新たな大気発光撮像デバイス～～

光と電子の調和したプロセス ～～（天文と素粒子の技術の融合）

佐々木真人

C.Spiering,Eur. Phys. J. H 37 (2012)

王道の物理
宇宙の新たな窓

大規模な実験を！

重要なエネルギー領域を、できるだけ深く、広く、そして明確に探査すべし
なのだが…
C.Spiering,Eur. Phys. J. H 37 (2012)“多粒子天文”

CR Link“宇宙の素粒子実験”

空気シャワー発光

NTA Light Collector (NTA-LC)
mount baseline design (tentative)

約1年間の設計レビュー後、Ashra-1(日米)、NuTel(台湾)、新提案から最良な部分設計を決定 ⇒ 設計提案書

Light Collector (LC)
瞳径1.5mのシュミット型
視野28度 = 焦点面50cm径

Ashra 3D-RTIL-W ×４⇒

NTA集光器

Detector Unit (DU)
同視野を睨む4個のLC重ね合わせ⇒ 有効瞳径=3m

概念設計案～Ashra-1の1.5倍スケールアップ＋同じ読み出し

レイアウト概念案
中央サイト (Site-0)
周辺サイト (Site-1,2,3)
1辺25kmの正三角形頂点⇒巨大標的（100-1000km3-weq）
巨大空気（面積1000km2上空)
BG遮蔽 (3山の谷間)
空気を横と下から睨む複眼望遠鏡
3山に囲まれた好天候の空気中のチェレンコフ光＆蛍光の両方で出現タウを漏らさず撮像

地球かすりシャワー撮像法

チェレンコフ光

宇宙線BG

NTA site1(Ashra-1 ML)
マウナロア

蛍光 NTA
site0

マウナケア
体積>3,200km3
質量>9.3x1012 ton

BG遮蔽
空気シャワー発展に適切な距離:～30km

大質量標的:
氷~ 104 km3

Ashra-1がこの方法を初めて実用化！
(ApJ, 736 (2011) L12)

MC Event Sample (100PeV)

Mauna Loa
(Site1)

Xmax
Decay PointImpact Point

Central (Site0) Fluorescence

Hualalai(Site3)
0.5°トリガピクセル

Central(Site0)

Mauna Kea(Site2)(黄色 5pe以上)

Mauna Loa (Site1) Cherenkov

Acceptance with Water & Muon vs Air & Tau

NTA

IceCubeTAANTARESLENA⇒ 視野30度でを検出できる

360°

ハワイ島
30°

時間効率10-20%@Ashra-1実績
方向精度 < 0.2° (Chren. mono)
NTA サーベイ能力

高度30°×方位360°
標準GRBに対し
深さ z=0.1-0.15 (20億光年)⇔ 重力波KAGRA(7億光年) の3倍

Ashra計画

10周年
着実な開発と観測の実績

Ashra 提案 ver.1(2002.08.15)[Sasaki’s Presentation @ CosPA2003-NTU]

Ashra集光器
7 部分鏡（2.2ｍ有効径）+ 1 焦点球面（20’光電レンズ撮像管）
 ３枚の非球面補正レンズ（1.2m径、紫外透過アクリル板）
 光線追跡シミュレータ: 広視野(0.42 sr)内で 1 分角度焦点精度
Modified Baker-Nunn

F/0.74

pupil : 1m
Details can be found in
M.Sasaki et al, NIM A492 (2002) 49

光電レンズ撮像管– 静電レンズによる光像(x20)– 球面光電面 <= 光学系としての要請– 輝度増倍 (100 ph/pe)
250mm

16” プロトタイプ
Electrode

焦点精度=10m
Photoelectron
Surface
Phosfer screen

Ashra光学系の独自性の鍵

撮像パイプライン構想• 圧倒的な画素コスト効率の実現– 広角と高精度を同時に満たす反射光学系– 欲しい部分だけ露光読出す高速インテリジェントカメラ

特許実事例

開発の歴史 R&D @ 柏、国立天文台、明野 2002年度～2003年度)

撮像に成功
分割鏡

光電レンズ撮像管

レンズ試作

光学系試作１号機

テスト観測のための最低限の装置準備OK

開発の歴史 (テスト観測 @ Haleakara, 2003年～2004年)

TeVγ観測 焦点面

GRB光学閃光Validated
Trigger & Readout
TeV Altazimuth

広角高精度望遠鏡の実証に成功

光電撮像パイプライン & 光電レンズ撮像管設置 @Mauna Loa

光電撮像パイプライン(PIP) テスト

20インチ光電レンズ撮像管 (PLI)
Y.Asaoka, M.Sasaki NIM, A647:34‐38, 2011

PLI設置

分割鏡設置 @ Mauna Loa

増反射コート：UV=Blue+3%

全分割鏡調整後
スポットサイズ0.19mm(0.46分角に相当)
分割鏡設置

マウナロアにおける全集光器の光学系が準備できた

反射率>85%@ Mauna Loa

Ashra計画

現状
トリガー読み出し系の更新
最高感度のPeV-EeVタウニュートリノ初探査
多粒子天文を実現 閃光探査＋タウニュートリノ探査
直接チェレンコフ光による1次宇宙線同定、
PeVガンマ線、PeV宇宙線スペクトル、恒星間流星探査、…

観測01 & 02

タウニュートリノ探査のコミッショニング (197hr) 及び宇宙線観測 (44hr) を含む
観測03 継続中(観測統計 2012.01.11‐09.08 )τニュートリノ

光学閃光

実観測時間

880時間

896時間

好天率

97.8%

98.0%

稼働率

91.9%

93.4%

Duty Factor

15.2%

15.5%

Ashra-1 Light Collector

Total Resolution: ~3 arcmin image in 42deg. FOV

Can Cover Mauna Kea Surface at 35km DistantAshra‐1 撮像パイプライン
トリガー&読出し系
光学観測
4秒露光

夜光BG
200ns 露光
多種トリガーに対して精細画像を取得可能
多粒子観測が一つの装置で可能

宇宙線空気シャワー
200ns 露光

Ashra‐1 FOP伝送系

一部を拡大した画像－
100μm＋100μm

99%のファイバーは、ずれが±100μm以内に収まっているトリガーLSI

Vg

In‐
Vo1_2+

V os
1.5V
V 1～8

OP‐AMP‐+Vo2_2

OP‐AMP+‐
comparator

アナログ部1画素の回路図

CMOS標準プロセスによる設計
画素内にはIV変換器、フィルター、比較器を内蔵
1画素ごとに比較電圧を3ビット＝8通りから選択可能
カスタムLSI16チップで4096chの信号処理・トリガ判定時間< 98ns (1.4×10^6電子相当入力)< 77ns (1.3×10^7電子相当入力)

xo2

Ashra NTAトリガーセンサー~ よりシンプルに ~Ashra-1:
16x16 trigger pixs/chip x 4x4 chips /board=>
Ashra NTA:

R8400-00-M256 （H9500）(Tentative)

Trigger Sensor Unit (TSU) =16x16 trigger pixs /chip on R8400-00-M256(tentative)
4x4 TSUs for 1 Detector Unit

HV電源

LV電源

LV電源
同軸10ch
V1-V8,Vg,Vos

MAPMT

HPD基板
LSI16チップ搭載

トリガーリ
レーボード

ゲートI.I
ゲート信号
DAC10chトリガーFPGAボード
細線同軸
・L_X_D[63:0]
・L_Y_D[63:0]
・LSI制御[4:0]

カメラ
トリガー
信号

USB
・LSI制御・Xsel[63:0]
・Ysel[63:0]
・トリガー番号
トリガー用PC

トリガーFPGAボード

大気発光
検出

トリガーシステム概要

主な機能・アナログ信号処理
LSI内部において、トリガーセン
サーからの信号を閾値と比較し、デジタル出力・露光制御 （Level‐1 トリガー）
LSIからの信号を受け、閾値を越えた画素に対応するトリガー信号生成
・読み出し制御 （Level‐2 トリガー）
大気発光の判定論理によって、読み出し制御信号を生成
・閾値制御PCからのマスク情報によって画素毎の閾値を設定

Ashraパイプラインを用いたトリガー撮像試験
AII

CCDカメラ(長時間露光用)
BS1内蔵

CMOSカメラ(トリガー撮像)

DII内蔵

BS2内蔵
光ファイバを用いて隣り合う2か所にLED光を入射
光ファイバ
トリガー側筺筒

試験方法と条件・AshraパイプラインにトリガーLSI,トリガーFPGAボードを組み込み、観測と同様のシステムを組み上げた。
・シミュレーションで得た合計931イベントの光量分布に対応したLED光を光ファイバを用いて導入した。
・感度が最も悪い組み合わせをトリガー感度評価に用いた。
・観測サイトの夜光バックグラウンドに相当する光をバックグラウンドとして入れた。

Fine Sensor Evaluation

Parameter

Value

Saturation Capacity

5800 eDark Current

360 e/s

Total Quantum Efficiency

32.0%

Temporal noise in dark

19 eGlobal Shutter Efficiency

99.6%

Ashra‐1 GRB起源タウニュートリノ 探索
GRB081203A

コミッショニング観測中にSwfitのGRBアラートが発生
GRBからのPeV－EeVタウニュートリノの初探査

Ashra‐1 R0000941/E115513 拡大図 vs MC
実事例

MCMCは実事例を再現

Observed CR Spectrum

Observation of 44hr
Validation of Sensitivity and Reconstruction
Some Hint for Composition

PeV-EeV Tau Neutrino Search Limit

Even Commisioning x100 Better than RiceStarted Obs03 Runs Approaching to IceCube Area
Surveying Tau Neutrino GRBs @ z<0.1-0.15

Photon & Neutrino Production Scenarios in 3 Different Phases=> Multi-Particle Monitor

Process of Analysis of GRB Optical Flash Search (GRB081203A)
Alert within FOV

T0-100s
T0T0+100s

4s‐Exposure
images ⇒SNR‐map
SNR histo
around GRB

Preliminary
Preliminary
Preliminary

Multi‐wavelength＋Ashra Ontime /Precursor monitor⇒ Restrict models

preliminary

preliminary
Each 6s‐
period , plot
the limits =>circular #8632

Summary

次世代ニュートリノ望遠鏡NTA
20億光年までに天体陽子加速源があれば、確実な発見同定が狙える性能多種の開拓的な物理天文を行える＃共同研究者を募集しています。ご連絡ください。

Ashra-1 = 新開発＆原理実証器
光学系と電子回路系の混合の妙でコスト効率アップ
着実な開発と観測の実績
トリガーシステムのハードほぼ完成。
部分露光制御・精細撮像センサー（FST）試験最終化。
蛍光シャワー撮像の観測実証を残すのみ。
ESタウシャワー撮像法の初の実用化 ⇒ NTAの原理実証
マルチトリガー機能を生かして複数のB&B物理を遂行中＃共同研究者を募集しています。ご連絡ください。