SMILE14:電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)の新データ取得システムの性能評価

京大理A、 Open-ItB、 神戸大理C、 京大生存圏研D、 KEK放射線科学セE、 理研F、 東海大医G、 東北大金研H、 KEK素核研I

水本哲矢A、 谷森達A、 窪秀利A, B、 Parker JosephA、 水村好貴A、 岩城智A、 澤野達哉A、 中村輝石A、 松岡佳大A、 古村翔太郎A、 佐藤快A、

中村祥吾A、 身内賢太朗C、 高田淳史D、 岸本祐二E、 上野一樹F、

株木重人G、 黒澤俊介H、 田中真伸B, I、 池野正弘B,I、 内田智久B,I

日本物理学会2012年年次大会 @京都産業大学 2012年9月14日 14pSP-3

目次

• サブMeV - MeVガンマ線天文学

• SMILE-II計画とETCC

• TPCの動作実証

• ETCCの動作試験

• シミュレーションによる検出効率の見積りと実機との比較

前回

PMT GSO

µ-PIC GSOピクセル シンチレータアレイ

SMILE-II気球実験その他に向けて開発してきた • µ-PIC信号読出し回路 • シンチレータ信号読み出し回路 がそれぞれ単体で動作することを確認した。

コンプトンカメラ

1ピクセル … 6mm×6mm×高さ13mm

サブMeV - MeVガンマ線天文学

← 主に起きる反応

我々の目標 ASTRO-H

感度

ＭｅＶ近傍の観測感度

keV MeV GeV TeV

COMPTEL

Fermi

天文学的意義

宇宙線の起源

宇宙線の加速機構

leptonic or hadronic

シンクロトロン放射

逆コンプトン放射

π0崩壊

元素合成

核ガンマ線 26Al, 44Ti

地球物理学的意義

地球近傍で～MeVまでの電子加速、 極域への降り込み

高エネルギー粒子の大気への影響

相対論的電子の降込み(Relativistic Electron Precipitation, REP)と制動放射によるバースト現象(REP-burst)

(30cm)3 FM ETCC 緒元 m-TPC ガス Ar/C2H6 (90/10), 1– 1.3 atm 封じ切り サイズ ( 30 cm )3

位置分解能 ~0.3mm (設計値)

シンチレーションカメラ シンチレータ GSO;Ce 6x6x13 mm3

ピクセル数 6912 pixels エネルギー分解能 ~10.5% for 662 keV

エレクトロニクス NIMを廃止，VMEと専用ボードの組合せ

気球系 総消費電力 ~ 570W 総重量 ~ 550 kg 電池 Liポリマー2次電池 ＋ 太陽電池

(10cm)3MeVγ線カメラ 0.1～1 MeV 気球＠三陸 35km 4時間

動作実証 宇宙拡散γ・大気γ線測定

(30cm)3MeVγ線カメラ 0.1～10 MeV 極周回気球 40km, スウェーデン キルナ ① 長期運用システムの動作実証 ~ 1日のテストフライト 申請状況

スウェーデンに予算申請中

採択なら，2013年8月放球 ＠キルナ

宇宙研にも来年の放球を申請中 キルナまたは大樹町

② 明るい天体 REP-burstの観測 2014- 極周回飛行 ～2週間

（２００６年９月に実施）

SMILE 極周回飛行 夏季

Sub-MeV gamma-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment

京 大生存圏研、極 地研, 名大STE研, JAXA, 北大理, 金沢大理, スエーデン宇宙科学研, Lulea 工科大., EISCAT, カリフォルニア州立大Santa Cruz校, Dartmouth大、 モスクワ大学による国際協力プロジェクト

電子飛跡検出型コンプトンカメラ (ETCC)

ガス飛跡検出器 μ-TPC

反跳電子の3次元飛跡とエネルギー

（コンプトン点と反跳方向）

シンチレーションカメラ

散乱ガンマ線の吸収点とエネルギー

イベントごとにコンプトン散乱を再構成

μPIC

Drift Plane

e-

PMT Scintillator

α

入射γ線

散乱γ線

反跳電子

Electron-Tracking Compton Camera

運動学的に 幾何学的に

■ 光子 → 到来方向 + エネルギー取得

■ 運動学を用いたバックグラウンド除去

• 広い視野 を持つ (~3str)

VME bus

CPUs

Memory

Board

Scaler

Memory

Board

Data

Processing

Board

μ-PIC

GPS

Anti.

GSO

µ-PIC 信号読み出し 回路

ADC FPGA data

シンチレータ信号 読出し回路

FPGA

Time

Trig. ID & Time

Telemetry

Command

Anti trigger

GPS trigger (1pps)

Analog

digital

DAQシステム

data

SSD

Trig. I/O

Trig.

I/O

ASIC

DAQ取りまとめFPGA基板

220mm

11

8m

m

ASIC

ADC

FPGA

ボード1枚あたり、128stripのhit dataと4ch分(1chあたり32stripのsum)のFADC波形データを取り出せる。 Anode Strip

0番 … 127番 0番

127番

Cathode Strip

TPC

10cm×10cm×15cm

z (d

rift

方向

)

µ-PIC読出し回路

ADC 10bit

Digital 128ch

Ring Buffer

Ring Buffer FIFO

FIFO

Data Format FIFO

メモリボードへ

Analog 4ch

FPGA

Hit Trigger Process

Transfer or Clear Data exist Transfer end

Clear, Resetなど

前回の学会で、読出し回路が単体で動作していることを報告した。 今回、SMILE-IIのDAQシステムに合うようにFPGAロジックを書き、 データが正しく取れていること、 DAQシステムが動くことを確認した。

Anode側の4つのFADC波形から生成した109Cdのスペクトル

トリガー 生成時刻

アノード カソード

宇宙線ミューオン

アノード カソード

133Baガンマ線(31keV) の電子飛跡の例

TPCの測定データ(hitデータ+ FADC波形)

22.2keV(分解能39%)

145m

m

→µ-PIC読出し回路で作成したFPGAロジックで、飛跡、波形データともに正しく取れている。

Z (

Clo

ck)

TPCとシンチレータを組み合わせてDAQシステムを動かす

anode信号 読出し回路 cathode信号

読み出し回路

ガスTPC (底面10cm角、 高さ15cm)

GSOシンチ&PMT (16×24pixel)

スタンバイ

シンチHit、

トリガー信号発生

TPC、シンチにStop Triggerを

送る

バッファ データ転送、 次の準備へ

データ消去 次の準備

データ 転送

TPCに データ有り

TPCに データ無し

CPU

データ 読出し

データ取得の流れ図

GSOシンチレータ 1ピクセル分

GSOシンチレータ 1ピクセル分

22Na線源 22Na線源

GSOピクセルと飛跡の始点 を結んだ線と線源の高さの 面の交点の分布

x[mm] (アノード) y[mm] (カソード)

2γ511keVイベントの例

TPCドリフト 領域

ETCCとして動作試験

anode信号 読出し回路

cathode信号 読み出し回路

ガスTPC (底面10cm角、 高さ15cm)

GSOシンチ&PMT (16×24pixel)

662keVγ線のコンプトンイベントを1イベント分、再構成したもの

反跳電子 : 28 keV 散乱ガンマ線 : 0.65 MeV

→更なる定量的な考察が必要だが、ETCC DAQシステムとして動いている

再構成された 入射γ線

再構成された 入射γ線

anode cathode

新しい飛跡検出アルゴリズムにより、 検出効率は10倍程度改善（古村講演） 評価された10cm立方ETCCにおいて Geant4により期待される検出効率は どれほど合うようになったのか？

Geant4による検出効率再考

Geant4 Version 4.9.5p01 ジオメトリ

10cm立方ETCC，治具は配置せず Air 1atm雰囲気

物理プロセス EMのみ Livermore model

入射粒子 等方放射の単色ガンマ線

50cm

線源

10cm3TPC (Ar 90% C2H6 10%、 1atm)

GSOピクセルシンチレータアレイ (24pixel×24pixel、 1pixel 6mm×6mm×厚さ13mm)

ガス容器 (フレーム Al 側面G10 2mm厚 )

旧アルゴリズム 1.uPICのcathode,anodeで自動コインシデンス 2.信号の立ち上がり時刻のみ記録 新アルゴリズム 全てのヒットを記録、信号の持続時間（TOT）も記録

新しい飛跡検出アルゴリズムにより、 検出効率は10倍程度改善（古村講演）

評価された10cm立方ETCCにおいて Geant4により期待される検出効率は どれほど合うようになったのか？

Geant4による検出効率再考

50cm

線源

シミュレーション 実機 TPC有感領域で コンプトン散乱する && シンチレータで ガンマ線が光電吸収する

&&

反跳電子が 有感領域の中で止まる

&&

シンチレータとTPCでの エネルギー損失の総和が 入射エネルギーの90%以上

～トリガー条件

Energy カット

～dE/dX カット

コンプトン事象の 抽出方法

検出効率

エネルギー Simulation 実機 511 keV 4.4E-5 3E-5 662 keV 2.5E-5 2E-5

エネルギー情報のみ追う簡単な評価でも1.5倍以内でConsistent。従来と異なりTPC内コンプトンの大半はとらえられている

Preliminary

●コンプトン確率 ■コンプトンして電子がTPC内で完全に止まる ▼さらに散乱ガンマがシンチで光電吸収する ▲さらにシンチレータとTPCでのエネルギー 損失の相和が90%以上

ＳＭＩＬＥ－ＩＩ用 フライトモデル 30cm ETCCの写真

30cmTPC ガス容器

GSOシンチレータ

µ-PIC信号読み出し回路×3枚

VME

まとめ

• SMILE-II気球実験に向けて、ETCCデータ取得システムの開発を行ってきた。

• DAQシステムを実現できるようにµ-PIC信号読出し回路のFPGAを書き、TPCに取り付けて、実際にデータが取得できることを確認した。

• Geant4シミュレーションを用いて、新飛跡取得アルゴリズムを採用した場合のFM-ETCCのコンプトンイベントの期待される検出効率を評価した。

→ 現在FM 30cm ETCCのシミュレーションを作成中

今後 • 気球実験に向けて準備を進めていく。