Balloon borne experiment of Balloon borne experiment of MeV-Gamma CameraMeV-Gamma Camera

with μ-PICwith μ-PICH.NishimuraH.Nishimura

T.Tanimori, H.Kubo, K.Miuchi, K.Tsuchiya, S.Kabuki, A.TakT.Tanimori, H.Kubo, K.Miuchi, K.Tsuchiya, S.Kabuki, A.Takeda, Y.Okada, K.Hattori, K.Ueno, S.Kurosawaeda, Y.Okada, K.Hattori, K.Ueno, S.Kurosawa

(KYOTO University)(KYOTO University)

MeV gamma-ray Camera with μ-PIC System and Operation

of first balloon experiment Summary and Future work

2007 　 MPGD 研究会＠佐賀

Photo: Saga 　 balloon Festi.

MeV Gamma-ray AstrophysicsMeV Gamma-ray Astrophysics

Schönfelder, et al.(2000)

COMPTEL(1-30MeV)

32 sources

EGRET(>100MeV)

271 sources Hartman, et al,(1999)

COMPTEL(1-30MeV) onboard GRO (1991-2000)

Nucleosynthesis Supernova: Nuclear emission from RIParticle Acceleration Pulsar, GRB, Solar flare, Active Galactic NucleiStrong gravitational field Stellar BH, PBH (Page & Hawking, 1976)

Galaxy evolution ・ structure extra-galactic -ray diffuse BGCosmic-ray origin, propagation　 galactic -ray diffuse emission　　

Sensitivity gap Sensitivity gap in MeV gamma-ray regionin MeV gamma-ray region

keV MeV GeV TeV

sensitiv

ity

All Sky survey

NeXT

1mCrab

EGRETAir CherenkovGLAST(2007)

～１ °

Our Goal

-15-15

15X [cm]

15

Y [

cm]

MeV-gamma Compton CameraMeV-gamma Compton CameraClassicalDetect energy of e- and γ

and direction of 　 γ

600 events

restrict a direction of γincident in 　 donut-shaped area

Image become broad,and generate ghost.

ex.COMPTEL

two source image

2.6

m

1.7m

CGRO 衛星 COMPTEL

Liquid scinti.

NaI(Tl) scinti

150 events

Advanced

Able to image with less events

-15-15

15

15

X [cm]

Y [

cm]

⇒Our DetectorDetect energy of e- and γ

and direction of e- 　 andγrestrict a direction of γincident in 　 arc area

Gas Time Projection Chamber (μ-TPC) Recoil electron with 3D track and energy　　 less Multiple Scatter Scintillation Camera Direction and energy of scatter γ-ray.

Our Compton CameraOur Compton Camera

Get Direction and energy of incident gamma-ray event by eventGeometrical angle v.s Kinematics angle

⇒ Reject incorrect Compton event

To detect recoil electron. Gas Time Projection Chamber

Electric Field(E=0.4kV/cm)

Drift Velosity(Ar) 　 =4cm/sec

・ Large Volume.>10×10×10cm・ Strong Structure・ less readout65000pixel⇒512line

μ-PIC 　 + 　 GEMgain 2000 　　 10　　　～ 5000 　～ 20

400μm

3mm

エネルギー範囲を指定

Our Camera imaingOur Camera imaing

137Cs

54Mn

All range

エネルギーを分けた

イメージングができる！

[cm]

[cm

]

785-885keV

54Mn:835keV

[cm]

[cm

]

40cm１２ｃｍ 137Cs

54Mn

622-702keV

137Cs:662keV

[cm]

[cm

]

Our road map Our road map (10cm)3 MeV γ-ray Camera @ Sanriku(2006)

(30cm)3 　 Camera @Japan 6 hours 　 (2009?)

•Operation test of gas-TPC @ 35km　•Cosmic Back ground ・ atmosphere gamma-ray measurement　（ expect: 0.1 ～ 1MeV Total 300 Photons@35km ）

•Observation of Crab and Cyg X-1

(40cm)3 　 Camera　　　　　　　　 Long flight Balloon ～ 10 Days

(50cm)3 Camera 　 all-sky survey on satellite

•TPC 10cm μ-PIC+10cmGEM　 Xe+Ar+C2H6gas (80:18:2) 1atm　 101014cm3

Gain μ-PIC ×2000 GEM ×15・ GSO 　 scintilator

5cm 33 MAPMT •Anti Plastic scintillator　 30cm×30cm×3mm

TPC

GSOScinti

TPC Amplifier

Plastic Scinti

FPGA DATA taking system

VME Module• CPU• ADC• telemetry• Counter board

NIM Module• Scint. AMP• DAC

Balloon Model of Our CameraBalloon Model of Our Camera

DATAwrite HDD

+send ground by FM radio

φ1×1.4m ３

Inside of Bessel （１ atm ）DetectorDAQ system ・ Hard DiskSensors

DC-DC conv.

Battery

Battery

　　

1.4m

~1m

Outside of BesselDC-DC converterBatterySensors

Ballast Case

1.45m1.20m

MI sensor

1.55

m

•container :1.451.21.55m3

•Bessel:φ1×1.4m3 •Container +detector Mass 　 397kg•Power: ～ 350W

•Bessel ： 220W 　

For Balloon flighttransmitter, receiver,transponder, buoy,sensorGPS

Bessel

Al thickness=3mm

Balloon containerBalloon container

　 No attitude control

Balloon Balloon • B100(100,000m3)• Mass 　 816kg 　　　 (balloon

263kg 、 gondola397kg 　　　 25.8kg 、 130kg ）• buoyancy 　 888.2kg

Balloon launch@ Sanriku, Japan

gondola package

1.55m

1.45m1.20m

岩手県Iwate Pre.

宮城県Miyagi Pre.

気仙沼kesennuma

釜石kamaishi

Miyako宮古

launch

Obserb.End

150km

Flight trace

Level flight

altitude

Our detector FlightOur detector Flight

Flight for 7 hoursAM 5:26(JST) 　 DAQ on 6:11 　 Launch 8:56 　 into Level Flight 12:59 　 DAQ off 13:45 Slash down 　 14:32 　　 recover by ship

０　　１　　２　　３　　 ４　　 ５　　６　　 ７　　８ [hour]

35.0Km32.0Km

launch operation endMax 　 at 16km

level flight

・ telemetry　 no problem・ detector ・DAQ　 no problem・ rate of data taking　～ 20H ｚ・ Dead time ～１０％

DAQ trigger rate

GSO TRIGGER RATE (No VETO)

赤　 CPU青　 inner air緑　 outer air紫　 Power System黒　 battery （３Ｂ３６）　　

Temperature

０　　１　　２　　３　　 ４　　 ５　　６　　 ７　　[hour]

１０

１０２

１０３

Ｈｚ

/ＰＭ

Ｔ

GSO （ sum ） trigger rate

Flight Status

operation of TPC @32km height operation of TPC @32km height

launch 　

End

Rate of micro discharge

hour

altitude

No critical dischargeand damagefor μ-PIC and GEM.

Increasing μ-discharge caused by large energy deposit event .

Charged Particle ModeCharged Particle Mode

red ： Landau function 4.8 keV/cm @ peak

MIP 5.3 keV/cm

dE/dx 分布 （ Single track ）Single Track

Multi Trackｄ E /dx[keV/cm]

Observation of MeV Gamma-rayObservation of MeV Gamma-ray

← Observed γ-ray 　 spectrum

Preliminary

• @height of 32 ～ 35 km, 3.5 hour• with 3str Field of view• Total ~250 photons

Final result is coming soon...

Next StepNext Step(10cm)3 MeV γ-ray Camera @ Sanriku(2006)

(30cm)3 　 Camera @Japan 6 hours 　 (2009?)•Observation of Crab and Cyg X-1

(40cm)3 　 Camera　　　　　　　　 Long flight Balloon ～ 10 Days

(50cm)3 Camera 　 all-sky survey on satellite

・ 30×30 cm2 μ-PIC・ 23×28cm2 GEM or 15×28cm2GEM× ２・ Development low power read out system ⇒CMOS-ASIC with KEK

ConclusionConclusionBalloon experiment of MeV gamma-ray Camera with μ-PIC　　 10X10X14cm ３　 Gas TPC + GSO Scintillator　　 measurement of diffuse gamma-ray2006/9/1 launch 、７ hours flight　　 4 hours level flight at the hight of ３２～３５ｋｍ

Detect ～ 250 photons (100keV ～１ MeV)No critical discharge and no damage at detector (μ-PIC)Our μ-TPC 　 TPC was operated without any problem.

Future workFuture workmore detail analys of flight data

Construct larger detector

ガンマ線観測モードガンマ線観測モード

• 高度 32 ～ 35 km, 3.5 時間• 視野 3str 内のイベントのみ• Total ~250 photons

← レベルフライトで観測された　　ガンマ線スペクトル

Preliminary

Preliminary

天頂角依存性　→• 100 ～ 900 keV• 高度 32 ～ 35km, 3.5h

Atmospheric flux

Total flux(Atmospheric + Cosmic)

0 90 180

Zenith angle [degrees]

0.3 MeV

0.5

0.8

1.0

← 大気の厚みに対する　　カウントレートの変化

• 視野 (3str) 内• エラーバーは　統計のエラーのみ• 図中の曲線は　 cosmic 成分 :　 Fc = a E–b× exp(-z/τtot) 　 a,b: free parameter　 τtot: mean free path 　 atmospheric 成分 :　 Fa = c E-d × z　 c,d: free parameter　と仮定して　 R(z) = ∫(Fc + Fa)εeffdE　で fitting して得たもの

cosmicatmospheric

← Diffuse Cosmic Gamma-ray flux赤線 : 今回の実験で得られた flux

Preliminary

30cm30cm 角角 γγ 線カメラ開発線カメラ開発30cm

30cm

30cm 角ガス TPC

宇宙線ミューオン

33cm

今までのアレイカメラの大きさ

30cm 角 GSO シンチレーションカメラ

省電力化•TPC 用 CMOS 　 LSI　（ KEK と共同開発）•PMT 用 CMOS LSI　　 IDE 社 VATA チップ試験中

通信系通信系

• 地上⇒気球　コマンド 　ダブルトーン 15ch– 6ch 　気球制御用（カッター・排気弁・バラスト等）– 6ch 　 PI 用　電源システム ON ・ OFF– 3ch 　 PI 用　コマンドテーブル　 15 メニュー ×8 項目　　　　　 DAQ コントロール（ shutdown ）、 HV コント

ロール等　

• 気球⇒地上　テレメトリー 　 64kbps Bi-phase– イベント毎に送信。

•イベントデータ（ DAQ 取得情報の一部。 1kB ）– 1 秒毎（ GPS 1pps ）に送信。

•モニター（電圧・温度・圧力・位置等）　 1kB•カウンター（各種トリガーカウンター） 0.5kB

エネルギー範囲を指定

イメージングの結イメージングの結果果

137Cs

54Mn

All range

エネルギーを分けた

イメージングができる！

[cm]

[cm

]

785-885keV

54Mn:835keV

[cm]

[cm

]

検出器から 40cm の位置に、１２ｃｍ離した２つの線源 137Cs

54Mn

622-702keV

137Cs:662keV

[cm]

[cm

]

エネルギー分解能10%@662keV(FWHM)

1

2

3

4

5

6

8

7

1 2 3 4 5 6 87 9

エネルギー分解能9.0%@662keV(FWHM)

662keV γ 線全面照射　再構成画像抵抗分割読出し

散乱散乱 γγ 線検出シンチレーションカ線検出シンチレーションカメラメラ

５ cm

1 2 3 4 5 6 87 9

GSO(Ce)6x6x13mm3

8x8 マルチアノード PMT(HPK フラットパネルH8500)

8x8 アレイ

TPC の周囲に 33 ユニット配置

γγ 線検出モードの結果線検出モードの結果

荷電粒子トリガーモード

高度 10 ～ 15 km

地上

エネルギースペクトル

検出レートraw

Event selection

0.5MeV 1.0MeV

• フレームゆがみ　特になし• 与圧容器内　浸水なし• 観測データ HDD 　損傷なし• ガス TPC 　異常なし• GSO シンチ +PMT 　異常なし

回収された検出器回収された検出器