雷からの突発ガンマ線観測に向けた検出器システムの⾼速化
久富章平*1、中澤 知洋*1、辻 結菜*1、榎⼾ 輝揚*2、湯浅 孝⾏*3、⼟屋 晴⽂*4、和⽥ 有希*4(*1 : 名古屋⼤学、*2: 京都⼤学、 *3 : 理化学研究所、*4 東京⼤学)

Abstract
近年の研究で、雷と同期して突発ガンマ線(Terrestrial Gamma ray Flush : TGF)と呼ばれる⾼エネルギー(< 10 MeV)かつ短い継続時間(< 100 μs)のガンマ線が発⽣することが分かった。TGF発⽣の仕組みはまだ分かっておらず、⾼精度観測が必要である。本研究では、TGFを有効に検出するため、アナログ回路の⾼速化を⾏い、結果としてイベン
トサンプル時間を1/10(20 μs -> 2 μs)に短縮した。現在、改良した検出器をスカイツリーに展開しており、夏季雲からのTGF検出を⽬指している。また、本検出器は冬季に落雷頻度の⾼い⽯川県⾦沢市にて、TGFのマッピング観測のための検出器の⼀つとして運⽤する予定である。

Method & ResultIntroduction
1 . 雷ガンマ線と粒⼦加速

回路図
図4 フロント
エンドカードの回路図

Events / 250 μs

Counts/ keV/s

雷雲から落雷と相関した、 100 μs程度の継続時間で到来する⾼エネルギーガンマ線( < 20 MeV)が近年多く観測されている。このガンマ線は、突発ガンマ線(Terrestrial
Gamma ray Flush : TGF)と呼ばれる。雷雲中には、準静電場機構があると考えられていたが[1]、TGFのように僅かな時間内に⾼エネルギーまで加速される粒⼦加速の仕組みは、まだ詳細には分かってはいない。衝撃波加速が良く論じられる宇宙において、電場による加速についての
30
Smith et al 2005
議論は少なく、雷雲中での粒⼦Smith et al 2005
100.025
加速メカニズムの解明は宇宙物理
2010.0学的にも重要である。また、冒頭15述べたようにTGFは、落雷による1.0
10放電の3 – 30 kHzの低周波数帯
50.1(Very Low Frequency : VLF)において、010000
1000101000
4268TGFと相関があり[2]、TGFの発⽣のEnergy (keV)Time( ms )仕組みが解明されれば、落雷の発⽣原因の理解につながりうる。
図1 TGFのライトカーブ(左)、エネルギースペクトル(右)イベントサンプル時間を短くするため、フロントエンドカードのアナログ回路を⾼速化することを試みた。回路シミュレーションソフトLTSpiceを⽤いて、フロントエンドカードの回路素⼦の値を変え、⾼速化を⾏った。

2. 雷雲中での粒⼦加速のモデル

上記回路図で、⾚四⾓で囲んだ素⼦の値を変化させ、時定数τを早くした。
本研究では、Ch1をTGF直接検出⽤回路段、ch2を熱中性⼦検出⽤回路段とした。
・実際の⾼速化後の波形の様⼦
アナログ回路の⾼速化前後で1 Vの負のテストパルスを⼊⼒し、実際の出⼒波形を⾒た

現在は、Gurevichの提唱する相対論的電⼦逃⾛モデル(Relativistic Runaway Electron
Avalanche : RREA)が基本的なメカニズムと⾔われているが、TGFの光度や時間変動を説明できておらず、他にも何らかの物理が働いていると考えられる。[3]RREAモデルとは、雷雲中の電⼦が強電場により加速されある⼀定まで加速された電⼦が空気分⼦とぶつかり、雪崩式に増幅していくモデルである。この加速された⾃由電⼦による制動放射がTGFであると考えられている。しかし、TGFは強⼒なガンマ線であり、アナログ検出器がサチュレーションしてしまい正確なフラックスなどはまだ分かっていない。[4]フラックスが分かっていないため、雷雲中での加速領域のサイズなども不明瞭であり、⾼精度観測が必要である。
減速

図5 ch1の波形(左)ch2の波形(右)図5より、τch1 / τch0 = 0.7 / 2.5 〜 1 / 4

加速

τch2 / τch0 = 0.15 / 2.5 〜 1 / 171000
eEc

実線 : 電離損失
点線 : 放射損失

また、本研究では、アナログ回路の⾼速化に加えて、検出器の可搬性を⾼めるために⼩型化を⾏った。
結果として、従来よりも床⾯積を 〜 1/1.8 ( 900 cm2 /1600 cm2)に縮⼩することが出来た。

100F(KeV / cm)

よって、各chでそれぞれ 1/4 , 1/17の時定数の⾼速化を達成した。

図6 検出器の実際の写真

10

Observation & analysis

eEb
110-2

100

εth102104・観測状況

106

Kinetic energy (keV)

図2 RREAモデルでの⾃由電⼦の振る舞いのグラフ(左)強⼒なTGFの信号によるアンダーシュート の様⼦(右)[4]

3. 雷ガンマ線検出器
雷ガンマ線観測で使⽤する検出器は、センサ系は、シンチレーション検出器機構を⽤いている。シンチレータは、TGF直接検出⽤にBGOシンチレータを、TGFと⼤気分⼦との光核反応由来の熱中性⼦検出⽤のLiドープ(EJ- 270)のプラスチックシンチレータを⽤いており、光電⼦増倍管(R11265U 200)を光センサとして⽤いている。
信号処理系は、理化学研究所の湯浅⽒が開発したDAQシステムを⽤いている。
DAQシステムは、フロントエンドカードとFPGA/ADCボードからなる。このボードには、12bit 2chのADCチップAD9231が2枚搭載されており、50 MHzの波形サンプリングが可能である。[5]夏季に雷雲からどれだけのガンマ線イベントが発⽣するのかを観測により調べることが装置展開の⽬的である。
製作した検出器は、夏季に落雷頻度の⾼い東京スカイツリーに8/9 〜 9/27 までの期間で展開した。測定デー
タは⼩型PC(Raspberry Pi3)をインターネットに接続し、東京⼤学の和⽥⽒のサーバーを経由して得ている。

450 m

図7 スカイツリー晴天時の写真・データ解析
フランクリンジャパンの落雷情報のデータを⾒ると、以下の⽇々がスカイツリー付近にて落雷が発⽣している模様であった。
図8の⽇時のデータから光度曲線を作成し、Introduction 1に⽰したTGFによる急激な増光と減衰が⾒られないか調べた。(TGFは、⾼エネルギー光⼦が多く発⽣するので、3 MeV以上での光度曲線も作成した。

図8 落雷情報データマップ

現時点では、解析の結果有意にTGFとみられる信号はなかった。今後より詳細に確かめていく予定である。

図3 検出器システムのブロック図(左)、DAQシステムの実際の写真(右)1段⽬がフロントエンドカード, 2段⽬: FPGA/ADCボード, 3段⽬：ラズパイ3

Purpose
現在のDAQシステムに⽤いているADCは、50 MHzで波形サンプリングするので、1サンプルあたり20 nsかかる。現在は、トリガーをかけて1000 サンプルするので1つのガンマ線イベントあたり、20 μsのdead timeが⽣じる。

TGFの継続時間は、100 μs程度なので、イベントを有効に観測するためイベントサンプル時間を短くしたい。⽬標は20 μs -> 2 μs
reference
1] C.T.R. Wilson, Proc. Phys. Soc. London 37, 32 (1925).
[2] U.S. Inan, S.C. Reising, G.J.Fishman and J.M. Horack, Geophys. Res. Lett. 23, 1017 (1996).

図9 全エネルギー帯での光度曲線(左)、3 MeV以上での光度曲線(右)Future work
本研究で改良した検出器は、これまでも雷雲によるガンマ線イベントの計測が⾏われてきた⽯川県⾦沢市に、雷雲中の加速領域のサイズや移動速度の解明のためのマッピング観測⽤の検出器の⼀つとして運⽤される予定である。
また、冬季雲からのTGFの検出の頻度も調べ、夏季雲の場合と⽐較する。

[3] Joseph R. Dwyer · David M. Smith · Steven A. Cummer Space Sci Rev 173:133–196 (2012)[5] 和⽥有希 修⼠論⽂ 東京⼤学(2017)[4] Y. Wada,1, 2 T. Enoto,3 K. Nakazawa,4 Y. Furuta,5 T. Yuasa,6 Y. Nakamura,7 T. Morimoto,8 T. Matsumoto,1 K. Makishima,1, 2, 9 and H. Tsuchiya1 Physical Review Letters (2019)