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天体硬 X 線偏光計 PoGO の開発（ I ）水野恒史、山本和英、深沢泰司（広大理）、

金井義和、有元誠、植野優、片岡淳、 河合誠之 ( 東工大 ) 、郡司修一（山形大学）、

斉藤芳隆、高橋忠幸（ ISAS/JAXA ）、T.P.Ylinen 、 M. Kiss 、田島宏康、釜江常好、 Z. Apte （ SLAC ）、

M. Pearce(KTH)ほか PoGO チーム

目次 :PoGO の概要開発試験 1~3

開発体制、スケジュール諸元

期待される成果 1 、 2まとめ

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硬硬 XX 線偏光検出器線偏光検出器 PoGOPoGO

•偏光：天体のジオメトリを直接さぐる、まったく新しいプローブシンクロトロン放射

•パルサー：磁場構造、放射機構•AGN 、マイクロクエーサー：磁場構造、ジェットのメカニズム

コンプトン散乱•ブラックホール連星：降着円盤の構造

•PoGO 計画 (Polarized Gamma-ray Observer) ：2009 年初頭の気球による硬 X 線観測 (25-100 keV) 。最初のターゲットはかにパルサー日米欧の国際協力約 200 本のプラスチックシンチレーター (~2ns) からなるコンプトン散乱型偏光計Suzaku HXD-II でも採用された井戸型フォスウィッチカウンタのデザインによる徹底した低バックグラウンド化を実現

slow scintillator (~200ns)/ passive collimator

side BGO(~300ns)

bottom BGOPMT

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開発試験（開発試験（ II ）：）： PMT/PMT/ シンチレーターシンチレーター

•Kataoka et al. 2005, SPIE 5898, 133コンパクト (1 inch 、 19 cm 、 228 g) な筐体に、 PMT 、ブリーダー、高圧電源を内蔵Suzaku HXD-II のデザインに基づいたブリーダー回路

•低消費電力 (~300mW/unit; 65W total)•低ノイズ ( 高感度 )•宇宙線由来の大パルスに強い

•集光率の向上極めて高い光量 (7-8 p.e./5.9 keV)

•Fast/Slow プラスチックシンチレーター、BGO 、反射材も工夫をこらす

フライトコンフィグレーションでも 0.5 p.e./keV観測下限： 25 keV

one photon peak

55Fe7-8 p.e./5.9 keV

PMT ブリーダー

高圧電源

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開発試験開発試験 (II):(II): 波形弁別波形弁別

241Am ピーク

PSD カット前 :•Fast シンチレーター (241Am)•Slow シンチレーター (90Sr)

60keV

20keV

PSD カット後：•241Am のみと同じスペクトル

Test by T. Ylinen and M. Kiss (SLAC)

Fast branch

Slow branch波形弁別 (PSD) により、バックグラウンドを落とせることを実証

slow scinti./passive collimatorFast scintillator

PMTBGO crystal241Am90Sr

Fast Shaper Out

Slo

w S

hap

er O

ut

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開発試験開発試験 (III):(III): ビーム試験ビーム試験

beam direction

Modulation Factor:42+-1 %(data) vs. ~47 %(simulation)

Modulation Curve for 73 keV beam

•定期的にビーム試験を行い、検出器およびシミュレーターの開発にフィードバック2003 年 Argonne (Mizuno et al. 2005, NIMA 540, 158)

•Fast シンチ 7 ユニットによる動作原理の確認。 MC の Validation (G4 の修正 ) 。

2004 年 KEK (Kataoka et al. 2005, SPIE 5898, 133)•フライト PMT を用いた、 30 keV までの試験

2005 年 KEK (Kanai et al. in preparation)•Slow シンチ、 BGO も含んだフルユニット•波形弁別の実証と 25 keV までの試験 ( 観測下限域 )

Argonne ビーム試験 (2003) より

詳細は植野の講演

装置の回転角

MC の予想実データ

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開発体制とスケジュール開発体制とスケジュール

2003 2005 2006 2007 2008

Proposal to NASA

Spring8/ArgonneBeam Test

KEKBeam Test

KEKBeam Test

Proton Beam Test (Osaka)

1st prototype(fast scinti. 7 units) 2nd prototype

(fast/slow 19 units+anti)

2004

国際協力のもと、 2009 年初頭のフライトを目指す

•日本：東京工業大学、広島大学、山形大学、 JAXA/ISASPMT 、ビーム試験、データ収集システム、センサー試験、シミュレーション

•米国 : データ収集システム、プラスチックシンチレーター、センサー試験および組み上げ、気球実験、理論モデル

•スウェーデンおよびフランス :BGO シンチレーター、 反射材、理論モデル

Flight Instrument Integration and Test

Next Proposal to NASA

Sensor Complete

Gondola Ready

Flight Instrument Integration

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PoGOPoGO の諸元の諸元

100 mCrab(incident)

100 mCrab(detected)

BG total(CXB/ atmospheric downward/upward)

Expected source and BG spectraModulation Curve for 100 mCrab source, 6h obs.

BG

Signal/BG=~4MF=22.8+-0.7 % (30)

エネルギーバンド (典型値 ) 25-100 keV

幾何学面積 930 cm2

有効面積 (maximum; @40 keV) 250 cm2

バックグラウンド (for ~40 keV) 10-20 mCrab

100mCrab(100% 偏光 ) に対する Modulation Factor (6時間のフライト )

23%

100mCrab に対する 3 検検検検検検検 (6時間のフライト ) <=10%超低バックグラウンドによる、高感度を実現

20 100 keV 散乱の方位角 (rad)

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PoGOPoGO で期待される成果で期待される成果 (I)(I)

polar cap modelcaustic modelouter gap model

Polar cap Caustic

Outer gap

Dyks and Rudak, ApJ, 2003高い感度を生かした観測

かにパルサーからの世界初の X 線偏光の検出パルサーの放射機構の解明

Modulation Curve for the 1st peak

Polar Capモデルの予想(A. Harding による )

散乱の方位角 (rad)パルス位相

偏光

の方位角

パル

ス強

度

6時間のフライトで、放射モデルを明確に区別可能

モデル毎に異なる偏光度、方位角が予想される

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PoGOPoGO で期待される成果 で期待される成果 (II)(II)

•ブラックホール連星 (Hard State)Cyg X-1 など降着円盤による散乱の直接検証系のジオメトリの決定

•AGN 、マイクロクエーサーMkn501, 1ES1959+650 、 GRS1915+105 などX 線シンクロトロンの直接検証磁場構造 -> ジェットのメカニズム

•X 線パルサー ( 連星系 )Her X-1 など強磁場中での光子伝播、コンプトン散乱に関する QED予想の検証 10% 偏光を仮定

MF: 2.7±0.2%( ~15σ detection)

有元修論より

散乱の方位角 (rad)

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まとめと今後の課題まとめと今後の課題•PoGO (Polarized Gamma-ray Observer)

硬 X 線 (25-100 keV) での高感度偏光観測日米欧の国際協力2009 年初頭の気球観測を目指す ( かにパルサー、他 )10-20 mCrab という低バックグラウンド

•精力的な開発試験コンパクト、高性能な PMT高い光量と透過率を持つシンチレーター実験室レベルでの波形弁別、偏光測定の実証定期的なビーム試験実験とシミュレーションの相互フィードバック

•多様な観測対象パルサー ( 磁場構造と放射機構、 QED予想の検証 )ブラックホール連星 ( 降着円盤の構造 )AGN/ マイクロクェーサー ( 磁場構造、ジェットのメカニズム )

今年度は、、、シンクロトロンビーム試験、陽子ビーム試験気球搭載用読み出し回路の開発フライトユニットの製作、性能評価に着手

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Backup SlidesBackup Slides

Backup Slides for discussion

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ブリーダー回路ブリーダー回路

Suzaku HXD-II のデザインを踏襲 ( 実証済み！ ) (1) ゲインの安定性 (2) 大パルスに対する早いリカバリ

①

②

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大パルス応答大パルス応答 (1)(1)

randompulsegenerator

discri

scaler

gategenerator

logicleveladapter

attenuator

LED

R7899 ZL5951BGOscintillator

241Am

CSAshaperτ= 1 us

ADCDy

HV = +1100 V oscilloscope

Weak scintillation light from BGO crystal (241Am: ~100Hz) were read by PMT-ASSY, under a random illumination of high-counting (> 100 Hz), large (~ 100 MeV) LED signals.

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大パルス応答大パルス応答 (2)(2)27

80 sRecovery time is < 80s.

Peak ch of 59.5 keV signal is unchanged within 5% level.

Noise increased with LED rate, but < 0.4 p.e. for 1kHz.

±5%

241Am peak ch

すばやいリカバリ

低ノイズ

安定したゲイン

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Bug fix of Geant4 (1):Rayleigh ScatteringBug fix of Geant4 (1):Rayleigh Scattering

•G4 の Rayleigh 散乱には偏光のプロセスがなく、結果として偏光の情報が失われる -> 修正

Rayleigh 散乱後の偏光ベクトルと運動量ベクトルのなす角

cos(theta)

-- Geant4 (original)-- Geant4(with PoGO-fix)

-- Geant4 (original) : MF=46.5%-- Geant4 (with fix) : MF=49.4%-- EGS4 : MF=49.4%

初回のコンプトン散乱の際の、方位角の異方性

散乱の方位角( 度 )

(b)217 ユニットのプラスチックシンチレータ (full size PoGO)に、 100% 偏光した Crab のスペクトル (25-200keV) を入射

(a)100% 偏光した単色(100keV) の γ 線を入射

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Bug fix of Geant4 (2): Compton ScatteringBug fix of Geant4 (2): Compton Scattering

•G4 で Compton 散乱の際、偏光ベクトルの向きがばらばらにされ、次の散乱での異方性がなまされる -> 修正•Rayleigh 散乱、コンプトン散乱のプロセス修正後のG4 は、 PoGO のエネルギー範囲で EGS4 と数% で一致

前方 Compton 散乱後の偏光ベクトルの向き (Thomson極限 )

方位角 ( 度 )

-- Geant4 (original)-- Geant4(with PoGO-fix)

-- Geant4 (original) : MF=16.7%-- Geant4 (with fix) : MF=32.5%-- EGS4 : MF=32.5%

2 回めのコンプトン散乱の際の、方位角の異方性

散乱の方位角( 度 )

217 ユニットのプラスチックシンチレータ (full size PoGO)に、 100% 偏光した Crab のスペクトル (25-200keV) を入射

(a)100% 偏光した単色(100keV) の γ 線を入射

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Effective AreaEffective Area

Eth=2 keV を仮定