Transcript 発表資料 - 太陽系科学研究系

修士論文中間発表
ERG衛星搭載用
高エネルギー電子観測器の設計
理学系研究科地球惑星科学専攻 高島研究室
小林 光吉
序論
ジオスペースについて
ジオスペースとは
・放射線帯やリングカレントを
含む地球近傍の宇宙空間を指す
・eV～MeVまで幅広いエネルギー
を持つ粒子が共存している
・多くの人工衛星が存在し、
人類が船外活動する領域である
・磁気嵐にしたがって環境が
ドラスティックに変化する事が
観測によって明らかになってきて
いる
ジオスペース高エネルギー電子増減
磁気嵐発生前
磁気嵐発生後（回復相）
この様に磁気嵐の前後では相対論的高エネルギー電子にフラックス増減が
みられる事があるが、粒子加速メカニズムについて以下の諸説が論じられている。
●外部供給説(断熱加速)
磁気圏尾部から磁場の強い地
球近傍まで断熱的に輸送
●内部供給説(非断熱加速)
リングカレント電子がホイッス
ラー波動によって非断熱的に加
速される可能性
加速メカニズムにおいて以上の切り分けは十分でなく、消失プロセスについても
同様である。
研究背景1
ERG衛星とは
Energization and Radiation in Geospace
ERG衛星計画
・軌道： 静止軌道遷移軌道
・遠地点： 5.0 Re 近地点：250 km
・軌道傾斜角： 10～30度
・打ち上げ：2013～15年予定
・衛星姿勢：太陽指向スピン衛星
（スピン周期 ４秒）
・観測エネルギー範囲：
電子（0.1eV～20MeV）
イオン（0.1eV～1MeV）
ERG衛星の意義
①粒子と波動のその場観測を行うことで、高エネルギー粒子
の加速過程を解明する
②宇宙天気を確立するためのデータ取得
研究背景２
高エネルギー電子観測器の意義
・高エネルギー電子のもととなる
数十～100keVのエネルギーを持つ
電子を直接観測し、電子の加速で
断熱加速、非断熱加速のどちらが
優位に働きかけているのかを解明
する。
粒子加速メカニズム模式図
・CRRES衛星以後、磁気赤道面での
高エネルギー粒子と電場磁場のその
場観測は行われていない。また、
CRRES衛星についても陽子のコンタ
ミのため、210keV以下の電子を観測
出来なかったことも多い。今回陽子に
よるノイズ対策を行うことでコンタミの
問題を解決し、より正確なデータ取得
を目指す。
高エネルギー電子観測器HEPe
電子が高エネルギー(MeV以上)まで加速される過程では、
数十～数百keVのエネルギーを持った電子分布変動の観測が重要。
カギとなるエネルギー帯の電子を観測するのが
高エネルギー電子観測器である。
観測器外観
コリメータ
ピンホール
隔壁
半導体検出器
HEPe概要 広視野 (180°×10°4秒サイクルで全天観測)
高角度分解能 (10°×10°)
観測電子エネルギー領域 50keV～1000keV
エネルギー分解能10%@1MeV 程度
感度 3.16×10-3 cm2・sr
半導体粒子観測の基本事項
荷電粒子が生成した電子ホール対の数を
求めることで粒子のエネルギーを求める
Al
GND
p+
SiO2
n+
検出器ノイズの式
2

E
HV
 2.35 
2
2
 2q( I l  I b )k0  kv 0  kv1c 
ENoise
 
 q 

荷電粒子
SSSD (Sillicon Strip Sensitive Detector)模式図
HEPe半導体検出器部
ピンホールと検出した
位置の二点から粒子
の方向を求める
コリメータ厚1mm
ピンホール幅1mm
SSD1厚 50um
SSD2～5厚 400um
ピンホール検出器模式図
観測器設計における課題
• 電子陽子弁別
• バックグラウンドノイズ
電子陽子弁別
陽子による影響
○電子 ○陽子
109
?
陽子
半導体検出器
[/cm2/sec/MeV]
電子
粒
子 8
の 10
存
在
量 107
106
200
400
600
800
1000
1200
1400 1600
1800
粒子のエネルギー [keV]
宇宙空間には観測対象となる電子以外にも多量の陽子が存在しており、
検出器に入射してくることで電子の信号と混ざって正常な観測が出来なくなる。
そこで陽子の信号を除去する工夫が必要である。
陽子-電子分別の手法①
1000
飛程(cm)
飛程(μm)
陽子
100
10
2
3
5
10
20
粒子のエネルギー [MeV]
50
0.1
1
10
電子のエネルギー [MeV]
Knoll 放射線計測ハンドブックより
電子の方が飛程が長いため物質を貫通しやすいという性質を持つ
アルミニウムコーティング
以上の性質を用いて対策１
低エネルギー陽子
アルミニウムコーティング
半導体検出器の表面にアルミ膜を張り、
低エネルギーの陽子は検出器に到達
しないようにする。高エネルギーの陽子
のみ半導体検出器に到達出来るように
し、通常は高エネルギーの粒子ほど数が
少ないという性質を用いて陽子の影響を
低減させる。
陽子
電子
アルミ膜
半導体検出器
Alコーティング結果
電子の入射対検出エネルギー
陽子の入射対検出エネルギー
○Al4um
○Al6um
○Al8um
○Al4um
○Al6um
○Al8um
+Al10um
+Al12um
+Al14um
例 Al12umの時
検出器では電子100keVと陽子920keVが
同じ信号で検出される。右図の存在比率を
見ると、このエネルギーでの粒子数は
電子の方が１０倍程度陽子より多い。
+Al12um
+Al14um
粒 9
子 10 電子100keV
の
存 108
在
量
[/cm2/sec/MeV]
高エネルギーの粒子ほど存在量は
少ないという事から、電子と陽子の
存在比率によって陽子の影響を
低減させる。
+Al10um
○電子 ○陽子
陽子920keV
107
106
粒子のエネルギー [keV]
200
400
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
８
電子陽子弁別法２ SSD厚み
検出器1枚の場合の
問題点
高エネルギーの粒子になる
と、同じ信号あたりの電子と
陽子の入射エネルギー差が
小さくなる。
(右図 A>B>C)
検出エネルギー [keV]
○電子 ○陽子
1000
Ｃ
800
Ｂ
600
Ａ
400
200
200
対策２
高エネルギー陽子
陽子
400
600
800
1000
1200
1400
1600
粒子の入射エネルギー [keV]
検出器の複数枚化
陽子を一枚目の検出器で止め、エネルギーを
放出させる。この一枚目の信号の大きさで
陽子と電子を区別する。
電子
アルミ膜
半導体検出器
陽子信号の検出割合
一枚目SSDが薄いため、ある検出エネルギー以上の粒子は
陽子と判断出来る。しかし、中には右図のように二枚目で反射し、
再び一枚目へ入射してくるものもある。この反射粒子の影響を考える。
○電子 ○陽子
SSD1
200keV
100keV
90keV
SSD1
入射粒子エネルギー対各SSDでの検出エネルギー図
粒子分別の誤検出率
○100keV
○200keV
電子を陽子と間違えてしまう割合は全体の１%以下となる
バックグラウンド粒子の影響
半導体検出器
γ線
貫通イベント
半導体検出器部
制動放射イベント
高エネルギーの粒子では観測器の外殻を貫通して検出器内に入射してくる
ものが存在する 観測の妨げとなるバックグラウンド粒子の評価が必要である
バックグラウンド粒子の評価方法１
格子点
バックグラウンド粒子の計測方法
一つの半導体検出器を中心とする
半径Rの球上に格子点を作成し、
その点から球の中心方向へ電子を
入射させる。
これらのうち、貫通粒子や制動放射
ガンマ線等の影響がどの程度あるか
調べる。
今回、入射電子は単エネルギーごとに
計約160万個をシミュレーションした。
バックグラウンド評価結果1
半導体検出器部
②
コリメータ
外殻(Al)
通常の飛跡①の場合
3800 counts/sec
①
バックグラウンドとなる飛跡
②の場合
Al2mm 2*10^5 counts/sec
Al4mm 4*10^4 counts/sec
Al6mm 2*10^4 counts/sec
Al厚みとバックグラウンドイベントの
関係から、Al10mm厚であれば
カウントレートを抑えることが出来るだろう。
想定した電子のDifferential Flux (AE8MAXより)
バックグラウンドノイズ除去方法
半導体検出器ごとの信号を見る事で
バックグラウンドノイズを低減出来る
除去すべきバックグラウンド電子
コリメータ
観測対象の
電子の飛跡
半導体検出部
観測する通常の飛跡であれば一枚目の半導体検出器で
エネルギーを落とし、信号を得られる。したがってこの
一枚目の信号が無い場合はバックグラウンドとして
除去出来る。
まとめ
高視野、高角度分解能の高エネルギー電子観測器を設計した
シミュレーションにより、電子-陽子分別について性能を確認した
外殻の厚みによるバックグラウンドノイズの影響を評価している