Transcript Polarimeter for High ENErgy X-ray PHENEX

気球実験について
（特にPHENEX2006)
林田 清
（大阪大学理学研究科）
X-ray Polarimetry



Started in 1960’s. 1st positive detection of X-ray
polarization in the Crab nebulae in 1970.
Dedicated satellites OSO-8 was launched in
1970’s, but no other significant detections other
than the Crab. 19.2±1.0%@2.6keV,
19.5±2.8%@5.2keV
It is still an unexploited field.


e.g. See SLAC symposium Feb 2004. http://wwwconf.slac.stanford.edu/xray_polar/
イメージ、スペクトル、時間変動に加えて偏光
Targets of X-ray Polarimetry
Synchrotron Radiation




©CXC/NASA
Scattered Radiation



SNR（Pulsar Nebulae, Shell Type）
Clusters of galaxies
Blazars、Quasars
Accretion disk around black hole
Accretion Torus Seyfert galaxies
Magnetic field and scattering

Pulsars
Reflection by
Accretion Disk
Polarization Degree

X-ray Energy (keV)
PHENEX 2006
Polarimeters for High ENErgy X-rays




Yamagata Univ. : Polarimeter, Monitor Counter,
Detector Chamber + Rotation, Batteries
Osaka Univ. : DAQ & HK System, Sun CCD
RIKEN: Sun PSD, HV Unit, Command System
ISAS/JAXA: ACS System, Balloon I/F
Polarimeter for High ENErgy X-ray
ユニットカウンターの構成
PHENEX
上から見ると
コリメータ
Ｍｏ１ｍｍ、視野角２．５°
シンチレータ群
ＣｓＩ２８本、Ｐｌａｓｔｉｃ３６本
ＣｓＩ
シールドＰｂ２ｍｍ、
Ｓｎ１ｍｍ
ＭＡＰＭＴ
専用読み
出し回路
ＦＯＰ１ｍｍ
シュリンクチューブ
プラスチック
特徴
•８×８ｃｈにセグメント化されており位置決定精度
が高い
•ＣｓＩｃｈのみでトリガーをかけ、後に解析でプラス
チックとのコインシデンスイベントのみを取得するこ
とで低バックグラウンド化を実現している
•光学的クロストークを抑える工夫
ＴｒｉｇＯＵＴ
ＨＶ
ＴｒｉｇＩＮ
ＤＡＴＡ＆ＣＯＭ
•コンパクトな専用読み出し回路で６４ｃｈ同時読み
出し（ＶＡ－ＴＡチップ）。また、拡張も容易
Polarimeter for High ENErgy X-ray
PHENEX
ＫＥＫＰＦでの性能試験
ユニットカウンターの４０ｋｅＶ、６０ｋｅＶ、８０ｋｅＶ
での検出効率とモジュレーションファクターを
測定する
Polarimeter for High ENErgy X-ray
PHENEX
検出効率、モジュレーションファクターの測定
ＫＥＫＰＦ実験におけるセットアップ
ある１本のプラス
チックシンチレー
タを狙う
１ｍｍ×１ｍｍ
ビーム
４０，６０，８０ｋｅＶ 電離箱
単色光
フォトン数との対応
を調べてある
ユニットカウンターを
回転させる
ビームの当たっているプラス
チックｃｈを中心に回す
ＣｓＩの各ｃｈの回転角とカウントレートの
グラフはモジュレーションを成す
四隅のｃｈを除く、２４ｃｈ分の
モジュレーションを取る
Polarimeter for High ENErgy X-ray
PHENEX
実際に得られたモジュレーション
ビームエネルギー ： ８０ｋｅＶ
ビームチャンネル ： Ｐｌａ３７ｃｈ
ＣｓＩｃｈ２
ＣｓＩｃｈ４
横軸：ユニットカウンタの回転角
ＣｓＩｃｈ３
ＣｓＩｃｈ５
縦軸：カウントレート
ビームが当
たっているｃｈ
ＣｓＩｃｈの位置によってモジュ
レーションの位相がずれる
Polarimeter for High ENErgy X-ray
モジュレーションファクターを求める
PHENEX
８０ｋｅＶ
位相を合わせて
重ね合わせる
３７ｃｈでのモジュレーションファクター６１．７％
（ＫＥＫＰＦのビーム偏光度９０％＠８０ｋｅＶを考慮）
実際に取れた各ＣｓＩチャンネル
でのモジュレーション
回転対象性を考えて６本のプラスチックｃｈにビーム
を当て、同様にモジュレーションを測定する
他のプラスチックチャンネルとの加重平均
（①×４＋②×８＋③×８＋④×４＋⑤×
８＋⑥×４）÷３６
①②③
④⑤
⑥
ユニットカウンター全体のモジュレーションファクター
５３％＠８０ｋｅＶ
検出効率２０％
Polarimeter for High ENErgy X-ray
PHENEX
６０ｋｅＶ、４０ｋｅＶ Modulation（Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ）
６０ｋｅＶ Ｐｌａ３７ｃｈ(center
ch) incident
４０ｋｅＶをＰｌａ３７ｃｈ
(center ch) incident
M-factor for center incidence
M-factor for center incidence
６０％
５７％
Polarimeter Unit x 4
CsI 34x34m
Anti Counter
PMT used for PoGO
Monitor Counter
DAQ System
Arm-CPU
+PC/104
VME system
データ収集システムの構築
データ収集システムはPC/104系、ＶＭＥ系の２つで構成
<PC/104系>
・メインデータ、ＨＫデータの収集
・テレメトリの編集、コマンドの受信
・10×20×10 (cm) とコンパクト
Ethernet
Ethernet
<VME系>
・メインデータ（主検出器データ、
アンタイデータ）の収集
・主検出器用データ取得ボード搭載
・コンパクトフラッシュにシステムを構築、データストレージに
ＵＳＢメモリを採用し衝撃に強い
データ収集システムの概要
HKデータ
(温度、圧力、電圧)
太陽センサー用
1次元CCD×2
検出器与圧容器
回転データ
トリガー出力
12bit ADCボード×2
14bit ADCボード
Digital Inputボード
カウンターボード
USB
HVコントロール
ユニット
主検出器・アンタイ検出器
USB
PC/104系
CPUボード
VME系
CPUボード
DPボード×2
主検出器データ
アンタイ検出器データ
GPS
Digital Outputボード
テレメトリー
データ
送信機
シリアルコマンド
地上
コマンドとテレメトリー

押しボタンコマンド~10-30種類くらい


シリアルコマンド





ボタンを押してゴンドラの中のリレーを動作させるだけ
PCのシリアルライン出力をＦＭ変調して上空に送る
複雑なパラメータを指定できる
NUSMIT2005に続いてPHENEX2006が２回目
上空では（特に遠方にあるとき）コマンドが効かなかった
テレメトリー



64kbps (~8kB/s)のバイフェイズ信号（0データでも常に信
号をだしていなければいけない） 20ksでも160MB
イベント数では~200events/s
これでは不足なので上空のUSBメモリ(4GBx3)にデータ
を保存する.
VME / Armadilloのソフトウェア




Linux上のＣでコーディング
VME内、VME<->Arm, Arm内部の複数のプロセス
間はNOVAでデータをやりとりする
例えば、ArmadilloのADCボードで気密箱の温度計
の電圧を１秒に一回測定する。イベントのデータは
VME-CPUで取得される。その他、複数のプロセス
で取得されたデータは(nova)putされ、テレメトリー
出力のプロセスが優先度に応じて(nova)getする。
多数のプログラムを独立に開発できる。一つのプロ
セスが問題を起こしても他に影響が及びにくい。
GA-sensor
DAQ Chamber
Elevation Control
Detector Drum Rotate 360º
SunPSD SunCCD
Rotation Wheel
is used to control
the azimuth of the gondola
Flight 2006/06/13 AM5:30
Gondola 311kg
打ち上げ時の様子(穴吹撮影）
B150 Flight
2006/06/13
Level Flight
37-38km ~6.5hr

Safely Captured and Returned to SBC
USB memories are OK!
DAQ気密箱HK
DC電圧１
DC電圧2
圧力(Hpa)
温度(VME)
温度(Chamber)
温度(Arm)
温度(Flange)
DET気密箱HK
温度（DET気密箱
内の各所）
圧力(Hpa)
Rotation (Opt-Encoder)
200
100
0
Rotation (Opt-Encoder)
-100
200
-200
10000
20000
100
30000
40000
50000
60000
sec from 2006/6/13 0:0:00 JST
0
-100
-200
40000
42000
44000
46000
sec from 2006/6/13 0:0:00 JST
48000
50000
Monitor c/s
CsI c/s
Scalor
1200
16
14
1000
12
800
10
600
8
6
400
4
200
2
0
10000
20000
30000
40000
50000
sec from 2006/06/13 0:0:00
0
60000
PHENEX2006:4unit(44cm2) ,6hours, Crab … MDP(3s)=14%
In future, if 9 units are available
>40keV range
1Crab
Cygnus X-1
Crab Nebula
50〜several100mCrab
1day
1week
Crab Pulsar、 Sco X-1
Vela X-1、1700-377
GX 301-2、 1657-415
GX1+4、GX5-1
NGC4151、 Cen-A
Cygnus X-3、 Her X-1
Very Preliminary!
散乱方向のmodulation
• テレメトリーデータ（イベント数はUSB記録データの
1/5-1/3;情報量も限られる)
• Plastic とCsＩで同時にヒットしたイベントについて簡
単なデータ選別
– Antiにはヒットがない && Plastic の信号値
10ADU~50ADU && CsIの信号値 >20ADU && Pasticと
CsＩが縦横で隣接していない
– ~5events/4units 期待されるＸ線イベントはこのうち10%
以下 （つまり選別イベントでも9割以上はバックグランド）
Top View
ＣｓＩ
Plastic
散乱角
•DET気密箱が回転していることは考
慮している。
•かに星雲のposition angleが気密箱
に対して回転する効果は考慮してい
ない。
42000<t<45000
イベント数
50000<t<55000
10%
10%
0°
散乱角（deg)
360°
55000<t<59000
45000<t<50000
10%
10%