小型衛星による宇宙線量マップの作成
群馬工業高等専門学校 専攻科 生産システム工学専攻
田嶋健佑， 緑川俊貴， 吉永尚矢
群馬工業高等専門学校 機械工学科
小野塚隆太
群馬工業高等専門学校 電子メディア工学科
松本国朗， 高原泉
1. はじめにというアイデアについて述べる．そして，近年，宇宙旅行が現実的なものとなり，測定によって得られた宇宙線量と GPS によ一般人が宇宙を体験できる時代が到来しつる人工衛星の自己位置から，衛星軌道上につある．現在提案されている最も現実的なおける宇宙線量を可視化した宇宙線量マッ

宇宙旅行は，スペースプレーンにより高度プを作成するミッションを提案する．ある100[km]まで上昇し，数分間の宇宙体験を行地点での宇宙線量は，時間とともに変化すうというものである．しかし，宇宙空間にるため，宇宙線量マップも随時更新していは宇宙線と呼ばれる高エネルギーの放射線く．これにより，高エネルギーの宇宙線がが飛び交っており，宇宙空間では大気によ飛来した場合における宇宙旅行を回避する

る宇宙線の遮蔽効果がほぼないため，宇宙ことができ，宇宙線被ばくの防止が期待さ船の搭乗者の健康に影響を及ぼすことが危れる．

惧される．特に宇宙船のパイロットは継続的に宇宙線に曝される可能性がある．また，

2. ミッション概要説明

宇宙線は電子機器にも影響を及ぼし，機器

本節ではミッションの概要について述べの誤作動や故障を引き起こすことから，地る．本稿で取り扱う人工衛星は，球に飛来する宇宙線の線量を測定し，対策170×170×170[mm]程度の小型衛星であり，を講じることが求められている．

地球の周りを数周すると元の位置に戻って地球に飛来する宇宙線は，太陽風や太陽フくる準回帰軌道上を周回する．そして，衛レア粒子などによる太陽宇宙線と，太陽系星に取り付けられた，シンチレータとフォ外から超新星爆発などによって加速されてトダイオードで構成される測定器を用いて飛来する銀河系宇宙線の二種類に大別でき軌道上の宇宙線量を測定する．また，本衛る．これらの宇宙線はγ線バーストや太陽星は自己位置特定のために GPS 受信機を搭フレアといった物理現象によって線量とエ載しており，GPS による位置情報は測定デネルギーが一時的に強くなることがあり，ータとともに内部メモリに保存される．そ人体にとって非常に危険である．

して，地上局と通信が可能なときにこれら

そこで本稿では，人工衛星を低軌道に投入のデータを送信する．衛星から送信された

し，衛星軌道上の宇宙線の線量測定を行う

データを元にして，各地点における宇宙線

1

量を地図上に表すことによって宇宙線量マる．また，マップを作成するために広範囲ップを作成する．

での測定を行う必要がある．そこで本ミッションで運用する軌道は数日おきに同一地

3. ミッション要求

点を通過し，かつ地表の広範囲を通過する

本衛星における各系へのミッション要求

準回帰軌道を採用する．

を以下に示す．

4. 宇宙線観測システム
4.1 シンチレーション検出器(1) 人工衛星で観測可能な宇宙線とその線量の観測方法(2) 地球上の広範囲を通過し，また一定間

本節では，シンチレーション検出器につ隔で同じ地点を通る軌道いて説明する．本ミッションでは宇宙線の(1)に関して，観測する宇宙線の選定を行線量を取得することを目的としているため，う必要がある．宇宙線は主にγ線や X 線な宇宙線をデータに変換する必要がある．そどの電磁波や，陽子や電子などの荷電粒子こで，シンチレータとフォトダイオードをからなる粒子線を含む．また，飛来する原用いたシンチレーション検出器を提案する．

因により宇宙線の組成が変化するが，大半宇宙線がシンチレータに入射すると，結晶の宇宙線は陽子がほとんどの割合を占める．

内の原子に衝突し電子が励起する．これに本ミッションでは低軌道上での観測を行う

よりシンチレータが発光する．すなわち，ために，小型衛星での運用を想定している．

線量はシンチレータの発光回数に依存する．

そのため観測機器は小型衛星に搭載可能か

また，フォトダイオードはシンチレータのつ人体に影響を及ぼしやすい宇宙線を選定

発光をパルス波として検出する．このときする．そこで本ミッションでは，透過性がマイコンではパルス波を交流信号として読高いため人体に影響を与えやすく，またシみ取り，パルスの数と振幅をデータとしてンチレーション検知器などの小型の計測機取得する．このように宇宙線量は，シンチ器により観測が可能であるγ線を対象とすレータの発光に変換できるので，フォトダる．

イオードを用いた検出器による宇宙線量の(2)に関して，衛星を運用する軌道を選定解析が可能となる。また，この検出器は，する必要がある．マップ作成を行う際にデ他の放射線測定器と比較して小型であるこータの統計を取ることで線量の比較や傾向，とから小型衛星に搭載するのに適している．

データの正当性を確認するといった観点か

ここで，発光パルスの計測に関して図 1

ら，定期的に同一地点を通過する必要があ
入力
増幅回路

波形整形回路に周波数カウンタ回路を示す．本回路はパルス変換回路

基準時間発生回路

出力ゲート回路

制御回路

図 1 周波数カウンタ回路

2計数回路

APD の電気信号を入力とし，カウント数を

表 1 シンチレータ仕様

密度
放射長
蛍光減衰時
蛍光出力
蛍光波長
屈折率
対放射線強度
潮解性
融点

12bit データとして出力する．C&DH 系の要請から入力信号のサンプリング周期は5[Hz]とする．

4.2 シンチレータ
本節では，シンチレータについて述べる．
シンチレータとは，放射線の入射によって7.13[g/cm^3]
1.11[cm]
300[ns]7～12480[nm]2.15
10^2[gray]
なし
1050[℃]

光を発する物質の総称であり，素材によって無機，有機シンチレータに分類される．

4.3 フォトダイオード

一般的なシンチレータの外観を図 2 に示す．

本節ではフォトダイオードについて述べる．宇宙環境において放射線は不規則かつ無数に飛来するため，シンチレータの発光は不連続なパルス信号として出力される．
したがって，パルス信号を解析するためには外界の信号に対して即座に反応するデバイスが求められる．そこでシンチレーション光を検出する機器として，雪崩効果を利用した APD を使用する．このダイオードは，

図 2 シンチレータ逆電圧を印加して動作させ，光電流を増幅することで，わずかなシンチレーション光本ミッションではγ線を観測対象としてに対しても反応できる．また，APD は反応おり，また，宇宙空間での運用であるため速度も速い半導体素子であり，本ミッショ潮解性のないものを必要とする．そこで，ンの要求に適している．本衛星では浜松ホ

無機シンチレータは放射長が短く発光量がトニクス社の Si APD S8664-1010[2]を使用多いという特徴があるため，無機シンチレする．フォトダイオードの外観および仕様ータに限定して比較し選定を行う．これらを図 3 と表 2 にそれぞれ示す．の中で潮解性が無く，自然崩壊と立ち上がり速度，密度の観点から本衛星ではサンゴ
バン社の BGO シンチレータ[1]を使用する．
BGO の特性を表 1 に示す．BGO は取得できるエネルギー帯と波長がγ線取得に適した範囲である．また，本衛星で取り扱うシンチレータのサイズは 25×25×10[mm]のものを採用する．
図 3 APD3

また，シンチレータの表面積に合わせて，見込める．

受光面の広い APD フォトダイオードを使用する
表 2 APD 仕様

製造会社
浜松ホトニクス
型名S8664-1010
受光面サイズ 20*20[mm]
感度波長範囲 320-1000[nm]受光感度0.24[A/W]
動作温度-20～60[℃]

図 5 シンチレーション検出器の配置図

4.5 GPS
4.4

シンチレーション検出器の構
成及び配置

宇宙線マップの作成において衛星の位置情

本節ではシンチレーション検出器の配置報が必要となるため，本衛星では GPS 受信について述べる．本ミッションで取り扱う機による自己位置特定を行う．GPS 受信機

シンチレーション検出器の配置を図 4 に示には，スペースリンク株式会社の IGPS-3[3]す．

を使用し，測位を行う．GPS 受信機の外観

本節では GPS 受信機について説明する．

を図 6 に，GPS 受信機の仕様を表 3 に示す．
フォトダイオード

本受信機を選定した理由としては，γ線のデータを取得する周期よりも短い周期で計測可能である点が挙げられる．
表 3 GPS 受信機仕様

箱壁面

シンチレータ

図 4 シンチレーション検出器概要
シンチレータの上にフォトダイオードを密着させ，その上からアルミホイルで覆うことで遮光する．この検出器をアルミ板で構成される立方体壁面の内側に 1 つずつ固定したものを検出箱と呼称し，この検出箱を衛星中心に配置する．したがって，計 6個のシンチレーション検出器を搭載する．
これにより，より多方向から衛星に飛来する宇宙線を観測でき，また，内部に設置することで外乱による影響を軽減する効果が

図 6 GPS 受信機
4

4.6 システム構成

HK データの項目を表 4 に，ミッションデ

本衛星は姿勢制御系，通信系，電源系，熱ータの項目を表 5 に示す．HK データは急激制御系，ミッション系，および各系を統括な変化が起こりにくいと考えられるため，する Main OBC(On Board Computer)から構サンプリング周期を 1[Hz]とするミッショ成される．ただし，姿勢制御系は演算コスンデータのサンプリング周期は衛星の通信トが大きいため Main OBC とは別に専用の可能時間や衛星に搭載可能な通信機器の通OBC(以降，AC OBC)を用いる．図 7 に本衛信レート等を考慮し 5[Hz]とする．

星のシステム図を示す．
表 4 HK データ一覧4.6.1

Main OBC

Main OBC が行う主な処理を以下に示す．
A) テレメトリの作成，保存および送信
B) コマンドの受信
C) 熱制御系の監視および制御
D) AC OBC との相互通信
Main OBC はテレメトリを蓄積するためメモリを備える．

4.6.2

表 5 ミッションデータ一覧

テレメトリ

地上局が衛星の状態を把握するために，テレメトリの保存および送信を行う．テレ

4.6.3

メトリは，衛星の状態を記録する HK デー

OBC が作成したテレメトリはメモリに蓄

タとミッション系の計測結果を記録するミ

積され，地上と通信が可能になった際に，ッションデータから構成される．

まとめて送信する．前節の軌道計算より衛

姿勢制御系

メモリ

通信系

電源系
シャント機構GPS

アンテナ
太陽電池アレイ
送信機

磁気センサ

受信機
バッテリ
分配回路

太陽センサ

AC OBC

Main OBC

熱制御系

ジャイロセンサ
フォトダイオード
フォトダイオード
フォトダイオード
フォトダイオード
フォトダイオード

温度センサ

磁気トルカ
熱制御素子
ミッション系

図 7 システム図
5星と地上局との通信は 1 日に数回可能である．しかし，衛星または地上局が不具合により一時的に通信が困難になる懸念がある．
通信状態の復元に最大 2 周間かかると仮定
し，衛星に搭載するメモリ容量を検討する．
1 日分のテレメトリは，HK データとミッションデータおよびそれらのサンプリング

図 8 衛星軌道概要図

周期より約 10MB となる．よって２週間分

ミッション要求より，準回帰太陽同期軌道のテレメトリは約 136MB である．メモリのを用いる．準回帰軌道と合わせて太陽同期最大予想使用量やマージンを考慮し，軌道を用いることで，太陽光入射角が一定

256MB の FLASH-ROM メモリを Main OBCとなることで観測条件の均一性が期待されに追加する．

る．

4.7 軌道
本節では衛星を運用する軌道について説

5. 宇宙線マップ作成
5.1 宇宙線測定方法

明する．表 6 に軌道要素を示し，図 8 にフ

本節では，シンチレーション検出器を用いリーソフトの軌道シミュレータ「Heaven sat」た宇宙線観測の方法について説明する．前[4]を用いて作成した軌道の概要図を示す．

述の観測システムにより定期的に放射線を観測し，地上局に放射線観測情報を送信す

表 6 人工衛星の軌道要素

る．放射線量は観測システムにより電流値として計測され，回路による信号処理を経て，電圧値として出力される．出力値は AD変換され OBC に入力され，25[s]の周期でサンプリングを行う．この際，GPS による位置情報の取得も同時に行い，観測位置および放射線量の情報をミッションデータとし

図 9 宇宙線マップ模式図

6

て保存する．地上局との通信が可能な領域

そこで，複数台の小型衛星を用いることでにおいて，保存されているミッションデー

この問題を解決することができると考えら

タを含むテレメトリを地上局に送信し，宇れる．先述のように，小型衛星は運用コス

宙線マップの作成に必要となる情報を提供

トが大型衛星と比較すると約 100 分の 1 でする．

済むため，複数台を運用するコストをかなり抑えることができる．そのため，1 台の5.2 宇宙線マップの作成手法

大型衛星で測定を行うよりも複数台の小型

本節では宇宙線の測定によって得られた衛星での測定を行ったほうが有効であるこ

データを用いた宇宙線マップの作成手法にとがわかる．今後，宇宙への進出が盛んについて述べる．作成される宇宙線マップのなり，大きなビジネスの一つとなるだろう．

予想図を図 9 に示す．最初に，マイコンかその中で，宇宙線への対策がより重要なもら読み取ったフォトダイオードのパルス数のとなると考えられるので，本衛星のようを放射線量に換算する．次に，得られた電な宇宙線観測衛星が必要になっていくであ圧と測定時の位置情報を，GPS から得られろう．

る位置情報を利用して結びつける．このよ

参考資料

うにして得られたデータを地球全図上にプロットする．最後に，放射線量の大小によ[1] BGO シンチレータ ，ってプロットした点の色を変更する．

< https://www.saint-gobain.co.jp/sites/default/
files/download/pdf/Crystal_Product_Informatio6. まとめ

n_Saint-Gobain.pdf>

本稿では，地球に飛来する宇宙線量を把握[2] Si APD S8664-1010，し，今後の人類の宇宙進出に活かすために<http://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/cate

小型衛星による宇宙線量の測定および地球

gory/3100/4003/4110/S8664-1010/index.html >周辺の宇宙線量マップを作成するミッショ[3] 小型衛星用 GPS 受信機(IGPS-3)，ンを提案した．また，上記のミッションを<http://members.jcom.home.ne.jp/socrate/catal

達成するため，シンチレータおよびフォト

og_IGPS-3_spacelink.pdf>

ダイオードから構成されるシンチレーショ[4] Heavensat，ン検知器による γ 線の測定手法と，測定デ<http://heavennightclub-london.com/>ータおよび GPS から得られる衛星の位置情報から宇宙線量マップを作成する手法を提案した．小型衛星を用いることによって地球に比較的近い地点での運用や，運用コストの削減が期待できる．本手法では衛星は決まった地点を通過しながら周回し続けるため，定期的な観測が可能であるが，観測不可能な地点がどうしても発生してしまう．
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