HEPe設計の現状について

高島研　修士２年　小林光吉2009年 6 月 30日　ＳＴＰセミナー発表

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研究背景　 ERG衛星とは

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 度・打ち上げ： 2015 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 ）

ERG衛星の目的①宇宙空間に存在する高エネルギー粒子の加速過程解明②宇宙天気予報を確立するためのデータ取得

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Energization and Radiation in Geospace

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が観測されるはず。

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

観測器概要広視野　 (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感度　 3.73×10-3 cm2 ・ sr

半導体検出器

コリメータ

隔壁

ピンホール

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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。

・ 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。

粒子加速メカニズム模式図

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観測器の課題点陽子によるノイズ

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。

半導体検出器

?

電子

陽子

200 　 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

粒子のエネルギー [keV]

106

107

108

109

[/c

m2/s

ec/

MeV

]粒子の存在量

○電子 ○陽子

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陽子 -電子分別の手法

低エネルギー陽子 アルミニウムコーティング

アルミ膜

陽子

電子

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。

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半導体検出器

対策１

陽子 -電子分別の手法２

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高エネルギー陽子 検出器の複数枚化

陽子

電子

アルミ膜 半導体検出器

対策２

粒子の各 SSD における DepositEnergy の分布範囲を制限することで、粒子の分別が可能となる。

ＳＳＤ部内における粒子の軌跡

アルミ膜 半導体検出器

高エネルギーイベント

低エネルギーイベント

①

① ’

② ②

③

④

粒子の振る舞いとしては、半導体検出器に吸収される以外に① 後方散乱②外部散乱③複数散乱④貫通が存在する。特に、①’や③などのイベントは各半導体検出器にエネルギーを落とすため、陽子分別に影響を与える可能性がある。

SSD1 SSD3SSD2 SSD4 SSD5

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各 SSDのIncidentEnergy VS Deposit Energy

○ 電子○ 陽子▲電子理論値

SSD1SSD2SSD3SSD4SSD5

この様に、電子と陽子とでは各 SSD で落とすエネルギーの値に大きな差がある。

そこで、 >5keV 以上のエネルギーを電子の信号とし、さらに　 SSD1 で落とすエネルギー >0.24MeV 　　　　　　　 or SSD2 ～ 4 で落とすエネルギー >0.9MeVのときに陽子又はバックグラウンド（ＢＧ）の信号とする

>0.24MeV

>0.9MeV

9

電子の信号を陽子と誤認する場合

SSD1 SSD2

SSD3 SSD4 SSD5

>0.24MeV>0.9MeV

これらは半導体内部での飛跡が長くなったり、後方散乱などによって生じる。このような信号は陽子と判別してしまうことになる。

入射粒子の落したエネルギープロット

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電子の信号を陽子と誤認する割合SSD1 SSD2 SSD3

SSD4 SSD5□ hit 数十 >5keV× >0.24MeV(SSD1) >0.9MeV(SSD2~5)×> 1.0MeV(SSD2 ～ 5)

陽子と間違えてしまう電子は 2% 以下の割合で存在することが分かった11

バックグラウンド粒子の影響

半導体検出器部

半導体検出器

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

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前回シミュレーションの問題点

前回シミュレーションの問題点① 乱数性に疑問が残った、入射粒子数に対して十分に一様とは言えない② 入射させた粒子の統計数（ 10万）が想定 flux （ 1億 /sec ）に対し、少なかった可能性

バックグラウンド粒子の計測方法

検出器中心から半径 R(10cm) の球上にランダムに点を選び、その点から球の内側方向 2π(sr)へランダムな方向に粒子を照射する。

球面上にランダムに選んだ一点

HEPe

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バックグラウンド粒子の評価方法１

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バックグラウンド粒子の計測方法

検出器中心から半径 R の球上に格子状に点を選び、その点から球の内側方向 2π(sr)へランダムな方向に粒子を照射する。粒子の入射エネルギーは 0.1MeV 、0.5MeV 、 1MeV 、 3MeV 、 4MeV 、5MeV 、 6MeV である。今回は前回よりも統計精度を上げるため、各エネルギーごとに全球面でメモリ上限の約 400万個の粒子を入射させた。

球面上の格子点

HEPe

バックグラウンド粒子の評価方法 2

１ 5

球上のランダムな点の座標を (RsinθcosΦ,RsinθsinΦ,Rcosθ) 、入射粒子の方向を (sinαcosβ,sinαsinβ,cosα) と表すと、以下の式をモンテカルロ積分することによりバックグラウンドのカウントレートを算出する。

= バックグラウンド粒子のカウントレート [/sec]R=照射点のある球の半径

P= 検出項（信号検出時 :=1 　信号非検出時 :=0 ）J(E)=Differential Flux [cm2*sec*MeV]-1

同様の条件下での、ピンホールから入射する通常の信号のカウントレートを求める。

∑Jdiff (E)× ΔE[MeV] ×GF[cm2*sr] / 4π = コリメータを通って入射する粒子の　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　カウントレート [/sec]

ジオメトリックファクター

),,,,(sincossin)(2 EPddddEJdER

上記の Y<f(x) 以下の領域の面積を求めたい場合、領域を含む四角形に乱数をふってランダムに点をプロットする。十分にランダム点を取れば、斜線の面積は

と表すことが出来る。このように、モンテカルロ積分を用いると解析的に解く事が難しい積分値を得ることが出来る。

モンテカルロ積分について

X

Y

f(x)

× ×

×

×

×

×

×

ランダム点の総数の下の点の個数斜線の面積 )(xf

A

四角形の面積＝Ａ

ランダムなプロット点

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バックグラウンドノイズの除去方法について

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コリメータ

通常取得する電子の飛跡

半導体検出部

除去すべきバックグラウンド電子

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、信号が出るはずである。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し、ノイズを軽減することが可能である。さらに各ＳＳＤでの DepositEnergy を判別することによってもＢＧを低減させることが出来る。

まとめ

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評価について、　現在評価中である。

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