のエネ ルギー En は以下のよ う に な る ．
En = E0 (1 + α)n
(1.2)
こ こ で， E0 は粒子の初期エネ ルギーであ る ． よ っ て ， エネ ルギーが E に な る のに 必要な 衝突回
数は，
ln (E/E0 )
n=
(1.3)
ln (1 + α)
と な る ． こ こ で， 1 回の衝突で加速領域から 逃げ出す確率を Pesc と おけ ば， n 回衝突後に 加速領
域に 留ま る 確率は (1 − Pesc )n である ので， E 以上のエネ ルギーに 加速さ れる 粒子の割合は，
N (≥ E) ∝
∞
X
m=n
(1 − Pesc )m =
(1 − Pesc )n
Pesc
(1.4)
である ． 式 (1.3) を 式 (1.4) に 代入する と ，
N (> E) ∝
と な る ． こ こ で，
1 E −γ
Pesc E0
ln (1 − Pesc )−1
Pesc
≈
γ=
ln(1 + α)
α
(1.5)
(1.6)
である ． こ のよ う に し て フ ェ ルミ 加速では冪型のエネ ルギース ペク ト ルが導き 出さ れる ．
超新星残骸での衝撃波加速
超新星爆発残骸に よ る 加速での最大加速エネ ルギーを 計算し て みる ． 衝撃波に よ る 加速が行わ
れる 時間は放出する 物質の総量から 見積も る こ と ができ る ． 衝撃波の拡散係数を D ， 速度を u と
し ， 拡散の特徴的な 長さ D/u は衝撃波の曲率半径よ り も 十分小さ く ， 平面と 近似する ． 例え ば，
質量 10 M⊙ ， 平均速度が 5×108 cm/sec， 放出する 物質の平均密度が 1 proton/cm3 の場合， 加速
さ れる 時間は TA ∼1000 yrs と な り ， 広がり の大き さ は 5 pc 程度と な る ．
こ のよ う に， 超新星爆発から の強い衝撃波が有限な 寿命 TA を 持つこ と によ っ て ， こ の加速機構
に よ る 1 粒子あたり の加速エネ ルギーが制限さ れる ． 単位時間あたり のエネ ルギーの増加率は，
dE
αE
=
dt
Tcycle
(1.7)
こ こ で， Tcycle は 1 回の衝突に かかる 時間， α は衝突ごと に 得ら れる エネ ルギーの獲得率であ る ．
ま た ， α は以下のよ う に 求める ． 加速する 前のエネ ルギーを E1 ， 加速後のエネ ルギーを E2 と す
る ． 動いて る 衝撃波の静止系で， 宇宙線粒子は全エネ ルギー (静止質量+運動エネ ルギー )
E1′ = γE1 (1 − β cos θ1 )
5
(1.8)
を 持つ． こ こ で γ はロ ーレ ン ツ 因子， プラ イ ム は衝撃波と と も に動く 系から 見た量を 示す． 散乱は
全て 磁場内での運動に よ る ので弾性散乱である ． つま り こ の動く 系では E2′ = E1′ と な る ． よ っ て
以上よ り
よって
E2 = γE2′ (1 + β cos θ2′ )
(1.9)
∆E
1 − β cos θ1 + β cos θ2′ − β 2 cos θ1 cos θ2′
=
−1
E1
1 − β2
(1.10)
α=
1 + (4/3)β + (4/9)β 2
4
4 u1 − u2
−1∼ β =
2
1−β
3
3
c
こ こ で， u1 は上流領域での流体の速度， u2 は下流領域での流体の速度である ．
式 (1.7) を 積分する こ と で最大加速エネ ルギー Emax を 見積る ．
Z Tcycle
dE
· dt
Emax =
dt
0
(1.11)
(1.12)
こ こ ではま ず， Tcycle を 見積も る ． 衝撃波の上流での粒子のカ レ ン ト ， J は，
J = −D∇N + uN
(1.13)
よ り 与え ら れる ． N は粒子密度， u は流れの速度を 示す． u1 は衝撃波面に 対し て 相対的に 負の方
向に な っ て ， 平衡状態では正味のカ レ ン ト がな く な り ，
D1
dN
= −u1 N
dz
(1.14)
と な る ． そ れゆえ 上流領域では，
N (z) = ρcr exp (−zu1 /D1 )
(1.15)
と な る ． こ こ で， 上流領域での D1 は衝撃波の拡散係数， ρcr は衝撃波での宇宙線の数密度である ．
上流領域の単位面積あたり の粒子数は ρcr D1 /u1 と な る ． ま たショッ ク 面と 宇宙線と の単位面積あ
たり の衝突率は ρcr c/4 である ． そ のため上流領域での滞在時間は
(ρcr D1 /u1 ) (ρcr c/4)−1 = 4D1 / (u1 c)
(1.16)
と な る ． 下流領域では滞在時間の計算に 粒子が脱出する かど う かを 考慮に いれる 必要がある ので，
簡単ではない． こ こ では単純に上流領域と 同じ である と し て ， 滞在時間を 4D2 / (c u2 ) と する と [5]，
衝突に かかる 時間は，
4 D1 D2
Tcycle =
+
(1.17)
c u1
u2
と な る ． こ こ で， D2 は下流領域での衝撃波の拡散係数である ．
次に 拡散係数の見積も り が必要であ る ． 拡散の平均自由行程 λD は， ラ ーモア 半径よ り は小さ
く な ら な い． ラ ーモア 半径 rL は荷電粒子の磁場中でのら せん運動の半径であり ， 次の式 (1.18) で
与え ら れる ．
pc
rL =
(1.18)
ZeB
こ こ で， e， Z ， p， B はそれぞれ， 電気素量， 宇宙線の原子番号， 磁場に垂直な 方向の運動量， 磁
場の強さ である ． 従っ て 拡散係数の最小値 Dmin はこ のラ ーモア 半径を 使っ て ，
Dmin =
rL c
1 Ec
∼
3
3 ZeB
6
(1.19)
と な る ので， u2 = u1 /4 の強い衝撃波に ついて は， Tcycle ≥ 20E/(3u1 ZeB) と な る ． D1 = D2 =
Dmin を 代入する と 最大加速エネ ルギー Emax は
Emax ≃
3 u1
ZeB (u1 TA )
20 c
(1.20)
と な る ． 質量 10 M⊙ の天体の超新星爆発の放出速度 5×108 cm/sec, TA ∼ 1000 yrs， 銀河磁場を
3 µG と する と ，
Emax ≃ Z × 3 × 1013 [eV]
(1.21)
と なる ．
ボト ムア ッ プモデル
フ ェ ルミ 加速あ る いはそ の他のメ カ ニズム に よ っ て ， 低いエネ ルギーの宇宙線を よ り 高いエネ
ルギーへと 加速する 放射モデルを 総称し て ボト ム ア ッ プモデルと 呼ぶ．
前述の計算と は異な り ， 寿命のな い衝撃波に よ る 加速を 考え る ． 荷電粒子の進行方向を 曲げる
のは磁場である から ， 加速領域への閉じ 込め条件から 加速さ れる エネ ルギーの限界が決ま り ，
Emax ≤ cZeBR
(1.22)
と な る ． こ こ で， Z は宇宙線原子核の原子番号， B は加速領域の磁場の強さ ， R は加速領域の大
き さ であ る ． 図 1.4 に ， 宇宙線源候補天体の大き さ と 磁場強度， そ し て 最大加速エネ ルギーの関
係を 示し た [6]． こ の図から ， ほと んど の銀河系内天体は 1018 eV 以上のエネ ルギーを も つ極高エ
ネ ルギー宇宙線と 呼ばれる 宇宙線の加速源候補と な り え な い (ガン マ 線バース ト (GRB)， 中性子
星が例外) こ と がわかる ． 銀河系外の候補天体は活動銀河核， ガン マ 線バース ト ， 電波銀河， 銀河
団な ど が挙げら れる ．
以下， いく つかの候補天体での加速と 観測さ れる 特徴に ついて 簡単に ま と める ．
• 中性子星： 表面の磁場が 1013 G を 越え る よ う な 中性子星は， 鉄原子核を 1020 eV 以上ま で加
速する こ と が可能であ る [7]． し かし こ のよ う な 非常に 強い磁場が存在する と ， 荷電粒子は
シン ク ロ ト ロ ン 放射によ っ て エネ ルギーを 失い， 実際にはそのよ う な 高エネ ルギーま での加
速は不可能である と 考え ら れて いる ． ただし ， シン ク ロ ト ロ ン 放射によ る エネ ルギー損失率
は中性子星表面から の距離に 強く 依存し ， 表面から 109 cm 以上離れた 領域で加速さ れた 粒
子は大き な エネ ルギー損失を 伴わず外部へ脱出でき る ， と いう 指摘も ある [8]．
こ のモデルが正し け れば， 極高エネ ルギー宇宙線の到来方向分布は銀河面に集中し ， 鉄原子
核が主成分と な る はずである ．
• AGN： 活動銀河核 (Active Galactic Nuclei， AGN) では， 中心に あ る ブラ ッ ク ホールに 降
着する 物質の重力エネ ルギーを 粒子の運動エネ ルギーと し て 解放し て いる [9]． 粒子加速は
回転する 磁場に よ っ て 生ずる 電場に よ っ て 起こ る ． ただし ， AGN での加速では， そ の周囲
の放射場と の衝突に よ る 荷電粒子のエネ ルギー損失が顕著であ り ， 最大加速エネ ルギーは
1019 eV ま でと 考え ら れて いる [10]．
• 電波ロ ーブ： AGN の電波ロ ーブと 呼ばれる 領域では， 中心核から 放出さ れる ジェッ ト と 銀
河間空間ガス の衝突に よ っ て 強い衝撃波が生じ て おり ， 100 kpc 以上に も 広がっ て いる [9]．
そ の中で特に 強い電磁波が放射さ れて いる 領域 (radio hot-spot) では， 光子， 物質と も に 密
7
図 1.4: 磁場の強さ と 天体の大き さ と 最大加速エネ ルギーの関係 (Hillas プロ ッ ト )[6]．
度が低いためエネ ルギー損失が少な く ， かつ粒子を 封じ 込める だけ の十分な 強さ の乱流磁場
が存在し て いる こ と が電波観測から 予想さ れて いる [11]． し かし ， hot-spot を 伴う 電波ロ ー
ブを 持つ AGN はま れで， 地球から の距離も 遠く ， し かも こ れま でに 観測さ れた極高エネ ル
ギー宇宙線の到来方向分布と 合わな い． 仮に M87(地球から の距離： 約 18 Mpc) がそ のよ う
な 放射源であれば， M87 の方向に 観測事象が集中する はずである ．
• GRB： ガン マ 線バース ト (Gamma Ray Bursts， GRB) は， 既知の天体現象の中でも 最も 激
烈な も のの一つであ り ， 極高エネ ルギー宇宙線の到来方向と 同様に 等方的に 分布し て いる ．
GRB に よ る エネ ルギー放出率は， 極高エネ ルギー宇宙線源が一様に 分布し て いる と 考え た
場合の 1019 eV 以上の宇宙線と し て のエネ ルギー放出率に ほぼ等し く ， 非常に 有力な 候補天
体であ る [12]． し かし ， GZK 機構のた めに 地球近傍 50 Mpc 以内に 存在し な け ればな ら な
い． こ のよ う な GRB は 100 年に 1 回程度し か発生し な いと 予想さ れて いる ので， 観測さ れ
る 宇宙線の到来方向分布は GRB の方向に 集中する こ と が容易に 予想でき る ．
• 銀河団： 数 µG オーダーの磁場が 500 kpc 程度の広がり を 持っ て 観測さ れて おり ， こ れは最
大加速の条件 (式 1.22) を 満たし て いる [13]． し かし ， 1020 eV 以上ま で宇宙線が加速さ れた
と し て も ， 銀河団内部での GZK 機構に よ る エネ ルギー損失が大き く ， 銀河団の外に は放射
さ れな いと 考え ら れて いる ．
ト ッ プダウ ン モデル
前述のよ う に， こ れま でに観測さ れた極高エネ ルギー宇宙線を 既知の天体現象や素粒子物理， 宇
宙論の標準的な 枠組の中で説明する のではな く ， 素粒子物理の標準的な 理論を 越え た 新し い物理
に 基づく モデルや， 未知の超高エネ ルギー天体現象に 基づく モデルが提案さ れて いる ． こ う し た
8
モデルは， 従来のよ う な 低エネ ルギー粒子が加速さ れて 極高エネ ルギーに達する と いう ボト ム アッ
プモデルに 対し て ， ト ッ プダウ ン モデルと 呼ばれる ．
以下はそ のいく つかの例である ．
• 宇宙紐や超重粒子の崩壊・ 対消滅： 宇宙の初期， すな わち イ ン フ レ ーショ ン の最後ま たは直
後に 生成さ れた 宇宙紐な ど の位相欠陥 (topological defect)， ま た は超重粒子 (super heavy
relic particles) が， 銀河近傍で崩壊し て 極高エネ ルギー宇宙線を 生成し て いる と する モデル
である [14]． 位相欠陥は互いの衝突や対消滅に よ っ て ， 超重ゲージボソ ン やヒ ッ グス ボソ ン
に 崩壊する と 考え ら れて いる ． こ れら はパイ オン のハド ロ ン ジェッ ト を 作り 最終的に ガン マ
線， 電子， ニュ ート リ ノ に 崩壊し ， ハド ロ ン のう ち 数 % だけ が核子と な る ． GZK 機構を 考
慮する と ， こ のシナリ オでは， GZK カ ッ ト オフ よ り 低いエネ ルギーでは陽子が， 高いエネ
ルギーではガン マ 線が主成分に な る と 予想さ れる ． 超重粒子も 崩壊に よ っ て ハド ロ ン ジェッ
ト を 作る が， 超重粒子は cold dark matter と し て 銀河ハロ ー内に も 存在する と 考え ら れる
た め， GZK 機構の影響を 受け ず， 粒子種がエネ ルギーと と も に 変化する こ と はな いと 予想
さ れて いる ．
• Z バース ト 模型： 極高エネ ルギーのニュ ート リ ノ が， 重力に よ っ て 銀河近傍に 集積し て いる
宇宙背景ニュ ート リ ノ と 相互作用し て Z0 粒子を 作り ， そ の崩壊生成物が極高エネ ルギー宇
宙線と し て 観測さ れる ， と する モデルである [15]． こ の反応で生成さ れる のはほと んど 光子
である ． ま た， 宇宙背景ニュ ート リ ノ は銀河近傍に大き な 半径を 持つク ラ スタ ーを 作る ので，
到来方向分布は等方的に な る と 予想さ れる ．
も し ト ッ プダウ ン モデルが正し け れば， 標準的な 素粒子物理と 天体物理の理論を 越え る 新た な
物理への糸口と な る 可能性がある ．
1.2
2nd knee 領域の宇宙線
宇宙線物理学と いう 研究分野の中で， 現在最も 興味深いト ピッ ク スの一つは”2nd knee” である ．
2nd knee と は図 1.2 に 示さ れる エネ ルギース ペク ト ルの 1017.5 eV 付近に 見ら れる 折れ曲がり 構造
である ． こ の節では 2nd knee 領域の宇宙線が持つ重要な 項目に ついて いく つか説明する ．
1.2.1
宇宙線起源の銀河系内から 銀河系外への遷移
1015.5 eV 付近の knee と それよ り 高いエネ ルギーでの空気シャ ワ ー観測から ， 一次宇宙線の平均
質量数が徐々 に 大き く な り ， 宇宙線の主成分がエネ ルギーの増加と と も に 重い元素へ移行し て い
く 様子が示さ れて いる ． こ れは 1.1 節で述べた よ う に ， 加速領域あ る いは閉じ 込め領域から のも
れ出し に よ る も ので， 電荷の小さ な 原子核ほど 閉じ 込めが効かず， 結果と し て フ ラ ッ ク ス が減少
し て いく ． 1015.5 eV での陽子成分の減少に 始ま り ， こ のプロ セ ス が順に ヘリ ウ ム ， 炭素と ， 鉄ま
で続く と 考え ら れる ． knee よ り も 26 倍高いエネ ルギー， すな わち ∼1017 eV 付近では主成分が鉄
と な り ， 折れ曲がり ”iron knee” が観測さ れる はずである ．
一方， 陽子以外の原子核が銀河系外で加速さ れて いる と し て も ， 地球へやっ て く る 宇宙線は陽
子が主成分と し て 見え 始める と 考え ら れて いる ． こ れは， 同じ エネ ルギーで考え る と ， 鉄の場合
は遠く に あ る 発生銀河から 我々 の銀河ま で， 磁場に よ る 散乱のた めに 到達する こ と が出来な い一
方で， 陽子の場合は同じ エネ ルギーで磁場に よ る 偏向が鉄の 26 分の 1 と 小さ いため， 陽子の方が
よ り 低いエネ ルギーから 我々 の銀河ま で到達する こ と ができ る から である ．
9
よ っ て ， 銀河系内から 銀河系外への遷移が起き て いる エネ ルギー領域では， 宇宙線の主成分が
鉄から 陽子へ極端に 変化する ． こ の遷移領域では， Xmax (空気シャ ワ ーの最大発達深さ ) がエネ ル
ギーと と も に 急激に 変化し ， さ ら に そ の分布が鉄成分と 陽子成分の両方を 含むた め， 非常に 広く
な る はずであ る ． こ のよ う な Xmax と そ の分布幅のエネ ルギーに 依存し た 変化が見つかれば， 宇
宙線源の銀河系内から 銀河系外への遷移の決定的な 証拠に な る と 考え ら れて いる ．
1.2.2
宇宙線源の進化
高エネ ルギ ー の宇宙線は， 主に 宇宙の膨張と 宇宙背景放射 (Cosmic Microwave Background
Radiation, CMBR) と の相互作用に よ っ て そ のエネ ルギーを 失う ． こ れら のエネ ルギー損失過程
は， 宇宙線源から 地球への伝搬距離に よ る た め， 観測さ れる エネ ルギース ペク ト ルに は， 距離毎
の宇宙線発生源の密度の違いを 反映し た 各種の構造が見ら れる と 予想さ れる ． (図 1.5, [16]) こ の
図 1.5: 各エネ ルギーで宇宙線フ ラ ッ ク ス に 寄与する 宇宙線源の赤方偏移量 z[16]．
ス ペク ト ルの構造を 宇宙線伝搬シミ ュ レ ーショ ン と 比較する こ と に よ っ て ， 宇宙線源の空間密度
の赤方偏移依存性， ρ ∝ (1 + z)m の evolution parameter m が求めら れる ．
図 1.6 は宇宙線のエネ ルギースペク ト ルの構造へのスペク ト ルイ ン デッ ク スの変化の寄与と ， m
の変化の寄与を 示し たも のである ． 1019 eV 半ば付近の形状はス ペク ト ルイ ン デッ ク ス に 強く 依存
し ， 1018.7 eV のすぐ 下のエネ ルギー領域は m に 強く 依存する こ と が予想さ れて いる [16]． こ のた
め， 2nd knee 領域の宇宙線のエネ ルギース ペク ト ルを 詳し く 調べる こ と に よ っ て ， こ れら の重要
な パラ メ ータ を 個別に 制限する こ と が出来る ． こ れに よ っ て ⌈ エネ ルギース ペク ト ル ⌋ ⌈ 質量組成
⌋ ⌈ 到来方向分布 ⌋ と いう 観測量に 加え て ， 宇宙線源の研究のための新し い ⌈ 進化 ⌋ と いう 座標軸
を 切り 開く こ と が出来る ．
10
図 1.6: 極高エネ ルギー領域のエネ ルギース ペク ト ルの構造へのイ ン デッ ク ス の変化の寄与 (上)，
evolution parameter(m) の寄与 (下)． ス ペク ト ルイ ン デッ ク ス の違いは， GZK 領域， 2ndknee 領
域の両方に 現れる のに 対し て ， m の違いは 2nd knee 領域で顕著である こ と がわかる [16]．
11
1.2.3
LHC と 空気シ ャ ワ ー現象
2nd knee 領域は， LHC(Large Hadron Collider) に よ る 実験室系での到達エネ ルギー ≃1017 eV
と 重なっ て おり ， こ の領域の空気シャ ワ ー観測と LHC 実験の結果は外挿な し に 同一のエネ ルギー
での比較が可能である ． LHC 実験に よ る 全断面積な ど の新し い測定結果が相互作用モデルに 組み
込ま れれば， 2nd knee 領域の空気シャ ワ ー観測はモデルのテスト と し て 非常に有用にな る ． 特に，
1017 eV での陽子 · 陽子あ る いは陽子 · 原子核相互作用の全断面積や粒子生成の多重度の情報が加
速器実験から 得ら れれば， さ ら に 正確な Xmax のシミ ュ レ ーショ ン が可能に な る ． こ れは高エネ
ルギーの宇宙線観測実験に と っ て 極めて 重要である ．
1.3
空気シ ャ ワ ーと 宇宙線観測
1.1 節で述べたよ う に ， 宇宙線のフ ラ ッ ク ス はほぼ E −3 で減少する ので， 109 eV∼1020 eV のエ
ネ ルギー領域ではフ ラ ッ ク ス の変化は 1030 に も な る ． フ ラ ッ ク ス の大き い 1014 eV 以下の低エネ
ルギー宇宙線は， 気球や人工衛星な ど の飛翔体に搭載さ れた観測装置によ っ て 直接観測さ れる ． し
かし 1014 eV 以上の高エネ ルギー宇宙線は到来頻度が少な いため， 観測には大き な 検出面積と 長い
露光時間が必要であ り ， そ のた め飛翔体搭載検出器に よ っ て 直接観測を する こ と は難し い． そ こ
で， 高エネ ルギー宇宙線に 対し て は一次宇宙線が大気と 相互作用し て でき る 二次宇宙線 (空気シャ
ワ ー ) を 検出する と いう 間接測定が行われて いる ．
1.3.1
空気シ ャ ワ ー現象
宇宙線が大気に 入射する と ， 大気中の原子核と 相互作用し て 二次粒子を 生成し ， さ ら に そ れら
の二次粒子も 粒子生成を 行な う ． こ の過程を く り 返し ， 一次宇宙線が結果的に 大量の二次粒子群
と な る 現象を 空気シャ ワ ー現象と 呼ぶ． 通常空気シャ ワ ーは高エネ ルギーハド ロ ン に よ る 核カ ス
ケ ード と ， 高エネ ルギーガン マ 線から 生成さ れる 電磁カ ス ケ ード から な る ．
宇宙線の主成分であ る 陽子な ど のハド ロ ン が大気原子核と 相互作用し た 場合に は， π ， K な ど
のハド ロ ン の多重生成 (核カ ス ケ ード ) が起き る ． 生成さ れた二次粒子の大部分は結果的に π と な
る ． そ のう ち π 0 は短い寿命 (8.4 × 10−17 s) で 2 個のガン マ 線に 崩壊し ， 電磁カ ス ケ ード を 形成す
る ． π ± の寿命は 2.60 × 10−8 s で，
π ± → µ± + ν µ
(1.23)
のよ う に 崩壊する ． µ± の寿命は 2.20 × 10−6 s で，
µ+ → e+ + ν¯µ + νe
µ− → e− + νµ + ν¯e
(1.24)
(1.25)
のよ う に 崩壊する ． 大気の厚みは核相互作用の平均自由行程の約 10 倍である ため， 相互作用が繰
り 返さ れる こ と で多数の粒子が生成さ れる ． こ れを 核カ ス ケ ード と 呼ぶ． 図 1.7 はこ の様子を 模
式的に 表し たも のである ．
高エネ ルギーのガン マ 線は電子対生成に よ り 電子と 陽電子を 作る ． こ れら の電子， 陽電子は制
動放射によ っ て ガン マ 線を 放射する ． エネ ルギー E の電子によ る 制動放射の断面積 σbrems. は， 次
の Bethe-Heitler の式で表さ れる ．
1
4Z 2 re2 dv
2
2
− 13
σbrems. (E, v)dv =
1 + (1 − v) − (1 − v) ln 184Z
(1.26)
+ (1 − v)
137 v
3
9
12
こ こ で， v は hν/E ， ν は制動放射さ れる 光子の振動数, Z はタ ーゲッ ト と なる 原子核の原子番号， re
は古典電子半径である ． 従っ て ， 制動放射によ る 単位厚さ 当たり のエネ ルギー損失 (dE/dX)brems.
は以下のよ う に 表さ れる ．
E
dE
≃−
(1.27)
dX brems.
X0
こ こ で， X0 は電子のエネ ルギーが 1/e に な る 厚さ で輻射長と 呼ばれ， 以下のよ う に 定義さ れる ．
1
4Z 2 re2 N − 13
=
ln 184Z
X0
137 A
(1.28)
こ こ で， N はアボガド ロ 数， A はタ ーゲッ ト 原子核の質量数である ． X0 は大気ではおよ そ 38 g/cm2
である ． 一方， 電子対生成の断面積 σpp は，
4Z 2 re2
du
σpp (hν, u)du =
137
1
2
2
2
− 13
+ (1 − u)
u + (1 − v) − (1 − v) ln 184Z
3
9
(1.29)
と な る ． こ こ で， u = E/hν, E は生成さ れる 電子のエネ ルギーを あら わす． こ の断面積から 電子
対生成の interaction length が求めら れ， 結果と し て ，
7 E
dE
(1.30)
=−
dX pair
9 X0
と な る ． 従っ て ， 電子対生成と 制動放射の interaction length は同程度である こ と がわかる ． こ の
二つの過程を 繰り 返し て ， 多数の電子， 陽電子， ガン マ 線がつく ら れる 現象が電磁カ ス ケ ード で
あ る ． 粒子数が増大し 1 粒子あ た り のエネ ルギーが減少する と ， 大気中での電離損失が優勢と な
り ， 電子成分が大気に 吸収さ れて 粒子総数が減少する ． こ の境目のエネ ルギーを 臨界エネ ルギー
と 呼び， 空気中では 84 MeV である ．
図 1.7: 空気シャ ワ ーの模式図．
13
1.3.2
空気シ ャ ワ ーの縦方向発達
空気シャ ワ ー中に 含ま れる 粒子の総数が増大する に つれて ， 個々 の粒子の持つエネ ルギーは減
少する ． 空気シャ ワ ー中の電子成分の場合， 臨界エネ ルギー Ec (空気中では Ec =84 MeV) に 近付
く と 大気中の原子， 分子に よ る 電離損失が大き く な り ， 急速に エネ ルギーを 失っ て 大気に 吸収さ
れて し ま う ． そ のた め， 空気シャ ワ ー中の粒子の総数はあ る 段階で減少に 転じ る ． こ のよ う な 空
気シャ ワ ーの通過し た 物質量に 対する 粒子数の変化は縦方向発達 (longitudinal development) と
呼ばれる ．
エネ ルギー E0 の 1 個のガン マ 線が大気に入射し たと き に生じ る 空気シャ ワ ーの縦方向発達につ
いて は， 次の近似式が用いら れる ．
0.31
3
Ne (t) ∼ √ exp t 1 − ln s
(1.31)
y
2
E0
y = ln
(1.32)
Ec
s=
3t
t + 2y
(1.33)
こ こ で， t は電子の大気中での輻射長 38 g/cm2 を 単位と する シャ ワ ーが通過し た大気厚さ である ．
s はシャ ワ ーの発達段階を 表すパラ メ ータ でエイ ジパラ メ ータ と 呼ばれる ． こ のシャ ワ ーエイ ジは
シャ ワ ーの発達と と も に そ の値は増加し ， Ne (全電子・ 陽電子数) が最大に な る と き ， s = 1 と な
る [4]．
宇宙線陽子がつく る 空気シャ ワ ーについて は， Gaisser と Hillas の提案に基づく 以下の式が用い
ら れる こ と が多い．
Ne (X) = Nmax
X − X0
Xmax − X0
Xmax −X0
λ
exp
Xmax − X
λ
(1.34)
こ こ で， Nmax は最大発達時の粒子数， Xmax はシャ ワ ー最大発達深さ [g/cm2 ]， X0 は一次宇宙線
の最初の相互作用点の深さ [g/cm2 ]， λ は縦方向発達の attenuation length で 70 g/cm2 である ．
一次宇宙線のエネ ルギーの違いは Nmax の違いと なっ て 現れ， およ そ Nmax ∼ 2 × E0 × 10−9 (E0
は一次宇宙線のエネ ルギー， 単位： eV) の関係がある ． ま た， 同一の一次エネ ルギーである 場合，
一次宇宙線粒子種の違いは X0 ， Xmax に 現れ， 重い原子核ほど X0 , Xmax の値が小さ く な る 傾向
があ る ． こ れは， 重い原子核ほど 大気と の相互作用断面積が大き いた め， よ り 上空で発達が始ま
る こ と ， さ ら に 核子当たり のエネ ルギーが小さ いため， エネ ルギー細分化が早く 進むこ と に よ る ．
単純な モデル計算から ， Xmax ∝ ln(E0 /A)(A は一次宇宙線の質量数) の関係があ る こ と が示さ れ
る ． 陽子， 鉄原子核によ る 空気シャ ワ ーを シミ ュ レ ーショ ン し て 求めた縦方向発達曲線を 図 1.8 に
示す．
1.3.3
空気シ ャ ワ ーの横方向分布
電磁カ スケ ード は大気中で電子の多重ク ーロ ン 散乱によ り 横方向に広がっ て いく ． 電磁カ スケ ー
ド の横方向分布は西村と 鎌田に よ っ て 解析的に 求めら れ [22]， Greisen に よ り 整理さ れた NKG
function が一般的に 使われる [23]． 空気シャ ワ ー中心から の距離 R の位置での電子数密度 ρe (R)
は次式で表さ れる ．
Ne
R s−2.0
R s−4.5
ρe (R) = C 2
(1.35)
1+
RM
RM RM
14
図 1.8: 空気シャ ワ ーの縦方向発達．
こ こ で， Ne は総荷電粒子数， C は規格化定数， RM はモリ エールユニッ ト である ． モリ エールユ
ニッ ト は， 電子が X0 進む間に ク ーロ ン 散乱に よ り 最初の進行方向と は垂直の方向に ずれた 距離
(厚さ ) であり ， RM ∼ 9.3 g/cm3 である ． ま た s はエイ ジパラ メ ータ ー， 電磁カ ス ケ ード の発達の
度合いを 示すも のであり ，
3t
s=
(1.36)
t + 2ln (E0 /ǫ0 )
である ． こ こ で， E0 はカ スケ ード の親粒子のエネ ルギー， t は X0 を 単位と し た大気の厚さ である ．
ハド ロ ン によ り 引き 起こ さ れる 空気シャ ワ ーは純粋な 電磁カ スケ ード と は少し 様相が異な る ． ハ
ド ロ ン に よ り 引き 起こ さ れる 空気シャ ワ ーの電磁成分は， 核相互作用に よ っ て 生成さ れた 多世代
の π0 の崩壊から の電磁カ ス ケ ード の重ね合わせである ． シャ ワ ーの中心部は核カ ス ケ ード が発達
する 過程で次々 に 生成さ れる π0 の崩壊に よ る 発達途上の電磁カ ス ケ ード が主成分である が， シャ
ワ ー軸から はな れたと こ ろ では核カ ス ケ ード の初期段階で生成さ れた π0 の崩壊から の粒子の増殖
が終わっ た 電磁カ ス ケ ード が主成分と な る ． こ のた め， シャ ワ ー中心から 遠く 離れた 場所での横
方向分布は， NKG function の外挿に よ り 得ら れる 分布よ り フ ラ ッ ト に な る こ と が予想さ れて お
り ， こ のシャ ワ ー中心から 遠方での横方向分布を 考慮し た式が Linsley によ り 与え ら れて いる [17]．
シャ ワ ー中心から の距離 R に おけ る 電子数密度 ρe (R) は
ρe (R) ∝
R
RM
α R −(η−α)
1+
RM
(1.37)
と 表さ れる ． AGASA グループは， 電子成分の横方向分布は 1 km 以遠で粒子数密度が減少し て い
る ので， 式 (1.37) ではそ の構造を 十分に 表すこ と ができ ず， 横方向分布に 以下のよ う に 補正項を
15
加え る べき である こ と を 示し た [17]．
ρe (R) = C
R
RM
−1.2 R −(η−1.2)
1+
RM
1.0 +
R
1[km]
2 !−δ
(1.38)
次に ， 高エネ ルギーミ ュ ーオン は， 上空でのハド ロ ン 相互作用の情報を 持っ て いる が， そ の多
く はコ ア近傍 (∼ 数 10 m) に集中し て いる ． し かし 一般に観測有効面積を 大き く と る 必要のある 大
規模な 空気シャ ワ ーア レ イ に よ る 観測では高エネ ルギーミ ュ ーオン の観測は難し く ， 遠方ま で広
がる 低エネ ルギーミ ュ ーオン (∼ 1 GeV 領域) が観測対象と な る ． そ の横方向分布は Greisen に よ
る 以下の実験式で表さ れる [18]．
Nµ Cµ
ρµ (≥ Eµ , R) = g(Eµ , R)
R02
Cµ =
R
R0
−α R −δ
1.0 +
R0
Γ(β)
2πΓ(2 − α)Γ(α + β − 2)
g (Eµ , R) = [51/(50 + Eµ )][3/(2 + Eµ )]0.14R
α = 0.75, β = 2.5
(1.39)
(1.40)
0.17
(1.41)
(1.42)
こ こ で， Eµ はミ ュ ーオン のエネ ルギー閾値， Nµ は総ミ ュ ーオン 数， R0 はミ ュ ーオン の平均的な
広がり を 示す距離である ．
いく つかのエイ ジに おけ る 横方向分布を 図 1.9 に 示し た．
図 1.9: 空気シャ ワ ーの横方向分布．
16
1.3.4
空気シ ャ ワ ー粒子の到来時刻分布
図 1.10 に 空気シャ ワ ー断面の概略図を 示す． 地表へのシャ ワ ー粒子の到来時刻はシャ ワ ー軸か
ら の距離に応じ て シャ ワ ー平面 (シャ ワ ー軸に垂直でシャ ワ ー軸上のシャ ワ ー粒子を 含む仮想平面)
に 時間差が生じ る ． ま た ， シャ ワ ーフ ロ ン ト は厚みを 持っ て いる た め， そ の厚みも 考慮する 必要
があ る ． 粒子の平均到来時刻分布 hσt i は Linsley に よ り 実験的に 与え ら れて おり ， シャ ワ ー中心
から の距離を R， 空気シャ ワ ーの天頂角を θ， 一次粒子のエネ ルギーを E と し て 次式で表さ れる
[19]．
R b
hσt i = σt0 1 +
[sec]
(1.43)
Rt
こ こ で， σt0 =1.6 ns， Rt =30 m， b = (2.08 ± 0.08) − (0.40 ± 0.06)secθ + (0 ± 0.06)log(E/1017 eV)
である ．
こ の関数は AGASA グループに よ り 改良さ れて おり ， シャ ワ ー平面に 対する シャ ワ ー粒子の遅
れの平均 TD と ， そ の標準偏差 TS は
TD (ρ, R) = 2.6 1 +
R
3000[cm]
1.5
ρ−0.5 × 10−9 [sec]
(1.44)
TS (ρ, R) = 2.6 1 +
R
3000[cm]
1.5
ρ−0.3 × 10−9 [sec]
(1.45)
で表さ れる [24]． こ こ で， ρ は粒子数密度 [m−1 ] である ．
1.3.5
空気シ ャ ワ ーの観測方法
現在の空気シャ ワ ーの観測方法は大き く 分け て ， 地表粒子検出器に よ る 観測法と 大気蛍光法の
2 種類がある ．
地表粒子検出器によ る 観測法
多数の粒子検出器を 地表に 配置し て 空気シャ ワ ー粒子を 検出し ， 宇宙線を 間接観測する 装置は
空気シャ ワ ーア レ イ と 呼ばれ， 高エネ ルギー宇宙線の観測装置と し て 伝統的に 用いら れて き た．
空気シャ ワ ー粒子は， 約 90% の電磁成分 (電子， 陽電子， 光子) と 約 10% のミ ュ ーオン 成分， さ
ら に 少量のハド ロ ン 成分から な る ． こ れら の検出器と し て 最も 一般的に 用いら れて いる のが， プ
ラ スチッ ク シン チレ ータ な ど を 用いたシン チレ ーショ ン 検出器である ． ま た， 特にミ ュ ーオン 成分
のみを 選択的に 検出する た めに ， シールド さ れた シン チレ ーショ ン 検出器や比例計数管でミ ュ ー
オン 検出器を 構成し ， 別に 配置する 場合も あ る ． さ ら に ， 空気シャ ワ ー軸に 近いハド ロ ン 成分を
観測する ために ， ハド ロ ン カ ロ リ メ ータ ーを 備え て いる 空気シャ ワ ーア レ イ も ある ．
空気シャ ワ ーア レ イ の場合， 一次宇宙線の到来方向は比較的簡単に 求めら れる ． 空気シャ ワ ー
は図 1.10 のよ う に シャ ワ ー面は粒子群 (シャ ワ ー平面) を 形成し て 地表に 到来する ． こ の厚みを 考
慮し つつ各検出器への到来時刻差から 空気シャ ワ ーの到来方向を 求める ． 一方， 一次宇宙線のエ
ネ ルギーは， 各検出器で検出さ れた 粒子数密度から 空気シャ ワ ー全体での全粒子数と 横方向分布
を 推定する こ と で得ら れる ． し かし ， 全粒子数と 横方向分布から 一次宇宙線のエネ ルギーを 推定
する た めに は， ハド ロ ン 相互作用を 考慮し た 大規模な モン テ カ ルロ 計算を 必要と する ． そ の際の
ハド ロ ン 相互作用の不確定性の影響を 受け る こ と は避け ら れな い． ま た ， 空気シャ ワ ー発達のゆ
ら ぎの影響も 無視でき な い．
17
図 1.10: 地表付近の空気シャ ワ ー断面の概念図．
大気蛍光法
大気蛍光法は， 空気シャ ワ ー粒子の電離損失の一部が光に 変換さ れる こ と を 利用する も のであ
る ． 高エネ ルギーの荷電粒子が大気中を 通過する と ， そ の軌跡の近傍に あ る 窒素な ど の大気分子
は励起さ れ， こ れら の励起さ れた 大気分子から 蛍光が発せら れる ． すな わち ， 大気は宇宙線に 対
し て シン チレ ータ ーと し て 働く ． 80 MeV の電子が 1 気圧の大気中を 1 m 通過し た場合に発せら れ
る 大気蛍光光子数はおよ そ 4 個である が， 一次宇宙線のエネ ルギーが 1020 eV の場合， 膨大な シャ
ワ ー粒子数のた めに 全体での光子数は 2 × 1015 個に も 達し ， そ の発光の継続時間は 30 µs 程度に
な る ． こ れを 光学望遠鏡で集光し 高感度で高速の光セ ン サーカ メ ラ で撮像すれば， およ そ 30 km
遠方から でも 観測する こ と ができ る ． さ ら に 大気蛍光の放射方向は等方的であ る た め一次宇宙線
の到来方向に よ ら ず観測を 行う こ と ができ る と いう 利点がある ． こ の大気蛍光法は， 1960 年代初
めに 菅な ど に よ っ て 提案さ れ， 1968 年に 原， 棚橋ら に よ っ て 初めて 検出さ れた．
大気蛍光法に よ る 一次宇宙線の各種情報の推定は， 大き く 分け て
1. 空気シャ ワ ー軸の再構成
2. 空気シャ ワ ーの縦方向発達の再構成
の 2 段階を 経て 行われる ． 宇宙線の到来方向 (=シャ ワ ー軸) は蛍光の軌跡から 簡単に 求める こ と
ができ る ． 特に ， 遠く 離れた 2 台の望遠鏡でシャ ワ ーを ス テ レ オ観測する と ， そ れぞれの望遠鏡
が決めたシャ ワ ー平面の交差し た線がシャ ワ ー軸と な る (図 1.11)． 空気シャ ワ ー軸を 決定し た後，
さ ら に 次のよ う な 手順で空気シャ ワ ーの縦方向発達の再構成を する ．
i. 空気シャ ワ ー中の電子 1 個から 光電子増倍管に 到達する 光子数の期待値を ， そ の電子の空間
的な 位置， 望遠鏡ま での距離から 大気に よ る 散乱・ 吸収， 装置の検出効率な ど を 考慮し て 計
算する ． こ の光子数に は大気蛍光だけ でな く ， チェ レ ン コ フ 光も 考慮する ．
ii. 実際に 光電子増倍管で検出さ れた光電子数と i． で計算さ れる 値を 比較し ， 空気シャ ワ ーの
各発達点での電子数を 見積も り ， 式 (1.34) と 比較する こ と でシャ ワ ー発達曲線 Ne (X) を 求
める ．
18
空気シャ ワ ーが地表に 到達する ま でに 失う エネ ルギーの 90% 以上は， シャ ワ ー中の電子成分の
電離損失に よ る も のである ので， 求めら れたシャ ワ ー発達曲線 Ne (X) から 式 (1.46) に よ り 一次宇
宙線のエネ ルギー E0 が決ま る ．
Z
ǫ0
E0 =
Ne (X) dX
(1.46)
Xrad
こ こ で， Xrad は大気中での輻射長で 38.0 g/cm2 ， ǫ0 は大気に 対する 臨界エネ ルギーで 84 MeV で
あ る ． ま た ， シャ ワ ーの縦方向発達の様子 (特に 最大発達深さ Xmax ) から ， 一次粒子の質量組成
の測定が可能である ．
こ のよ う に ， 大気蛍光法に よ る 観測では， シャ ワ ーの縦方向発達が推定さ れ， 一次エネ ルギー
はモン テ カ ルロ 計算に 依存する こ と な く 決定さ れる ． た だし ， こ の方法でエネ ルギーを 測定する
に は， 大気中の大気蛍光発光効率， 大気中での紫外光の散乱・ 吸収率， 鏡の反射率， フ ィ ルタ ー
の吸収率， 光電子増倍管の量子効率な ど を すべて 積み上げて 掛け 合わせて いく 必要があ り ， 系統
誤差を 正し く 管理する こ と は容易ではな い．
大気中での発光過程と 散乱・ 吸収に おいて 考慮する 必要のあ る 系統誤差と し て ， チェ レ ン コ フ
光， レ イ リ ー散乱， ミ ー散乱があ る ． チェ レ ン コ フ 光は大気蛍光のバッ ク グラ ウ ン ド 光と な り 系
統誤差の原因と な る た め， データ 解析の際に は事象ごと に 混入する チェ レ ン コ フ 光を 見積も る 必
要があ る ． レ イ リ ー散乱は大気分子に よ る 散乱で， 波長よ り 十分小さ な 直径の誘電体球に よ る 光
の散乱であ る ． そ れに 対し ， 波長に 対し 無視でき な い大き さ の誘電体球に よ る 散乱を ミ ー散乱と
呼び， 主に 大気中のダス ト ， エア ロ ゾル (霧， も や， 塵， 煙な ど ) に よ っ て 起こ る ． レ イ リ ー散乱
に よ る 大気の透過率は大気分子の密度から 簡単な 計算で求めら れる が， ミ ー散乱に よ る 透過率は
大気中のダス ト やエア ロ ゾル分布の様子に 依存する た め， 大気モニタ ーに よ る 実測から 測定する
必要がある ．
図 1.11: 大気蛍光に よ る 空気シャ ワ ーのス テレ オ観測の概念図．
19
1.4
観測結果の現状
1.2 節で述べた よ う に ， 2nd knee 領域の宇宙線は宇宙線起源に ついて の重要な 情報を 持っ て い
る と 考え ら れて おり ， 観測結果が注目さ れて いる ． こ の 2nd knee 領域付近の宇宙線を 観測する 実
験と し て ， KASCADE-Grande 実験， Yakutsk 実験， Tunka 実験， IceCube 実験があ る ． こ れら
の実験結果に はあ る 程度の一致が見ら れる も のの， 統一的見解は得ら れて いな い． 本節ではこ れ
ら の実験に ついて 簡単に 紹介し ， そ のあと 観測結果を ま と める ．
KASCADE-Grande 実験
KASCADE-Grande 実験はド イ ツ のカ ールス ルーエ工科大学に 展開さ れて いた ． KASCADEGrande 実験の前身であ る KASCADE 実験は 200 m×200 m の範囲に 展開さ れた 検出器群から な
り ， 20 m×16 m×4 m の大き さ を 持つ 1 台のハド ロ ン カ ロ リ メ ータ， 128 m2 のミ ュ ーオン ト ラ ッ キ
ン グ検出器 1 台と ， 3.2 m2 のシン チレ ータ 検出器 252 台から な る ． そ の KASCADE ア レ イ の南
西側に 10 m2 のシン チレ ータ 検出器を 137 m 間隔で 37 台配置し ， 検出面積を 700 m×700 m に 拡
張し たも のが KASCADE-Grande 実験である [25]． こ れに よ っ て およ そ 1016 ∼ 1018 eV のエネ ル
ギーを 持つ宇宙線を 観測し て いた． 1996 年から 観測を 開始し ， 2009 年に 観測を 終え た．
Yakutsk 実験
Yakutsk 実験はロ シア の北東部のヤ ク ーツ ク に 展開さ れて いる ． 58 台の地表シン チレ ータ 検出
器 (2 m2 ) と 6 台の地下シン チレ ータ 検出器 (20 m2 ) で 7.2 km2 を カ バーし ， 空気シャ ワ ーの電磁成
分と ミ ュ ーオン 成分を 分け て 観測し て いる ． さ ら に 48 台のチェ レ ン コ フ 光検出器で空気シャ ワ ー
が発する チェ レ ン コ フ 光を 観測する ． こ れに よ っ て およ そ 1015 ∼ 1018 eV のエネ ルギーを 持つ宇
宙線を 観測する [29]．
Tunka 実験
Tunka 実験はロ シア の南東部のバイ カ ル湖の近く に 展開さ れて いる ． 6 な いし 7 台のチェ レ ン
コ フ 光検出器 (鉛直上方に 向け た 8 イ ン チ光電子増倍管 1 本から な る ) で構成さ れる ク ラ ス タ ーを
85 m 間隔で 19 ク ラ ス タ ー円形に 展開し ， そ の中心から 周囲半径 1 km の地点に さ ら に 7 ク ラ ス
タ ーを 配置し て ， およ そ 3 km2 を カ バーする ． こ れに よ っ て およ そ 1015 ∼ 1018 eV のエネ ルギー
を 持つ宇宙線を 観測し て いる [31]．
IceCube neutorino 観測所
IceCube neutorino 観測所 (以下 IceCube) は南極点のア ム ゼン · ス コ ッ ト 基地の近く に 展開さ
れて いる ． 検出器は， 氷の中， 表面から 深く 1450∼2450 m 範囲に 配置さ れて いる ． 検出器は球型
のチェ レ ン コ フ 検出器を 60 個ス ト リ ン グ状に 並べたも ので， こ れが 120 m 間隔で 79 本配置さ れ，
全体で 1 km3 の検出体積を 持つ． さ ら に 上記と は別に ， 地表付近に 2 つのチェ レ ン コ フ 検出器タ
ン ク から な る ス テ ーショ ン が 81 ス テ ーショ ン 約 125 m 間隔で展開さ れて 地表空気シャ ワ ーア レ
イ を 構成し て おり ， こ れは IceTop と 呼ばれ， IceCube の施設の一部である ． こ れに よ っ て およ そ
1015 ∼ 1018 eV のエネ ルギーを 持つ宇宙線を 観測し て いる [33]．
20
1.4.1
エネルギースペク ト ル
図 1.12: KASCADE-Grande 実験で観測さ れたエネ ルギースペク ト ル [26]． 黒丸と 青は muon rich，
すなわち 重原子核起源のシャ ワ ーのエネ ルギースペク ト ル． 下三角と 茶色は muon poor， すなわち
軽原子核ののも の． 上三角と 四角は全粒子スペク ト ルで， 灰色四角が 2011 年 [27]， 上三角が 2013
年 [28] に 発表し た結果である ． 色付き の領域は系統誤差の範囲を 表し て いる ．
KASCADE-G
Yakutsk
Tunka
IceCube
γ1
2.70±0.03
2.73±0.06
2.65±0.06
γ2
3.12±0.03
3.23±0.01
3.14±0.03
γ3
2.95±0.05
2.92±0.03
3.00±0.01
2.90±0.03
γ4
3.24±0.08
3.24±0.04
3.33±0.15
3.37±0.08
表 1.1: 各実験で 観測さ れた エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ル の 指数． 上か ら そ れぞ れ KASECADEGrande[26]， Yakutsk[30]， Tunka[31]， IceTop[33] に よ る 報告．
図 1.12， 図 1.13， 図 1.14， 図 1.15 に 各実験で報告さ れて いる エネ ルギース ペク ト ルを 示す． ま
た表 1.1 に 各実験で観測さ れたエネ ルギース ペク ト ルの冪を 示す． こ こ で γi はス ペク ト ルの冪指
数であ る ． そ れぞれ γ1 は knee 以下， γ2 はそ こ から 冪が急に な る 領域， γ3 は γ2 から 2nd knee
の間， γ4 は 2nd knee よ り 上のエネ ルギー領域での冪指数である ．
こ のよ う に 異な っ た観測方法を 持つ 4 つの実験で似た構造が見ら れる こ と から ， 2nd knee の存
在は実験的に 確立し たと いっ て 良い． し かし ， 2nd knee 付近のエネ ルギー領域での一次粒子種の
観測結果は各実験で異な る ． 後述する が (1.4.2 節)， Yakutsk,Tunka の結果では 2nd knee よ り 上
の領域で， 一次宇宙線粒子が徐々 に 軽い原子核へと 変化し て いる のに 対し ， IceCube では重い原
21
log FLUX · E3 , eV2 m-2 s-1 sr-1
1025
γ=-3.12±0.03
γ=-2.92±0.03
γ=-3.24±0.04
γ=-2.7±0.03
1024
1015
1016
1017
E0 , eV
1018
1019
図 1.13: Yakutsk 実験で観測さ れたエネ ルギース ペク ト ル [30]． フ ィッ ト に 使っ た点の違いで色を
分け て いる ．
子核のま ま である ． 2nd knee のエネ ルギー領域でエネ ルギーが上がる ごと に 一次粒子種が重い原
子核から 軽い原子核に 変化し て いれば， 2nd knee は宇宙線源が銀河系内から 銀河系外へ遷移する
こ と に よ る も ので， ま た， ankle は宇宙背景放射と 一次宇宙線と の衝突に よ る 電子・ 陽電子対生成
に よ る も のだと 考え る こ と ができ る ． 2nd knee のエネ ルギー領域よ り 上で一次粒子種が重い原子
核のま ま だと ， ankle こ そ宇宙線源が銀河系内から 銀河系外へ遷移し て いる と こ ろ である かも 知れ
ず， 2nd knee に 関し て は別の原因を 考え る 必要がある ．
1.4.2
質量組成
図 1.16， 図 1.17， 図 1.18 に Yakutsk 実験， Tunka 実験， IceCube 実験で報告さ れて いる 質量組
成を 示す． 横軸はエネ ルギーで， 縦軸は原子核の質量数の自然対数を 取っ たも のである ．
Yakutsk,Tunka は 1016 ∼ 1017 eV のエネ ルギー領域で， 一次エネ ルギーの増加と と も に 粒子種
が重い原子核へと 変化し て いき ， そ れよ り 上の領域では軽い原子核に 変化し て いく ． そ れに 対し
IceCube では 1015.5 ∼ 1017.5 eV の全て のエネ ルギー領域で粒子種が重い原子核へと 変化し て いく ．
22
図 1.14: Tunka 実験で観測さ れたエネ ルギース ペク ト ル [32]．
図 1.15: IceTop で観測さ れたエネ ルギース ペク ト ル [33]．
23
図 1.16: Yakutsk 実験で観測さ れた質量組成 [30]．
図 1.17: Tunka 実験で観測さ れた質量組成 [32]．
24
< log A >
5
Nominal
Optical Efficiency -10%
Optical Efficiency +10%
Abs/Scat Coefficient -10%
Abs/Scat Coefficient +10%
QGSJET-II-03
Snow λ 1.9m
Snow λ 2.3m
4
3
2
1
IceCube Preliminary
0
6.5
7
7.5
8
8.5
9
log10(E0/GeV)
図 1.18: IceCube で観測さ れた質量組成 [33]．
25
第2章
TA Low Energy extension (TALE)
実験
宇宙線望遠鏡実験 (TA 実験) は日米韓露ベルギーの国際共同研究で， 米国ユタ 州に 700km2 の
空気シャ ワ ーア レ イ と 38 台の大気蛍光望遠鏡から な る ハイ ブリ ッ ド 観測装置を 設置し ， 2008 年
から 定常観測を 継続し て いる ．
TA Low Energy extension (TALE) 実験は， TA 実験と の同時観測と 相互較正に よ っ て TA 実
験のエネ ルギー範囲を 1016.5 eV から 1020.5 eV ま での４ ケ タ に 拡大し ， シャ ワ ー再構成分解能に
優れた ハイ ブリ ッ ド 観測でカ バーする 計画であ る ． こ のエネ ルギー範囲は， 銀河系内宇宙線と そ
の終わり ， 系内から 系外への遷移， 銀河系外宇宙線と その GZK 終端のすべて を 含むエネ ルギー領
域である ． TA+TALE は， 統合さ れた一つの実験であり ， 加速器で較正さ れた唯一のエネ ルギー
ス ケ ールを 用いて ， こ の領域のエネ ルギース ペク ト ルと 質量組成の変化を 精度よ く 測定する ．
2.1
2.1.1
TALE 実験の目的
宇宙線起源の銀河系内から 銀河系外への遷移の検出
1.2 節で述べたよ う に， 2nd knee 領域では宇宙線源が銀河系内から 銀河系外へ遷移し て いる と 考
え ら れて いる ． こ の遷移領域では， Xmax 分布が鉄成分と 陽子成分の両方を 含むため， elongation
rate(=Xmax を log10 E の関数と し て プロ ッ ト し た時の傾き ) が小さ く な り ， Xmax の分布は広く な
る はずである ． TALE 実験では， ハイ ブリ ッ ド 観測と いう 高精度の Xmax 測定に よ っ て ， Xmax の
elongation rate と 分布幅のエネ ルギーに 依存し た 変化を 見つけ， 宇宙線源の銀河系内から 銀河系
外への遷移の決定的な 証拠を つかむ．
2.1.2
宇宙線源の進化の解明
1.2 節で述べた よ う に ， 2nd knee 領域では赤方偏移パラ メ ータ ー z が 1 程度の宇宙論的距離に
あ る 宇宙線源の寄与が支配的であ る (図 1.5, [16])． TALE 実験では， ハイ ブリ ッ ド 観測に よ る 優
れた エネ ルギー分解能と 加速器較正に よ る 小系統誤差に よ る エネ ルギース ペク ト ルの精密測定に
よ っ て ， 2nd knee(z≃1) から GZK cut off(z≃0.001) ま での宇宙線源の密度の変化を 明かに する ．
こ れに よ っ て ⌈ エネ ルギース ペク ト ル ⌋ ⌈ 質量組成 ⌋ ⌈ 到来方向分布 ⌋ と いう 観測量に 加え て ， 新
し い ⌈ 進化 ⌋ と いう 座標軸を 切り 開く ．
2.1.3
ハド ロ ン 相互作用モ デルへのフ ィ ード バッ ク
TALE 実験と TA 実験のハイ ブリ ッ ド 観測領域である 1016.5 eV から 1020.5 eV は， LHC の実験
室系到達エネ ルギー限界 ≃1017 eV を 十分に 含んでおり ， TALE 実験と LHC での各実験の結果は
同一エネ ルギーで外挿な し に 比較可能であ る ． そ こ で， 地表検出器ア レ イ に よ る 2 次元的横方向
26
分布， 大気蛍光望遠鏡によ る 縦方向発達， 時間的発展に加え ， 電磁成分と ミ ュ ーオン 成分の区別と
いう 第 5 の軸を 加え ， 5 次元的な シャ ワ ー構造を LHC エネ ルギーから 明かに し ， 超高エネ ルギー
ハド ロ ン 相互作用の物理の解明に 貢献する ．
2.2
TA 実験
TA 実験は， エネルギー決定精度にシミ ュレ ーショ ン依存性の少ない大気蛍光望遠鏡 (Fluorescence
Detector， FD) と ， 稼働時間が長く 大き な 統計量の蓄積が見込める 地表検出器 (Surface Detector，
SD) に よ る 空気シャ ワ ーア レ イ のお互いの利点を 生かし ， 極高エネ ルギー宇宙線の空気シャ ワ ー
を 観測する も のである ．
SD ア レ イ の設置場所は設置， 運用， 修理作業に 適し た地形， 植生， 立地が望ま れる ． さ ら に 太
陽光電池パネ ルの有効な 稼働のた め高い晴天率， 良好で安定し た 検出器通信のた め平坦な 地形が
望ま し い． ま た， FD の建設場所は観測時間を 長く 取る ため高い晴天率， 測定のノ イ ズ源と な る 人
工光が少な い， 大気の透明度が高い， 周囲に 視界を 遮る も のが無い地形が望ま し い． こ れら の条
件を 考慮し て ， TA 実験の実験場と し て 米国ユタ 州ミ ラ ード 郡の西部砂漠地帯 (平均標高 1400 m，
大気深さ 860 g/cm2 ) が選ばれた． こ の地域は年間降雨量 250 mm， 晴天率 60% と 理想的な 気候で
あり ， 人工光も 極めて 少な い．
SD ア レ イ は 1.2 km 間隔で並べら れた 507 台のプラ ス チッ ク シン チレ ーショ ン 検出器から な り ，
検出面積は約 700 km2 であ る ． FD ス テ ーショ ン はア レ イ 周辺の三ヶ 所に 約 35 km 間隔で設置さ
れ， 方位角 108◦ ， 仰角 3◦ ∼33◦ でア レ イ 上空を 観測し て いる ． 一つのス テーショ ン に 12 台ま たは
14 台の望遠鏡が設置さ れ， 全部で 38 台であ る ． 地表近く で発生する 霧な ど の影響を 避け る た め
に ， ス テーショ ン は周囲から 100 ∼ 200 m 高い所に 置かれて いる ． TA の検出器配置を 図 2.3 に 示
す． SD ア レ イ 上空を FD の視野で覆い， 到来する 宇宙線を 2 つの異な る 検出器で同時観測する こ
と が可能と な っ て いる ．
こ れま での 5 年間の観測では， 図 2.1 のよ う に 1018.2 eV 以上のエネ ルギース ペク ト ル上に いく
つかの構造が確認さ れて いる [20]．
こ れら の構造は， CMB と 一次宇宙線陽子の衝突に よ る パイ オン 生成を 起源と する GZK cutoff
(1019.7 eV)， GZK pileup (1019.4 eV)， 電子・ 陽電子生成に よ る dip (1018.7 eV) が見え て いる と 解
釈出来る ． 同時に Xmax の測定から ， 図 2.2 のよ う にその平均値と 分布はこ のエネ ルギー領域全体
で一次宇宙線が純粋に 陽子のみから な る と 仮定し た 場合と 矛盾し な いこ と が分かっ た [21]． こ れ
ら の結果を 総合し て ， ⌈ 最高エネ ルギー宇宙線は銀河系内起源の陽子であり ， CMB 光子と の相互
作用に よ る 強い減衰が起き て いる ⌋ と いう 描像ができ る ．
2.2.1
TA 実験の地表検出器
TA の SD ア レ イ は間隔 1.2 km の碁盤目上に な ら べら れた 507 台の SD から な り ， 700 km2 の検
出面積を 持つ． こ の SD ア レ イ は， 各領域ごと に 1 つの通信塔と 無線 LAN 通信を 通じ て 接続さ れ
て いる ． 従っ て ， TA の SD ア レ イ は 3 領域の部分ア レ イ から 構成さ れて いる ． 各通信塔はそ れぞ
れ Smelter Knoll(SK) 通信塔， Black Rock Mesa(BRM) 通信塔， Long Ridge(LR) 通信塔と 呼ば
れる ． SD は基本的に TALE 実験のも のと 同一である ので， 2.4 節で詳し く 説明する ．
27
図 2.1: TA 実験と いく つかの実験に よ る エネ ルギース ペク ト ル [20]． 微細構造を 見やすく する た
めに ス ペク ト ルに E 3 /1024 を 掛け て いる ．
図 2.2: TA 実験に よ る 平均 Xmax [21]． 1018.2 eV 以上のエネ ルギー領域で 100%陽子である 組成と
矛盾し な い．
28
2.2.2
TA 実験の大気蛍光望遠鏡
TA 実験の FD は空気シャ ワ ーに よ る 大気蛍光を 球面鏡で集光し ， そ れを PMT カ メ ラ で撮像し
て 観測する 装置である ． TA 実験では， FD は 3ヶ 所のス テーショ ン に 集中し て 設置さ れて いる が，
そ れら のう ち Midlle Drum(MD) ス テーショ ン に ある 14 基は， HiRes 実験で使用さ れて いた望遠
鏡を 移設し たも のである [38]． 一方で， BRM ス テーショ ン と LR ス テーショ ン に は TA 実験のた
めに 新たに 設計， 製作さ れた口径 3 m の球面鏡を 持つ望遠鏡が各々 12 台ずつ設置さ れて いて ， ス
テーショ ン 全体で方位角 108◦ ， 仰角 3◦ ∼33◦ の範囲を 見る ．
図 2.3: TA 実験におけ る 装置の配置図． 黒点が SD の設置場所， 赤丸が大気蛍光望遠鏡ステーショ
ン ， 青丸が SD のデータ 収集に 使われる 通信塔を 表す． 左上は SD， 左下は大気蛍光望遠鏡ス テー
ショ ン の写真．
2.3
TALE 実験の装置の概観
TALE 実験は， TA 実験に 隣接し て ， TA-FD よ り も よ り 高仰角方向を みる 大気蛍光望遠鏡と ，
よ り 高い設置密度の地表検出ア レ イ を 追加する こ と に よ り ， 観測の閾値エネ ルギーを 1016.5 eV ま
で下げ， エネ ルギース ペク ト ルと 質量組成を 測定する ． そ の概観を 図 2.4 に 示す．
TALE 実験の大気蛍光望遠鏡ス テーショ ン は TA 実験の Middle Drum ス テーショ ン に 隣接し て
設置さ れ， TA 望遠鏡の視野のさ ら に上， 仰角 31◦ ∼59◦ を 見る ． こ れによ っ て ， よ り 高い高度で最
大発達を 迎え る 空気シャ ワ ー， すな わち ， よ り 低いエネ ルギーの宇宙線を 観測する ． ま た， TALE
望遠鏡ス テ ーショ ン の前に は， 101 台の地表検出器から な る 高密度空気シャ ワ ーア レ イ を 展開す
29
図 2.4: (上)TA 実験， TALE 実験の配置図． TALE 実験は TA 北端の四角で囲んだ領域に 設置さ
れて いる ． (下)TALE 実験の配置拡大図． 黄色の丸の地点に TALE-SD を 設置する ．
30
る ． TALE 大気蛍光望遠鏡の 1016 eV 台の空気シャ ワ ーに対する 検出可能範囲はステーショ ン から
半径 3 km 以内に 限定さ れる ． 従っ て ， ス テーショ ン から 3 km 以内の領域に は， 低エネ ルギーの
空気シャ ワ ーに 感度を 持たせる ため， 地表検出器を TA-SD よ り も 密に 配置する ． そ こ で， TALE
望遠鏡ス テーショ ン に 最も 近い部分に は， 地表検出器を 35 台， 400 m 間隔で並べ， 3×1016 eV の
空気シャ ワ ーに 対し て 100 % のハイ ブリ ッ ド 検出効率を 持つよ う に し た． そ し て そ の外側の部分，
ス テ ーショ ン から 3∼5 km の範囲では， 検出器 46 台を 600 m 間隔で並べ， 1017 eV の宇宙線に 対
し て 100 % の検出効率を 持たせる ． さ ら に， こ のよ う な 高密度配置部分と TA-SD のアレ イ を 接続
する ために ， そ れら の間を 埋める よ う に 24 台の検出器を 1.2 km 間隔で配置する ．
地表検出器
2.4
2.4.1
地表検出器基本構成
TALE 実験では， TA 実験で使用し て いる SD と 同じ のも のを 使用する (図 2.5)． ただし ， TA 実
験で使用し て いる 無線 LAN モデム はすでに 生産終了で入手不可能である ため， TALE 実験用 SD
では新規無線 LAN モデム を 交換し ， そ れに 伴っ て フ ァ ーム ウ ェ ア の最適化を 行っ た． こ の部分の
詳し い説明に ついて は 3 章で後述する ．
図 2.5: 現地に 設置さ れた TALE-SD． 左奥に MD/TALE-FD ス テーショ ン が見え る ．
SD には， 1.2 cm 厚， 2.0 m×1.5 m のプラ スチッ ク シン チレ ータ (CI 工業社製 CIMS-G2) を 2 層
重ねた も のが用いら れて いる ． 2 枚のシン チレ ータ から の信号のコ イ ン シデン ス を と る こ と に よ
り ， 環境ガン マ 線から の雑音信号と 空気シャ ワ ー荷電粒子から の信号を 弁別する ． な お， 1 層のシ
ン チレ ータ は 8 枚のシン チレ ータ パネ ルで構成さ れて いる ． 図 2.6 に ， SD シン チレ ータ の構成図
を 示す．
シ ン チ レ ータ で発生し た 光は， 各層ごと に 104 本の波長変換フ ァ イ バー (Kuraray 社製 Y-11)
を 通じ て 光電子増倍管 (Electron-tubes 社製 9124SA， PhotoMultiplier Tube， 以下 PMT) に 導か
れる ．
31
上記のシン チレ ータ， フ ァ イ バー， PMT はシート で遮光し た上で， 厚さ 1.2 mm のス テン レ ス
製の箱に 収納さ れて いる ．
PMT の出力はフ ラ ッ シュ ADC(AD9235BRU-65) に よ り ， 上下層のチャ ン ネ ルごと に ， 12 bit，
50 MHz のサン プリ ン グ周波数でデジタ ル化さ れて 記録さ れて いる ． SD のタ イ ミ ン グは， 各 SD
に 搭載さ れた GPS 受信機 (Motorola M12+) に よ っ て ， GPS の 1PSS に 同期さ れて おり ， 異な る
SD 間でのタ イ ミ ン グのずれは約 1.4 ns 以内である ．
電力源と し ては 120 W の太陽電池パネ ル (京セラ 社製 KC120J) と 蓄電池 (DYNASTY 社製 DCS100L) を 用いて おり ， 現地の日照， 気温な ど の環境下では 365 日 24 時間の定常安定運用が可能と
なっ て いる ． 上記のよ う に個々 の SD は電力線， 通信線な ど を 用いずに完全に自立し て 運用さ れる
ので， 環境負荷は非常に 小さ い． 設置の際も 環境負荷を 最小に する べく ヘリ コ プタ ーで運搬， 設
置さ れる ．
図 2.7 に ソ ーラ ーパネ ルの裏側を 示す． こ こ に はバッ テ リ ー， ク ーラ ーボッ ク ス ， エレ ク ト ロ
ニク ス が置かれ， こ れら は砂塵， 雨滴を 防ぐ た めス テ ン レ ス ボッ ク ス に 収納さ れて いる ． バッ テ
リ ーは温度に 依存し て 充放電性能が変化する ので， ク ーラ ーボッ ク ス 内に 収納し 温度変化を 抑え
て いる ． ま た ， バッ テ リ ー側面に はフ ィ ルム ヒ ータ ーを 貼付し て あ り ， 必要に 応じ て バッ テ リ ー
を 温める ．
図 2.6: (左) シン チレ ータ ボッ ク ス の内部構造． (右) シン チレ ータ ボッ ク ス の断面図．
2.4.2
地表検出器電子回路
SD の電子回路は， 主に 以下の要素から な る ．
• PMT 波形のデジタ ル化のための FADC． 12 bit， 50 MHz サン プリ ン グのも のが上下層のシ
ン チレ ータ 用に 2 チャ ン ネ ルある ため， 処理さ れる 情報量は 1.2 Gbps である ．
• 高速信号処理のための FPGA(Xilinx 社製 XC3S1000)． ゲート 数は 100 万である ． 主に PMT
波形の処理と 保存， PMT 印加電圧コ ン ト ロ ール， シリ アルイ ン タ ーフ ェ ースコ ン ト ロ ール，
無線 LAN 通信の初段処理， GPS 通信の初段処理に 用いら れる ．
• 全体機能統括用 CPLD(Xilinx 社製 XC2C256)． 主に CPU のブート コ ン ト ロ ール， FPGA
ブート コ ン ト ロ ール， 電源コ ン ト ロ ールに 用いら れる ．
32
図 2.7: ソ ーラ ーパネ ルの下の箱に エレ ク ト ロ ニク ス と バッ テリ ーが収納さ れて いる ．
• 複雑な 処理を 行う ための CPU(ルネ サス テク ノ ロ ジ社製 SH4 マ イ コ ン SH7750S)． 動作周波
数は 167 MHz である ． 大半の情報処理はこ れを 用いて 行われる ．
• 位置情報， 絶対時間情報取得のための GPS．
• 無線 LAN 通信モデム ．
図 2.8 に SD のエレ ク ト ロ ニク ス の外観写真と ブロ ッ ク 図を 示す．
図 2.8: (左)TALE 実験で使用する も のと 同型の TA 実験 SD 用エレ ク ト ロ ニク ス ． 各 SD と 通信
塔に 設置さ れて いる ． (右)SD 用エレ ク ト ロ ニク ス のブロ ッ ク 図．
2.4.3
通信塔基本構成
図 2.9 に 通信塔の外観を 示す． 通信塔は， 主に SD と 通信する た めの無指向性ア ン テ ナと ， 電
子機器， ト リ ガー用電子機器， DAQ 用の産業用 PC， 通信塔同士が通信する ための指向性ア ン テ
ナと 電子機器 (Motorola 社製 Canopy PTP100)， 発電用太陽電池と 蓄電池から な る ． 通信塔では，
部分ア レ イ のレ ベル 2 ト リ ガー判定を 行っ て いる ．
33
図 2.9: TALE 実験用の無線 LAN 通信塔． 太陽電池パネ ルに よ り 電源供給し て いる ． 写真の右奥
に は MD/TALE-FD ス テーショ ン が小さ く 写っ て いる ．
2.4.4
ト リ ガー DAQ サイ ク ル概観
SD のト リ ガー DAQ サイ ク ルを 時系列に そ っ て 書き 下すと ， 以下のよ う に な る ．
1. SD は， PMT の波形信号処理を し ， レ ベル 1 ト リ ガーの判定を 行う ． レ ベル 1 ト リ ガーがあ
る と レ ベル 1 ト リ ガーテーブルを 生成する ．
2. SD は， レ ベル 1 ト リ ガーが発行さ れる と タ ワ ーの要求に 従っ て レ ベル 1 ト リ ガーテーブル
を タ ワ ーに 送出する ． レ ベル 1 ト リ ガーを 受け たタ ワ ーはレ ベル 2 ト リ ガーの判定を 行う ．
3. レ ベル 2 ト リ ガーが発行さ れる と ， タ ワ ーは SD へト リ ガーを 送信する ． SD はタ ワ ーから
のレ ベル 2 ト リ ガーを 受け る と ， ト リ ガーに 対応する 波形を 探索する ．
4. SD は探索結果を タ ワ ーへ送信する ． 探索結果を 受け たタ ワ ーは SD に 波形送信命令を 出し ，
SD は波形を タ ワ ーに 対し て 送出する ．
5. ただし ， 波形送信が 1 秒で終わら な かっ た場合は， SD はタ ワ ーに 向かっ て 波形送信が終わ
る ま で 1 秒毎に 波形残り 部分を 送信し 続け る ． こ の送信はト リ ガー情報転送が終わっ た後の
空き 時間で行う ．
こ こ では， 1 つの箇条書き の各項目が 1 秒に行われる 処理である ． ま た， オーバーヘッ ド を 減ら す
ために ， 異な る 情報の送受信を ま と めて 同時に 行う ．
34
2.4.5
各検出器における データ バッ フ ァ リ ン グと レ ベル 1 ト リ ガー
物質中での粒子のエネルギー損失量には下限が存在し ， こ のと き の粒子を 最小電離粒子 (Minimum
Ionizing Particle:MIP) と 呼ぶ。 図 2.10 に 物質中での粒子のエネ ルギー損失を 示す [35]． シ ン チ
レ ータ 中での粒子のエネ ルギー損失が最小と な る エネ ルギーは粒子に よ っ て 異な る が， 地表に 到
来する 宇宙線は主に ミ ュ ーオン であ り ， 様々 な エネ ルギーを 持つので， こ れら を 平均し た 形での
1 MIP を 測定する こ と で SD を 較正する こ と が出来る ． SD250 台で試験し た 結果， 1 MIP の粒子
の入射の結果 PMT の光電面から 放出さ れる 光電子数は 24.6±0.4 であっ た ． ま た ， 1 個のミ ュ ー
オン に よ る エネ ルギー損失 (=1 MIP) は一定であ る た め， 各検出器の 1 MIP に 対する 応答を 常に
モニタ ーし 求める こ と で， 全 SD の応答を 規格化し そ ろ え る こ と ができ る ．
空気シャ ワ ーに 含ま れる 荷電粒子の大半は放射性物質起源の放射線に 比べずっ と エネ ルギーが
大き いた め， 上下層のシン チレ ータ を 貫通する ． 従っ て ， シャ ワ ー粒子に 対する ト リ ガーは上下
層のコ イ ン シデン ス でかけ れば良い． こ の空気シャ ワ ー粒子入射を 判定する ト リ ガーがレ ベル 0
ト リ ガーである ． レ ベル 0 ト リ ガーのための波形積分時間は 8 タ イ ム ス ラ イ ス (=160 ns) である ．
ス レ ッ ショ ルド は 0.3 MIP に 相当する 15 ADC カ ウ ン ト であ る ． レ ベル 0 ト リ ガー条件を 満た し
た 波形の記録長は 2.56 µs で， 継続時間の長い信号は単に 連続し た 複数の波形と し て 保存さ れる ．
こ れは無線 LAN を 通じ たデータ 転送の際のパケ ッ ト サイ ズを 大き く し すぎな いためである ．
図 2.10: さ ま ざま な 高エネ ルギー粒子のさ ま ざま な 物質中でのエネ ルギー損失 [35]．
以下に ， データ バッ フ ァ リ ン グの手順に ついて 示す． な お， 以下の手順はすべて FPGA に 実装
さ れた論理回路に よ っ て 行われて いる ．
35
1. 8 タ イ ム ス ラ イ ス 分 (幅 160 ns) の FADC 積算値の計算を ， 8 タ イ ム ス ラ イ ス (幅 160 ns) ず
つ移動さ せな がら 行い， GPS の 1 PPS 信号から の 1 秒間に おけ る FADC 積算値の最頻値を
計算する ． こ の値を 次の 1 秒間のペデス タ ルレ ベルと する ．
2. 8 タ イ ム ス ラ イ ス 分 (幅 160 ns) の FADC 積算値を 計算し ， 1 タ イ ム ス ラ イ ス (幅 20 ns) ずつ
移動さ せな がら こ の計算を 繰り 返し (移動和)， 移動和の値から ペデスタ ルレ ベルを 差し 引い
た値が上下層共にスレ ッ ショ ルド (0.3 MIP 相当) よ り も 大き け れば， レ ベル 0 ト リ ガーを 発
行する ． こ のト リ ガーから 1280 ns 以内に 起こ っ た次のレ ベル 0 ト リ ガーは無効化さ れる ．
3. レ ベル 0 ト リ ガーが発行さ れる と ， そ の波形を 波形記録専用の SDRAM に 転送する ． 波形
はト リ ガーの 640 ns 以前から 1920 ns 以後ま で保存さ れる ． ト リ ガーの 1280 ns 以後から
2560 ns 以後の間に 二つ目のト リ ガーがかかっ た 場合， 波形の重複を 防ぐ た め二つ目のト リ
ガータ イ ミ ン グは， 一つ目のト リ ガータ イ ミ ン グの 2560 ns 後ま で遅ら さ れる ． 波形記録専
用の SDRAM への転送と 同時に， 波形の積分値， 波形の最大値， 1 PPS 間のク ロ ッ ク 数， 波
形番号を 保存する ． こ れら の情報は 10 ms ごと に CPU と 共有の SDRAM に DMA 転送さ れ
る ． ま た， こ れら の情報のリ ス ト を レ ベル 0 ト リ ガーテーブルと 呼ぶ．
レ ベル 1 ト リ ガー
レ ベル 1 ト リ ガーのス レ ッ ショ ルド は 150 カ ウ ン ト (=3 MIP)， 積分ゲート 幅は波形の記録幅
と 同じ 128 タ イ ム ス ラ イ ス (=2560 ns) である ． こ のス レ ッ ショ ルド は物理上の要請ではな く ， 通
信バン ド 幅で決ま っ て いる ．
レ ベル 0 ト リ ガーテ ーブルを 元に し て ， 通信塔に 送信する レ ベル 1 ト リ ガーのリ ス ト を 作る 手
順に ついて 示す． な お， 以下の手順はすべて 各 SD の CPU で行われる ．
1. GPS の 1 PPS と 同時に CPU に割り 込みがかかる ． 割り 込み処理と 同時にレ ベル 0 ト リ ガー
テーブルを FPGA から 読み込む．
2. DMA 転送中であ ればそ れが終了する ま で待っ た 後， レ ベル 0 ト リ ガーの処理を 開始する ．
処理の内訳は， ク ロ ッ ク 数から µs への変換， DMA 転送が正し く 行われたかど う かの確認，
モニタ ーデータ の生成である ． ク ロ ッ ク 数を そのま ま 使う のではな く µs と する 理由は， デー
タ サイ ズを 小さ く する ため， ま た， ク ロ ッ ク 周波数が少し ずつ異な る SD 同士で同期を と る
ためである ． 同時に ， 波形の積分値から ペデス タ ルレ ベルを 差し 引いた値がス レ ッ ショ ルド
よ り も 大き け ればレ ベル 1 ト リ ガーを 発行する ．
3. レ ベル 1 ト リ ガーがある と ， µs(20 bit) と 波形の積分値の上下層の平均 (4 bit) を 組み合わせ，
3 byte のデータ と し て 記録する ． ま た， こ のリ ス ト を レ ベル 1 ト リ ガーテーブルと 呼ぶ．
2.4.6
通信塔における レ ベル 2 ト リ ガー
通信塔では各 SD から レ ベル 1 ト リ ガーテ ーブルを 収集し ， レ ベル 1 ト リ ガーが 8 µs の時間内
で 3 台以上隣接する SD から 見つかる と ， レ ベル 2 ト リ ガーを 発行する ． レ ベル 2 ト リ ガーがある
と そ の時刻 (レ ベル 2 ト リ ガーの判定に 使用さ れた SD の内， 最も 早く レ ベル 0 ト リ ガーを 発行し
た SD のト リ ガー時刻) は DAQ リ ス ト に 登録さ れる ． 即座に ト リ ガーを 各 SD に 配信し な い理由
は通信オーバーヘッ ド を 減ら すためである ．
以下に ， レ ベル 2 ト リ ガー判定の手順を 示す．
36
1. レ ベル 1 ト リ ガーテーブルを SD から 取得する ． こ れと 同時にモニタ ーデータ (後述) も 取得
する ．
2. GPS の 1 PPS と 同時に CPU に 割り 込みがかかる ． こ の後, レ ベル 1 ト リ ガーテ ーブルの
µs(20 bit) と SD 座標番号 (12 bit) を 組み合わせ， さ ら に 時刻順に 並び替え て ア レ イ 全体の
ト リ ガーテーブルを 生成する ． 1 PPS と 同期さ せて 処理を 行う 理由は， SD のト リ ガーサイ
ク ルと 同期さ せる こ と で無駄な 待ち 時間を 発生さ せな いためである ．
3. こ のト リ ガーテ ーブルを 8 µs のゲート 幅で走査し ， レ ベル 1 ト リ ガーが 3 つ以上あ る 場合
は隣接条件を 満た すかど う かの確認を 行う ． 3 台以上の隣接条件を 満た し て いればレ ベル 2
ト リ ガーを 発行し ， DAQ リ ス ト へ登録する ．
レ ベル 2 ト リ ガーが発行さ れる と ， 各通信塔はレ ベル 2 ト リ ガー時刻から ±64 µs の範囲のレ ベ
ル 0 ト リ ガーテーブルを SD から 収集する ． タ ワ ーは 1 秒間で全て の SD のモニタ ーデータ 及びト
リ ガーテ ーブル収集を 行う が， レ ベル 2 ト リ ガーがあ れば， こ の 1 秒の残っ た 時間で波形データ
収集を 行う ． ま た， 波形は 128 サン プル× 12bit で記録さ れて いる ので上下のチャ ン ネ ルを 合わせ
て ， 1 波形あ た り 合計 384Byte であ り ， モデム の通信容量の問題で 1 度に 384Byte のデータ を 送
れな いこ と がわかっ て いる た め， いく つかに 分割し て 送信する ． TALE 実験のレ ベル 2 ト リ ガー
の頻度はおよ そ 10 分に 1 回な ので， こ の様に 複数に 分割し て 送信し て も 問題な いこ と がわかる ．
2.4.7
モニタ ー情報と モニタ リ ン グシ ステム
各検出器が定期的に 収集 · 更新し て いる 自ら の動作状況 · 状態を 表すモニタ ー情報を ， 任意の
タ イ ミ ン グですべて の SD から 中央へ転送する こ と は， 通信帯域の狭さ から 不可能であ る ． そ こ
で， レ ベル 1 ト リ ガーテ ーブルの転送の際， 各 SD はヘッ ダー情報と 共に モニタ ー情報を 分割し
て 送信し て いる ． モニタ ー情報は 9 kByte 程度であり ， ト リ ガー DAQ に 負荷を かけ な いよ う 600
分割し て 毎秒 16 Byte ずつ送信さ れる ． そ し て ， 毎秒取得さ れる 情報が 8 Byte， 1 つのレ ベル 1
ト リ ガー情報は 4 Byte な ので， レ ベル 1 ト リ ガー数を N と する と ， 1 台の SD は 1 秒毎に 合計
(24+4N )Byte を タ ワ ーに 向かっ て 送信し て いる ．
以下に ， モニタ ー情報と し て 取得さ れて いる 項目を 示す． 収集時間間隔が， 1 秒のも の， 1 分の
も の， 10 分のも のがある ． ただし ， 収集時間間隔が 1 秒の情報は毎秒取得さ れる ため， 送信時に
分割さ れな い． つま り , 上記の 9 kByte に は含ま れて いな い．
• 毎秒取得さ れる 情報
– 1 PPS 間のク ロ ッ ク 数 (4 Byte)． GPS 及びク ロ ッ ク の安定性の確認に 用いる ．
– GPS タ イ ム スタ ン プ (2 Byte)． 1 PPS が継続し て 出力さ れつづけ て いる か， つま り SD
間で同期がと れて いる かど う か確認する ために 用いる ．
– レ ベル 1 ト リ ガーの数 (2 Byte)． ホッ ト チャ ン ネ ル， デッ ド チャ ン ネ ルの識別に用いる ．
• 収集時間間隔 1 分の情報
– レ ベル 0 ト リ ガー数． ト リ ガーサイ ク ルの安定性， ゲイ ン が適切に 設定さ れて いる か
の確認に 用いる ．
– バッ テリ ー電圧． 解析には用いら れな いが， SD の安定稼働のために重要な 項目である ．
– 充電電流． 太陽電池に よ る 充電が正常かを 確認する ．
37
– 太陽電池の出力電圧．
– 温湿度．
• 収集時間間隔 10 分の情報
– バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン 信号のス ペク ト ル． SD のゲイ ン 較正に 用いら れる ． 約
50 ADC カ ウ ン ト が最頻と な る よ う に ゲイ ン が調整さ れて いる ．
– ペデス タ ルのヒ ス ト グラ ム ． SD の較正に 用いら れる ．
– PMT 出力信号のピ ーク 波高のヒ ス ト グラ ム ． こ れを 用いて ダイ ナミ ッ ク レ ン ジを 決
める ．
– GPS の状態を 表すフ ラ グ．
– 通信でき て いる GPS 衛星数．
こ れら のモニタ ー情報を 確認し ， 不具合が生じ て いればメ ン テ ナン ス する ． モニタ ー用ア プリ
ケ ーショ ン の出力グラ フ の一部を 図 5.2 に 示す．
ペデスタ ルのヒ スト グラ ム
ペデス タ ルレ ベルを 得る ため， FPGA 内部では 8 タ イ ム ス ラ イ ス ごと に FADC カ ウ ン ト の 8 タ
イ ム ス ラ イ ス 分の積分値を 求め， そ れら を 1 秒分ためて ヒ ス ト グラ ム と し て いる ． CPU はこ のヒ
スト グラ ム を 1 秒ごと に読み取り ， さ ら に 10 分間積算する ． こ れが「 ペデスタ ルのヒ スト グラ ム 」
と 呼ばれる モニタ ー情報で， 10 分ごと に 中央へ転送さ れる ． 分解能は 1 カ ウ ン ト ， レ ン ジは 0 か
ら 256 カ ウ ン ト ま でである ．
バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオ ン 信号のスペク ト ル
レ ベル 0 ト リ ガーごと に FPGA 内部では波形の積分値を 求め， そ れら を 1 秒分ためて ヒ ス ト グ
ラ ム と し て いる ． 積分ゲート 幅は 240 ns， 波高の最大値の前 80 ns， 後 160 ns であ る ． CPU はこ
のヒ ス ト グラ ム を 1 秒ごと に 読み取り ， 10 分間積算する ． レ ベル 0 ト リ ガーを 満たす信号の原因
の大半は， シャ ワ ーと 無関係な バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン に よ る も のと 考え ら れる ので， こ れ
が，「 バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン 信号のヒ ス ト グラ ム 」 と 呼ばれ， 10 分ごと に 中央に 送ら れる ．
こ れは， バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン のヒ ス ト グラ ム がモニタ ー情報と し て 取得さ れる のが 10 分
ごと である ためである ． 分解能は 1 カ ウ ン ト ， レ ン ジは 0 から 512 カ ウ ン ト ま でである ．
図 2.12 に モニタ ー情報から 得たバッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン に よ る 信号と ペデス タ ルのヒ ス ト
グラ ム を 示す．
PMT 出力信号のピ ーク 波高のヒ スト グラ ム
FPGA から DMA 転送さ れた信号波形のう ち ピ ーク 波高の値を CPU 側でヒ ス ト グラ ム 化する ．
分解能は 32 カ ウ ン ト ， レ ン ジは 0 から 4096 ま でである ．
38
図 2.11: TA 実験の SD のモニタ ー例． 上から ， 通信でき て いる GPS 衛星数， 通信状態， バッ テ
リ ー電圧， 気温， ペデス タ ル， ミ ュ ーオン ピ ーク， ト リ ガーレ ート を 表す．
39
図 2.12: SD のモニタ ー情報から 得たバッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン 信号のヒ ス ト グラ ム と ペデス タ
ルのヒ ス ト グラ ム ． 緑色と 赤色のヒ ス ト グラ ム はそ れぞれ上層と 下層のペデス タ ルのヒ ス ト グラ
ム であ る ． ま た ， 青色と 紫色のヒ ス ト グラ ム はそ れぞれ上層と 下層のバッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオ
ン 信号のヒ ス ト グラ ム であ る ． そ れぞれのヒ ス ト グラ ム の右側のエン ト リ ー (250 ADC カ ウ ン ト
の後ろ の立ち 上がり ) は over flow を 示す． 積分幅は 240 ns． バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオン 信号の
ヒ ス ト グラ ム ではペデス タ ル分はすでに 引いて ある ．
2.4.8
バッ ク グラ ウ ン ド ミ ュ ーオ ン 信号に対応する エネルギー損失
SD ではシン チレ ータ ーの発光量から 粒子数を 決定する ため， 発光量を 詳細に調べる 必要がある ．
シン チレ ータ ーの発光量は入射粒子に よ る エネ ルギー損失量と シン チレ ータ ーの発光効率で決ま
る ． そ こ でシミ ュ レ ーショ ン を 用いて 検出器に おけ る 入射粒子のエネ ルギー損失特性を 調べた．
物質中でのエネ ルギー損失は Bethe-Bloch の式で表さ れる ．
1 2me c2 β 2 γ 2 Tmax
δ
dE
2Z 1
2
= Kz
ln
−β −
(2.1)
dx
A β2 2
I2
2
こ こ で， ze は入射粒子の電荷量， K/A = 4πNA re2 me c2 /A = 0.307[MeV/(g/cm2 )]， Tmax は 1 回
の衝突で自由電子に 与え る こ と ができ る 最大の運動エネ ルギー， I は平均励起エネ ルギー， δ は電
離損失に 対する 密度効果の補正である ． −dE/dx の単位は [MeV/(g/cm2 )] であり ， こ の式よ り 物
質中でのエネ ルギー損失量は (粒子が通過する 物質の密度)×(通過距離) に 比例する ．
粒子が物質中を 通過する 距離は空気シャ ワ ーの天頂角を θ と し て ， cosθ に反比例し ， エネ ルギー
損失量が通過距離に 比例する ． 従っ て 物質中に おけ る 粒子のエネ ルギー損失 dE に ついて 以下の
式が成り 立つと 考え ら れる ．
1
(2.2)
cosθ
GEANT4 を 用いて ， TA 実験の SD に ミ ュ ーオン が入射し た場合のエネ ルギー損失を 計算し た．
その結果の一つと し て ， 図 2.13 に θ=0◦ ， 60◦ で 1 GeV のミ ュ ーオン を 入射し た場合のシン チレ ー
タ ー上下層でのエネ ルギー損失分布を 示す． ラ ン ダウ 分布で近似し た 場合のピ ーク 値、 標準偏差
はそ れぞれ
dE ∝
• θ=0◦ :上層 2.00 MeV， σ=0.10 MeV， 下層 2.01 MeV， σ=0.10 MeV
40
• θ=60◦ :上層 4.15 MeV， σ=0.22 MeV， 下層 4.15 MeV， σ=0.20 MeV
であり ， ピ ーク 値を cosθ で補正する と
• θ = 60◦ (補正後) :上層 2.08 MeV， 下層 2.08 MeV
と な る [36]．
図 2.13: µ− を 入射し た場合のエネ ルギー損失分布． E=1 GeV， 左が θ=0◦ ， 右が θ= 60◦ である
[36]．
ま た 1 GeV のミ ュ ーオン は物質中でほぼ電離損失し か起こ さ な い [37]． 制動放射の反応断面積
σ は以下の式に示すよ う に粒子の質量に反比例する ので， ミ ュ ーオン (m=105.7 MeV) の反応断面
積は電子 (m=0.511 MeV) の約 1/40000 と 小さ い．
2 2
e
(2.3)
σ∝
mc2
そのため， 物質中で制動放射を 起こ す確率は非常に小さ く ， 二次粒子放出によ る シン チレ ータ ー
上下層でのエネ ルギー損失の違いは見ら れな い [36]．
以降では 1 MIP=2.0 MeV と いう 値を 用いる ．
2.5
大気蛍光望遠鏡
TALE 大気蛍光望遠鏡ス テーショ ン は TA 実験の MD ス テーショ ン に 隣接し て 設置さ れて いる
(図 2.14)． TA 望遠鏡では仰角 3◦ ∼31◦ で観測し て いる が， そ のさ ら に 上の仰角 31◦ ∼59◦ を 見る ．
こ れに よ っ て ， よ り 低いエネ ルギーの宇宙線， すな わち ， よ り 高い高度で最大発達を 迎え る 空気
シャ ワ ーの観測ができ る よ う にな る ． 方位角方向の視野は MD ステーショ ン の 120◦ よ り も 若干狭
く ， およ そ 110◦ である ． TALE ス テーショ ン に 設置さ れる 望遠鏡と エレ ク ト ロ ニク ス は HiRes-II
実験で使われた装置を 再調整し て 使われる ．
2.5.1
光学系
望遠鏡の主鏡は合成球面鏡である ． 望遠鏡 1 台の視野は， 方位角方向， 仰角方向と も に 14◦ であ
る ． TALE-FD ス テ ーショ ン は 31◦ ∼45◦ の視野を 向く 望遠鏡 5 台と ， 45◦ ∼59◦ の視野を 向く 望遠
41
図 2.14: 左が MD ス テーショ ン で， 右が TALE ス テーショ ン ．
鏡 5 台から な り ， 全体では方位角方向に 120◦ ， 仰角方向に 3◦ ∼31◦ がカ バーさ れる (図 2.15)． 図
2.16 に TALE 大気蛍光望遠鏡を 示す． 望遠鏡に 使われる 球面積は， MD ス テーショ ン で使用さ れ
て いる も のと 同様の， 半径 630 mm の円形のセグメ ン ト ミ ラ ー 4 枚から な る 面積 4.18 m2 のク ロ ー
バー型の合成球面鏡である ．
図 2.15: 上の赤い部分が TALE ス テーショ ン の視野． 下の黒い部分が MD ス テーショ ン の視野．
42
図 2.16: TALE ス テーショ ン の大気蛍光望遠鏡．
43
第3章
TA 実験用 SD のエレ ク ト ロ ニク ス 及び
フ ァ ーム ウ ェ ア
2.4.1 節でも 述べたよ う に ， TALE 実験では TA 実験で使用し て いる SD と 同じ も のを 使用する ．
ただし ， TA 実験で使用し て いる 無線 LAN モデム はすでに生産が終了し ， 入手不可能である ため，
TALE 実験用に 無線 LAN モデム を 交換し な け ればな ら な い． 図 3.1 に SD エレ ク ト ロ ニク ス の概
略図を 示す． 無線 LAN モデム に よ っ て データ を 送受信する 際は， CPU と FPGA でデータ を 処理
する ． つま り 無線 LAN モデム を 交換する た めに は， CPU と FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア を 書き 換
え て ， 最適化し な け ればな ら な い． そ のために は， TA 実験用 SD のエレ ク ト ロ ニク ス と フ ァ ーム
ウ ェ ア の理解が必須であ る ． こ の章では TA 実験用 SD エレ キ で使用し て いる CPU と FPGA の
フ ァ ーム ウ ェ ア 及び無線 LAN モデム に ついて 解説する ．
ま た ， タ ワ ー (通信塔) は SD と 同じ エレ ク ト ロ ニク ス を 使用し て おり ， フ ァ ーム ウ ェ ア のみ若
干異な る ． SD と 異な る フ ァ ーム ウ ェ ア 部分に ついて は適宜説明する ．
図 3.1: SD エレ キ のエレ ク ト ロ ニク ス の概略図．
3.1
CPU
図 3.2 に SD エレ ク ト ロ ニク スに搭載さ れて いる CPU である ルネ サステク ノ ロ ジ社製 SH4 マ イ
コ ン SH7750S を 示す． 動作周波数は 167MHz である ． CPU のフ ァ ーム ウ ェ ア はリ ン カ ス ク リ プ
44
図 3.2: TA 実験用 SD で使用さ れて いる CPU． ルネ サス テク ノ ロ ジ社製 SH4 マ イ コ ン SH7750S．
45
ト 言語， ア セ ン ブラ 言語， C 言語で記述さ れて いる ． CPU に は動作を 軽く する ために OS を 搭載
し て いな い． そ のた め， オブジェ ク ト コ ード に 具体的な ア ド レ ス を 割り 当て る 際， 実際に 存在す
る メ モリ の情報と ， ど こ に 何を 配置する のかを ， リ ン カ ス ク リ プト を 用いて 行う ． こ のリ ン カ ス
ク リ プト に よ っ て メ モリ の先頭ア ド レ ス に 書き 込ま れて いる のが start.o と いう オブジェ ク ト であ
る ． つま り ， SD エレ キ の電源が入り ， CPU に 電源が供給さ れる と ， ま ずこ の start.o が実行さ れ
る ． start.o がコ ン パイ ルさ れる 前は starm.asm と いう フ ァ イ ルで， ア セ ン ブラ 言語で記述さ れて
いる ． start.o が実行さ れた 後， メ イ ン ルーチン であ る main.o が実行さ れる ． main.o がコ ン パイ
ルさ れる 前は main.c と いう フ ァ イ ルで， C 言語で記述さ れて いる ． 以下 start.asm と main.c に つ
いて 説明する ．
3.2
start.asm
start.asm は， CPU のハード ウ ェ ア に 密接し た 動作がア セ ン ブリ 言語で記述さ れて おり ， 大き
く ブート コ ード 部分と 割り 込み処理ハン ド ラ 部分に 分け る こ と ができ る ．
3.2.1
ブ ート コ ード 部分
CPU のリ セ ッ ト に は， パワ ーオン リ セ ッ ト と マ ニュ ア ルリ セ ッ ト の 2 種類のリ セ ッ ト があ る ．
パワ ーオン リ セ ッ ト は完全な リ セ ッ ト であ り ， そ れに 対し マ ニュ ア ルリ セ ッ ト は， ソ フ ト ウ ェ ア
リ セ ッ ト 的な 意味合いが強く ， CPU 内蔵レ ジス タ のほと んど はリ セ ッ ト さ れな い．
CPU ではこ れら のリ セッ ト が発生する と H’A000 0000 番地から コ ード を 実行する ． H’A000 0000
番地は P2 領域と いう ， キ ャッ シュ 不可 · ア ド レ ス 変更不可の領域に 割り 当て ら れる ． こ の領域へ
ア ク セ ス する と ， 32bit のア ド レ ス バス の上位 3bit を 0 に し た ア ド レ ス で外部バス に ア ク セ ス す
る ． すな わち ， H’0000 0000 番地がア ク セ ス さ れる ．
し たがっ て ， リ セ ッ ト が発生する と 物理ア ド レ ス の H’0000 0000 番地に 置かれた外部メ モリ か
ら プロ グラ ム を 実行する こ と に な る ． こ のエレ ク ト ロ ニク ス では， ア ド レ ス H’0000 0000 に はフ
ラ ッ シュ ROM に 外部メ モリ 空間を 割り 当て て いる ．
そ の後， メ モリ マ ッ プの設定， SDRAM の動作モード 設定， キャッ シュ の設定な ど CPU の内蔵
レ ジスタ の設定を 行う ． こ れら の内蔵レ ジスタ の設定を 行っ た後， main.c 内の main() 関数に飛ぶ．
3.2.2
割り 込み処理ハン ド ラ 部分
割り 込み処理ルーチン はブート 時に は呼び出さ れな いが， シス テ ム の通常動作時に おいて 頻繁
に 呼び出さ れる ルーチン である ． こ のルーチン は， 割り 込みが発生し た際に そ の発生要因を 調べ，
発生要因に 対応し た処理ルーチン を コ ールする と いう 動作を 行う ．
割り 込みルーチン では， ま ず PR レ ジスタ と ， SPC レ ジスタ， SSR レ ジスタ およ び R0 と R1 の
汎用レ ジスタ を スタ ッ ク に保存する ． PR レ ジスタ と はプロ シジャ レ ジスタ のこ と で， サブルーチ
ン コ ールの戻り ア ド レ ス が格納さ れる レ ジス タ のこ と である ． SPC レ ジス タ と は退避プロ グラ ム
カ ウ ン タ レ ジス タ のこ と で， 割り 込みの発生し た 命令のア ド レ ス が格納さ れる レ ジス タ のこ と で
ある ． SSR レ ジス タ と は退避ス テータ ス レ ジス タ のこ と で， 割り 込み時に ス テータ ス レ ジス タ の
内容が格納さ れる レ ジスタ のこ と である ． ステータ スレ ジスタ と は CPU 上の様々 な 状態を 示すも
のである ． ま た， SH プロ セッ サは 32bit の汎用レ ジス タ を 16 個持っ て いて ， R0， R1 は汎用レ ジ
ス タ の 1 つ目， 2 つ目と いう 意味である ．
46
割り 込みルーチン ではそ の後， INTEVT の値を 調べる ． こ れは CPU の内蔵レ ジス タ で， 例外
コ ード が格納さ れて おり ， こ のレ ジス タ を 参照する こ と で割り 込みの発生要因を 調べる こ と がで
き る ． そ し て コ ード に 対応し た処理を し ， PR レ ジス タ， SPC レ ジス タ， SSR レ ジス タ およ び R0
と R1 の汎用レ ジス タ を ス タ ッ ク から 戻し ， ルーチン から 抜け る ．
3.3
main.c
main.c は main() 関数を 記述する た めのフ ァ イ ルであ り ， C 言語で記述さ れて いる ． 図 3.3 に
main() 関数の概略を 示す．
図 3.3: main() 関数に おけ る 処理の流れ．
main() 関数が呼び出さ れる と ， 最初に メ モリ の初期化を 行う ． そ し て ， FPGA を 含む各種ハー
ド ウ ェ ア を 初期化し ， 割り 込みを 許可し た 後， ソ フ ト ウ ェ ア を 初期化し ， メ イ ン のタ ス ク ループ
へと 移行する ． 本節ではこ れら の処理に ついて 詳し く 説明する ． こ の間約 1 秒おき に ウ ォッ チド ッ
グタ イ マ のク リ ア を 行っ て おり ， シス テ ム 初期化の最中に も 度々 呼び出し て いる ． 特に ， FPGA
のコ ン フ ィ ギュ レ ーショ ン な ど の長い時間を 要する 処理は， 前後にウ ォッ チド ッ グタ イ マ のク リ ア
を 行う 必要がある ．
3.3.1
メ モリ の初期化
mian() 関数が呼び出さ れる と ， ま ず init memory() 関数が実行さ れる ． こ こ ではダウ ン ロ ード
バッ フ ァ と コ マ ン ド ラ イ ン バッ フ ァ のク リ ア が行われる ． ダウ ン ロ ード バッ フ ァ と は， load コ マ
ン ド や無線 LAN 経由での更新プロ グラ ム を 一時的に保存し て おく バッ フ ァ である ． コ マ ン ド ラ イ
ン バッ フ ァ はコ マ ン ド ラ イ ン に 入力さ れた文字列を 最大 16 行保存する ためのバッ フ ァ である ． ま
た， cache on() 関数でキ ャッ シュ を 使用する 設定を 行う ．
47
3.3.2
ハード ウ ェ ア の初期化
ま ず power on() と いう 関数で GPS， PMT， FADC の電源を 入れる ． 次に scif2 init() と いう
関数で SCIF(FIFO バッ フ ァ 内蔵のシリ ア ルコ ミ ュ ニケ ーショ ン イ ン タ ーフ ェ イ ス ) の初期設定を
行う ． データ 長は 8 ビッ ト ， パリ ティ な し ， ス ト ッ プビッ ト は 1 ビッ ト と 設定すし ， 受信割り 込み
を 許可する ． そ し て ボーレ ート の自動検出を 行う ．
次に， init hardware() と いう 関数で残り のハード ウェアの初期化が行われる ． 図 3.4 に init hardware()
関数で行われる 処理の流れを 示す．
図 3.4: init ()hardware 関数に おけ る 処理の流れ．
こ の中ではま ず FPGA に接続さ れて いる 各種回路のリ セッ ト を 行い， FPGA に対する 全て の割
り 込みフ ラ グを リ セッ ト する ． そ し て led init() 関数で 7 セ グメ ン ト LED を 初期化し ， CPLD の
制御下に 置く ． ま た idchip get idcode() と いう 関数で CPLD に ア ク セ ス し て 自分の IDCODE を
取得する ． IDCODE と は個々 の検出器に そ れぞれ与え ら れて いる 固有の番号である ． こ の番号を
使用し て 検出器を 区別する ． 次に ， 温湿度関連のセ ン サを 初期化し た 後， チャ ージコ ン ト ロ ーラ
の初期化を 行う ． チャ ージコ ン ト ロ ーラ が接続さ れて いる と 判断さ れた ら ， チャ ージコ ン ト ロ ー
ラ を ス タ ン バイ モード に 移行する ． そ し て gps init() 関数で GPS を 初期化する ． GPS から 受信
し た文字列を 格納する バッ フ ァ と 各種フ ラ グを ク リ ア し ， GPS 受信割り 込み設定を 行う ． こ こ で
設定する 割り 込みは， GPS シリ ア ルデータ 受信許可割り 込みと ， GPS1PPS 割り 込みである ． 次
に fadc init() 関数で FADC の初期化を 行う ． 最後に DMA と 無線 LAN モデム を 初期化し て ハー
ド ウ ェ ア の初期化は終了する ．
48
3.3.3
ソ フ ト ウ ェ ア の開始
ハード ウ ェ ア の初期化が終わっ たら ， enable interrupt() 関数で割り 込みを 許可する ． こ こ で割
り 込みを 許可し な いと GPS モジュ ールから のメ ッ セ ージを 受信でき な い．
そし て software init() 関数でソ フ ト ウ ェ アを 開始する ． ま ず FPGA 内の割り 込み制御レ ジスタ
を 設定し て 割り 込みを 許可する ． 次に GPS を ス タ ート さ せる ． こ こ では GPS に コ マ ン ド を 送信
し て 1 秒ごと に 時刻を 送信する よ う に 設定する ． GPS の 1PPS を 受け 取っ た こ と を 確認し た 後，
無線 LAN モデム の受信を 許可する ．
3.3.4
タ イ ト ル画面表示
SD エレ キは PC と LAN ケ ーブルで接続する こ と ができ ， PC 上から SD に向かっ て コ マ ン ド を
送信する こ と ができ る ． 上述の ”ソ フ ト ウ ェ アの開始”部分が終了する と ， PC にシリ アルイ ン タ ー
フ ェ イ スを 通し て ， 起動時に出力さ れる 文字列が転送さ れる ． PC と 接続し て いな い場合はこ の部
分は飛ばさ れる ． 起動時に はシス テム の実行状態やフ ァ ーム ウ ェ ア のヴァ ージョ ン が出力さ れる ．
3.3.5
メ イ ン のタ スク ループン
タ イ ト ル画面の表示が終わる と ， こ のメ イ ン ルーチン 部分を 繰り 返すと いう 処理に な っ て いる ．
こ こ には 2.4.4 節で述べたト リ ガー DAQ 処理以外に， シリ アル送受信時の処理と ， SD 側のフ ァ ー
ム ウ ェ ア に はタ ワ ーから の受信を チェッ ク する 部分が記述さ れて いる ． こ の節では， シリ ア ル送
受信時の処理と ， タ ワ ーから の受信チェッ ク に ついて 詳し く 解説する ．
シ リ ア ル送受信時の処理
process scirxtx() と いう 関数で， PC から シリ ア ル通信で受信し た コ マ ン ド を 処理する ． test.c
と command.c と いう フ ァ イ ルに コ マ ン ド テーブルがま と めら れて おり ， 受信し たコ マ ン ド と 一致
する コ マ ン ド を ， コ マ ン ド テーブルから 探し て ， 実行する 流れに な っ て いる ．
タ ワ ーから の受信チェッ ク
SD 側のファ ームウェアには， タ ワ ーから 送信さ れてく る 信号を チェッ ク する ， wlan rxsub check()
と いう 関数が実装さ れて いる ． SD は自発的に タ ワ ーに データ を 送信する こ と はな く ， タ ワ ーから
送ら れて く る 信号を チェッ ク し ， その中にある タ ワ ーから の要求命令を 見て ， 返信が必要な 命令で
あれば返信する ， と いう 通信の流れに な っ て いる ． wlan rxsub check() 関数でタ ワ ーから 信号を
受信し ， 信号内に ある 要求コ マ ン ド を wlan rxsub process() 関数に 引数と し て 与え る こ と で， 命
令を 実行する ． こ のタ ワ ーから 送信さ れる 要求コ マ ン ド も wlansub.c に コ マ ン ド テ ーブルと し て
ま と めら れて いる ．
3.4
FPGA
SD エレ キで使用さ れて いる Xilinx 社製 FPGA の XC3S1000 を 図 3.5 に示す． ゲート 数は約 100
万である ． FPGA の動作プロ グラ ム は VHDL で記述さ れて おり ， 図 3.6 のよ う な 階層構造を し て
いる ．
49
図 3.5: SD エレ キ で使用さ れて いる FPGA． Xilinx 社製 XC3S1000．
50
51
図 3.6: FPGA 内部の階層構造．
こ こ で， 無線 LAN モデム を 交換する ために 書き 換え が必要な コ ン ポーネ ン ト は， 無線 LAN と
の通信を 記述し て いる u0 wmodem 以下のコ ン ポーネ ン ト である ． 以下では， u0 wmodem 内を
コ ン ポーネ ン ト ごと に 詳し く 解説する ．
3.4.1
u0 wmodem
図 3.7: u0 wmodem 内のコ ン ポーネ ン ト を 簡略化し た図． 点線よ り 上の u wm if で無線 LAN 送
受信の処理のほと んど を 行う ． 点線よ り 下の u wm send buf と u wm recv buf は送受信データ
のバッ フ ァ の役割を 果たす．
u0 wmodem 内を 簡略化し たも のを 図 3.7 に 示す。 u0 wmodem は u wm if， u wm recv buf，
u wm send buf と いう 3 つのコ ン ポーネ ン ト から な っ て いる ． u wm if で無線 LAN 送受信に 伴
う 処理のほと んど を 担っ て いる ． u wm send buf と u wm recv buf は送信データ， 受信データ
のバッ フ ァ の役割を 果たす．
ま た ， u0 wmodem 内に は cpu adl と いう 4bit のシ グ ナ ルがあ り ， こ れは CPU のフ ァ ー ム
ウ ェ ア 内の EXIO SC5(func,addr) と いう 関数の引数 addr と 対応し て いる ． つ ま り CPU 内で
EXIO SC5() 関数が呼び出さ れる と ， 2 つ目の引数の値が cpu adl に セ ッ ト さ れる ． ま た 1 つ目
の引数 func は， u0 sdram if や u0 fadc new な ど ， top の 1 つ下の階層のコ ン ポーネ ン ト の選択
に使用さ れる ． CPU から FPGA を 操作する と き は必ず EXIO SC5() 関数を 使用し ， func と addr
が示す FPGA 内の各種レ ジス タ が設定さ れる ． さ ら に CPU から レ ジス タ に 書き 込みを 行う 際に
は， u0 wmodem の 32bit 入力ポート であ る xdi32 に CPU から 信号が送ら れて おり ， CPU がレ
ジス タ から 読み込む際に は， u0 wmodem の 32bit 出力ポート であ る xdo32 から データ が出力さ
れる ． func=9 と し て EXIO SC5() 関数を 呼び出すと ， 無線 LAN モデム に 対応し たレ ジス タ に 対
し て 書き 込みと 読み込みを 行う こ と ができ る ． 基本的な使用方法は， レ ジスタ への値の書き 込みを ，
⌈ EXIO SC5(9,cpu adl)=値 ⌋ で行い， レ ジスタ の読み込みは， ⌈ tmp=EXIO SC5(9,cpu adl)⌋ (tmp
は unsigned long) で行う ．
こ こ ではそ のよ う な レ ジス タ 操作が行われた際、 以下が行われて いる ．
• cpu adl=0： 無線 LAN に 対する ， ⌈ 送信許可信号 · 受信許可信号 · 受信後に 送信を 開始する
ま での待ち 時間 ⌋ を レ ジス タ に 設定する ． こ の値は u wm if に 出力さ れる ．
52
• cpu adl=1： RSSI 値を 読み出す．
• cpu adl=2： SD モード かタ ワ ーモード か指定する (未使用)． ま た無線 LAN で返送時の受信
マ ス ク のパケ ッ ト 数を レ ジス タ に 設定する ． こ の値は u wm if に 出力さ れる ．
• cpu adl=3： 送信ス ピ ード 設定 (TA 実験で使用し て いる ア ド リ ン ク と いう 無線 LAN モデム
専用)· フ レ ーム タ イ プ (ア ド リ ン ク 専用)· 送信長さ を レ ジス タ に 設定する ． こ れは u wm if
に 出力さ れる ．
• cpu adl=6： 無線 LAN で送信さ れる データ のう ち 32bit を レ ジスタ にセッ ト する ． こ の 4Byte
データ はただち に u wm send buf に 出力さ れて ， こ の中の RAM に 保存さ れる ．
• cpu adl=7： 無線 LAN で 送信さ れる デー タ が格納さ れて いる バッ フ ァ のポイ ン タ を レ ジ
ス タ に セ ッ ト する ． 逆に こ のポイ ン タ の値を バッ フ ァ から 読み出すこ と も でき る ． こ れは
u wm send buf に 出力さ れる ．
• cpu adl=8： u wm recv buf に 格納さ れて いる 受信データ を CPU に 出力する ．
• cpu adl=9： u wm recv buf に格納さ れて いたる 受信データ のポイ ン タ を CPU に出力する ．
3.4.2
u wm send buf
こ のコ ン ポーネ ン ト は無線 LAN で送信する データ を 格納する バッ フ ァ の役割を 担っ て いる ．
u0 wm modem から 送信データ を 受け と る と ， u txbuf0 と いう Xilinx が提供し て いる デュ ア ル
ポート ブロ ッ ク メ モリ に 格納する ． txbuf はデータ 入力ポート は 32bit だが， データ 出力ポート は
8bit と 32bit の 2 系統のポート がある ． 幅 8bit の場合は深さ 2048， 幅 32bit の場合は深さ 512 の
メ モリ サイ ズと いう こ と に な る ．
そ し て ， 送信する データ のポイ ン タ を u txbuf0 に 入力する と ， 送信データ が 8bit ずつ wm if
に 出力さ れる ． ま た バッ フ ァ に 格納さ れて いる データ を CPU に 向かっ て 出力する こ と も でき る ．
CPU のた めに 用意さ れて いる ポイ ン タ 入力部分に ポイ ン タ を 入力する と ， そ のポイ ン タ の示す
データ が CPU に 向かっ て 32bit で出力さ れる ．
3.4.3
u wm recv buf
こ のコ ン ポーネ ン ト は無線 LAN を 通じ て 受信し たデータ を 格納する バッ フ ァ の役割を 担っ て い
る ． u wm if から 受信データ を 受け と る と ， u rxbuf0 と いう Xilinx が提供し て いる デュ アルポー
ト ブロ ッ ク メ モリ に 格納さ れる ． u txbuf0 と の違いは， u txbuf0 は入力 1 系統出力 2 系統な のに
対し ， u rxbuf0 は入力 2 系統出力 1 系統と いう 点である ． u rxbuf0 は， u0 wm if から 出力さ れ
る 8bit のデータ 入力ポート の他に ， CPU から のデータ を 格納する 32bit のデータ 入力ポート があ
る ． u rxbuf0 は， 幅 8bit の場合は深さ 4096， 幅 32bit の場合は深さ 1024 のメ モリ サイ ズと いう
こ と になる ．
u rxbuf0 に 受信データ が格納さ れる と ， 受信さ れたと いう 信号と 受信データ が格納さ れて いる
ア ド レ ス が CPU に 向かっ て 出力さ れる ． そ し て CPU の動作状況に 応じ て ， 受信データ を 受け 取
る と いう 信号が CPU から 出力さ れ， 先程の CPU に 出力し た ア ド レ ス のデータ を 32bit で CPU
に 出力する ．
53
3.4.4
u wm if
図 3.8: u wm if 内のコ ン ポーネ ン ト を 簡略化し た図．
u wm if 内のコ ン ポーネ ン ト を 簡略化し た 図を ， 図 3.8 に 示す． u wm if は， コ ン ポーネ ン ト
宣言のみで処理を 行っ て おら ず， u wm init， u wm recv， u wm sercmd と いう 3 つのコ ン ポー
ネ ン ト から な っ て いる ． u wm init は無線 LAN モ デム に 向かっ て データ を 送信する プ ロ セ ス ，
u wm sercmd は無線 LAN モデム の設定を 行う プロ セ ス ， u wm recv は無線 LAN モデム から
データ を 受信する プロ セ ス である ．
3.4.5
u wm init
こ のコ ン ポーネ ン ト は無線 LAN モデム に 送信データ を 転送する 役割を 担っ て いる ．
詳細は 3.5 節で述べる が， TA 実験で使用し て いる ア ド テッ ク 社の無線 LAN モデム は通信時に
独自のヘッ ダで通信を 行っ て おり ， こ のヘッ ダな ど の通信に 関する 設定はデータ の送信毎に 行わ
な け ればな ら な い． u wm init は， 送信許可の信号を u0 wmodem から 受け と る と ， u wmset1
と u wmset2 に 格納さ れて いる データ を u wm sercmd に 出力する ． u wmset1 と u wmset2 は
そ れぞれ 32bit 幅， 16bit 幅のメ モリ に な っ て いて ， あ ら かじ め無線 LAN モデム の設定に 必要な
データ が格納さ れて いる ． u wm sercmd はこ のデータ を 無線 LAN モデム に 転送し て ， 通信設定
を 行う ．
u wm init は， u wm sercmd から 通信設定のた めのデータ の転送が完了し た と いう 信号がく
る と ， u wm send buf から 無線 LAN 送信する デー タ を 受け 取り ， 無線 LAN モ デム に 転送す
る ． ア ド リ ン ク では送信データ の無線 LAN モデム への転送は， 無線 LAN モデム から 出力さ れる
modem txclk と いう 1MHz のク ロ ッ ク を 使用し て ， シリ ア ル転送さ れる ．
54
3.4.6
u wm sercmd
こ のコ ン ポーネ ン ト は無線 LAN モデム の設定を 行う プロ セ ス である ．
上述し たよ う に， アド リ ン ク では無線 LAN モデム の設定はデータ の送信毎に行わな け ればな ら
な い． u wm init から データ 転送の合図がく る と ， 同時に u wm init から 出力さ れる 設定データ
を 受け 取り 無線 LAN モデム に 転送し ， 設定を 行う ．
設定データ の無線 LAN モデム への転送は， FPGA で使用さ れる 25MHz のク ロ ッ ク を 使用し て
いる ． 無線 LAN モデム はこ のク ロ ッ ク を 設定データ と 同時に受け 取る こ と でシリ アル信号を 読み
取っ て いる ．
3.4.7
u wm recv
こ のコ ン ポーネ ン ト は無線 LAN モデム から 受信データ を 受け 取る 役割を 担っ て いる ．
無線 LAN モデム は無線 LAN データ を 受信する と ， FPGA が混線し て いな いか判断し ， 受信
データ を u wm recv に 転送する ． こ の転送は， 無線 LAN モデム から 出力さ れる modem rxclk
と いう 1MHz のク ロ ッ ク を 使用し て シリ ア ル転送さ れ， こ の modem rxclk が無線 LAN モデム か
ら 受信データ を 受け 取る 合図に な っ て いる ． そ し て シリ ア ル転送さ れたデータ を 8bit の信号に 変
換し た後， u wm recv buf に 受信データ を 格納する ．
3.5
無線 LAN モ ジ ュ ール
図 3.9: TA 実験で使用し て いる ， ア ド テッ ク 社製無線 LAN モデム ， ADLINK540F.RF．
図 3.9 に TA 実験で使用し て いる ， ア ド テッ ク 社製無線 LAN モデム ， ADLINK540F.RF を 示
す． 以下ア ド リ ン ク と 呼ぶ． ま た， 表 3.1 に そ の仕様を 示す． ホス ト イ ン タ ーフ ェ イ ス が 30 ピ ン
55
項目
仕様
サポート 規格
IEEE 802.11b/g/n
2.4GHz
1,2,5.5,11 Mbps
20 dBm
30 PIN(独自)
5.0 V
−10 ∼ 40◦ C
無線周波数
無線通信速度
送信電力
ホス ト イ ン タ ーフ ェ イ ス
電源電圧
動作温度
表 3.1: ADLINK540F.RF の仕様．
図 3.10: ア ド リ ン ク と FPGA 間で使用さ れる ポート ． 大き く 3 つの用途に 分類でき る ．
56
の独自のも のに な っ て いる た め取扱いは難し いが， 通信ヘッ ダを 独自の短いも のに でき る と いう
特徴がある ．
図 3.10 に FPGA と のイ ン タ ーフ ェ イ ス を 示す． TX ports と 記述し て いる ポート 群はデータ の
送信で使われる ． こ れら は u wm init と 繋がっ て いる ． RX ports と 記述し て いる ポート 群はデー
タ の受信で使われる ． こ れら は u wm recv と 繋がっ て いる ． Control ports と 記述し て いる ポー
ト 群は無線 LAN モデム の設定で使われる ． こ れら は u wm sercmd と 繋がっ て いる ．
図 3.11: ADLINK 無線 LAN モデム を 使っ て いる TA 実験でのデータ ユニッ ト ． 一つの波形デー
タ は多数のこ のデータ ユニッ ト から な る ．
ま た， ADLINK 無線 LAN モデム を 使っ て いる TA 実験でのデータ ユニッ ト を 図 4.8 に示す． 一
つの波形データ は多数のこ のデータ ユニッ ト から な る ． こ こ で PREAMBLE と は一般的な 無線
LAN 通信で送信開始の合図に使われる 信号で， 101010· · · と いう 1 と 0 の繰り 返し から な る ． こ こ
では 1 と 0 の繰り 返し が合計 128bit 分あ る ． SFD と は一般的に PREAMBLE 信号の後に 使用さ
れる ”10101011”と いう 8bit のこ と を 指し て 使われる ． こ こ では 16bit な ので ”1010101010101011”
と な る ． ま た， SIGNAL に はデジタ ル変調方式の情報， SERVICE はフ レ ーム タ イ プ， LENGTH
はヘッ ダを 含めた データ 長， CRC は CRC チェッ ク の結果が格納さ れて いる ． 以上の部分が物理
ヘッ ダと な る ．
次に 独自のヘッ ダの説明を する ． SPEED に は送信ス ピ ード が情報が入っ て いる ． TA 実験では
1MHz の速度で通信を 行っ て いる ． こ こ ま でのヘッ ダは無線 LAN モデム が u wm sercmd で設定
さ れた 情報を も と に ， 自動的に 生成する ヘッ ダであ る ． LEN は送信長さ の情報， SEQ は FPGA
でカ ウ ン ト し たシーケ ン ス番号が格納さ れて いる ． こ の 2 つは FPGA で生成さ れる ヘッ ダである ．
こ こ から は CPU で生成さ れる ヘッ ダである ． CHK に は ROM や RAM な ど の外部信号に 異常が
な いかと いう 情報， ADDR に は SD のア ド レ ス 番号， SEQ2 に は CPU でカ ウ ン ト し た シーケ ン
ス 番号， IDCODE に は SD エレ キ そ れぞれが持っ て いる 固有の番号が格納さ れて いる ．
57
第4章
TALE 実験用 SD のための通信エレ ク ト ロ
ニク ス
TALE 実験では TA 実験で使用し て いる SD と 同じ も のを 使用する が， TA 実験で使用し て いる
無線 LAN モデム の生産が終了し ， 入手不可能である ため， TALE 実験用に 無線 LAN モデム を 選
定し ， 交換を 行っ た． ま たそ れに と も な っ て CPU と FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア を 最適化し た． そ
し て 最適化し た SD エレ キ で通信テス ト を 行っ た． こ の章ではこ れら に ついて 詳し く 説明する ．
4.1
4.1.1
TALE 実験用 SD のための無線 LAN モ デム
無線 LAN モデムの選定
TALE 実験用 SD のための無線 LAN モデム の選定は， 容易に 手に 入る こ と ， 送信電力が大き い
こ と ， イ ン タ ーフ ェ イ ス がシン プルであ る こ と と いう 3 つの項目に 注目し て 行っ た ． TALE 実験
は最大 20 km の通信を 行う ため， 送信電力の強いも のが必要である ． ま た， TALE 用の無線 LAN
モデム は既存のエレ ク ト ロ ニク ス に 組み込むた め， イ ン タ ーフ ェ イ ス がシン プルであ る 必要があ
る ． そ の結果， Rohm 社製無線 LAN モデム BP-3580 と Redpine Signals 社製無線 LAN モデム
RS9110-N-11-02 を 交換候補のモデム と し て 選んだ． 以下そ れぞれ， ⌈ ロ ーム ⌋ ， ⌈ レ ッ ド パイ ン
⌋ と 呼ぶこ と に する ． 図 4.1 に 交換候補の 2 つの無線 LAN モデム の外観写真， 表 4.1 表 4.2 に そ
れぞれのス ペッ ク を 示す．
図 4.1: (左)Redpine Signals 社製無線 LAN モデム RS9110-N-11-02． (右)Rohm 社製無線 LAN モ
デム BP-3580．
58
項目
仕様
サポート 規格
IEEE 802.11b/g/n
2.4∼ 2.5 GHz
1,2,5.5,11 Mbps
17 dBm
SPI,UART
3.3 V
−40 ∼ 85◦ C
無線周波数
無線通信速度
送信電力
ホス ト イ ン タ ーフ ェ イ ス
電源電圧
動作温度
表 4.1: レ ッ ド パイ ン の仕様．
項目
仕様
サポート 規格
IEEE 802.11b/g/n/i
2.4GHz
1,2,5.5,11 Mbps
15 ± 2 dBm
UART,SDIO
3.3 V
−40 ∼ 85◦ C
無線周波数
無線通信速度
送信電力
ホス ト イ ン タ ーフ ェ イ ス
電源電圧
動作温度
表 4.2: ロ ーム の仕様．
図 4.2: レ ッ ド パイ ン の通信テス ト のためのセ ッ ト ア ッ プ．
59
図 4.3: ロ ーム の通信テス ト のためのセ ッ ト ア ッ プ．
こ の 2 つの候補器の通信性能を 試すために， TA 実験サイ ト 内で通信テスト を 行っ た． 通信テス
ト のセッ ト アッ プは図 4.2， 図 4.3 のよ う に PC， モデム ， アン テナを それぞれ 2 台づつ用いて 行っ
た． PC の OS は WindowsXP で， タ ーミ ナルエミ ュ レ ータ は TeraTerm を 使用し た． ま た， よ り
長距離の通信を 行う ために ， PC2 の方のア ン テナは指向性の強い ADTEC 社製のパラ ボラ ア ン テ
ナを 使用し た．
PC1 と PC2 を 徐々 に離し て いき ， PC2 から PC1 に向かっ て ping コ マ ン ド を 実行し ， 通信距離
と 通信に かかっ た時間を 測定し た． そ の結果を 図 4.4， 図 4.5 に 示す．
ロ ーム は最大通信距離が 14km であっ た のに 対し ， レ ッ ド パイ ン は 20km の通信が可能であっ
た ． TALE 実験では 20km の通信距離が必要な た め， TALE 実験ではレ ッ ド パイ ン を 使用する こ
と と し た．
4.1.2
Redpine Signals 社製無線 LAN モデム RS9110-N-11-02 の性能と 動作の概要
図 4.6 に FPGA と のイ ン タ ーフ ェ イ ス を 示す． レ ッ ド パイ ン は TA 実験で使用し て いる ア ド リ
ン ク と 異な り ， 非常に シン プルな イ ン タ ーフ ェ イ ス を し て おり ， UART と いう 通信規格で FPGA
と データ 通信を 行う ． TXD は FPGA から データ を 受信する ポート ， RXD は FPGA に データ を
送信する ポート ， RES はリ セッ ト のためのポート である ． こ れら の UART ポート ではデータ 長は
8bit， パリ ティ な し ， ス ト ッ プビッ ト は 2bit， で通信が行われる ．
電源電圧は 3.3V で， SD エレ キ ではチャ ージコ ン ト ロ ーラ から 供給さ れる ． レ ッ ド パイ ン は，
3.3V の電源が供給さ れ， RES ポート を High→Low→High に する と 起動する ． レ ッ ド パイ ン はデ
フ ォルト では 115200bps と いう ボーレ ート で UART を 通じ た外部と のシリ アル通信を 行う が， レ ッ
ド パイ ン に よ る 自動検出に よ っ て ， 以下の手順に よ っ て 通信速度を 変更する こ と ができ る ． 送信，
受信は FPGA から 見たも のである ．
1. 電源端子及びリ セ ッ ト 端子に 3.3V 供給．
2. リ セ ッ ト 端子を Low に する ．
60
Round-trip time / Packet [ms/byte]
0.25
Redpine
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Distance [km]
Round-trip time / Packet [ms/byte]
図 4.4: レ ッ ド パイ ン の通信テス ト の結果． 横軸が通信距離， 縦軸が通信に かかっ た時間を 通信バ
イ ト 数で割っ た値．
0.25
Rohm
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Distance [km]
図 4.5: ロ ーム の通信テス ト の結果． 横軸が通信距離， 縦軸が通信に かかっ た時間を 通信バイ ト 数
で割っ た値．
61
図 4.6: レ ッ ド パイ ン と FPGA 間で使用さ れる ポート ．
3. リ セ ッ ト 端子に 再度 3.3V 供給．
4. 約 100ms 待つ．
5. 0x1C を 設定し たいボーレ ート で送信する ．
6. 0x55 を 受信する ．
7. レ ッ ド パイ ン が 0x55 の送信を し な かっ た場合は， 約 200ms 後に 5 に 戻る ．
8. 0x55 を 送信する ．
9. 起動メ ッ セ ージ受信する ．
10. も し ， レ ッ ド パイ ン が自動検出に 失敗し た 場合は， FPGA に よ る 0x55 の受信から 18 秒後
に 起動メ ッ セ ージが受信さ れ， 115200bps で起動する ．
正常に 起動し た場合， 以下のメ ッ セ ージが受信さ れる ．
WELCOME TO REDPINE SIGNALS
Firmware upgrade (y/n)
Lording...
Lording Done
起動メ ッ セ ージ受信後， 以下の手順で無線送受信を 行う ．
1. Band コ マ ン ド - 周波数帯域設定
2. Init コ マ ン ド - 初期化
3. Scan コ マ ン ド - ア ク セ ス ポイ ン ト のス キ ャ ン
4. Network コ マ ン ド - ネ ッ ト ワ ーク タ イ プの設定
62
5. Join コ マ ン ド - ア ク セ ス ポイ ン ト と 接続
6. IP 設定コ マ ン ド - IP ア ド レ ス 設定
7. Socket オープン コ マ ン ド - ソ ケ ッ ト のオープン
8. Send コ マ ン ド - データ の送受信
レ ッ ド パイ ン はシリ ア ル通信を 通じ て FPGA から 受け 取っ たコ マ ン ド に 応じ た動作を する ， と い
う 仕様になっ て いる ． よ っ て ， SD エレ キでは， FPGA がレ ッ ド パイ ン にシリ アル通信でコ マ ン ド
を 発行し な け ればな ら な い． SD エレ キ に おいて ， 実際に シリ ア ル送信し て いる コ マ ン ド に ついて
は 4.2 で述べる ． レ ッ ド パイ ン は YrYn を コ マ ン ド の終わり と し て 読み取る ため， コ マ ン ド の最後
には必ず YrYn を 付け る ． コ マ ン ド が正し く 実行でき たら ， レ ッ ド パイ ン はシリ アル通信で ”OK”
と 返す．
以下そ れぞれのコ マ ン ド に ついて 説明する ．
Band コ マン ド
レ ッ ド パイ ン が正し く 起動し た ら ， ま ずモデム の使用する 周波数帯を 決める 以下のコ マ ン ド を
発行する ．
• at+rsi band=band val
band val は 2.4GHz/5GHz を 表すパラ メ ータ である ． 2.4GHz 帯を 使用する 場合は 0， 5GHz 帯を
使用する 場合は 1 を 設定する ． こ のコ マ ン ド は起動後一番最初に 入力する 必要がある ．
Init コ マン ド
次に 初期化を 行う 以下のコ マ ン ド を 発行する ．
• at+rsi init
こ のコ マ ン ド は at+rsi band コ マ ン ド の次に 入力し な け ればな ら な い．
Scan コ マン ド
次に 全て のチャ ン ネ ル， ま た はコ マ ン ド で指定し た チャ ン ネ ルのア ク セ ス ポイ ン ト のス キ ャ ン
を 行う ， 以下のコ マ ン ド を 発行する ． こ こ でチャ ン ネ ルと はタ ワ ーが使用する チャ ン ネ ルで， ア
ク セ ス ポイ ン ト と はタ ワ ーの SSID である ．
• at+rsi scan=chan num
chan num ではチャ ン ネ ル番号を 指定する ． ただし ， 0 を 設定し た場合， すべて のチャ ン ネ ルのス
キ ャ ン を 行う ．
63
Network コ マン ド
次はモデム のネ ッ ト ワ ーク タ イ プを 指定する ための以下のコ マ ン ド を 発行する ．
• at+rsi network=net type,type,chan num
net type に はネ ッ ト ワ ーク タ イ プを 指定する 文字列を 入れる ． イ ン フ ラ ス ト ラ ク チャ モード /ア ド
ホッ ク モード (セキュ リ ティ な し ) /アド ホッ ク モード (セキュ リ ティ あり ) を 指定する 場合はそれぞ
れ， INFRASTRUCTURE/IBSS/IBSS SEC と いう 文字列を 入れる ． イ ン フ ラ ス ト ラ ク チャ モー
ド と はア ク セ ス ポイ ン ト を 介し て 通信を 行う 方法で， ア ド ホッ ク モード と は通信機器同士が直接
通信を 行う 方式である ． TALE 実験ではア ド ホッ ク モード を 使用する ． ま た type と chan num は
ア ド ホッ ク モード を 指定し た 場合のみ， 記述する ． type ではア ド ホッ ク モード の Joiner/Creator
を 指定する ． 0 を 指定し たと き は Joiner， 1 を 指定し たと き は Creator と な る ． TALE 実験ではタ
ワ ーは 1， SD は 0 を 指定する ． chan num ではア ド ホッ ク モード のチャ ン ネ ルの指定を する ． た
だし Joiner のと き は 0 を 指定し な け ればな ら な い．
Join コ マン ド
次はネ ッ ト ワ ー ク に 接続する た め の以下のコ マ ン ド を 発行する ． ま た ， ア ド ホッ ク モ ー ド の
Creator の場合は IBSS ネ ッ ト ワ ーク を 作成する ．
• at+rsi join=SSID,TxRate,TxPower
SSID には， アド ホッ ク モード の Creator の場合は作成する IBSS ネ ッ ト ワ ーク の SSID， その他の
場合は scan コ マ ン ド で調べた SSID を 指定する ． TxRate では， 送信データ 速度を 設定する ． オー
ト レ ート の時は 0， 1Mbps の時は 1， 2Mbps の時は 2， 5Mbps の時は 3， 11Mbps の時は 4 を 指定す
る ． TxPower では， 送信電力を 指定する ． Low Power(7dBm) の時は 0， Medium power(10dBm)
の時は 1， High power(16∼17dBm) の時は 2 を 指定する ．
IP 設定コ マン ド
次は IP ア ド レ ス の設定を 行う 以下のコ マ ン ド を 発行する ．
• at+rsi ipconf=DHCP MODE,IP address,SUBNET,GATEWAY
DHCP MODE では IP ア ド レ ス を DHCP サーバから 受け る かど う かを 指定する ． マ ニュ ア ル設
定の時は 0， DHCP の時は 1 を 指定する ． IP address には指定する IP アド レ スを 入れる ． DHCP
の時は 0 を 入れる ． SUBNET に は指定する サブネ ッ ト マ ス ク を 入れる ． DHCP の時は 0 を 入れ
る ． GATEWAY に は指定する ゲート ウ ェ イ を 入れる ． DHCP の時は 0 を 入れる ．
TCP オ ープン コ マン ド
TALE 実験ではタ ワ ーが SD に 向かっ て 呼びかけ る と いう 関係の無線通信を 行う ので， 以下の
コ マ ン ド は IP 設定後に タ ワ ー側のモデム で実行さ れる コ マ ン ド である ．
• at+rsi tcp=host,port,lport
host に は通信し た い相手の IP ア ド レ ス を 入れる ． port に は通信し た い相手のポート 番号を 入れ
る ． lport に は通信し たい相手のロ ーカ ルポート 番号を 入れる ．
64
TCP リ ッ スン コ マン ド
TALE 実験では SD は自発的に 無線通信する こ と はせず， 常に タ ワ ーから 受信を 待っ て いる の
で， 以下のコ マ ン ド は IP 設定後に SD 側のモデム で実行さ れる コ マ ン ド である ．
• at+rsi ltcp=port
port はリ ス ニン グする ポート である ． こ のコ マ ン ド は TCP リ ッ ス ン ソ ケ ッ ト を 開く も ので， リ ッ
スン ソ ケッ ト が開かれた後， タ ワ ーから TCP オープン コ マ ン ド で呼びかけ ら れる と コ ネ ク ショ ン
が確立する ．
Send コ マン ド
データ 送信を する 際は， tcp オープン /tcp リ ッ スン コ マ ン ド によ っ て 接続が確立さ れた後に， 以
下のコ マ ン ド を 実行する ．
• at+rsi snd=hn,sz,Dip,Dport,stream
hn には TCP ソ ケッ ト ハン ド ルを 入れる ． ソ ケッ ト は最大 8 つま でオープン する こ と が可能で， ソ
ケ ッ ト ハン ド ルと はソ ケ ッ ト の何番目を オープン する かに 対応し て いる ． sz に は送信する データ
のサイ ズ (Byte 単位) を 入れる Dip には送信先の IP アド レ スを 入れる ． TCP ソ ケッ ト を 利用する
場合は 0 を 入れる ． Dport に は送信先のポート を 入れる ． TCP ソ ケ ッ ト を 利用する 場合は 0 を 入
れる ． stream に は送信データ を 入れる ． こ こ で， レ ッ ド パイ ン は YrYn を コ マ ン ド 終了の合図と
し て 読み取っ て し ま う ので， YrYn(16 進数で 0x0D,0x0A) を 送信し たい場合は 0xDB,0xDC に 置
き 換え て 送信し な け ればな ら な い．
データ 受信
Send コ マン ド によ っ てデータ が無線送信さ れ， データ を 受け取っ たモデムは以下の書式を FPGA
に 向かっ て 出力する ．
• AT+RSI READ=hn,sz,stream
hn に は TCP ソ ケ ッ ト ハン ド ルが入っ て いる ． サイ ズは 1Byte であ る ． sz に は受信し た データ
のサイ ズ (Byte 単位) が入っ て いる ． サイ ズは 2Byte で， リ ト ルエン ディ ア ン で記述さ れて いる ．
stream に は受信データ が入っ て いる ．
4.2
4.2.1
フ ァ ーム ウ ェ ア の最適化
FPGA
無線 LAN モデムを アド リ ン ク から レ ッ ド パイ ン に変更し たこ と によ る 大き な違いの 1 つは FPGA
と モデム 間のイ ン タ ーフ ェ イ ス である ． ア ド リ ン ク は FPGA と の間に 16 個のポート があっ たが，
レ ッ ド パイ ン は 3 つでよ いので FPGA のポート の変更を 行っ た． さ ら にモデム の設定について は，
ア ド リ ン ク は無線送信毎に モデム の設定を する 必要があっ た が， レ ッ ド パイ ン は起動後の 1 度の
みでよ い． SD エレ キ は起動後に ， 4.1.2 節で述べた TCP リ ッ ス ン コ マ ン ド ま でを 実行し ， タ ワ ー
エレ キ は起動後に ， IP 設定コ マ ン ド ま でを 実行する ． そ し て 無線通信時に は， タ ワ ーエレ キ から
65
TCP コ マ ン ド で TCP オープン の信号を SD に 向かっ て 送信し ， Send コ マ ン ド でデータ を SD に
向かっ て 送信する ． そ し て データ を 受信し た SD は， タ ワ ーから の要求に あっ たデータ を Send コ
マ ン ド でタ ワ ーに 向かっ て 送信する と いう 通信の流れに な っ て いる ． そ し て ， エレ キ 内でモデム
に 向かっ て コ マ ン ド を 送出する 役割は FPGA が担っ て いる ． コ マ ン ド と いう 文字列に よ っ て 操作
する と いう 部分はア ド リ ン ク に は無かっ たため， FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア に 新たに 実装し た． こ
こ では， こ れら の実装に 際し て ， 大き く 変更が必要だっ た wm if と いう コ ン ポーネ ン ト に ついて
説明する ．
3.4 節でも 述べたよ う に， 旧 FPGA フ ァ ームウ ェアの wm if と いう コ ン ポーネ ン ト は u wm init，
u wm recv， u wm sercmd と いう 3 つのコ ン ポーネ ン ト から なっ て いる ． こ の u wm sercmd と
いう コ ン ポーネ ン ト はモデム の設定を 行う も のであっ た が， モデム の設定に 関し て ， ア ド リ ン ク
と レ ッ ド パイ ン は大き く 異な る ． ア ド リ ン ク は設定用のポート 群があ る のに 対し ， レ ッ ド パイ ン
は TXD と いう シリ アル送信用のポート でコ マ ン ド 操作によ っ て 設定を 行う ． そこ で新し いフ ァ ー
ム ウ ェ アでは， u wm sercmd と いう コ ン ポーネ ン ト を 廃し ， シリ アル送信用のコ ン ポーネ ン ト で
ある u wm init でモデム の設定を 行う ． つま り 新し いフ ァ ーム ウ ェ ア の wm if と いう コ ン ポーネ
ン ト は， シリ ア ル送信用の u wm init， シリ ア ル受信用の u wm recv， と いう 2 つのコ ン ポーネ
ン ト から な る ． 以下ではこ の 2 つコ ン ポーネ ン ト で行われる 各動作に ついて 詳し く 説明する ．
モデムの初期設定
レ ッ ド パイ ン は正し く 起動する と ， 起動メ ッ セージが， 受信ポート である RXD から FPGA に向
かっ て 出力さ れる ． u wm recv は RXD から 入力さ れる シリ ア ル信号を 常に 8bit のパラ レ ルデー
タ に変換し て おり ， 起動メ ッ セージを 検出する と u wm init に向かっ て 起動完了信号を 送信する ．
u wm init は起動完了信号を 受信する と ， モデム の初期化設定作業を 行う ． こ こ で， 初期化作業
と は， タ ワ ーエレ キ の場合は 4.1.2 節で述べた IP 設定コ マ ン ド ま で， SD エレ キ の場合は TCP 待
ち 受け コ マ ン ド ま でを レ ッ ド パイ ン に シリ ア ル送信する こ と である ． 以下に ， 初期設定に おいて ，
そ れぞれのエレ キ で実際に レ ッ ド パイ ン に シリ ア ル送信する 文字列を 示す． こ こ で SD ip は SD
の ip 番号が入る ため， SD 毎に こ の部分に ip 番号を 入れたフ ァ ーム ウ ェ ア を 用意する 必要がある ．
• タ ワ ーエレ キ で行われる 初期化動作
– at+rsi band=0
– at+rsi init
– at+rai scan=0
– at+rsi network=IBSS,1,1
– at+rsi join=TASDTEST01,1,1
– at+rsi ipconf=0,192.168.10.1,255.255.255.0,192.168.10.1
• SD エレ キ で行われる 初期化動作
– at+rsi band=0
– at+rsi init
– at+rai scan=0
– at+rsi network=IBSS,0,1
66
– at+rsi join=TASDTEST01,1,1
– at+rsi ipconf=0,192.168.10.SD ip,255.255.255.0,192.168.10.1
– at+rsi ltcp=8765
TCP コ マン ド の送信
無線通信時は， タ ワ ーエレ キ が SD エレ キ に 向かっ て TCP コ マ ン ド と いう ソ ケ ッ ト を オープン
する 信号を ブロ ード キャ ス ト する ． そ のために タ ワ ーエレ キ は通信する SD の IP 番号を 知る 必要
がある ． SD 毎の IP 番号は CPU の sd idcode.c と いう フ ァ イ ルに ま と めら れて おり ， 無線通信実
行時に CPU から FPGA に 向かっ て 送信さ れる ． cpu adl=4 の時に ， u0 wmodem の入力ポート
であ る xdi32 に IP 番号が出力さ れる ． 以下に ， タ ワ ーエレ キ の FPGA が実際に レ ッ ド パイ ン に
シリ ア ル送信し て いる 文字列を 示す． こ こ で SD ip は， 送信する SD の IP 番号である ．
• at+rsi tcp=192.168.10.SD ip,8765,2303
データ 送信
データ 送信は 4.1.2 節で述べた Send コ マ ン ド によ っ て 行われる ． CPU から データ 送信要求の信
号が来る と ， 送信データ 分のデータ を u wm send buf から 取得し ， 以下のよ う な コ マ ン ド を レ ッ
ド パイ ン に シリ ア ル送信する ． ま た ， 送信データ の長さ も CPU から u wm init の tx leng と い
う 入力ポート に 出力さ れる ．
• at+rsi snd=1,leng,0,0,data
こ こ で leng は送信データ 長， data は送信データ である ．
データ 受信
レ ッ ド パイ ン がデータ を 受信する と ， 4.1.2 節で述べた文字列を FPGA に向かっ て 出力する ． 受
信用コ ン ポーネ ン ト である u wm recv は， ”AT+RSI READ”と いう 文字列を 検出する と ， デー
タ を 受信し たと 判断し ， その後に入力さ れる 受信データ を u wm recv buf 内のバッ フ ァ に入力す
る ． バッ フ ァ に データ が入る と ， そ のデータ のポイ ン タ， データ 長が CPU に 出力さ れ， CPU が
そ のデータ を 出力する よ う に FPGA に 命令する ． FPG はそ れを 受け て u wm recv buf 内のバッ
フ ァ から ， 送信し たポイ ン タ にある データ を データ 長さ 分だけ CPU に送信する ． こ のよ う にし て
データ 受信が行われる ．
4.2.2
CPU
CPU に おいて ， モデム の交換に と も な っ て 大き く 変更し た部分は IP 番号を FPGA に 送信する
部分のみであ る ． こ の動作はタ ワ ーエレ キ がデータ 送信時に 最初に 行う ． EXIO SC5(9,4) の時，
つま り u0 wmodem に おいて cpu adl=4 の時に ， CPU から xdi32 に 出力さ れる ． な お IP 番号は
sd idcode.c と いう フ ァ イ ルに ま と めら れて おり ， FPGA で処理し やすいよ う に ， 16 進数のア ス
キ ーコ ード で送信さ れる ．
67
4.3
ア ド リ ン ク と レ ッ ド パイ ン の通信量の比較
図 4.7 に 無線通信のイ メ ージ図を 示す． ア ド リ ン ク を 用いて る TA 実験の場合， タ ワ ーと SD で
データ のやり 取り を 行う 際， タ ワ ーエレ ク ト ロ ニク ス は送信信号を 支配下に あ る SD に 向かっ て
ブロ ード キャ ス ト する ． SD はタ ワ ーから 送出さ れた信号の中に ある 検出器番号を 読み取り ， 自分
に 当て はま っ て いればタ ワ ーに 向かっ て 返答データ を 送り 出す， と いう 通信の流れに な っ て いる ．
つま り 合計 2 ア ク ショ ン でデータ のやり 取り を 行う ． 一方， レ ッ ド パイ ン を 用いる 場合は， 上述
のよ う に ， ソ ケ ッ ト を オープン する た めの信号を ブロ ード キ ャ ス ト し ， そ の後ソ ケ ッ ト を オープ
ン し た SD と データ 通信を 行う ． つま り データ のやり 取り に合計 3 アク ショ ン 必要にな る ． こ のこ
と から ， データ 通信の際に ， レ ッ ド パイ ン を 使っ た 場合はア ド リ ン ク よ り 1 ア ク ショ ン 多く な る
と いう こ と がわかる ．
図 4.7: 無線通信の概念図． 上がア ド リ ン ク， 下がレ ッ ド パイ ン の場合． ア ド リ ン ク に 比べて レ ッ
ド パイ ン の方が 1 ア ク ショ ン 多い．
さ ら にアド リ ン ク と レ ッ ド パイ ン ではパケッ ト に付く ヘッ ダも 異な る ． 図 4.8 に各モデム の送出
する 典型的な データ を 示す． 緑色の部分がモデム に よ っ て 設定する 部分で， 青色の部分が FPGA
も し く は CPU に よ っ て 書き 込ま れる 部分であ る ． ア ド リ ン ク は独自のヘッ ダを 使用する こ と に
よ っ て ， 非常に 短いヘッ ダに な っ て いる ． 一方， レ ッ ド パイ ン は一般的な TCP/IP 通信のヘッ ダ
である ため， ア ド リ ン ク のヘッ ダに 比べて 約 60Byte 大き いこ と がわかる ．
そ こ で， 各モデム が通信する 際の最大バイ ト 数を 計算し た ． TEXT FIELD に は最大 256Byte
書き 込むこ と ができ ， アド リ ン ク は通信に送受信の 2 アク ショ ン かかる ので， タ ワ ーと SD がデー
タ を やり 取り する のに 最大 604Byte と いう データ 量が無線通信さ れる ． 一方レ ッ ド パイ ン は， タ
ワ ーと SD がデータ を やり 取り する のに ， ソ ケ ッ ト オープン のた めの通信と 送受信で合計 3 ア ク
68
図 4.8: 各モデム の送出する 典型的な 1 パケ ッ ト データ． 緑色の部分がモデム に よ っ て 設定する 部
分で， 青色の部分が FPGA も し く は CPU によ っ て 書き 込ま れる 部分である ． *印のと こ ろ は平均
184Byte のデータ が格納さ れる ．
ショ ン かかる ので， 最大 856Byte と いう データ 量が無線通信さ れる ．
し かし ， こ の通信で重要な のはタ ワ ーが負担する 全データ 量である ． つま り ， 1 つの SD と の通
信量× 1 つのタ ワ ーが負担する SD 台数を 考え な け ればな ら な い． TA 実験のある タ ワ ーは 188 台
の SD と データ のやり 取り を し て いる のに対し 、 TALE 実験ではタ ワ ーの負担は 105 台である ． そ
こ で TA 実験と TALE 実験で 1 つのタ ワ ーが負担し て いる 全データ 量を 比較する と
T ALE
856[Byte] ∗ 105[SDs of T ALE]
=
≈ 0.8
TA
604[Byte] ∗ 188[SDs of T A]
(4.1)
と な り ， TALE 実験では TA 実験の約 0.8 倍の負担量に な る ． こ のこ と から ， TALE 実験では
SD の台数が少な いので， レ ッ ド パイ ン のヘッ ダと ア ク ショ ン が増え る こ と に よ る 問題はな いこ と
がわかる ．
4.4
TALE 実験用 SD エレ ク ト ロ ニク ス を 用いた通信テス ト
図 4.9: 通信テス ト のイ メ ージ図． 一方を タ ワ ー， 一方を SD と し て 通信テス ト を 行っ た．
無線 LAN モデム を レ ッ ド パイ ン に交換し ， 上述のよ う に FPGA と CPU のフ ァ ーム ウ ェ アを 書
き 換え て ， 最適化し たエレ ク ト ロ ニク ス で通信テス ト を 行っ た． 図 4.9 に そ のイ メ ージ図を 示す．
こ の通信テ ス ト で使用し た PC の OS は Windows7 で， タ ーミ ナルエミ ュ レ ータ は TeraTerm を
使用し た． PC と タ ワ ーエレ キ 間に は， LAN ケ ーブルと LANTRONIX 社製の XPORT と いう 組
み込み用小型デバイ ス サーバを 使用し TCP/IP 通信を 行っ た． エレ キ 上に は XPORT を 接続する
部分が用意さ れて おり ， そこ に XPORT を 接続し ， LAN ケ ーブルで XPORT と PC を 繋げる ， と
69
いう セッ ト アッ プに な っ て いる ． 通信テス ト は， PC 上から ある コ マ ン ド を タ ワ ーエレ キ に 向かっ
て 発行し ， そ のコ マ ン ド 通り に エレ キ 同士が通信する と いう も のである ． こ のコ マ ン ド と は， SD
エレ キ の起動時に 必ず発行する ”4000”と いう コ マ ン ド で， SD エレ キ に サイ ト 内の番号を 与え る
コ マ ン ド であ る ． コ マ ン ド 実行時のエレ キ 同士が無線通信でやり 取り する 総データ 量は 386Byte
である ． 通信テス ト の結果， 通信に かかっ た平均時間は 21.6±0.3m 秒であっ た． タ ワ ーは 1 秒毎
に 支配下に あ る 105 台の SD 全て と データ のやり 取り を 行う た め， 1 台の SD と の通信に 許さ れ
る 時間は約 10m 秒である ． つま り 通信テス ト の結果から ， 基準値よ り 倍ほど 時間がかかる と いう
こ と がわかる が， こ の原因は FPGA と 無線 LAN モデム の間の通信速度に ある こ と がわかっ て い
る ． 現在 FPGA と レ ッ ド パイ ン は 115200bps と いう 通信速度でデータ のシリ アル転送を し て いる ．
先ほど のコ マ ン ド を 実行し た時に ， FPGA と レ ッ ド パイ ン 間でシリ ア ル転送さ れる 総データ 量は
162Byte であ り ， 115200bps で転送を 行う と 15.5m 秒程度かかる ． し かし こ のシリ ア ル通信速度
は 4.1.2 で述べた よ う に ， 変更が可能で， 最大で現在の 32 倍の速さ の 3686400bps ま で速く する
こ と ができ る ． 今回の通信テス ト で FPGA と レ ッ ド パイ ン 間の通信速度を 3686400bps に し た場
合， 21.6-15.5+(15.5/32)=6.6m 秒で通信する こ と ができ る ． こ の FPGA と モデム 間の通信速度
の変更部分は未実装であり ， 今後の課題である ．
70
第5章
TALE 実験の現状と そ の性能
TALE 実験の SD は 2014 年 2 月現在， 図 5.1 のよ う に 400m 間隔の領域と 600m 間隔の領域の
一部に 合計 35 台が設置さ れて いる ． さ ら に ， そ のう ち の 16 台は TA 実験で使われて いる エレ ク
ト ロ ニク ス を 用いて 空気シャ ワ ーア レ イ と し て 運用さ れて いる ． 図 5.2 はそ のう ち の 1 台の SD で
得ら れた モニタ ーデータ の一部であ る ． 上はシン グルミ ュ ーオン に 対する 波高分布のピ ーク と そ
の分布幅で， 下はレ ベル 0 ト リ ガーレ ート の時間変化を 表し て いる ． ま た ， 図 5.3 の上のグラ フ
は稼働し て いる 16 台の SD の稼働率で， 5 月 15 日から 6 月 6 日ま での稼働し て いな い時期を 除け
ば， ほぼ 100% の稼働率で稼働し て いる こ と がわかる ． 真ん中は 1 日あ た り のレ ベル 1 ト リ ガー
数で， 下はレ ベル 1 ト リ ガーの積算総量であ る ． こ のよ う に 1 日あ た り 約 700 ト リ ガーが検出さ
れて いる ．
図 5.1: 水色の点は 2014 年 2 月現在で設置さ れて いる SD の設置点を 示す． 合計 35 台が既に 置か
れて おり ， う ち 16 台の SD は TA 実験のエレ ク ト ロ ニク ス を 用いて 空気シャ ワ ー稼働し て いる ．
ま た， TALE 実験用 FD ス テーショ ン は 2012 年 11 月に 完成し て おり ， 2013 年 2 月から 観測を
始めて いる ． 図 5.4 は TALE 実験用 FD と SD ア レ イ で同時検出さ れたハイ ブリ ッ ド イ ベン ト の 1
例のイ ベン ト ディ ス プレ イ である ．
TALE 実験用の SD エレ キ が完成する と ， 図 2.4 に 示し たよ う に ， SD は FD ス テーショ ン から
71
図 5.2: TALE 実験サイ ト に TA 実験のエレ ク ト ロ ニク ス を 用いて 空気シャ ワ ーア レ イ と し て 運用
さ れて いる SD のモニタ ーデータ の一部． 上はシン グルミ ュ ーオン に 対する 波高分布のピ ーク と
そ の分布幅で， 下はレ ベル 0 ト リ ガーレ ート の時間変化を 表し て いる ．
図 5.3: 上から ， TALE 実験サイ ト に TA 実験のエレ ク ト ロ ニク ス を 用いて 空気シャ ワ ーア レ イ と
し て 運用さ れて いる SD の稼働率， 1 日あたり のレ ベル 1 ト リ ガー数， レ ベル 1 ト リ ガーの積算総
量を 表す．
72
図 5.4: (上)FD に よ る ハイ ブリ ッ ド イ ベン ト の 1 例のイ ベン ト ディ ス プレ イ． (下)SD に よ る ハイ
ブリ ッ ド イ ベン ト の 1 例のイ ベン ト ディ ス プレ イ．
73
3km 以内の領域に 400m 間隔で 35 台， 3∼5km の領域に 600m 間隔で 46 台， そし て TA アレ イ と 接
続する 領域に 1.2km 間隔で 24 台並べら れる ． SD が 400m 間隔で並べら れる 領域では 3 × 1016 eV
の空気シャ ワ ーに 対し て 100% の検出効率を 持つ． ま た SD が 600m 間隔で並べら れる 領域では
1017 eV の空気シャ ワ ーに 対し て 100% の検出効率を 持つ．
こ の TALE 空気シャ ワ ーア レ イ で期待さ れる イ ベン ト レ ート はモン テカ ルロ シミ ュ レ ーショ ン
に よ っ て 計算さ れて いる [39][40]． TALE 空気シャ ワ ーア レ イ で期待さ れる イ ベン ト レ ート ス ペ
ク ト ラ ム を 図 5.5 に 示す． SD ト リ ガーの最頻エネ ルギーは 1016.5 eV で， ト リ ガー頻度は年間約
50000 事象と 予想さ れて いる ．
105
Events / year
104
103
102
Proton
Iron
Average
10
1
16
16.5
17
17.5
log (E/eV)
18
18.5
19
10
図 5.5: TALE 空気シャ ワ ーア レ イ に よ る 観測で期待さ れる ト リ ガー数のス ペク ト ル． 最頻エネ ル
ギーは 1016.5 eV で， 年間約 50000 事象のイ ベン ト ト リ ガーが期待さ れる ．
ま た， SD と FD に よ る ハイ ブリ ッ ド 観測のイ ベン ト レ ート ス ペク ト ラ ム を 図 5.6 に 示す． ハイ
ブリ ッ ド 観測に よ る 最頻エネ ルギーは 1017.3 eV で 2nd knee がある と 考え ら れて いる 1017.5 eV よ
り も 低く ， 年間約 5000 事象のト リ ガー数が期待さ れる ． こ れを TA 実験のハイ ブリ ッ ド 観測と 比
較する と ， 最頻エネ ルギーは 1.2 桁下で， 事象数は約 2 倍である ．
74
図 5.6: TALE 実験の 1 年間のハイ ブリ ッ ド 観測から 期待さ れる イ ベン ト 数．
75
第6章
結論
TALE 実験用 SD のために 無線 LAN モデム を 選定， 交換し ， そ れに 伴い， 必要な SD エレ ク ト
ロ ニク ス 内の CPU， FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア の改良， 最適化を 行っ た．
選定のた めの長距離通信テ ス ト を 米国ユタ 州で実施し た 結果， Redpine Signals 社製無線 LAN
モデム RS9110-N-11-02(レ ッ ド パイ ン ) を 使用する こ と と し た． レ ッ ド パイ ン は 20km 離れて いて
も 通信が可能である ． レ ッ ド パイ ン は， こ れま で TA 実験で使用われて た ADTEK 社製無線 LAN
モデム ADLINK540F.RF(ア ド リ ン ク ) と 比べ， 入手が容易である こ と と ， イ ン タ ーフ ェ イ ス が非
常に シン プルで扱いやすいと いう 点で優れて いる ． し かし ， ア ド リ ン ク を 用いた 場合のタ ワ ーと
SD の通信は 2 ア ク ショ ン で行われる のに 対し ， レ ッ ド パイ ン は 3 ア ク ショ ン 必要で， ま た， レ ッ
ド パイ ン はア ド リ ン ク に 比べて 約 60Byte ヘッ ダが大き い． し かし ， 1 台のタ ワ ーの取り 扱う 単位
時間あ た り の全データ 量を 比較する と ， TALE は TA 実験に 比べて 1 台のタ ワ ーエレ ク ト ロ ニク
ス が担当する SD の台数が少な いた め， 単位時間あ た り のデータ 量は， TALE 実験では TA 実験
の 0.8 倍の負担量に な る ． こ のこ と から ， レ ッ ド パイ ン のヘッ ダと ア ク ショ ン が増え て も ， TA 実
験に 比べデータ 量は多く な いこ と がわかる ．
FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア の主な 変更点は， レ ッ ド パイ ン と FPGA 間のポート と ， レ ッ ド パイ ン
に コ マ ン ド を シリ ア ル通信で送信する 部分であ る ． CPU のフ ァ ーム ウ ェ ア の主な 変更点は， SD
に 割り 振ら れた IP 番号を FPGA に 転送する 点である ．
ま た 完成し た SD エレ キ で通信テ ス ト を 行っ た ． そ の結果， 無線通信での総転送量が 386Byte
に対し て 21.6±0.3m 秒の時間がかかっ た． し かし ， モデム と FPGA のの間のシリ アル通信速度を
変更する こ と でよ り 短い時間で通信でき る こ と がわかっ て おり ， こ れは今後の課題である ．
そ し て 完成し た SD でデータ 収集を 開始する と ， SD ト リ ガーの最頻エネ ルギーは 1016.5 eV で，
ト リ ガー頻度は年間約 50000 事象と 予想さ れて いる ． SD と FD のハイ ブリ ッ ド ト リ ガーの最頻エ
ネ ルギーは 1017.3 eV で 2nd knee がある と 考え ら れて いる 1017.5 eV よ り も 低く ， こ のエネ ルギー
で年間約 5000 事象のト リ ガー数が期待さ れる ．
76
謝辞
本研究に 携わる 機会を 与え て 頂き ， 研究を 進める に あたっ て は， 全て に おいて 数多く のご助言，
ご指導いただき ま し た大阪市立大学の荻尾彰一准教授に深く 感謝致し ま す． ま た , 幾度と な く 的確
な ご助言， ご指導を いた だ き ま し た 大阪市立大学の林嘉夫教授， 小島浩司客員教授 (愛知工業大
学) に 深く 感謝致し ま す．
東京大学宇宙線研究所の野中敏幸助教に は本研究に おいて 数多く の御指導、 御助言， ま た ， ア
メ リ カ に おけ る 研究生活でお世話に な り ま し たこ と を 感謝致し ま す．
大阪市立大学の櫻井信之特任助教 (現 名古屋大学素粒子宇宙起源研究機構 特任助教) に は本研
究に おいて 数多く の御指導、 御助言し て 頂き ま し たこ と を 深く 感謝致し ま す．
大阪市立大学の藤井俊博博士 (現 シカ ゴ 大学カ ブリ 宇宙物理研究所 研究員)， 山崎勝也氏に は
毎日の研究生活の中で研究に 関する こ と のみな ら ず多く の相談に 応じ て 頂き ， 的確な ご助言を 頂
き ま し たこ と を 深く 感謝致し ま す．
毎日の研究生活の中で支え と な っ て いた だいた 大阪市立大学の山根涼氏， 米田泰久氏， 小林隼
矢氏， 寺農篤氏， 山口泰弘氏， 小西翔吾氏， 山本実加氏， 和知慎吾氏に 感謝致し ま す．
立命館大学の奥田剛司特任助教に は SD に 関する 知識全般に ついて ご助言を 頂き ま し た こ と を
感謝致し ま す．
東京大学宇宙線研究所の福島正己教授， 佐川宏行准教授， 竹田成宏助教， 芝田達伸特任助教， 多
米田裕一郎博士， 池田大輔博士， 木戸英治博士， 東京工業大学の常定芳基助教， 得能久生特任助
教， 理化学研究所の冨田孝幸博士東京大学宇宙線研究所の技術職員の大木薫氏， 下平英明氏， 東
京理科大学の屋代健太氏， 高村茉衣氏， 近畿大学の千川道幸教授， 野里明香氏， さ こ 中良介氏， 山
梨大学の町田和広氏， CRC 管理人の Dave Barr 氏， Cindy Barr 氏に はユタ 現地での生活， 並び
に 観測作業でお世話に な り ま し たこ と を 感謝致し ま す．
大阪市立大学大学運営本部学務企画課の川口幸子さ ん， 東京大学宇宙線研究所の木次敦子さ ん，
岡村宜子さ んに は数多く の事務処理を 行っ て いただき ま し たこ と を 感謝致し ま す．
本研究は宇宙線望遠鏡実験な し に は成り 立ち ま せんでし た． 宇宙線望遠鏡実験コ ラ ボレ ータ ー，
関係研究機関の皆様に 深く 感謝し ま す．
最後に ， 研究生活を 支え て く れた家族， 友人に 深く 感謝致し ま す．
な お， 本研究は日本学術振興会科学研究費補助金 (特別推進研究) H21 ∼ H25 「 最高エネ ルギー
宇宙線で探る 極高宇宙現象」 ， 東京大学宇宙線研究所共同利用研究費， の支援を 受け て 行いま し
た． こ れら の関係機関の皆様に 感謝致し ま す．
77
参考文献
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[2] S. Ogio, F. Kakimoto, Proc. 28th Int. Conf. Cosmic Rays., 1, 315(2003).
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[26] A. Haungs, et al., Proc. of 33rd ICRC, 0300(2013)
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[28] W. Apel, et al., Phys. Rev.D., 87, 081101(R)(2013).
[29] YAKUTSK EAS ARRAY Home Page, http://eas.ysn.ru/index.php (2014/01 現在)
[30] S.P. Knurenko, et al., Proc. of 33rd ICRC, 0053(2013)
[31] S.F. Berezhnev, et al., Proc. of 33rd ICRC, 0418(2013)
[32] V.V. Prosin, et al., Proc. of 33rd ICRC, 0617(2013)
[33] The IceCube Collaboration, Proc. of 33rd ICRC, 0861(2013)
[34] 武多昭道, 博士論文 東京大学 (2011).
[35] W.M. Yao, et al., J.Phys.G. and Nucl.Phys., 33(2006).
[36] 宮田孝司, 修士論文 東京理科大学 (2008).
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[38] 米田泰久, 修士論文 大阪市立大学 (2013).
[39] S. Ogio, et al., Proc. of 33rd ICRC, 0717(2013)
[40] S. Ogio, et al., EPJ Web of Conference 53, 08020(2013)
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付録
SD 及びタ ワ ーエレ ク ト ロ ニク ス のフ ァ ーム ウ ェ ア の生成方法
SD 及びタ ワ ーのエレ ク ト ロ ニク ス のフ ァ ーム ウ ェ ア の生成方法を 説明する ．
FPGA のフ ァ ームウ ェ ア の生成方法
TA 及び TALE 実験で使用する SD エレ ク ト ロ ニク ス の FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア は.bit と いう
拡張子のデータ である ． そ の生成方法を 説明する ．
FPGA は Xilinx 社製 XC3S1000 と いう も のを 用いており ， FPGA のソ ースコ ード の設計は Xilinx
社製の ISE と いう 開発ソ フ ト ウ ェ アを 用いて 行う ． ISE で動作プロ グラ ム を VHDL で記述し た後，
一番上の階層 (こ こ では top.vhdl) のフ ァ イ ルにカーソ ルを 合わせる ． そし て ”Design”の ”Generate
Programming File”を ダブルク リ ッ ク する と ， .bit フ ァ イ ルの生成が始ま る (こ こ では top.bit)． 正
し く 生成さ れる と 左に 緑色のチェッ ク マ ーク が出る (図 6.1)．
CPU のフ ァ ームウ ェ ア の生成方法
CPU のフ ァ ーム ウ ェ ア の生成は makefile に よ っ て 実行さ れる ．
FPGA のフ ァ ーム ウ ェ ア は CPU を 通し て FPGA に イ ン ス ト ールさ れる た め， ま ず， SD エレ
ク ト ロ ニク ス の動作プロ グラ ム フ ァ イ ルが入っ て いる ディ レ ク ト リ に 上述の .bit フ ァ イ ルを 置く ．
そ し て ， メ イ ク コ マ ン ド を 実行し フ ァ ーム ウ ェ ア を 生成する ． TALE 実験のタ ワ ーエレ ク ト ロ ニ
ク ス のフ ァ ーム ウ ェ ア を 生成する 場合は， タ ーミ ナル上で以下のコ マ ン ド を 実行する ．
$ make tale
ま た， SD エレ ク ト ロ ニク ス のフ ァ ーム ウ ェ ア を 生成する 場合は
$ make sub
を 実行する ． こ れら によ っ て ， それぞれ tale.s フ ァ イ ルと sub.s フ ァ イ ルが生成さ れる ． こ の .s フ ァ
イ ルを エレ ク ト ロ ニク ス に イ ン ス ト ールする ．
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図 6.1: ISE に よ る .bit フ ァ イ ル生成画面．
81
エレ ク ト ロ ニク ス へのフ ァ ーム ウ ェ ア のイ ン ス ト ール方法
セッ ト ア ッ プ
エレ ク ト ロ ニク スへのフ ァ ームウ ェアのイ ン スト ールは， PC と エレ キを 接続し ， PC から フ ァ ー
ムウ ェアを 転送する こ と によ っ て行われる ． なお， PC と エレ キ間は LAN ケーブルと LANTRONIX
社製の XPORT と いう 組み込み用小型デバイ ス サーバを 使用し て TCP/IP 通信を 行う ． 図 6.2 に
そ のイ メ ージ図， 図 6.3 に XPORT の外観写真を 示す．
図 6.2: PC と エレ キ 間の接続のイ メ ージ図．
図 6.3: XPORT の外観写真． 基本的に は左側の XPORT でエレ キ と TCP/IP 通信を 行う ．
XPORT の設定
XPORT は TCP/IP 通信を 使用する ため， IP 番号を 与える 必要がある ． IP 番号は LANTRONIX
社製の ”Dvice Installer”と いう ソ フ ト ウ ェ ア を 用いて 行われる ． ま ず， エレ キ に 12V の電源を 供
給する ． XPORT はエレ キ から 電源供給さ れる ため， エレ キ の電源が入る と 自動的に XPORT は
起動する ． そ し て 図 6.2 のよ う な セッ ト アッ プに し た後， Dvice Installer を 起動さ せる ． する と 図
6.4 のよ う な 画面が現れ， 左側の ”XPort”と いう 表示が XPORT が正常に接続さ れて いる と いう 合
82
図であ る ． な おこ の画面は IP 番号を 与え た 後のも のであ る ． 次に ”IP 割当”を ク リ ッ ク する と 図
6.5 のよ う に ， IP 割当のた めの XPORT のハード ウ ェ ア ア ド レ ス を 入力する 画面が出る ． ハード
ウ ェ アアド レ スは図 6.3 のバーコ ード の下に書かれて いる 番号である ． ハード ウ ェ アアド レ スを 入
力し ”次へ ”を ク リ ッ ク する と 図 6.6 のよ う に， IP アド レ スの割当方法の画面が出る ． こ こ では”特
定 IP ア ド レ ス の割当”に チェッ ク を し ， ”次へ ”を ク リ ッ ク する ． する と ， 図 6.7 のよ う に ， IP 設
定の画面が出る ので設定を 行う ． 入力後， ”次へ ”を ク リ ッ ク する と IP が設定さ れる ．
次にボーレ ート の設定を 行う ． IP の設定が終わる と 図 6.8 のよ う に左側に設定し た IP が出力さ
れる ． こ れにカ ーソ ルを 合わせた後， 赤丸で囲んだ緑色の矢印を ク リ ッ ク する と ， 図 6.9 のよ う に
設定画面が現れる ． 図の ”Serial Settings”を ク リ ッ ク 後に 通信し たいボーレ ート を 設定し ， ”OK”
を ク リ ッ ク し ， ”Apply Settings”を ク リ ッ ク する と ， 設定が完了する ． 一度設定を 行う と ， 次回起
動時に は自動的に 設定し た IP 番号を 取得する ．
図 6.4: XPORT の設定画面． DeviceInstaller が起動する と こ の様な 画面が現れる ．
83
図 6.5: XPORT の IP 割当のための XPORT ハード ウ ェ ア ア ド レ ス の入力画面．
図 6.6: XPORT の IP ア ド レ ス の割当方法の選択画面．
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図 6.7: XPORT の IP ア ド レ ス の設定画面．
図 6.8: XPORT の IP ア ド レ ス 設定後の画面．
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図 6.9: XPORT のボーレ ート の設定画面．
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PC のセッ ト ア ッ プ
図 6.10: Tera Term の接続の設定画面．
こ こ では PC の OS は Windows7 の場合と する ． タ ーミ ナルエミ ュ レ ータ は TeraTerm を 使用
する ． 接続の設定は図 6.10 のよ う に 行う ． ただし ， ホス ト の IP ア ド レ ス は XPORT の IP ア ド レ
ス に 合わせる 必要がある ．
フ ァ ームウ ェ ア のイ ン スト ール
上述のセッ ト アッ プ完了後， エレ ク ト ロ ニク ス に 電源を 供給する ． エレ キ に 電源が入っ て から ，
1 秒以内に エン タ ーを 押すと 正し く 起動し ， 図 6.11 のよ う に TaraTerm 上に 起動画面が出力さ れ
る ． 起動画面が出た後，
$ load
と 入力し ， メ ニュ ーの ”フ ァ イ ル＞フ ァ イ ル送信”でダウ ン ロ ード する .s フ ァ イ ルを 選択し ， ダウ
ン ロ ード する ． ダウ ン ロ ード さ れた データ は dlbuf と いう バッ フ ァ ーに 保存さ れる ． バッ フ ァ ー
は”dlbuf”， ”ram”， ”rom0”そ し て ”rom1”が用意さ れて いる ． ダウ ン ロ ード 完了後， エン タ ーを
押すと コ マ ン ド ラ イ ン に 戻る こ と ができ る ． 次に ， ダウ ン ロ ード し た フ ァ ーム ウ ェ ア で起動する
ために 以下のコ マ ン ド を 実行する ．
$ reboot dlbuf
こ のコ マ ン ド は dlbuf にある データ を ram に保存し て ram から 再起動する と いう コ マ ン ド である ．
こ の再起動時も 1 秒以内に エン タ ーを 押す必要があ る ． コ マ ン ド から の再起動は， ram に 保存さ
れて いる データ は消え ずに ， dlbuf に 保存さ れて いる データ は消え る と いう 仕様に なっ て いる ． こ
のよ う に し て ， ダウ ン ロ ード し たフ ァ ーム ウ ェ ア でエレ キ を 立ち 上げる こ と ができ る ．
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図 6.11: SD エレ キ 起動画面．
フ ァ ームウ ェ ア を ROM に書き 込む
上述のよ う に ram に 保存し た だけ では電源を 落と すと データ が消え て し ま う た め， ROM に 書
き 込む必要がある ． 以下では ROM への書き 込み方法について 説明する ． 上述の ”reboot dlbuf”ま
で行っ た後に ， 以下のコ マ ン ド を 実行する ．
$ dlretr ram
こ のコ マ ン ド は ram に 書かれて いる データ を dlbuf に 書き 込むと いう コ マ ン ド であ る ． ROM に
書き 込むた めに は， ram と dlbuf 両方に ROM に 書き 込むフ ァ ーム ウ ェ ア を 保存し て いな け れば
な ら な いと いう 仕様に な っ て いる ので， ”reboot dlbuf”で ram に 書き 込んだデータ を ， dlbuf に 書
き 込む必要がある ． そ の後， rom0 に 書き 込むための以下のコ マ ン ド を 実行する ．
$ flashwr rom0
こ のコ マ ン ド は ram に 書かれて いる データ を rom0 に 書き 込むと いう コ マ ン ド であ る ． こ のよ う
に し て ROM に フ ァ ーム ウ ェ ア の書き 込みを 行う ．
88

Revisiting the TALE repeat Deng, D., Yan, C., Wu, J., Pan, X., and

飯田市公衆無線LANフリースポット利用規約 （PDFファイル／40KB）

FPGA／ASICの新検証方式開発

ご利用事例（PDF） - ISA — 株式会社アイエスエイ

無線 LAN ビジネス推進連絡会発表

木花キャンパス講義棟無線LANシステムの停止について

VZ-C123 - WolfVision

Kagawa Cyber Security Information

PDF：943KB - 中央職業能力開発協会

完全予約制のプライベートレッスン