ISS 軌道上 CALET テレメトリデータ模擬

ISS 軌道上 CALET テレメトリデータ模擬

早大先進理工　早大理工研 A　早大重点領域 B 神奈川大工 C, JAXAD, 東大宇宙線研 E

下村健太 , 鳥居祥二 A, 浅岡陽一 A, 小澤俊介 B, 笠原克昌 A, 神尾泰樹 ,仁井田多絵 , Holger MotzA, 力石和樹 , 田村忠久 C, 上野史郎 D,

清水雄輝 D, 冨田洋 D, 赤池陽水 E, 他 CALETチーム

JPS2014年次大会@東海大学

28aTS5

内容• 研究概要• CALET テレメトリデータ模擬システム– システム全体の流れ– ISS 軌道上宇宙線流束計算– 検出器シミュレーション– CALET データ取得シミュレーション

• 模擬データ使用例– トリガーレート , データ転送レートの導出

• まとめ


研究概要

• 筑波宇宙センター → 早稲田大学の I/F 試験• Quick Look (QL) モニターの開発• Level0 データ（ raw データ）処理システムの開発• 軌道上運用計画の最適化

実際の形式に基づく

模擬データが必須

本研究では数種類のシミュレーションを組み合わせ、現実的なテレメトリ模擬データを作成するシステムを開発し

た

システム概要• ISS 軌道上で CALET に入射する宇宙線を再現する

- ISS 軌道上での入射宇宙線の決定（ ATMNC3 ）- 検出器シミュレーション（ EPICS/Geant4 ）

• 実際の仕様・形式に基づきテレメトリデータを作成する- MDC （ Mission Data Controller ）のシミュレーション


CALET 運用開始に向けた準備事項

システム全体の流れ

ISS 軌道上装置入射

宇宙線データ軌道上宇宙線サンプリング

ATMNC3宇宙線デー

タISS 軌道データ

検出器シミュレーション

(EPICS/Geant4)

ISS 軌道上宇宙線検出器

応答データ

テレメトリデータ

テレメトリ出力CAL イベントデータ出

力

定時データ出力

較正データベース

(PostgreSQL)

DB I/F

較正データチャンネルアサイン

LD ・トリガーマスク

LD スレッショルドカウンター初期値

MDC Simulator

ADC データ処理

LD カウンタ処理

トリガーカウンタ

処理

トリガー判定処理

Pedestal 差引ゼロサプレス処理

Endian 変換処理

データプログラム








(EPICS/Geant4)


応答データ



力



(PostgreSQL)

DB I/F




MDC Simulator

ADC データ処理



処理



Endian 変換処理



ISS 軌道に沿った CALET 検出器入射粒子のサンプルを行う

高度 400km における宇宙線 Flux の計算

ATMNC3

地球磁場や大気の影響を考慮し、 1 次宇宙線と 2 次的に生成する粒子を追跡し Flux を計算する- 地球磁場モデル： IGRF2010- 大気構造モデル： US-standard 1976Ref : M. Honda et al., “ New calculation of the atmospheric neutrino flux in a three-dimensional scheme ”,

Phys. Rev. Lett. D 70 (2004) 043008.


• 追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、 1 次データを作成緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角

ターゲット層：高度 400km 球殻

ー１次宇宙線ー２次宇宙線

• 高度 400km の球殻を約 7000 個の等立体角 Grid に分割する• 1 次データから緯度・経度を基に粒子情報を振り分け、各 Grid 毎にリスト化する

　Ref : I. Gringorten et al., “The division of a circle or spherical surface into equal-area cells or pixels ”, INSTRUMENTATION PAPERS, NO 343 (1992) AD-A257 770.

高度 400km における等立体角 Grid

ISS 軌道上における装置入射宇宙線のサンプル


1. 次の粒子入射までの時間間隔Δ ｔを決定

2. Δt 秒後の ISS 軌道上の位置を決定

3. 入射粒子を Grid の宇宙線データリストからサンプル

ある時刻での ISS 位置

粒子入射時の ISS 位置 Probability = 1 – exp(-RΔt)Δt = -ln(1-Probability)/R R:Grid 毎のレート

指数分布

1 〜 3 繰り返し

緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角・入射時刻のリスト作成

Δt 秒分 ISS を移動※ 実際は平均で　　 Δt = 20μsec

Grid 上の宇宙線Flux







(EPICS/Geant4)


応答データ



力



(PostgreSQL)

DB I/F




MDC Simulator

ADC データ処理



処理



Endian 変換処理



CALET 検出器に粒子を入射し検出器応答を計算


• シミュレーションコード– EPICS ver9.161 (Cosmos ver7.641)– Geant4 ver9.4p01

• 粒子入射条件ATMNC3 計算による入射方向に垂直かつ検出器中心を通る平面上で位置をランダムに 1 点取得

• 観測データRoot file の形式にて以下のデータを生成– 各検出器チャンネル毎のエネルギー損失、

入射位置・方向、相互作用位置等– 軌道上宇宙線データの順番を保持


半径： 78cm

ISS 軌道上入射宇宙線データと合わせて、入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失を MDC Simulator へ入力

電子 10 GeV 入射例







(EPICS/Geant4)


応答データ



力



(PostgreSQL)

DB I/F




MDC Simulator

ADC データ処理



処理



Endian 変換処理



MDC ：トリガーロジック部


MDC （ Mission Data Controller ）

検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・ DAQ （ Data AcQuisition ）・地上システムへの送出等の役割を担う

トリガーモード• High Energy Shower Trigger (HE) ・・・ 10 GeV 以上の電子観測• Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ 1 GeV 以上の電子観測• Single Trigger (Single) 　　　　　　　・・・検出器較正用

重イオンモードを含む全 6 種類のモードから任意の組み合わせを選択、それぞれのモードについて任意の値でスレッショルドを設定できる

IMC47.5MIP

TASC55MIP

HE イベント例 (e-:10 GeV)

IMC0.7MIP

TASC0.7MIP

CHD0.7MIP

Single イベント例 (p:100GeV)

MDC ：データ収集・送出部

• データ送出プロセス


1 次バッファ

Event Process タスク

Event Building タスク

データ収集命令

データ送出タスク

2 次バッファ

Event Buildingタスク• データ生成に必要な情報を集約

ー ADCデーターイベント情報

• デッドタイムー Event Building タスク完了まで (5ms)の間、新規トリガーに対する不感時間

Event Processタスク• ゼロサプレス処理：信号がペデスタル相当のチャンネルを削除

データ送出タスク• テレメトリスピードに応じてデータを送出

2次バッファ中のデータ (60kbit)を 100ms毎に送出• イベントデータの他、温度・ HV等のハウスキーピング項目は定時データにて送出（ /1s）

上記３つのタスクはパラレル処理

MDC （ Mission Data Controller ）

検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・ DAQ （ Data AcQuisition ）・地上システムへの送出等の役割を担う

MDC シミュレーション


デッドタイム判定

データ収集

カウンタ処理

トリガー判定

CALET 入射宇宙線情報

DeadTime

該当トリガーに Hit なし

シミュレーションでは以下の流れでトリガー・データ生成を行う

• 設定可能項目ートリガーモードートリガースレッショルドーカウンタ初期値

• ADCデータ処理ー ΔE → ADC値へ変換ーゼロサプレス処理

• データ出力ー実際のパケットの形式に忠実に出力

ー HKデータ（定時データ）の出力も実装

ADC データ処理

データ出力

次の粒子へ次の粒子へ

テレメトリ模擬データ作成例

• ISS 軌道情報– 2011/11/01 の軌道 1周分

• ATMNC3 入力条件– Primary ： p,e+/e-,He– 重イオンは He に含

• 運用モード– 科学解析用データ取得

High Energy Shower Trigger

• トリガースレッショルド：電子 10 GeV– IMC4 : 7.5 MIP– TASC : 55 MIP


0min

90min

トリガーレート・データ転送レート• トリガーレートとデータ転送レートをテレメトリ模擬データ

から導出– データは HE トリガーで取得– トリガーカウンタの数値からトリガーレートを計算– 100 秒間の平均を１秒毎にプロット


トリガーレートの時間変化データ転送レートの時間変化

ートリガーレートー緯度

ーデータ転送レートー緯度

まとめ• CALET 地上運用システムの開発などに使用する現実的な

ISS 軌道上テレメトリデータ模擬システムを作成した– 高度 400km に入射する粒子情報を ATMNC3 により計算し、 ISS 軌道上で

の装置入射宇宙線をサンプルする– 検出器応答を EPICS/Geant4 により求める– 実際の仕様に近いDAQ ・データ送出を CALET データ取得システム

（ MDC ）のシミュレータにて行う• ISS 軌道 1周分の模擬データを作成し、トリガーレート・データ転

送レートを導出した– トリガーレート　　： 10 〜 25Hz の範囲で変動– データ転送レート： 250 〜 480kbps の範囲で変動

• 今後の課題– MDC Simulator の詳細化

• バッファの実装• ISS 軌道情報（補助データ）の出力など追加

– 模擬データを用いた地上システムの開発JPS2014年次大会@東海大学

地磁気緯度による影響

End


Back up


ATMNC3 の検証 AMS-01 の観測条件を満たすイベントを選別（実線）　　　①　地磁気緯度 θM 毎　　②　天頂角 32 度以内 AMS-01 の各地磁気緯度における観測結果（丸点）　　　　　　　　　　　（ M.Auiglar, et al. Physics Reports 366(2002 ） 331-405)


入射天頂角補正による影響 [陽子のみ ]• トリガーレートの顕著なピークは入射天頂角補正の影響である

– 天頂角 90°付近のイベントの重みが大きく何度もサンプルされる– 元サンプルの統計量が小さくなるのを補正するため、この影響が出てく

ることは避けられないHigh Energy (HE) Trigger がかかった事象の Cos ( 天頂角 ) 分布

Num

ber o

f Eve

nt (L

og)

Cos ( 天頂角 )

- EPICS (CAD Model)- Geant4

ランダムサンプリング• ATMNC3 計算による全体での経過時間： Tall

– Tall = N ÷ SΩ ÷ F = 14.1[ps]

• 各 Grid での宇宙線が全て CALETへ入射すると考えた場合の経過時間： T0

– Tall 、各 Grid の SΩGrid及びCALET の SΩCALETの比から、T0 = 14.2 [ps] × SΩGrid/SΩCALET = 1.09 [s]

• 単位時間あたりに CALETへ入射する粒子の数： λ– 各 Grid のイベント数を NGrid として、

λ = NGrid / T0

• 装置に粒子が入射してから、次の粒子が入射するまでの時間間隔が ΔT である確率： P （ ΔT ）– P （ ΔT ） = 1 – exp(-λΔT) 　【 exponential distribution】

• P(ΔT) を 0 〜 1 の一様乱数で振り、時間間隔 ΔT をΔT = -ln(1-P(ΔT)) / λで決定


トリガーレート・データ転送レート• スレッショルドの値を 0.5倍、 1.5倍、 2倍にした結果

と比較


トリガーレートデータ転送レート

ー HE Th:×0.5ー HE Th:×1ー HE Th:×1.5ー HE Th:×2ー緯度

HE Th ×0.5 HE Th ×1 HE Th ×1.5 HE Th ×2

トリガーレート [Hz] 40.7 17.6 9.9 6.5

データ転送レート[kbps]

621 374 260 201

レート平均（ ISS １周）

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