Transcript γ線バースト偏光モニタ GAPOM

γ線バースト偏光モニタ
GAPOM
(GAmma-ray burst POralization Monitor)
岡田京子（SPring-8） 三原建弘（理研）
窪秀利（京大） 河合誠之（東工大） 吉田篤正（青
山）
石崎欣尚（都立大） 玉川徹 桜井郁也
小浜光洋 宮坂浩正 根来均（理研）
Motivation: 偏光と物理過程
X・γ線天文： より激しい より内側の現象の追及
宇宙の解明のための物理パラメーター
○従来： ★イメージ
★エネルギースペクトル ★ライトカーブ
○今後： 新しい軸 「偏光」
→放射機構、放射ジオメトリ、放射輸送過程
１ シンクロトロン放射
超新星残骸、AGN、γ線バースト(?)
２ サイクロトロン散乱
X線パルサーの降着コラム
３ 降着円盤の反射
低質量X線連星 ブラックホール連星
偏光計を作って 偏光を観測したい！
偏光の検出
現在まで、各種の天体中で４例のみ (OSO-8衛星、1975年)
困難の原因 （１）検出器としての検出効率：低
2.6keV
5.2keV
（２）ターゲットが多岐：強度も偏光度も素過程も様様
カニ星雲
(超新星残骸)
19±1 %
20±8 %
（３）大型／大規模な人工衛星のミッション、巨額の予算が必要
さそり座 X-1 (中性子星連星)
0.4±0.2 %
1.3±0.4 %
白鳥座 X-1 (ブラックホール連星)
2.4±1.1 %
5.3 ±2.5 %
白鳥座 X-2 (中性子星連星)
1.0± 0.9 %
3.1±2.2 %
検出方法
トムソン散乱
エネルギー範囲
検出効率
> 10 keV 連続光
○
ブラッグ反射
< 5 keV
光電効果
偏光感度
○
単色光
△
○
連続光
◎
△
検出過程で散乱や反射が入ると、検出効率が低下。
トムソン／コンプトン散乱は、連続光を扱え高効率、簡便。
散乱角φ依存性
Mパラメーター = 振幅 / 平均
散乱角θの依存性（エネルギー毎）
γ線バースト
宇宙の最遠方かつ最大の爆発現象
短時間の突発的な現象
1～100秒＞~10c/s/cm２
分布は等方
強いX線・γ線を放出
スパイクが見られる
X線/可視光の残光の発見 1997年
8時間後
理研プロジェクトHETE２
2.5日後
爆発原因は不明
γ線バーストの偏光：偏光観測のブレークスルー
γ線バーストはシンクロトロンか？
偏光は、重要な証拠になる。
●爆発衝撃波面で粒子加速
●粒子によるシンクロトロン放射 → 偏光
● ドップラーブーストでγ線に。
●光度曲線の複雑なマルチスパイク構造。
●各々が火の玉の独立な衝撃波？ → 偏光方向・偏光度が異なる可能性あり
１．強度の強いγ線バーストに特化
２．到来方向は分からないので広い視野
３．大面積 検出効率大←六角形敷き詰め方式、
同位相まとめの多信号読み出し
４．搭載プラットフォーム： 宇宙ステーションもしくは小型衛星
既存の技術＋アイデアで 迅速に偏光観測を実現
基本セル 基本ユニット
トムソン/コンプトン散乱の放出異方性で 偏光を検出
Rod or Fi ber
DAQ
石英・UVアクリル
Li ght gui de
PMT
PMT
scat t er i ng obj ect s
( si de:
6 mm
l engt h: 30 mm)
PMT
六角柱を効率良く最密
シンチレータは隣り合う辺で共通
PMT
Top View
グラファイトや
PMT
プラスチック
PMT
Ｅ
直接X線が入らないようにマスク
←視野
X線
sci nt i l l at i on
count er cr yst al
( 2 x 6 x 30 mm)
YAP/GSO/CsI/BGO
PMT
同位相のものはまとめる
GAPOM
数台で全天を網羅する。
トムソン/コンプトン散乱の放出異方性で 偏光を検出
位置分解できる光電子増倍管
X線
Ｅ
ライトガイド
詳細な位置情報はHETE2などから
エネルギー範囲: 20-150 keV(S/N
good)
アクリルロッド

視野 :
1 str

面積 :
10000 cm2

偏向検出限度 : 5 %
または
位置分解能のある光電子増倍管
（ PDアレ イ ）
DAQ システム
ファイバーで
基礎実験項目
パーツ試作実験
1ユニットの製作
ライトガイド
多チャンネル用櫛の歯型ライトガイドの開発
PMTや結晶とのコンタクトの取り方の検討
シンチレータ
放射線源での結晶のテスト
センサーヘッド
１セルモデル（結晶をフルに装填）の完成
１ユニットモデルの完成 （1/10モデルの試作）
シミュレーション
光電子増倍管
マルチアノードでクロストークの無い最適な物の選定
アセンプリ
光量ロス最小のコンタクト方法の確立
処理回路
独自の多チャンネル処理回路、VME
散乱体・蛍光体結晶の物質の種類、大きさ、形状、コリメーターのサイズ
同位相をまとめる方法の最適解 → 大面積化の検討
宇宙物理のターゲットをいれての検討
偏光Ⅹ線照射実験
X線発生装置での検出器の較正
放射光施設（KEK SPring-8）での検出器の較正
パーツレベルの基礎実験
•
•
•
•
結晶：自己吸収～10-25%(CsI, YAP(フランス製))。
研磨する面の数と光量→全面研磨
ライトガイド：UVアクリルまたは石英
ライトガイドロッド：100mmを入れると光量30%↓
X線ジェネレータの実験結果 結晶１本
Mパラメーター = 振幅 / 平均
カーボン散乱体で100%偏光を生成
遮蔽箱
ポラリメーター
ポラリメーター用ダブルコリメーター
ジェネレーター
偏光検出部
散乱体
（カーボン）
鉄フィルター
50kV
2-25mA
垂直方向から5度時計周りの方向
コリメーター
Mパラメーター 0.4
X線発生装置の直接光
箱蔽遮
ータ ーメリコルブ ダ用ーターメ リラポ
ーターレネェジ
水平方向から5度時計周りの方向
Vk05
Am52-2
ータルィフ鉄
ーターメリコ
ーターメリラポ
Mパラメーター 0.1
→ 偏光度 25％
今後の実験予定（１セル/１ユニット）
１．X線発生装置での基礎実験 （適宜）
○手軽 ○(△)単色化 △発散角大 △手持ちは５0 / 200keV以下
１セルモデルでの実験
今週末から年末
１ユニットモデルの試作・実験 ←ライトガイド
２．放射光での検出器の較正（来年）
33.15keV
失敗例
○△芯では 直線偏光度が１００％
×強度が強すぎる
○高エネルギー(１次光、高調波、ウィグラー)、単色も可能
KEK PF： 縦型ウィグラー(BL14)
SPring-8：
白色BL（＋モノクロメーター結晶１-2枚）
単色BL（B/W/（U） ＋ Si(311)/Si(511） etc）
Si(111）
シンチレーターの性能比較
NaI
(Tl)
CsI
(Tl)
GSO
(Ce)
BGO
YAP
(Ce)
CaF2
(Eu)
BaF2
CeF3
CdWO4
蛍光減衰時間 (ns)
230
about
1000
60
300
30
940
0.6
630
5
15000
実効的な原子番号
50
54
59
74
35
密度 (g/cm2）
3.7
4.5
6.7
7.1
5.5
3.18
4.88
6.16
7.9
2.6
1.9
1.4
1.2
2.6
最大蛍光波長(nm)
410
565
430
480
347
435
220
325
305
470
光量
（NaIを100として）
100
85
25
12
40
(50)
2
20
(10)
30-50
融点(℃)
651
621
1900
1050
1850
1373
1354
1460
1325
潮解性
有◎
少し有○
無
無
無
無
無
無
無
◎
○
◎
137Cs 減衰長
(cm)
GSO:Gd2SiO5
BGO: Gd2(SiO4)O
YAP:YAlO3
1.9
1.0
プラスチックシンチレーターは、熱の問題等で除外
実験結果（１）
59.5keV
59.5keV
59.5keV
59.5keV
PMT:R1365 (HV
+800V)
CsI(Tl)
241Am
実験結果（２）