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30cm角μPICを用いた
電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)の
開発
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
松岡佳大A 谷森達A,窪秀利A,B,Parker JosephA,水本哲矢A,水村好貴A,
友野大A,岩城智A,澤野達哉A,中村輝石A,古村翔太郎A,中村祥吾A,
小田真A,園田真也C,身内賢太朗D,高田淳史E,岸本祐二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
京大理A,Open-ItB,京大工C,神戸大理D,京大生存圏研E,
KEK放射線科学センターF,東海大医G,東北大金研H,KEK素核研I
MeVガンマ線カメラ ETCC
気球実験SMILE
(30cm)3ETCCの性能試験
まとめ
内容
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
MeVガンマ線天文学
約2000個 P. L. Nolan+ (ApJS, 2012)
GeVの宇宙 Fermi/LAT > 1 GeV
30個程度 V. Schönfelder+ (A&AS, 2000)
1～30 MeV MeVの宇宙
CGRO/COMPTEL
E2散乱γ線
E1 反跳電子
V. Schönfelder+ (ApJS, 1993)
G. Weidenspointner+ (A&A, 2001)
φ
COMPTELのTOF分布
・コンプトン散乱
→ イメージングの難しさ
・検出器自体の放射化
→ 大量のバックグラウンド
MeVガンマ線の課題
COMPTELの検出原理 R. van Dijk (Ph.D thesis, 1996)
検出器自体の放射化
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
電子飛跡検出型コンプトンカメラ ETCC
ガス検出器μ -TPC
⇒反跳電子のエネルギーと3次元飛跡
GSOシンチレーションカメラ(PSAs)
⇒散乱ガンマ線のエネルギーと吸収点
GSO 8×8 H8500
5cm
30
cm 30
cm
ARM：散乱角φ の決定精度 SPD：散乱平面の決定精度
e-
cosmic μ
電離損失dE/dX分布
誤信号
3イベントでのイメージング
without SPD
with SPD
Pixel Scintillator Array (PSA)
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
気球実験SMILE
1m
μ -TPC
PSAs
気球実験 SMILE-Ⅱ （30cm）3 ETCCを使用 2014年 アメリカでの放球を申請中 35～40km 1日程度 重量・電力はSMILE-Ⅰと同程度 目標：Crabの5σ 以上の観測 ⇒ 有効面積：1 cm2 @300keV with ARM = 10°@662keV
気球実験 SMILE-Ⅰ （10cm）3 ETCCを使用 2006年 三陸にて実施 ARM = 20°(@662keV) 宇宙拡散・大気ガンマ線の 測定に成功
30cm
muon electron
検出器の大型化
検出効率の改善
回路の小型・高速化
1事象当たりの
電子飛跡データ点の数
改良前
改良後
μ -TPCによる飛跡の例
古村講演 (22pSD-6) 飛跡解析
密封線源
ETCC
ETCCによる再構成例
φ kin
φ geo
～ 2
m
Zenith Angle
φ geo：実際の線源位置から
2013/9/22
φ geo
φki
n
実測値
cos ∅𝑘𝑖𝑛 = 1 −𝑚𝑒𝑐2
1
𝐸𝛾−
1
𝐸𝛾 + 𝐸𝑒
散乱角φ
e-(Ee)
散乱γ (Eγ )
日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
ETCCの特性① dE/dXによる雑音除去
電子飛跡 → 飛跡長 → 電離損失 (dE/dX)
φ geo
φki
n
φki
n
φ geo
e-
cosmic μ
TPC Simulation →高田講演 (22pSD-5)
e-
dE/dX
sim. (電子のみ)
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
ETCCの特性② SPDによるイメージング
上 : Legacy 下 : Advanced (SPD=200° を仮定)
⇒ SPDにより高コントラスト(～4倍)のイメージが可能
γ 線バースト(GRB910505)のCOMPTELの イメージとETCCのイメージ予想
線源
Ryan, J. M., NewAR, 48, 199 (2004).
137Cs×3 3.2MBq 0.85MBq 0.74MBq
サークルによる誤信号
ガンマ線+雑音
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
ガンマ線の再構成 137Cs(～0.85MBq) Zenith 15°～2m dE/dx分布
エネルギースペクトル BG引き
dE/dX Energy
137Cs
BG
ガンマ線
⇒ 簡単なイベントセレクションで鮮明なイメージに成功
Back Projection Image
662keVガンマ線
6m
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
再構成 Back Projection Image
15°
30deg.
60deg.
30° 60°(～3str) 137Cs(～0.85MBq)
6m
エネルギーによる線源判別
位置変化 (Zenith Angle)
⇒ 3str までの視野を確保
⇒ 100keV～1MeVのγ 線イメージに成功
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
30cm角ETCCの分解能
角度分解能（FWHM）@662keV
5.3 deg. 93 deg.
GSO(simulation)
LaBr3(simulation)
ARMの限界値
エネルギー分解能(FWHM)
18 %＠ 166 keV 11 %＠ 662 keV
ARM：原理限界に近い値を達成 SPD = 93°は 他検出器と比べて非常に良い値 (California大のCCDグループでは 100keV以下電子ではSPD 200度以上と報告) (D.H.Chivers et al.,2010 IEEE)
cos∅ = 1 −𝑚𝑒𝑐2
1
𝐸𝛾−
1
𝐸𝛾 + 𝐸𝑒
検出効率・有効面積
今後に向け、
最適なガスの種類、ガス圧を検討
⇒CF4 ガス、３気圧で
有効面積～10cm2 (COMPTEL : 12cm2@1MeV)
Simulated Effective Area
改良によりSMILE-Ⅰから SMILE-Ⅱで5倍以上 大型化によってさらに～10倍 側面PSAsを組めば、 有効面積～1cm2 物理シミュレーションとよく一致 ⇒ 検出器内のコンプトン散乱を 100%検出できている ⇒ 検出器の 正確な性能の予測が可能に
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
SMILE-I(10cm)
SMILE-II(10cm proto.)
SMILE-II(30cm FM) without side PSAs
日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
弱線源(疑似Crab)のイメージング
線源：22Na
Zenith = 26 deg.
z = 2095[mm]
31 kBq
511 keV±10%での
Event数= 1.2x103 (26h)
S/N = 0.019
気球で予想されるCrabの
S/N比の数倍程度
511 keV±10% での Advanced Compton Image
10.8σ ＠ 5.4h
Livetime vs . Significance
Livetime [h]
Sig
nific
ance [
σ]
22Na
BG
2013/9/22
dE/dx後のスペクトル
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
偏光観測の可能性
Event
数
Max Min MF
無偏光 5.33e5
0度, 100% 4.69e5 1.4 0.35 0.60
45度, 100% 4.83e5 1.45 0.35 0.61
無偏光, Cos θ < 0.7 0度, 100%, Cos θ < 0.7
シミュレーションによる偏光度の観測予測
45度, 100%, Cos θ < 0.7
MF = (max-min)/(max+min)
2013/9/22 日本物理学会 2013年秋季大会 22pSD-4
まとめ (30cm)3ETCCの性能評価
ARM ～5.3°(662keV) 当初予定の倍
SPD ～93°(世界初) 目標達成
有効面積 ～1cm2を達成
目標精度の達成 気球実験申請中
低雑音化 （ETCC独自）
dE/dXによる連続ガンマ線に対する雑音除去を開発
SPDによる視野外からの漏れ込みの制限
軽量化 (ガンマ線vetoが不要)
イメージングの改良 （ETCC独自）
良いSPDによりコントラストが4倍程度改善
微弱線源でのイメージングに成功
シミュレーションによる高精度予想が可能
コンプトン散乱事象を100%検出
ガス種、ガス圧の改良で～10cm2以上を実現したい
偏光観測が期待
