高宇連 第12回研究会
2012/3/28
＠奈良女子大学

エマルションガンマ線望遠鏡“GRAINE計画”
神戸大学 青木茂樹 他
宇宙ガンマ線観測グループ（神戸大、名古屋大、愛教大、宇宙研、岡山理科大、宇都宮大 他）

Gamma-Ray Astro-Imager with Nuclear Emulsion
Cu foilEmulsion
Film50µm(.003X0)

W foil100µm(.030X0)290µm(.002X0)

c.f. Fermi-LAT
Si 400µm(.004X0)228µm
pitch

現像前、現像後のEmulsion Film

30mm10m

角度分解能Readout
accuracy

Fermi LAT

＋ 0.3m
× 0.2m

多重標

1 mrad的原子＊ 0.1m

電核

2films3films磁散
乱からの反跳
運動量位置分解能 0.1micron

Fermiガンマ線宇宙望遠鏡による観測
SNR W44

2FGL: 検出天体数 : 1873

□ 未同定天体: 576

エマルション望遠鏡
シミュレーション結果( 1～10GeV 1000 m2hour)

SNR W44
放射起源に迫る上で200MeV以下が重要
Emulsion 200MeV
エラーサークル
0.5 deg
Fermi 200MeV
エラーサークル

シミュレーション結果(150 m2hour)

GRAINE (Gamma Ray Astro Imager with Nuclear Emulsion)x  0.2 μm
e‐コンバーター部
Emulsion film stacke+ 1.41mrad
mrad  00.06deg.08 deg

タイムスタンプ部
カロリーメーター部

気球に搭載し長時間観測を繰り返す

Emulsion + metal plate

エマルション望遠鏡

Fermi LAT

角度分解能 @100MeV

6.7mrad61mrad@1GeV

1.4mrad10mradエネルギー領域

10MeV～100GeV(under study below 50MeV)

20MeV～300GeV

口径面積1～10m2

1m2

10m2×７日間×５フライトでFermiの1m2×365日の統計に匹敵する

GRAINE (Gamma Ray Astro Imager with Nuclear Emulsion)
・気球

10m2×35days （低エネルギーＢＧの少ない中緯度が望ましい）
RUNJOB, JACEEで実績のある規模

・フィルム量 10m2×100枚=1000m2
ニュートリノ実験で実績のある規模
・解析 1000m2/year（= 1140cm2/h）
次世代の自動読み取り装置~10m・1mrad の精度を実現するために機械的平面精度が必要
フィルム
チェンバ
厚み~8cmサポート
時間分解能が必要（スターカメラと連動させる）
日周運動
Δt = 10秒
ゴンドラ回転 Δt = 0.1～1秒（回転速度に依存）→ タイムスタンプ部「多段シフター」
2

Evolution of the Scanning Power
Speed in cm2/h600010000
1000
72100
101

10 .0 8 20.1
0.010.001

0 .0 0 3
TS(TTL)1994

NTS(CPLD)
1996

UTS(FPGA) SUTS(FPGA)NEW(GPGPU?)
1998
2007201?

コンバータタイムスタンプ部
多段シフターカロリーメータ

観測時

１段目

１段目

２段目

２段目

３段目

３段目

解析時

◆アナログ時計の要領で複数のユニットを周期的にスライドさせる。
◆後の解析から位置ずれを認識し、入射タイミングが分かる。
◆高電圧不要、シンプル、軽量、低消費電力、デッドタイムフリー

GRAINE ロードマップ• 口径1/10m，3時間フライト– 搭載機器の動作検証– ガンマ線の到来方向を天球面にマップする一連の流れの確立– 大気ガンマ線の実測

2011年度大気球実験(ISAS/JAXA)
2011年6月8日
大樹航空宇宙実験場• 口径1/2m，1日間フライト、2013年度～– 既知のガンマ線天体の観測試験• 口径3m，7日間フライト、2014年度～– 科学観測開始

GRAINE 2011 flight
残留大気圧計GPS

電池

スターカメラエマルション部
1.3m

エマルション部
Low energy

High energyγγ

口径面積 : 12.5cm×10cm
Converter
エマルションフィルム102枚, 銅箔91枚
33.0mm, 1.1kg, 0.53Xo(εconv= 34%)

e+e-e+OPERA型エマルションフィルム×10 (合板部)
OPERA型エマルションフィルム×88 + 銅箔(50μm)×88
新型エマルションフィルム×4 + 銅箔(50μm)×3e-Timestamper))))))

多段シフター
1段目 : エマルションフィルム2枚
2段目 : エマルションフィルム2枚
3段目 : エマルションフィルム4枚
新型エマルションフィルム(3枚目)Calorimeter

エマルションフィルム32枚、鉛板:0.5mm厚10枚、1mm厚17枚
31.6mm, 2.9kg, 3.9Xo(Shower Max.@ 数GeV)OPERA型エマルションフィルム×5 (合板部)(OPERA型エマルションフィルム+鉛板(0.5mm))×10(OPERA型エマルションフィルム+鉛板(1mm))×17

TimeStamper（多段シフター）(株)三鷹光器と共同開発
重量 5kg
消費電力 20W
ステージの位置再現性〜１μm
10cm
12.5cmgap of stages=2mm
pulse motor

photo sensor

姿勢モニター（DayTime StarCamera）•

光学フィルター

600nm以上を透過

Schneider Optics製B+W091•

カメラレンズNikon製 AF Nikkor 85mm F1.4D– レンズ口径：60.7mm– 焦点距離：85mm•

CCDカメラ浜松ホトニクス製C3077-79(近赤外CCDカメラ)– ピクセル数 ：640×480

採用した機器における視野：5.9度(H)×4.5度(V)
予想感度：～6.1等級
姿勢決定精度：～0.16mrad：青空の光（Dietz et al., 2002）◆：星の光（M型:3200K）■

GRAINE2011気球実験

7:14

8:50
高度[km]

2011年6月8日5時5分放球
フライト時間：4時間19分
レベルフライト(高度35km)：1時間36分

5:05

9:24
経度

GRAINE2011気球実験
多段シフター/スターカメラの上空での動作実証
大気ガンマ線の入射高度依存性の実測
大気ガンマ線の入射角度依存性の実測

フライト高度のタイムプロファイル

高度[km]

再上昇

地上待機〜上昇時

下降時〜回収

レベル高度(34.7km)
多段シフター
連続運転(秒精度でタイムスタンプ)

ブーメラン
高度コマンド
送信タイミング

5:48

6:20 6:28

8:40

(JST)

Automatic Emulsion Scanning System
名古屋大“ S-UTS ”

スキャンの条件と状況
・SUTS 3号機, 4号機
・面積 : 12.3cmX9.7cm
・角度範囲 : |tanθx|<1.0, |tanθy|<1.0・98枚(/98枚)についてスキャン完了
・フィルム#1, 2についてはSUTS1号機

フライトデータ初期解析
フライト中のカウントレート(count/sec)
5分

35km

count/s

25020

count/s

多段シフター初期解析
ハドロンイベントのトリガー

0.64

姿勢決定精度(mrad)※回転速度1.6mrad/sec(実測値)の場合

時間分解能(秒)0.32

ハドロンイベントを構成する
複数トラックの位置ずれdxのばらつき(μm)

ステージの速度50μm/)))

dx
３段目

時間分解能

２段目

多段シフターの検出効率
1段目で連続運転時とタイムスタンプされたトラックで評価

1段目→2段目

本体→1段目→2段目→3段目● データ
ー 1枚あたりの認識効率から外挿トータルの検出効率 79.1%
タイムスタンプ信頼性 97%

2段目→3段目

efficiency

コンバーター部でのフィルム１枚あたりの飛跡の検出効率

95%@45°tanθ

015304554.5 [deg]新型原子核乳剤フィルム

全入射角領域における平均飛跡検出効率

94.6 ± 1.3tanθ

015304554.5 [deg]ガンマ線事象例
EventStart
θincident: 71 6664180: #7: 50.33deg#73.15mm

0.05mm#1これまでの測定との比較# of events

観測値

観測値
天頂角:0~30度

期待値>50MeV

期待値>100MeV94617647

Thompson, 1974, 大気ガンマ線フラックス測定
・垂直方向 (天頂角 : 0~30度)
・積分フラックス : >50MeV, >100MeV・気圧[g/cm2] : 1000~500, 250~125, 50~20, 10~5

Try：92 → タイムスタンプ：89 → ◎,○：79（信頼性94%）# of events@22km~35km

観測値

観測値
天頂角:0~30度

期待値>50MeV

期待値>100MeV

26141812

フライトモデル２号機
24時間オーダーの観測。
明るいガンマ線天体の検出。

1号機
国内で数時間オーダーの観測。
大気ガンマ線BGの実測。

(株)三鷹光器と共同開発
口径面積 2000cm2

GRAINE ロードマップ• 口径1/10m，3時間フライト– 搭載機器の動作検証– ガンマ線の到来方向を天球面にマップする一連の流れの確立– 大気ガンマ線の実測

2011年度大気球実験(ISAS/JAXA)
2011年6月8日
大樹航空宇宙実験場• 口径1/2m，1日間フライト、2013年度～– 既知のガンマ線天体の観測試験• 口径3m，7日間フライト、2014年度～– 科学観測開始