balloon borne experiment of mev-gamma camera with μ-pic h.nishimura t.tanimori, h.kubo, k.miuchi,...
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Balloon borne experiment of Balloon borne experiment of MeV-Gamma CameraMeV-Gamma Camera
with μ-PICwith μ-PICH.NishimuraH.Nishimura
T.Tanimori, H.Kubo, K.Miuchi, K.Tsuchiya, S.Kabuki, A.TakT.Tanimori, H.Kubo, K.Miuchi, K.Tsuchiya, S.Kabuki, A.Takeda, Y.Okada, K.Hattori, K.Ueno, S.Kurosawaeda, Y.Okada, K.Hattori, K.Ueno, S.Kurosawa
(KYOTO University)(KYOTO University)
MeV gamma-ray Camera with μ-PIC System and Operation
of first balloon experiment Summary and Future work
2007 MPGD 研究会@佐賀
Photo: Saga balloon Festi.
MeV Gamma-ray AstrophysicsMeV Gamma-ray Astrophysics
Schönfelder, et al.(2000)
COMPTEL(1-30MeV)
32 sources
EGRET(>100MeV)
271 sources Hartman, et al,(1999)
COMPTEL(1-30MeV) onboard GRO (1991-2000)
Nucleosynthesis Supernova: Nuclear emission from RIParticle Acceleration Pulsar, GRB, Solar flare, Active Galactic NucleiStrong gravitational field Stellar BH, PBH (Page & Hawking, 1976)
Galaxy evolution ・ structure extra-galactic -ray diffuse BGCosmic-ray origin, propagation galactic -ray diffuse emission
Sensitivity gap Sensitivity gap in MeV gamma-ray regionin MeV gamma-ray region
keV MeV GeV TeV
sensitiv
ity
All Sky survey
NeXT
1mCrab
EGRETAir CherenkovGLAST(2007)
~1 °
Our Goal
-15-15
15X [cm]
15
Y [
cm]
MeV-gamma Compton CameraMeV-gamma Compton CameraClassicalDetect energy of e- and γ
and direction of γ
600 events
restrict a direction of γincident in donut-shaped area
Image become broad,and generate ghost.
ex.COMPTEL
two source image
2.6
m
1.7m
CGRO 衛星 COMPTEL
Liquid scinti.
NaI(Tl) scinti
150 events
Advanced
Able to image with less events
-15-15
15
15
X [cm]
Y [
cm]
⇒Our DetectorDetect energy of e- and γ
and direction of e- andγrestrict a direction of γincident in arc area
Gas Time Projection Chamber (μ-TPC) Recoil electron with 3D track and energy less Multiple Scatter Scintillation Camera Direction and energy of scatter γ-ray.
Our Compton CameraOur Compton Camera
Get Direction and energy of incident gamma-ray event by eventGeometrical angle v.s Kinematics angle
⇒ Reject incorrect Compton event
To detect recoil electron. Gas Time Projection Chamber
Electric Field(E=0.4kV/cm)
Drift Velosity(Ar) =4cm/sec
・ Large Volume.>10×10×10cm・ Strong Structure・ less readout65000pixel⇒512line
μ-PIC + GEMgain 2000 10 ~ 5000 ~ 20
400μm
3mm
エネルギー範囲を指定
Our Camera imaingOur Camera imaing
137Cs
54Mn
All range
エネルギーを分けた
イメージングができる!
[cm]
[cm
]
785-885keV
54Mn:835keV
[cm]
[cm
]
40cm12cm 137Cs
54Mn
622-702keV
137Cs:662keV
[cm]
[cm
]
Our road map Our road map (10cm)3 MeV γ-ray Camera @ Sanriku(2006)
(30cm)3 Camera @Japan 6 hours (2009?)
•Operation test of gas-TPC @ 35km •Cosmic Back ground ・ atmosphere gamma-ray measurement ( expect: 0.1 ~ 1MeV Total 300 Photons@35km )
•Observation of Crab and Cyg X-1
(40cm)3 Camera Long flight Balloon ~ 10 Days
(50cm)3 Camera all-sky survey on satellite
•TPC 10cm μ-PIC+10cmGEM Xe+Ar+C2H6gas (80:18:2) 1atm 101014cm3
Gain μ-PIC ×2000 GEM ×15・ GSO scintilator
5cm 33 MAPMT •Anti Plastic scintillator 30cm×30cm×3mm
TPC
GSOScinti
TPC Amplifier
Plastic Scinti
FPGA DATA taking system
VME Module• CPU• ADC• telemetry• Counter board
NIM Module• Scint. AMP• DAC
Balloon Model of Our CameraBalloon Model of Our Camera
DATAwrite HDD
+send ground by FM radio
φ1×1.4m 3
Inside of Bessel (1 atm )DetectorDAQ system ・ Hard DiskSensors
DC-DC conv.
Battery
Battery
1.4m
~1m
Outside of BesselDC-DC converterBatterySensors
Ballast Case
1.45m1.20m
MI sensor
1.55
m
•container :1.451.21.55m3
•Bessel:φ1×1.4m3 •Container +detector Mass 397kg•Power: ~ 350W
•Bessel : 220W
For Balloon flighttransmitter, receiver,transponder, buoy,sensorGPS
Bessel
Al thickness=3mm
Balloon containerBalloon container
No attitude control
Balloon Balloon • B100(100,000m3)• Mass 816kg (balloon
263kg 、 gondola397kg 25.8kg 、 130kg )• buoyancy 888.2kg
Balloon launch@ Sanriku, Japan
gondola package
1.55m
1.45m1.20m
岩手県Iwate Pre.
宮城県Miyagi Pre.
気仙沼kesennuma
釜石kamaishi
Miyako宮古
launch
Obserb.End
150km
Flight trace
Level flight
altitude
Our detector FlightOur detector Flight
Flight for 7 hoursAM 5:26(JST) DAQ on 6:11 Launch 8:56 into Level Flight 12:59 DAQ off 13:45 Slash down 14:32 recover by ship
0 1 2 3 4 5 6 7 8 [hour]
35.0Km32.0Km
launch operation endMax at 16km
level flight
・ telemetry no problem・ detector ・DAQ no problem・ rate of data taking ~ 20H z・ Dead time ~10%
DAQ trigger rate
GSO TRIGGER RATE (No VETO)
赤 CPU青 inner air緑 outer air紫 Power System黒 battery (3B36)
Temperature
0 1 2 3 4 5 6 7 [hour]
10
102
103
Hz
/PM
T
GSO ( sum ) trigger rate
Flight Status
operation of TPC @32km height operation of TPC @32km height
launch
End
Rate of micro discharge
hour
altitude
No critical dischargeand damagefor μ-PIC and GEM.
Increasing μ-discharge caused by large energy deposit event .
Charged Particle ModeCharged Particle Mode
red : Landau function 4.8 keV/cm @ peak
MIP 5.3 keV/cm
dE/dx 分布 ( Single track )Single Track
Multi Trackd E /dx[keV/cm]
Observation of MeV Gamma-rayObservation of MeV Gamma-ray
← Observed γ-ray spectrum
Preliminary
• @height of 32 ~ 35 km, 3.5 hour• with 3str Field of view• Total ~250 photons
Final result is coming soon...
Next StepNext Step(10cm)3 MeV γ-ray Camera @ Sanriku(2006)
(30cm)3 Camera @Japan 6 hours (2009?)•Observation of Crab and Cyg X-1
(40cm)3 Camera Long flight Balloon ~ 10 Days
(50cm)3 Camera all-sky survey on satellite
・ 30×30 cm2 μ-PIC・ 23×28cm2 GEM or 15×28cm2GEM× 2・ Development low power read out system ⇒CMOS-ASIC with KEK
ConclusionConclusionBalloon experiment of MeV gamma-ray Camera with μ-PIC 10X10X14cm 3 Gas TPC + GSO Scintillator measurement of diffuse gamma-ray2006/9/1 launch 、7 hours flight 4 hours level flight at the hight of 32~35km
Detect ~ 250 photons (100keV ~1 MeV)No critical discharge and no damage at detector (μ-PIC)Our μ-TPC TPC was operated without any problem.
Future workFuture workmore detail analys of flight data
Construct larger detector
ガンマ線観測モードガンマ線観測モード
• 高度 32 ~ 35 km, 3.5 時間• 視野 3str 内のイベントのみ• Total ~250 photons
← レベルフライトで観測された ガンマ線スペクトル
Preliminary
Preliminary
天頂角依存性 →• 100 ~ 900 keV• 高度 32 ~ 35km, 3.5h
Atmospheric flux
Total flux(Atmospheric + Cosmic)
0 90 180
Zenith angle [degrees]
0.3 MeV
0.5
0.8
1.0
← 大気の厚みに対する カウントレートの変化
• 視野 (3str) 内• エラーバーは 統計のエラーのみ• 図中の曲線は cosmic 成分 : Fc = a E–b× exp(-z/τtot) a,b: free parameter τtot: mean free path atmospheric 成分 : Fa = c E-d × z c,d: free parameter と仮定して R(z) = ∫(Fc + Fa)εeffdE で fitting して得たもの
cosmicatmospheric
← Diffuse Cosmic Gamma-ray flux赤線 : 今回の実験で得られた flux
Preliminary
30cm30cm 角角 γγ 線カメラ開発線カメラ開発30cm
30cm
30cm 角ガス TPC
宇宙線ミューオン
33cm
今までのアレイカメラの大きさ
30cm 角 GSO シンチレーションカメラ
省電力化•TPC 用 CMOS LSI ( KEK と共同開発)•PMT 用 CMOS LSI IDE 社 VATA チップ試験中
通信系通信系
• 地上⇒気球 コマンド ダブルトーン 15ch– 6ch 気球制御用(カッター・排気弁・バラスト等)– 6ch PI 用 電源システム ON ・ OFF– 3ch PI 用 コマンドテーブル 15 メニュー ×8 項目 DAQ コントロール( shutdown )、 HV コント
ロール等
• 気球⇒地上 テレメトリー 64kbps Bi-phase– イベント毎に送信。
•イベントデータ( DAQ 取得情報の一部。 1kB )– 1 秒毎( GPS 1pps )に送信。
•モニター(電圧・温度・圧力・位置等) 1kB•カウンター(各種トリガーカウンター) 0.5kB
エネルギー範囲を指定
イメージングの結イメージングの結果果
137Cs
54Mn
All range
エネルギーを分けた
イメージングができる!
[cm]
[cm
]
785-885keV
54Mn:835keV
[cm]
[cm
]
検出器から 40cm の位置に、12cm離した2つの線源 137Cs
54Mn
622-702keV
137Cs:662keV
[cm]
[cm
]
エネルギー分解能10%@662keV(FWHM)
1
2
3
4
5
6
8
7
1 2 3 4 5 6 87 9
エネルギー分解能9.0%@662keV(FWHM)
662keV γ 線全面照射 再構成画像抵抗分割読出し
散乱散乱 γγ 線検出シンチレーションカ線検出シンチレーションカメラメラ
5 cm
1 2 3 4 5 6 87 9
GSO(Ce)6x6x13mm3
8x8 マルチアノード PMT(HPK フラットパネルH8500)
8x8 アレイ
TPC の周囲に 33 ユニット配置
γγ 線検出モードの結果線検出モードの結果
荷電粒子トリガーモード
高度 10 ~ 15 km
地上
エネルギースペクトル
検出レートraw
Event selection
0.5MeV 1.0MeV
• フレームゆがみ 特になし• 与圧容器内 浸水なし• 観測データ HDD 損傷なし• ガス TPC 異常なし• GSO シンチ +PMT 異常なし
回収された検出器回収された検出器
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