2021 年度修士論文

超小型 X 線衛星 NinjaSat に搭載するガス X 線検出器の開発と性能評価

東京理科大学
理学研究科物理学専攻 玉川研究室
学籍番号 1220529

武田朋志
2022 年 2 月

指導教員
理化学研究所 玉川高エネルギー宇宙物理研究室 主任研究員
東京理科大学 理学研究科物理学専攻 客員教授

玉川徹

概要
理化学研究所がリードする世界初の超小型汎用 X 線天文衛星 NinjaSat には、2–50 keV に感度を持つ 1U サイズ(10 × 10 × 10 cm3 ) の非撮像型ガス X 線検出器 (Gas Multipllier Counter; GMC) を 2 台搭載する。本修士論文はGMC フライトモデル (衛星搭載候補品) 5 台の製作判断のために、ガスチェンバー並びに GMC のフライトモデル試
作機 1 台を開発し、その性能評価を行うことを目的とした。GMC の X 線センサー部であるガスチェンバーは、ガス
電子増幅フォイル (GEM) を搭載した謂わば比例計数管である。まず、このガスチェンバーを設計を含めて一から開発し、(1) Be 窓の透過率測定、(2) 封入ガスの最適化、(3) チェンバー内の電場強度の最適化、(4) GEM の選定、(5)GEM の放電・導通耐性の評価、(6) 長期安定性の評価を行った。特に封入ガスの最適化については、Xe メインの混合ガス 9 種類について GEM の電子増幅度 (ゲイン) を実測し、最大 50 keV の高エネルギー X 線線に感度を持ちつ
つ、GEM の電子増幅度として 300 を達成可能なガスである XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm 換算で封入) を採用した。当初我々は、理化学研究所が国際宇宙ステーションで運用する全天 X 線監視装置 MAXI のGas Slit Camera を参考に XeCO2 (95%/5%) ガスを採用予定であったが、ゲインはこれと比較して 10 倍ほど大き
く、さらに電場強度の最適化も含めると、合計でおよそ 20 倍に改善することに成功した。その後、5.5 ヶ月に及ぶ長期的な安定性も確認した上で、他のコンポーネントとともに GMC を組み立て、性能評価試験を行った。ガスチェ
ンバーのゲイン改善は低エネルギー領域の X 線検出に必要不可欠であり、これにより 2‒50 keV の観測帯域を達成できていることを確認した。また、運用温度範囲である 0–20◦ C の温度変化に対して、チェンバーおよび回路を含む

GMC 全体のゲイン変化は 10% 程度に収まっており、さらにこれは GMC 自身で測定する温度により補正可能であることを示した。本研究の成果を受け、GMC フライトモデル 5 台の製作が決定し、当初の目的が達成された。

目次
第1章

はじめに

1

第2章

ガス放射線検出器の基礎

3

光子と物質の相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1.1

光電吸収 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1.2

コンプトン散乱. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.1.3

対生成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62.2

荷電粒子と物質の相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62.3

ガス放射線検出器における電子増幅原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.4

ペニング効果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82.5

ガス電子増幅フォイル (GEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

超小型 X 線衛星 NinjaSat

10

2.1

第3章

3.1

NinjaSat の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2

Gas Multiplier Counter (GMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.1

ガスチェンバー

3.2.2

Front-end card (FEC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2.3

Data acquisition (DAQ) board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2.4

コリメーター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.5

55

3.2.6

CXB シールド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

16

Fe 較正源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3

放射線帯モニター (RBM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.4

観測計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

ガスチェンバー部の設計・製作

24

チェンバー本体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

第4章

4.1

4.2

4.1.1

Be 窓部

4.1.2

SUS-Al トランジション材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1.3

チェンバー下部. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.4

フィードスルー. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1.5

ガス封入用銅パイプ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

センサー部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

i

第5章

4.2.1

GEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.2

信号読み出し電極 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ガスチェンバー部の開発・試験

31
32

5.1

GMC の要求性能とガスチェンバー部の主な開発・試験項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2

Be 窓の透過率測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.3

5.4

5.5

5.6

5.2.1

目的

5.2.2

実験セットアップと試験の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.3

Si–PIN 検出器の較正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2.4

カウント数および透過率の見積もり方法

5.2.5

透過率 vs. エネルギーのグラフに対するフィット関数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.6

Be 窓中心の不純物濃度と厚みの評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.2.7

厚みの面内ばらつきの評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

封入ガスの最適化

34. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
38
43

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.3.1

当初予定していた XeCO2 混合ガスの問題点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

5.3.2

先行研究の追加調査とガス選定試験の方針 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

5.3.3

実験セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.3.4

データ解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

5.3.5

ゲインカーブ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

5.3.6

エネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

5.3.7

検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

◦

5.3.8

XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0 C, 1.2 atm) のゲインおよびエネルギー分解能 . . . 61

5.3.9

結論

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

ドリフト電場とインダクション電場の最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

5.4.1

目的

5.4.2

実験セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

5.4.3

収集電荷量およびエネルギー分解能のドリフト電場に対する依存性 . . . . . . . . . . . . . .

65

5.4.4

収集電荷量およびエネルギー分解能のインダクション電場に対する依存性 . . . . . . . . . . .

65

5.4.5

結論

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

GEM の選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.5.1

目的

5.5.2

ガスフローチェンバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

5.5.3

実験セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

5.5.4

55

5.5.5

X 線発生装置を用いたゲインおよびエネルギー分解能のマッピング試験 . . . . . . . . . . . . 73

5.5.6

考察

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Fe 全面照射試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

GEM の放電・導通耐性の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.6.1

実験セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

5.6.2

測定全体の GEM 印加電圧と GEM 導通時の HV monitor 波形 . . . . . . . . . . . . . . .

76

ii

5.7

5.8

5.9
第6章

6.1

6.2

5.6.3

GEM 導通レートの時間変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.6.4

GEM 導通レート vs. ∆VGEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.6.5

GEM の放電・導通耐性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

真空引き、ベーキング、ガス封入 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5.7.1

真空引きおよびガス封入のセットアップ

5.7.2

真空引き . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

5.7.3

ベーキング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

5.7.4

アウトガスおよびリークレートの評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

5.7.5

ガス封入 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

5.7.6

考察

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

ガス封入後のゲイン・エネルギー分解能の安定性の確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.8.1

ゲインの安定性

5.8.2

エネルギー分解能の安定性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.8.3

考察

89

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
90

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

まとめと結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

ガス X 線検出器 GMC の性能評価試験

93

基本性能の確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

6.1.1

セットアップと試験概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

6.1.2

電気ノイズの ∆VGEM 依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

6.1.3

55

6.1.4

ゲインカーブ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98

6.1.5

ゲイン・エネルギー分解能のマッピング結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98

6.1.6

考察

Fe スペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

温度特性確認試験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.2.1

目的

6.2.2

セットアップと試験概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.2.3

55

6.2.4

テストパルススペクトルの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.2.5

考察

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

第7章

まとめと結論112

付録 A

GEM 選定試験の事前準備:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Fe スペクトルの温度依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

55

Fe 線源の特性 X 線 Kα, Kβ の強度比測定

114

A.1

目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

A.2

実験セットアップ

A.3

アルミニウムマイラー透過直後の Kα, Kβ の強度比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

A.4

有感領域での検出確率と Kα, Kβ の強度比の見積もり . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

iii

付録 B

NinjaSat チームメンバー

117

参考文献

119

iv

第1章

はじめに
ブラックホールや中性子星などの、コンパクトで重力が強い天体を含む連星系では、伴星から物質が降着することに伴い、降着円盤やジェットなどが形成され、X 線、可視光、電波など、広い波長帯域の電磁波が放射される。これ
らの放射はミリ秒以下から数ヶ月のタイムスケールで激しく変動することが多く、時に急激に増光 (アウトバースト)
して突発天体として観測される場合もある。そのメカニズムは一般に、質量降着の不安定さや、降着流のジオメトリの急激な変化、あるいは磁気エネルギーの開放などと考えられている。しかし、その包括的な理解に必要不可欠な、電波から X 線までの多波長同時観測については、いくつかの例があるものの [1, 2, 3]、十分には行われていないのが現状である。
数日より短い X 線光度変動については、大型衛星により精力的に調べられている。しかし、現代の大型衛星は公募
により観測天体を決め、数日から 1 週間程度の短時間に区切って多くの天体を観測するため、1 つの天体を 1 週間以上占有観測することは現実的ではなく、また突発天体発見後の追観測の機会も制限される。そこで、私の所属する理化学研究所・玉川高エネルギー宇宙物理研究室を中心とするチームでは、専用の超小型 X 線天文衛星 NinjaSat (6U サ
イズ: 10 × 20 × 30 cm3 ) を作り [4]、打ち上げることでこれらの観測を実現することとした。NinjaSat は 2–50 keVに感度を持つ Xe ガス封入型 X 線検出器 (GMC) と、フォトダイオードによる放射線帯モニターを 2 台ずつ搭載し、2023 年 4 月に打ち上げられる。超小型衛星の利点を活かし、さそり座 X-1 等の中性子星連星系や、白鳥座 X-1 等のブラックホール連星系について、可視光、電波と連携した多波長観測を、これまでになく長期に実施し、波長間の強度変動の違いや時間差から、質量降着機構の解明を目指す。
私は GMC の X 線センサー部であるガスチェンバーの開発責任者として、修士課程の 2 年間研究を行なってきた。
ガスチェンバーは、玉川研究室で開発した宇宙実績のあるガス電子増幅フォイル (GEM) [5] を搭載する謂わば比例計数管であるが、超小型衛星特有のサイズおよび質量への厳しい要求を満たすべく、全ての部分を新規開発した。さらに、要求する検出器性能を満たすためには、封入するガスの最適化やチェンバー内の電場強度の最適化、1 年を超える運用を想定した長期的な安定性の確認など、開発が必要な項目が多い。GMC は予備 3 台を含むフライトモデル(衛星搭載候補品) 5 台を製作し、その中から 2 台を最終的に選定する。本修士論文は、GMC フライトモデル 5 台の製作判断のために、ガスチェンバー並びに GMC のフライトモデル試作機 1 台を開発し、その性能評価を行うことを目的とする。
本修士論文の構成は以下の通りである。まず第 2 章でガス放射線検出器の基礎についてまとめ、第 3 章で NinjaSatの概要について説明する。続く第 4 章ではガスチェンバーの設計・製作について述べ、第 5 章はガスチェンバーの主な開発・試験項目についてまとめた後、実際に行った試験の結果とそれに対する結論を述べる。第 6 章では、開発したガスチェンバーを他のコンポーネントとともに組み上げて行った、GMC のフライトモデル試作機の性能評価試験

1

についてまとめる。最後の 7 章では、ガスチェンバーおよび GMC の開発全体について得られた結果をまとめ、本修
士論文の結論を述べる。

2

第2章

ガス放射線検出器の基礎
光子と物質の相互作用

2.1

電磁波のうち、放射線と呼ばれるのは、エネルギーの高い X 線やガンマ線である。放射線検出器は、これらの高エネ
ルギー電磁波 (光子) が物質と電磁相互作用することを利用して、光子の到達時刻やエネルギーなどを測定する。ここでは、X 線、ガンマ線と物質の相互作用のうち、主要な光電吸収、コンプトン散乱、対生成の 3 つについてまとめる。

2.1.1

光電吸収

原子中の原子核の周りに束縛された電子が入射光子によりはじき出され、自由電子 (光電子) となる反応過程を光電吸収という。このとき入射光子は反応過程で消滅する。はじき出された光電子の持つエネルギーは次の式で表される。

E = hν − B.E(2.1)

ここで、h はプランク定数、ν は光子の周波数、B.E は電子の束縛エネルギーである。光電吸収は自由電子に対しては起きないが、これは光電吸収の前後で運動量の保存が成り立つには、電子の反跳運動量を吸収する原子核の存在が必要なためである。光子は束縛エネルギーが最も大きい K 殻の電子と光電効果を起こしやすく、光電子の放出方向は入射光子の偏光方向に依存する。光子の入射方向からの仰角を θ 、偏光方向からの方位角を ϕ とすると、K 殻光電子の放出角度分布は次のように表される。

dσ
Z5
= r02
dΩ
1374

(

me c2
hν

)3.5 √
4 2 sin2 θ cos2 ϕ(1 − β cos θ)4(2.2)

ここで、σ は反応断面積、Ω は立体角、r0 は古典原子半径、Z は原子番号、me c2 は電子の静止質量エネルギー、βは光速に対する光電子の速度の比 (β = v/c) である。2.2 式より、dσ/dΩ ∝ cos2 ϕ であるから、光電子は ϕ = 0 の方向、すなわち入射光子の偏光方向に飛び出しやすいことが分かる。また、2.2 式から、光電吸収の起こる確率 (反応断面積) が、ターゲットとなる原子の原子番号 Z の 5 乗に比例し、入射光子のエネルギー hν の 3.5 乗に反比例する
こともわかる *1 。すなわち、原子番号が大きく重たい元素ほど、また入射光子のエネルギーが小さいほど光電効果は起きやすい。2.2式は K 殻電子に対しての式であり、L 殻、M 殻等の電子には成り立たないが、原子番号およびエネ
ルギーに対する傾向は同様である。図 2.1 は Xe 原子と Ar 原子の光電吸収およびコンプトン散乱に対する反応断面*1 Z の 5 乗に厳密に比例するわけではなく、実際はおおよそ Z の 4 ∼ 5 乗に比例する。エネルギーに対してはエッジ付近で 3.5 乗から外れ

る。

3

104

Cross section (cm2 /g)

103
Xe
:

102
Ar

光電
吸収

:光

101

電吸

収

100
Ar: コンプトン散乱

10°1
Xe: コンプトン散乱10°210°3 0
10

101

102

Photon Energy (keV)
図2.1: Xe, Ar 原子の光電吸収およびコンプトン散乱に対する反応断面積のエネルギー依存性。反応断面積の値はNational Institute of Standards and Technology (NIST) の Photon Cross Section Database[6] を用いた。

入射X線 𝐸$

特性X線
𝐸 = 𝐸! − 𝐸"

光電子 𝐸 = 𝐸$ − 𝐸!

オージェ電子𝐸 = 𝐸! − 𝐸" − 𝐸#

𝐸

𝐸

0
−𝐸!

0
−𝐸!

0
−𝐸!

−𝐸"

−𝐸"

−𝐸#

−𝐸#

𝐸

or

3

−𝐸"
−𝐸#

電子
光電吸収

1. 特性X線の放出

2. オージェ電子の放出

図2.2: 光電効果とその後の反応の模式図

積のエネルギー依存性を表すグラフである。光電吸収の反応断面積は上で述べたように入射光子のエネルギーが大きくなるほどべき乗で小さくなっているが、Ar では 3 keV あたりで急激に増加している。これは入射光子のエネルギーが K 殻電子をはじき出すのに必要なエネルギーを超え、K 殻電子が光電効果に寄与し始めるためである。この反応
断面積が急激に変化する部分を K 吸収端 (K-Edge) という。Xe では 5, 35 keV あたりに同様の吸収端があり、それ
ぞれ L 殻と K 殻に対応する。また図2.1 からは、NinjaSat の観測エネルギー帯域である 2–50 keV では、コンプトン
散乱と比較して光電吸収の方が反応断面積が大きく、支配的な相互作用であることもわかる。
図 2.2 に光電吸収とその後に起きる反応の模式図を示す。光電吸収では主に K 殻の電子がはじき出され、原子は励起状態になり、その後 M 殻や L 殻の電子が、空いた K 殻の準位に遷移することで基底状態に戻る。この状態遷移の過程で 2 つのエネルギー準位の差に相当する余分なエネルギーが生じるため、次に述べる 2 通りのプロセスのどちらかにより、このエネルギーが解放される。まず 1 つ目は特性 X 線が放出される場合である。2 つの準位それぞれの束4

図2.3: 光電吸収後に特性 X 線が出る確率 (Fluorescence yield) の原子番号依存性 [7]。

縛エネルギーを E1 , E2 とすると、放出される特性 X 線のエネルギーは E = E1 − E2 となる。2 つ目は、余分なエネ
ルギーをより外殻の電子が受け取る場合で、エネルギーを受け取った電子は原子核の束縛を逃れて放出される。このとき放出される電子をオージェ電子といい、そのエネルギーは反応に寄与した 3 つエネルギー準位に対応した値となる。エネルギーが特性 X 線とオージェ電子のどちらの過程で解放されるのかについては確率の問題であり、原子の種類に依存するが、一般に原子番号が大きくなるほど特性 X 線が支配的になる。図2.3に光電吸収後に特性 X 線が出る
確率 (Fluorescence yield) の原子番号に対する依存性を表すグラフ [7] を示す。Fluorescence yield は Xe (原子番号54) の L, K 殻電子でそれぞれおよそ 10, 90%、Ar (原子番号 18) の K 殻電子でおよそ 15% である。

2.1.2

コンプトン散乱

コンプトン散乱は自由電子による光子の散乱過程である。図 2.4 にコンプトン散乱の模式図を示す。入射光子は電子との衝突により散乱角 θ の方向に散乱され、そのエネルギーの一部を反跳電子に受け渡す。散乱前後の光子のエネ
ルギーをそれぞれ hν, hν ′ とすると、散乱後の光子のエネルギーと散乱角には、エネルギーと運動量の保存則より次の関係式が成り立つ。

hν ′ =hν
1 + mhν2 (1 − cos θ)
ec

(2.3)

すなわち、コンプトン散乱によって反跳電子に受け渡されるエネルギーは、光子が入射方向と反対向き (θ = π) に散乱する場合に最も大きくなる。自由電子の散乱角度分布は、偏光方向からの方位角を φ とすると、クライン = 仁

5光電子の放出方向

𝜙
𝜃
散乱光子
ℎ𝜈!

入射光子 ℎ𝜈

φ

𝜃
𝜙

偏光方向

反跳電子

図2.4: コンプトン散乱の模式図

科の式

[
]
dσ
1
= re2 P (hν, θ)2 P (hν, θ) + P (hν, θ)−1 − 2 sin2 θ cos2 ϕ ,dΩ
2P (hν, θ) =1
1 + mhν2 (1 − cos θ)
ec

(2.4)

で表される。ここで re は古典電子半径である。偏光 X 線に対する方位角方向の分布は 2.4 式で θ = π/2 とするとわかりやすく、偏光方向に対し垂直な方向に散乱される確率が高い。物質中などで原子核に束縛された電子についても、入射光子のエネルギーが電子の束縛エネルギーに対して十分大きい場合には、後者のエネルギーを無視することができるため、その散乱過程をコンプトン散乱で近似することができる。

2.1.3

対生成

対生成とは高エネルギー γ 線から素粒子とその反粒子が生成される現象であり、運動量保存則から、原子核等の三体目の存在が必要となる。例えば、電子とその反粒子である陽電子が生成されるためには、最低でも両者の静止質量の和である 1.022 MeV 以上のエネルギーが必要である。したがって、光電吸収やコンプトン散乱と比較して、より高エネルギー領域で起きる γ 線と物質の相互作用である。

2.2

荷電粒子と物質の相互作用

光電効果により生じた光電子やオージェ電子などは、物質中を運動する過程で様々な相互作用によりその運動方向を変えながらエネルギーを失って減速し、最終的には停止する。物質中での荷電粒子のエネルギー損失に関わる主な過程は、以下の 2 つである。

1. 物質と電子の非弾性衝突
2. 制動放射これらのうち 2 つ目の制動放射は、原子核により荷電粒子が揺らされる (加速度を受ける) ことで発生するものであり、荷電粒子が重い場合 (陽子や重イオン)、無視することができる。また、軽い電子の場合でも、エネルギーが MeV
程度以下の場合には、発生確率が無視できるほど小さいため、我々のような光電子を扱う場合は考えなくて良い。よって、電子の物質中でのエネルギー損失のうち支配的であるのは、物質中の電子と、入射した電子の非弾性散乱である。

6

荷電粒子が物質中を単位長さ進む間に失うエネルギーはベーテ・ブロッホの式として定式化されている。この式は荷電粒子の種類によって適用すべき式が異なるが、電子・陽電子に対しては以下の 2.5 式で表される。

−

[
]
dE
Z 1
τ 2 (τ + 2)C
= 2πNa re2 me c2 ρ
ln
+
F
(τ
)
−
δ
−
2
dx
A β2
2(I/me c2 )2
Z

(2.5)

ここで Na はアボガドロ定数、ρ は物質の密度、A は物質の原子量、τ は電子の静止質量エネルギー me c2 を単位とする電子・陽電子の運動エネルギー、I は物質の平均励起ポテンシャル、δ は密度補正項、C は殻補正項である。また、括弧内の関数 F (τ ) は電子と陽電子で異なり、それぞれ以下のようになる。

τ 2 /8 − (2γ + 1) ln2(τ + 1)2
(
)
β2
13
10
4
for positron : F (τ ) = 2 ln2 −
23 +
+
+
12
τ + 2 (τ + 2)2(τ + 2)3for electron : F (τ ) = 1 − β 2 +ここで γ = 1/

(2.6)
(2.7)

√
1 − β 2 はローレンツ因子である。2.5 式より、物質中での電子のエネルギー損失は、物質の密度とZ/A にそれぞれ比例することが分かる。前者は物質中での非弾性衝突に寄与する電子の数が密度に比例するためである。後者は Z/A がどんな原子であってもほぼ 1/2 なので、物質の種類にはあまり依存しないことを示している。これは、内殻電子が外殻電子により遮蔽される効果によるものである。また、エネルギー損失は 1/β 2 に対しても比例する。すなわち、入射電子の速度が遅くなるほど落とすエネルギーが大きくなるため、電子はエネルギーの大部分を停止直前に失う。これを「ブラッグピーク」と呼ぶ。

2.3

ガス放射線検出器における電子増幅原理

ガス放射線検出器において、光子もしくは荷電粒子と封入ガスが相互作用することで発生した電子は、一般に検出器内に形成した電場によって、ガス中を周りのガス原子と衝突しながら移動する。ガス原子のイオン化エネルギーは
およそ 10–15 eV 程度であり、電場がある一定以上の値になると、加速された電子がこの値よりも大きなエネルギーを得て電離反応が起きる。その後、新たに発生した電子が同様の過程を経てさらなる電離反応を起こすことで、電子数が増幅する。このように 1 つの自由電子が多数の自由電子に増幅される過程を、タウンゼント型電子雪崩という。
ガス中での電離反応の平均自由行程を λ とすると、α = 1/λ は単位長さあたりの電離確率に相当し、第一タウンゼント係数と呼ばれる。α は一般に電場強度 E とガスの圧力 P の関数になり、実験から得られた多くの経験式が提案されており、その中でも比較的小さな α に対しては次式でよく近似できることが知られている [8]。

(
)
α
BP
= Aexp −
P
E

(2.8)

ここで、A, B はそれぞれガスに依存する定数であり、Ar の場合それぞれ A = 14 cm−1 Torr, B = 180 V cm−1 Torrである。図2.5 にこの式を用いて計算した Ar ガスの第一タウンゼント係数の電場依存性を表すグラフを示す。第一
タウンゼント係数の値は 10000 V cm−1 あたりから立ち上がり始め、その後緩やかに増加していく。どの電場領域においても、およそ ±10000 V cm−1 の範囲であれば第一タウンゼント係数は電場に対して概ね線形に増加することがわかる。
ガス中に n 個の電子がある場合を考えると、これらの電子が距離 dx 進む間には、新たに

dn = nαdx
7

(2.9)

450
Townsend coefficient (cm−1 )

400
350
300
250
200
150
100
50
0

0

20000

40000

60000

80000

100000Electric field (V cm−1 )

図2.5: Ar ガスの第一タウンゼント係数の電場依存性。Ref.[8] をもとに、大気圧 (760 Torr) における値を2.8式を用いて計算した。

個の電子が生成される。この微分方程式を解き、距離 x の領域で電子増幅が起きた場合の電子数を求めると次式が得られる。

n = n0 exp(αx)(2.10)

ここで、n0 は電子増幅前の電子数である。つまり、α が電場に対して概ね線形に増加することも踏まえると、タウン
ゼント型電子雪崩における電子増幅度 (n/n0 ) は電場強度および増幅領域の長さに対してそれぞれ指数関数的に増加
する。

2.4

ペニング効果電場で加速された電子 (e− ) が周りのガス原子・分子 (X) と衝突した場合に起きるエネルギー損失反応としては、(1) イオン化反応と (2) 励起反応の 2 パターンに分けられる。反応式ではそれぞれ次のように書ける。
(1) イオン化反応: X + e− −→ X + + 2e−(2) 励起反応: X + e− −→ X ∗ + e−
(1) のイオン化反応が起きた場合には反応の前後で電子数が増幅するが、(2) の励起反応の場合は励起した原子・分子が後に残るだけで、そのままでは電子数の増加には寄与しない。後者の場合、一般的に紫外線付近のエネルギーを持
つ光を放出して基底状態に戻る。しかし、励起した原子・分子のエネルギーよりも小さなイオン化エネルギーを持つ
原子・分子が周りに存在し、両者が衝突すると、更なるイオン化反応が起きる場合がある。この反応をペニング効果とよび、本来であれば紫外線を放出するなどして解放されるはずだったエネルギーが電離反応に使われるため、実効的な電子の増幅率が高くなる*2 。GEM を始めとする電子雪崩現象を利用した電子増幅器では、混合ガスのガス種や混合比をうまく調整してペニング効果を効率的に起こすことで、高い電子増幅率を達成しているものもある。
*2 ペニング効果が起きるまで励起状態を保っている必要があるため、複数ある励起状態のうち、寿命の長い準安定状態が主にペニング効果に

寄与する。

8

図2.6: (a)GEM 表面の光学顕微鏡写真と (b) GEM 断面の金属顕微鏡写真 [5]。

2.5ガス電子増幅フォイル (GEM)

ガスの平均イオン化エネルギーはガスの種類によらず 30 eV 程度であり、仮に入射 X 線のエネルギーが 10 keV の場合には、およそ 300 個の電子しか生じない。一般にこのままでは後段の読み出し回路の電気的なノイズに信号が埋もれしまうため、電子数を増幅する機構が必要となる。ガス電子増幅フォイル (Gas Electron Multiplier; GEM)
は欧州原子核研究機構 (CERN) の F.Sauli により 1997 年に発明された電子増幅デバイスの一つである [9]。理化学研究所玉川研究室では、2000 年代初めから宇宙利用可能な GEM の開発に着手し始め、2021 年 12 月に打ち上げられた世界初の高感度 X 線偏光観測衛星 Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) にも GEM を提供している。

NinjaSat に使用する GEM は厚み 9 µm の銅極板を、厚み 100 µm の絶縁体 (Liquid Crystal Polymer; LCP) の両面に貼り付けたシート状の構造をしており、これに 70 µm の貫通穴が 140 µm ピッチで無数に空けられている[5]。図2.6(a), (b) にそれぞれ GEM 表面の顕微鏡写真と断面の金属顕微鏡写真を示す。この GEM の銅電極間に電圧を印加すると、絶縁層の厚みが非常に薄いため、貫通穴内に強力な電場が形成される。これにより GEM の穴に電子が入ると電子雪崩を起こし、印加電圧やガスの種類に応じて電子数を数百から数万倍に増幅することが可能となる。

GEM の印加電圧は一般に ∆VGEM と表されるため、以下ではこの表記を用いる。

9

第3章

超小型 X 線衛星 NinjaSat
3.1 NinjaSat の概要
ここ 10 年ほどの間に、欧米をはじめとし、超小型衛星の商業利用が劇的に進んでいる。超小型衛星というのは、50 kg 程度の衛星から、キューブサットと呼ばれる 1U (10×10×10 cm3 ) を基本単位とする、従来よりもはるかに小さな衛星のことを指す。超小型衛星のメリットは、民生部品等を活用し、開発コストや開発期間を大幅に削減できることである。これにより、従来では考えられなかった、多数の衛星を打ち上げることで高頻度に地上を観測したり、インフラが整わない地域の通信網を確立するような、新しいビジネスが生まれている。超小型衛星は商業利用だけでなく、宇宙科学にも活用可能であり、その有効性に気付いた研究者らにより、少しずつプロジェクトが立ち上がっている、まさに黎明期にある。我々の X 線観測分野に限れば、天の川銀河における高温ガスの分布を観測する米国のHaloSat [10] や、軟 X 線の偏光観測を行う中国の PolaraLight [11, 12] が実施され、それ以外にも、国内外で様々なミッションが計画されている。

図3.1: NinjaSat の軌道上想像図。

10

(a)

(b)

55Fe 較正源

コリメーターGMC1

CXB シールド

RBM1

RBM2

ガスチェンバー~10 cm~30 cmスター
トラッカー

Front-end card
(FEC)

GMC2

~10 cm~20cm

Data acquisition(DAQ) board

~1

0

cm

~10

cm

図3.2: (a) NinjatSat 衛星全体の 3D モデル。(b) ガス X 線検出器 GMC の 3D モデル分解図。

50

NinjaSat は理化学研究所がリードする、世界初の超小型汎用 X 線天文衛星であり、図3.1に示すような 6U サイズ(10 × 20 × 30 cm3 ) のキューブサットを宇宙科学に応用する、野心的な試みである [4]。打ち上げは 2023 年 4 月に予定しており、Cygnus 補給機により国際宇宙ステーション (International Space Station; ISS) に輸送される。その後、ISS において 3 ヶ月程度の待機期間を経て、Cygnus 補給機が ISS を離脱する際に、高度 450–500 km まで上昇した後で宇宙空間に放出される。ISS 経由の放出となるので、軌道傾斜角*1 は 51.6◦ である。運用期間は 1 年をベースラインとし、衛星の健全性が保たれている間、継続する。超小型衛星であるため、大型衛星と比較すると有効面積が制限されることになるが、装置の故障やパイルアップ、データ転送の観点から大型衛星には明るすぎて観測が難し
い天体を観測できるという利点がある。また大型衛星の場合、公募により多くの天体を観測するため、一つの天体を長期的に占有観測することは難しい。これに対し NinjaSat では、超小型衛星の利点を活かし、目的に特化した長期
間にわたる自由度の高い観測計画の立案が可能である。NinjaSat の観測ターゲットはブラックホールや中性子星連星などの X 線天体であり、その中でも 100 mCrab *2 を超える明るい天体を主な対象とする。
図3.2に NinjaSat 衛星全体の 3D モデルを示す。NinjaSat には 2–50 keV に感度をもつおよそ 1U の非撮像型ガス

X 線検出器 (Gas Multipllier Counter; GMC) と Si-PIN フォトダイオードを用いた放射線帯モニター (Radiation
Belt Monitor; RBM) を 2 台ずつ搭載する。姿勢制御や地上との通信などを担う衛星本体のバスシステムについて*1 地球の赤道面と軌道面が交差する角度。0◦ であれば赤道上空を回る軌道となる。
*2 1 Crab は、X 線天文学における標準光源である「かに星雲」の X 線強度 2.4 × 10−8 erg cm−2 s−1 を基準とする単位。

11

identical Gas Multiplier Counters (GMCs), which are the main science payloads, attached to each end of the side,
two Radiation Belt Monitors (RBMs) for safety monitoring of the background environments, and one star tracker
at the center of the side. The boresights of the two GMCs and two RBMs are aligned to the same direction asthat of the star tracker. Each of the GMCs is a 0.5U-size X-ray gas detector sensitive for the 2–50 keV energy
band. The module measures individual radiation events with an energy deposit in the gas recorded by a 12-bit
ADC with a time resolution of 122-µs. An X-ray collimator attached to it determines a field of view of 2.1 .
The combined e↵ective area is 36 cm2 at 6 keV for the two GMCs. The 2–20 keV sensitivity is expected to be
1.5 ⇥ 10 11 ergs s 1 cm 2 (0.5 mCrab) in a 10 ks observation.
RBM0

GMC0

RBM1

GMC1

Payloadcomm.
S-bandPayloadcontroller
(PC)

UHF
(Primary)

CAN
GPS

UHF
(Secondary)Star
tracker

Flightcomputer (FC)& ADCSSun
sensor x6
IMU

Magnetorq
uers x6

Reactionwheels x 4

Electric
Power
System(EPS)

Solarpanels

図3.3: NinjatSat 衛星全体の機能ダイアグラム。
Figure 3. Diagrams of NinjaSat subsystems.
Red boxes are the science payloads. The other bus systems are manufactured
by NanoAvionics.
は、リトアニアの
NanoAvionics
社に製作を委託し、既に複数の宇宙実績がある
サイズのバスWe
summarize theexpected key
parameters of NinjaSat in Table 1 and 6U
show
a summary(Multi-Purpose
diagram of thesatellite
subsystems
in Figure3. The science
weighskg combined, andof the satellite
6U Platform;
M6P)を用いる。衛星全体
6Upayloadsのうちおよそ2U 2.4を我々が開発する
GMCtheと totalRBMmassが占める。衛星のis about 9 kg. The manufacturer NanoAvionics will fabricate the satellite bus system on the basis of their
質量はおよそ 8 kg で、GMC と RBM の 1 台あたりの質量はそれぞれ 1.2 kg と 0.1 kg ほどである。検出器の視野
flight-proven Multi-Purpose 6U Platform (M6P). Solar panels provide Average Orbital Power (AOP) of >18 W,
10 × 30
cm2 の面に対して垂直な方向を向いており、両者の間に位置しGMCと同一方向を向くスタートラッカ
and はsupplyaverage
6 W to the science payloads. NinjaSat has the Attitude
Determination
and Control System◦(ADCS),
maintains the pointing accuracyof the satellite to be <0.5 degrees (or ideally, .0.1
degrees),
ーと、which
4 軸のモーメンタムホイールによって0.1 以下の精度で姿勢制御を行う。衛星全体の消費電力は16 W
ほど
utilizingsixSunsensors,
aninertial
sensor,magnetometers,
precisegyro(IMU),
andastar
tracker.
The
M6P(そのうち GMC 2 台の消費電力は軌道平均で 3 W 程度、RBM は 1 W 程度である) で、これを太陽光パネルおよびof NinjaSat is equipped with four reaction wheels and two sets of magnetorquers for actuation. The maneuver
リチウムイオン電池によりまかなう。

図3.3に NinjaSat 衛星全体の機能ダイアグラムを示す。NinjaSat にはそれぞれ同一デザインの GMC と RBM が2 台ずつ搭載され、GMC はそれぞれ衛星のペイロードコントローラー (PC) と Controller Area Network (CAN)
により通信する。GMC と RBM には衛星バスからそれぞれ独立に +5 V の電源が供給される。GMC に高電圧を印加したたま軌道上の荷電粒子が高い領域に突入すると故障の恐れがあるため、オーロラ帯や南大西洋異常帯といったProc. of SPIE Vol. 11444 114441V-4領域では、PC からの予約コマンドにより GMC onの高電圧を下げて対応する。一方、RBM は太陽フレアなどの予期
nloaded From: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie
21 Jan 2021
s of Use: https://www.spiedigitallibrary.org/terms-of-use

せぬ荷電粒子レートの急増を常にモニターしており、それを検知した際には、GMC に CAN 通信を用いてアラートを送る。また、PC からの予約コマンドが正常に機能しない場合のフェールセーフ機能としての役割も持つ。

3.2 Gas Multiplier Counter (GMC)
NinjaSat に搭載する非撮像型ガス X 線検出器である Gas Multiplier Counter (GMC) は、ガス電子増幅フォイル(Gas Electron Multiplier; GEM) を内蔵したガスチェンバー、チェンバーへの高電圧の印加およびアナログ信号処理を行う Front-end card (FEC)、デジタル信号処理ボード (DAQ)、視野角およそ 2.1◦ (FWHM) の金属コリメー
ター、検出器較正用 55Fe 線源、宇宙 X 線背景放射 (CXB) 減衰シールドで構成され、6 keV において 2 台合計で約

34 cm2 の有効面積をもつ。図3.2(b) には GMC の 3D モデル分解図を示しており、これらのコンポーネントが超小型衛星搭載用に 1U サイズ (10 cm 立方) に収まる非常にコンパクトな設計になっている。上記のコンポーネントの他に、ガスチェンバーの下に位置する超々ジュラルミン (7075-T7351) 製のベースプレートと、FEC および DAQ ボ

12

X線

1.545 cm

3.35 cm

ガスチェンバー
Be窓

有感領域
光電吸収

ドリフト電場

ΔVGEM
GEM
インダクション電場

読み出し電極9.5 cm
図3.4: ガスチェンバーの断面図。

ードをそれぞれ収める電磁シールドを兼ねたハウジングを合わせて、GMC 全体の質量は 1 台あたり 1.2 kg である(10% のマージン込み)。GMC で最も重いコンポーネントであるガスチェンバーの質量は 500 g 程度で、ベースプレートに対して M4 キャップボルド 4 本で固定する。ベースプレートが GMC と衛星全体のインターフェースとなり、合計 12 本の M2.5 皿ネジで衛星側面のフレーム部分に取り付けられる。

3.2.1

ガスチェンバー

ガスチェンバーは、玉川研究室で開発した宇宙実績のあるガス電子増幅フォイル (Gas Electron Multiplier; GEM)を搭載する謂わば比例計数管であり、X 線センサーとしての役割を担う。図3.4 にガスチェンバーの断面図を示す。チェンバー内部には XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガスが 0◦ C, 1.2 atm 換算で封入されており、入射した X 線は
まず内部のガス原子により光電吸収される。発生した光電子は周りのガスを電離させ、平均的には入射 X 線に比例した数の 2 次電子が生じる。この 2 次電子はチェンバー内部に形成したドリフト電場により GEM まで移動し、GEM
で電子数を数 100 倍に増幅する。増幅された電子はインダクション電場によって GEM の下に位置する読み出し電極まで誘導され、電極から電荷信号として読み出すことで X 線を検出する。ガスチェンバーの設計・製作の詳細については、4章にまとめる。

3.2.2 Front-end card (FEC)
図3.5 に GMC の機能ダイアグラムを示す。FEC の主な役割は、ガスチェンバーの GEM および読み出し電極の合計 4 箇所に対して最大 2 kV の高電圧を印加し、かつ 2 つの電極から読み出された信号をそれぞれ独立にアナログ処理して DAQ ボードに送ることである。またこのほかに、FEC には 7 つの温度計 (AD590LF) が備わっており、FEC および DAQ 上の素子やガスチェンバー、コリメーターの温度を 1◦ C より良い精度で測定する。図3.6に FECと DAQ ボードのフライトモデル試作機を示す。写真左側の基板が FEC で、右側が DAQ ボードである。FEC 基板
は 1 辺の長さが 8.8 cm、厚みが 2.0 mm であり、ベースプレート裏側にネジ留めされる。
図3.7は FEC の高電圧印加および信号読み出し部の回路図を示している。FEC で採用した高電圧印加モジュール(UMHV0520) は 0–5 V の入力電圧 (HV control) に対して 0–2 kV を出力する DC/DC コンバーターであり、最大
1365読み出し電極

FEC

ガスチェンバーDAQ board

図3.5: GMC の機能ダイアグラム。ガスチェンバー、FEC、DAQ 間の高電圧印加および信号処理の流れを表している。
52

およそ 2 kV の高電圧を GND に直列接続した 5 つの耐圧抵抗で分割することで、ガスチェンバー内の GEM と読み
出し電極にそれぞれ電圧を印加する。5 つの抵抗の一番下には 470 kΩ の抵抗があり、この抵抗にかかる電圧を電圧
フォロア回路によって読み出すことで、抵抗全体に流れる電流を測定し、その値から GEM に対して印加されている
電圧を常にモニターできるようになっている。我々はこの機能を HV monitor と呼んでいる。表3.1に GEM への印
加電圧 (∆VGEM ) を基準とした、UMHV0520 の出力電圧や GEM のアノード、カソード電極、読み出し電極にそれぞれ印加される電圧等をまとめた高電圧 (HV) テーブルを示す。おおよその運用電圧である ∆VGEM = 600 V における読み出し電極、GEM アノード、カソードへの印加電圧はそれぞれ 1802.8 V, 1202.8 V, 602.8 V である。高電圧印加モジュールはおよそ 40 kHz のスイッチング周波数を持ち、出力電圧にリップルがのっているため、HV 出力部
分にフィルター回路を噛ませている。さらに、モジュール本体からの電磁放射を遮蔽するために、モジュール全体を
アルミニウム製のシールドで囲っている (図3.6の写真左下のアルミボックス)。

2 つの読み出し電極には、高電圧印加部分と並列に 470 pF のコンデンサーが接続されており、電極で読み出された電荷信号をコンデンサー後段の電荷敏感型プリアンプ (Amptek 社製 A225) と増幅回路によってアナログ処理し、DAQ ボードに送る。これに加えて A225 の入力部分には 1 pF のコンデンサが並列に接続されており、DAQ ボー
ドからのテストパルス入力を受け付ける。軌道上では必要に応じてこのテストパルスを用いることで、FEC およびDAQ の健全性が確認できる。FEC 全体の消費電力は HV 出力が最大の状態で 115 mW ほどである。

3.2.3 Data acquisition (DAQ) board
DAQ ボードは図3.6右側に示すように一辺 9.0 cm の正方形をしており、質量はおよそ 70 g である。FEC でアナログ処理された X 線信号は、DAQ 初段のデジタルポテンションメーターを用いた増幅回路でアナログ処理された
後、analog-to-digital converter (ADC) により 25 MHz で連続サンプリングされる。サンプリングされる波形の長さは 1 イベントあたり 4.64 µs (116 サンプリング分) で、波高値や波形弁別に必要となる信号の立ち上がり時間などの情報 (暫定) を記録する。各イベントの時刻付け精度は 244 µs である。信号処理のスループットは、X 線で最も明るいさそり座 (Sco) X-1 の想定最大カウントレートである 500 counts sec−1 程度である。X 線信号を高速で処理するこの 12-bit ADC を我々は fast ADC と呼んでいる。DAQ は fast ADC の他に、HV monitor と温度計の値

14図3.6: (左) FEC と (右) DAQ ボードのフライトモデル試作機。FEC はベースプレート裏面にねじ留めされており、
ガスチェンバーのフィードスルーに高電圧ケーブルを接続して電圧を印加している。FEC–DAQ 間の信号ケーブルは全て接続済みで、両者の間に電磁シールド用のアルミ板を入れた状態で、図3.2(b) のように上下に重ねて組み立てる。

図3.7: FEC の高電圧印加および信号読み出し部の回路図。

15

表3.1: FEC の HV テーブル∆VGEM (V)a Ed (V cm−1 )b Ei (V cm−1 )c HVout (V)d I (µA)e HV monitor (V)HV control (V)Pad (V)f Anode (V)g Cathode (V)h

50

32.5

400.0

155.2

0.50

0.235

0.388

150.2

100.2

50.2

100

65.0

800.0

310.5

1.00

0.470

0.776

300.5

200.5

100.5

200

130.1

1600.0

620.9

2.00

0.940

1.552

600.9

400.9

200.9
301.4

300

195.1

2400.0

931.4

3.00

1.410

2.329

901.4

601.4

400

260.1

3200.01241.9

4.00

1.880

3.105

1201.9

801.9

401.9

500

325.1

4000.01552.4

5.00

2.350

3.881

1502.41002.4

502.4

550

357.7

4400.01707.6

5.50

2.585

4.269

1652.61102.6

552.6

560

364.2

4480.01738.6

5.60

2.632

4.347

1682.61122.6

562.6
572.7

570

370.7

4560.01769.7

5.70

2.679

4.424

1712.71142.7580

377.2

4640.01800.7

5.80

2.726

4.502

1742.71162.7

582.7

590

383.7

4720.01831.8

5.90

2.773

4.579

1772.81182.8

592.8

600

390.2

4800.01862.8

6.00

2.820

4.657

1802.81202.8

602.8

610

396.7

4880.01893.9

6.10

2.867

4.735

1832.91222.9

612.9

620

403.2

4960.01924.9

6.20

2.914

4.812

1862.91242.9622.9a

GEM 印加電圧b

ドリフト電場c

インダクション電場d

UMHV0520 の出力電圧e

抵抗チェーンに流れる電流値f

読み出し電極の印加電圧g

GEM アノードの印加電圧h

GEM カソードの印加電圧を 100 ms 間隔でサンプリングする 8 ch の ADC (slow ADC) をもち、GMC の健全性確認のための Housekeeping(HK) data として記録している。
DAQ はボード上のリレーを介して FEC の温度計以外の素子に対し +5 V の電圧を供給する。温度計について
はリレーを介さずに直接電圧を供給し、DAQ のみを起動した状態でも GMC 各所の温度計測が可能である。また、

2 ch の低速 digital-to-analog converter (slow DAC) を用いて、FEC 上の HV モジュールのコントロール電圧 (HV
control) を調整することによるガスチェンバーへの電圧印加や、テストパルスの入力を行う。

3.2.4

コリメーター

ガスチェンバーの Be 窓の上部には、図3.8(a) に示すように、天体からの X 線に混入する CXB の割合を低減するのを目的に GMC の視野角を絞るコリメーターを設置している。このコリメーターは厚み 50 µm のステンレス(SUS304) 板に、エッチングにより幅 600 µm の六角形の孔を 700 µm ピッチ (すなわち、桟の幅は 100 µm) であけ、それを 300 枚重ね合わせて拡散接合*3 することにより製作している。高さは 1.5 cm で、開口部分の直径は 7.0 cm、質量はおよそ 160 g である。図3.8(b) に X 線発生装置と CCD イメージセンサを用いて測定した、コリメーター開口率の X 線入射角に対する依存性を表すグラフを示す。コリメーターの光軸が 0◦ に対応し、視野の中心に相当する
この時の開口率は 69% であった (設計値は 74%)。六角形孔の対角方向の視野角は 2.1◦ (FWHM) で、桟方向の視野*3 加圧しながら加熱することにより、金属の接触面における原子の拡散を促し、接合する方法。

16

図3.8: (a) ガスチェンバー上部にコリメーターと 55Fe 較正源を取り付けた写真。(b) X 線入射角に対するコリメータ
ーの開口率。コリメーターの光軸が 0◦ に対応する。六角形の孔の対角方向の視野角はおよそ 2.1◦ (FWHM) で、視野の中心におけるコリメーターの開口率はおよそ 69%。

角は 2.0◦ である。
コリメーターおよびアルミ格子窓の開口率、Be 窓の透過率、XeArDME ガスの検出効率を考慮して見積もった、

GMC 2 台合計の有効面積を表すグラフを図3.9に示す。GMC では外側電極に囲まれた内側電極の方が反同時計数による荷電粒子イベントの除去が効率的に働くため、S/N 比が高くなる。したがって、100 mCrab 以下の GMC にとって比較的暗い天体については、内側電極のみを用いてデータ解析を行うことが想定されている。図3.9のグラフには、それぞれ内側、外側電極のみの場合の有効面積と、2 つの電極を合計した有効面積を示している。6 keV における 2
台合計の有効面積はおよそ 34 cm2 である。

3.2.5

55

Fe 較正源ガスチェンバー内部の GEM の電子増幅率や FEC, DAQ の回路ゲインは温度変化に伴い数% から 10% 程度変動
する可能性がある。GMC の温度特性は地上において熱真空試験などを実施してあらかじめ確認し、その結果をもとに衛星軌道上での観測結果の補正を行う予定であるが、実際に打ち上げてからも軌道上で検出器の較正ができるように GMC には較正用の 55Fe 線源を搭載している。図3.8(a) に示すように、55Fe 線源を密封するアルミニウム製線源
ホルダーのサイズは 1.45 × 0.50 × 0.35 cm3 と小型で、コリメーターの 6 つあるネジ留め箇所の一つに、コリメータ
ーの上から共締めする。コリメーターの開口部に飛び出した線源ホルダー先端部分に、300 kBq の 55Fe を滴下乾燥したアクリル板を納め、ホルダーの底面にあけた直径 1 mm の穴からコリメーターに X 線が照射される。X 線はコ
リメーターにより絞られ、外側電極の外縁部から内側 2 mm の位置に相当する Be 窓上の箇所を中心に直径 0.9 mmの範囲に照射される。X 線により発生した電子のチェンバー内における拡散を、ボルツマン方程式を解くモンテカル
ロ法シミュレーターである Magboltz[13] を用いて見積もると片側 0.4 mm ほどであるため、読み出し電極における電子の広がりは直径およそ 2.6 mm で外側電極の範囲内におさまる。

GMC を較正する上で、55Fe 線源には CXB や荷電粒子などのバックグラウンドに埋もれない程度の強度が必要であるが、天体を観測する上で邪魔にならないことも重要である。我々はこれらの点を考慮し、ガスチェンバーでの検出

17

35

全体

EÆective area (cm2 )

30
25
20
15

内側電極
外側電極

10
5
0 0
10

101

102

Energy (keV)
図3.9: GMC 2 台合計の想定される有効面積。コリメーターの開口率は 69%、Al 格子窓の開口率は内側電極で 74.4%、
外側電極で 71.6%、Be 窓の厚みは 100 µm として見積もっている。

レートがおよそ 1 counts sec−1 (cps)*4 になるように設計した。300 kBq という線源強度はこれを満たすように設定されており、線源ホルダーおよびコリメーターの幾何構造から、ホルダー直下における線源強度は 500 counts sec−1
ほどで、コリメーター通過後におよそ 1 counts sec−1 になる。5 台のフライトモデルの開発が既に完了し、カウント
レートの実測値に 2.74 年の半減期を考慮すると、打ち上げ時点で ∼ 1 counts sec−1 になることが確認できている。

3.2.6 CXB シールド
宇宙 X 線背景放射 (Cosmic X-ray Background; CXB) は遠方の活動銀河核由来のほぼ等方的な X 線放射であり、GMC の主なバックグラウンドの 1 つである。CXB スペクトルは硬 X 線領域にも伸びているため、GMC の視野
外から入射した場合であっても、チェンバー壁面を透過して内部のガスと反応し、観測のバックグラウンドとなる。

CXB の場合、荷電粒子と異なり、2 つの電極による反同時計数や信号の立ち上がり時間の違いを用いた X 線との弁別は基本的にはできない。したがって、GMC では光電吸収を利用したパッシブな CXB 遮蔽シールドでガスチェン
バーを囲むことでバックグラウンドレートを低減する。一方、荷電粒子のエネルギーは CXB と比較して 2 桁以上高
く、パッシブなシールドで効率的に遮蔽することはできない。
衛星全体の設計要求として、GMC 1 台あたりの質量は 1.2 kg 以下である必要があり、CXB シールドついては質
量 150 g 以下を満たすことを条件として設定した。その上で、放射線と物質の相互作用をモンテカルロ法によりシミ
ュレートできる Geant4[14] を用いて、シールドに用いる素材と厚み、設置箇所の最適化を行った。シールド無しの場合、チェンバー壁面での透過率が高く、かつ内部の Xe ガスで検出される可能性が比較的高い 34.6 keV*5 以上のCXB が最も観測に影響を与えることがわかった。そこで、シールドに使用可能な重金属の中で 35 keV 以上の遮蔽能*4 55Fe 線源 (5.9, 6.5 keV) を GMC で測定した場合、エネルギー分解能は 20% ほどであるため、 55Fe スペクトルの ±2σ の範囲はおおよそ 4.9–6.9 keV である。この範囲の X 線強度が 1 counts sec−1 となる天体の明るさは ∼100 mCrab である。

*5 Xe 原子の K 吸収端に相当する。

18

図3.10: GMC に組み込む CXB シールドの 3D モデル。見易さのため、シールド以外のコンポーネントについては表示していない。

力が最も高い Sn をメインの素材として選択している。図3.10の 3D モデルに CXB シールドの設置箇所を示す。Sn
シールドはチェンバー側面およびコリメーター設置箇所を除いたチェンバー上面と、チェンバー底面、FEC ハウジ
ングの底面および側面の合計 4 箇所に設置する (Sn シールドのパーツ数としては 7 つ)。厚みはチェンバー側面のみ

0.8 mm で、そのほかは 0.5 mm である。チェンバーの下方向のシールドは、チェンバー底面と FEC ハウジング底
面の 2 重になっている。これは、チェンバー底面のシールドは放電防止のためにフィードスルー部分をくり抜いた形になっており、FEC ハウジング底面のシールドがなければ、PEEK 製で透過率の高いフィードスルーから CXB が混入してしまうためである。また、CXB が Sn シールドで光電吸収されると一定の確率で Sn の特性 X 線 (Kα1 =25.3 keV, Kα2 = 25.0 keV, Kβ = 28.5 keV) が放出されることから、この特性 X 線を遮蔽するため、チェンバー側面と上面、底面の 3 箇所には、Sn シールド内側に 0.05 mm 厚の Mo シールドを設置している。
図3.11に、Geant4 で見積もった CXB シールドを設置した場合に想定される CXB のスペクトルを示す。グラフの横軸は X 線の入射エネルギーではなく GMC での検出エネルギーである。グラフには CXB シールドを設置していない場合のスペクトルも示しており、CXB シールドを設置することによって特に高エネルギー側を減衰することができている。低エネルギー側の減少率が少ないのは、そもそもシールドがない場合であっても、GMC の視野外からの CXB のほとんどはチェンバー壁面を透過できず、視野内からの寄与が支配的なためである。またこのことに加えて、Xe の K 吸収端 (34.6 keV) 以上の CXB がチェンバー内部の Xe ガスにより光電吸収されると、90% 以上の確率でおよそ 30 keV の Xe の特性 X 線が放出され、さらにその 90% 以上は GMC の有感領域外に抜け出す。その結果、最終的な検出エネルギーは入射 X 線のエネルギーから 30 keV を引いた値となり、このようなイベントが低エ
ネルギー側のスペクトルに寄与している。グラフにはかに星雲 (Crab) のスペクトルも示した。CXB スペクトルとCrab スペクトルの交点は CXB 設置前には 20 keV 程度であったが、シールドを設置することにより、GMC の観測
帯域の上限である 50 keV 付近まで改善している。実際の観測では、軌道上における CXB スペクトルを実測してモデリングすることにより、CXB の影響をさらに低減する予定である。

19

5

#$%&'()()*+,!""

0

図 4: 波形シ
波形。
counts/s/keV!"#$!"#$%&'()'!%&!"#$*+'()'!%&!"!

V

光源である。シールドを仮定した場合の CXB スペクト
ルは Crab スペクトルと 50 keV で交わり、観測帯域 2–
50 keV での CXB 低減率は十分であると言える。シール
ド最適化の結果、質量 150 g という制限の下、可能な限
り CXB を減衰させることができた。

10
1

!"#!

10! 1

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10! 2
!3

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10
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図 3: シールドを仮定した場合の CXB スペクトル。

10! 4

図3.11: CXB シールドを設置した場合に想定される CXB のスペクトル [15]。検出器のエネルギー分解能は考慮していないため、特性 X 線に相当するピークが鋭く立っている。

6

宇宙線バックグラウンド推定

図 5: 波形弁
ドスペクトル()(
8 結論やオーロラ帯などの放射線強度が高い領域を通過する。図3.12に、高度およそ 400 km の ISS にて運用中の全天 X 線
陽活動周期) によって変化する。そこで本章では NinjaSat
監視装置 MAXI に搭載されている RBM-H で測定されたカウントレートのマップを示す。SAA や北米あたりのオ
Geant4 を軌道で想定される宇宙線バックグラウンドレートを見積
ーロラ帯などの高緯度地域では、低緯度地域と比較して最大で 5 桁近くカウントレートが高い。GMC では観測時にCXB スペク
もることを目的とする。シミュレーションで仮定する宇600 V 程度の高電圧を
GEM に印加するが、GEM に高電圧をかけたまま高放射線環境に曝されると、GEM がダメ
観測帯域に影宙線エネルギースペクトルを導出する。導出方法は Webージを負う可能性があり、最悪の場合には観測不能になる。したがってこのような領域に入る際は、あらかじめ予約
ラウンド推定していたコマンドを衛星のPC から GMC に送り、GEM の印加電圧を数
100 V ほど下げることで対応する。一方
上で宇宙線フラックスの計算ができる
SPENVIS[8]や文で RBM の役割は、太陽フレアなどに起因する予期せぬ荷電粒子レートの急増をモニターすることで、あらかじめ設
時計数と波形献 [9] と文献 [10] から宇宙線フラックスの式を引用し、定しておいた値以上のカウントレートを検知した際には、GMC にアラートを送り、GEM の印加電圧を下げる。
ドレートは C
それらを元に NinjaSat 軌道で平均化した。平均化した
図3.13(a) に NinjaSat に搭載する RBM の 3D モデルを、(b) に回路基板のフライトモデルを示す。RBM は、サ
見積もり、宇イズ 9 ×宇宙線エネルギースペクトルを元にシミュレーションを
9 mm2 、厚み 500 µm の Si-PIN フォトダイオード (浜松ホトニクス社製 S14605) を用いて電子・陽子て本研究の目行った結果、宇宙線合計レートは2–50 50keV
で 21 cps、等の荷電粒子を計数する。
Si-PIN の上部には光の漏れ込み防止のためにµm 厚のアルミニウム箔を接着し、さらにその上から
5 × 5 mm2 の開口部を持つアルミニウム製のコリメーターがのる。回路基板は超々ジュラルミン
を可能な限り反同時計数によるバックグラウンド除去を仮定した場合
3(7075-T7351) 製のハウジング (サイズ: 9.5 × 3.2 × 1.7 cm ) 内に収められ、図3.2(a) に示したように GMC と同一
7.8 cps であり、約 6 割の宇宙線バックグラウンドを除去
方向を向けて衛星フレームにネジ留めされる。Si-PIN には +5 V 入力、+30 V 出力の DC/DC コンバーターによReferen
できることを確認した。
り電圧を供給し、取得した信号を FEC と同じく A225 プリアンプを用いてアナログ処理した後、コンパレーターを
3.3

放射線帯モニター (RBM)

NinjaSat は高度
450–500 km、傾斜角 51.6◦ の地球周回軌道に放出されるため、周回毎に南大西洋異常帯(SAA)
宇宙線フラックスは衛星の位置
緯度 や高度、時期 太

波形シミュレーション

用いて出力電圧を事前に設定したスレッショルド電圧と比較し記録する。Minimum ionizing particle (MIP)[1]に相当Matsuoka

7

本章では波形弁別処理後の宇宙線バックグラウンドレー
トを見積もることを目的とする。波形弁別を模擬するた
めに、X 線と宇宙線波形を作成するためのシミュレーター
を開発した。まず Geant4 シミュレーションをベースに、
20[2] Enoto et a[3] T. Tamaga[4] 井上一 小山[5] Giacconi R[6] 槙野文命, 2[7] AGOSTIN
ods. Phy

図3.12: MAXI/RBM-H のカウントレートマップ。図提供: 中平聡志氏 (JAXA)。

図3.13: NinjaSat に搭載する RBM の (a) 3D モデル, (b) 回路基板のフライトモデル。

する検出エネルギーは、電子、陽子ともにおよそ 140 keV である。GMC における電子と陽子の検出レートの増加を見逃さないように、RBM のスレッショルドエネルギーには電子に対応する 100 keV と陽子に対応する 500 keV の 2
つの値を設定し、どちらかのカウントレートがそれぞれ 400 counts sec−1 , 20 counts sec−1 を超えた場合には GMCにアラートを送る*6 。

3.4

観測計画

米国の HaloSat[10] や中国の PolarLight[11] など、超小型衛星を用いて科学的成果をあげたものに共通しているのは、観測目標を少数に絞り、明確化している点である。感度の良い汎用の大型 X 線衛星と同じような運用をしても、*6 アラート発行の条件は暫定値であり、地上および軌道上での較正試験の結果をもって最終決定する。

21

図3.14: X 線連星からの電磁放射の想像図。中心天体が中性子星の場合は、いまだ検出されたことがない定常重力波の放射も期待でき、マルチメッセンジャー観測も可能となる。

同じ観測時間で得られる結果には大きな差が生まれる。超小型衛星を用いる際は、汎用大型衛星には実施が難しい、
あるいは現実的に実施不可能な観測を行う必要がある。

NinjaSat の主な観測計画の 1 つは、地上の可視光・電波天文台と連携して、明るい X 線天体の多波長同時観測を長期的に行うことである。ブラックホールや中性子星などのコンパクト天体を含む連星系では、伴星からの質量降着に伴い、3.14に示すように、可視光や X 線、電波ジェットなど、広い波長帯域での電磁放射が観測されている。これ
らの放射はミリ秒以下から数ヶ月のタイムスケールで激しく変動しており、一般に質量降着の不安定さや、降着流のジオメトリの急激な変化、あるいは磁気エネルギーの開放などに起因すると考えられている。質量降着機構の包括的な理解には、降着円盤全体からの放射、すなわち電波から X 線までの多波長にわたる放射を、同時観測することが必要不可欠である。しかし、このような観測はこれまでにいくつかの例があるものの [1, 2, 3]、十分には行われていな
いのが現状である。また、質量降着は確率過程であるため、観測の有意度を高め、決定的な証拠を得るためには長期的な観測が必須であり、大型 X 線衛星との相性は良くない。そこで NinjaSat では超小型衛星の利点を活かし、多波
長占有観測をこれまでになく長期に実施し、質量降着機構の解明を目指す。図3.15 は、Sco X-1 を NinjaSat で観測した場合に想定されるライトカーブであり、X 線強度の秒スケールの変動が確認できる。

NinjaSat では理研が ISS で運用中の MAXI などが発見した突発天体の追観測も実施する。特に 100 mCrab を超えるような明るい X 線天体が発見されたあとには、数時間から 1 日程度のタイムスケールで姿勢を変更して観測を行う。突発天体のようにあらかじめ予定に組み込めない観測を、比較的迅速に行えるのも超小型衛星の利点である。以上の 2 つの観測を 1 年間の運用期間中に実施するというのが NinjaSat の成功基準におけるフルサクセスに相当する。
我々はこれに加えて、エクストラサクセスとして、Sco X-1 からの定常重力波の発見を最終目標とした、中性子星自転周期の決定を目指している。また、X 線天文衛星としては世界初の試みとして、高校生や大学生などの教育利用に観測時間の一部を提供することも検討している。

22

Figure 14. Fast time-variability observed in an optical observation (R-band) of Sco X-1 (V818 Sco) with a time binning of
20-second exposure, observed on 2009 March 20. The figure by courtesy of Hiroyuki Maehara (Kyoto University, Japan),reported at VSOLJ Variable Star Observation database (vsolj-obs 29908).

FigureNinjaSat
15. NinjaSat
fake 1-sec binnedof Sco X-1, scaled
from theactual NICER light curve
obtained2019
図3.15:
で想定される
Sco light
X-1 curveのライトカーブ。
NICER
衛星による観測結果(2019
年 2 月on24日) を両者
February 24 (ObsID 1108030112). The NICER single module count-rate is ⇠2300, while the assumed NinjaSat rate isの有効面積でスケールして作成している。
1000.

X-ray detection was limited by only a few observatories despite the fact many more X-ray observatories were in
operation at the time that were technically capable of detecting it simply because they were not pointing to thesource at the timing of the burst. This demonstrates the fact that large observatories tend to miss observation
opportunities of important but fleeting events due to lack of flexibility. Small satellites like NinjaSat are mostuseful to make a more daring use of the observation time and fill observation gaps.
5.2.3 Education and outreach available as the first amateur X-ray astronomical telescope
Education and public outreach are essential for continued development and sustainability of space science. While
there are small ground-based telescopes available for individuals and universities in optical astronomy, no counterparts have been available for X-ray astronomy. With NinjaSat, we plan to develop observing programs inconjunction with space education and outreach to high-school and university students.
Since NinjaSat’s features are similar to those of small ground-based optical observatories owned by universities
and individuals, we hope to use it partly as the world’s first amateur X-ray astronomical telescope. We can provide
educational courses for high school and undergraduate students with hands-on training about X-ray astronomy
and observations, the subject of which a majority of them would be unfamiliar with. Recently, research activities
have been accepted in the national curriculum standards as a part of inquiry-based learning for the Japanesehigh schools. NinjaSat can provide suitable subjects for such activities. NinjaSat outputs non-imageable X-ray

23
Proc. of SPIE Vol. 11444 114441V-17
Downloaded From: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie on 21 Jan 2021
Terms of Use: https://www.spiedigitallibrary.org/terms-of-use

第4章

ガスチェンバー部の設計・製作
超小型衛星に搭載するために、GMC のガスチェンバーにはサイズが 10 × 10 × 4 cm3 以下、質量が 500 g 以下という厳しい条件が課せられている。GMC には X 線望遠鏡が非搭載で集光性能を持たないため、チェンバーでは上記の条件や機械的な強度を満たしつつ、検出器の有効面積をできる限り大きくする工夫が必要になる。さらにガスを封じ切った状態で 2 年以上ガスの純度を保つことも求められる。そこで、ガスチェンバーの全ての部分を新規開発することにした。図4.1にガスチェンバー部の 3D モデル分解図を示す。ガスチェンバー部は大きく分けてチェンバー本
体とセンサー部の 2 つからなる。本章では、それぞれのパーツの設計と製作についてその詳細を述べる。

Al製格子窓SUS310製リング
エポキシ系接着剤 (Supureme10HT)Be 窓

SUS-Al トランジション材

センサー部 (GEM, 読み出し電極等)
チェンバー下部
高電圧印加用フィードスルー

図4.1: ガスチェンバー部の 3D モデル分解図。
64

24

図4.2: ガスチェンバーのフライトモデル試作機の写真: (a) チェンバー上部の X 線入射窓, (b) チェンバー底面の高電圧印加用フィードスルーおよびガス封入用銅パイプ

4.1

チェンバー本体

500 g 以下という質量に対する条件を満たすため、チェンバー本体の材料には、密度の小さいアルミニウム (Al) を可能な限り使用する方針にした。そこで、宇宙機開発の実績があり、Al 製チェンバーの経験が豊富な株式会社ムサシ
ノエンジニアリングに製作を依頼した。我々の希望を伝えた上で設計図面を作成してもらい、こちらで機械強度や観測上の問題点が生じないか等の検討を行ったあと、実際にチェンバーを製作してもらった。図4.2に開発したガスチェ
ンバーのフライトモデル試作機の写真を示す。ガスチェンバーの形状は、対称性がよく強度に優れた円筒形を採用した。直径は 9.5 cm、高さは 3.35 cm で、サイズに対する要求である 10 × 10 × 4 cm3 以下を満たし、1U サイズの

GMC のおよそ 1/3 を占める。全体の質量は 473 g であり、こちらも要求値の 500 g 以下を満たしている。また、組み立て前のチェンバー各所のリークレートは、ヘリウムリークディテクターを用いて測定しており、10−11 Pa m3 sec−1
以下のリークレートでガスを封止しできていることを確認している。このリークレートは 2 年間でおよそ 0.1% の圧力低下に相当し、ガスチェンバーのリークレートに対する要求仕様 (10−10 Pa m3 sec−1 以下) を満たす。

4.1.1 Be 窓部
軟 X 線領域を観測するガス X 線検出器の入射窓には、検出器内外の差圧に対する機械的な強度を持つとともに、X線に対する高い透過率が要求される。光電吸収の反応断面積は原子番号のおよそ 5 乗に比例する (2.2式) ため、高い透過率を得るためには原子番号が小さい素材を用いることが重要である。GMC チェンバーの X 線入射窓には、直径90 mm、厚みおよそ 100 µm の Be 箔を用いる。Be は原子番号が小さく、さらに常温で固体として存在して機械的強度も高いため、X 線入射窓として一般に利用されている素材である。Be 窓部はこの Be 箔の他に、Be 箔を接着す
る SUS310 製リングとエポキシ系接着剤、封入ガスの圧力を支える Al 製格子窓の 4 つからなる。図4.3に Be 窓部の3D モデルを示す。
SUS310 製リングの外径は直径 90 mm であり、エポキシ系接着剤で Be 箔外縁の幅 5.5 mm の部分を接着し、ガスをチェンバー内部に封止する。接着剤は部分的にチェンバー内部のガスと触れることになるため、NASA の低アウ

25

(a)

(b)

Al 格子窓1.5 mmSUS 310 リング

6.7 mm

接着剤 10 HT(100 μm)

10 mm
φ70
φ90

Be 箔
(~100 μm)

5.5 mm
Be 接着箇所 (裏側)

図4.3: Be 窓部の 3D モデル: (a) 上から見た図。(b) 断面図。

トガス仕様を満たし、かつ高い剪断・剥離強度もつ Master Bond 社製の Supreme 10HT を採用した*1 。Supreme

10HT は 121◦ C を 1 時間保持して接着する熱硬化型の接着剤であるため、Be 箔とリングの熱膨張係数66(coeﬀicientof thermal expansion; CTE) の違いに起因する Be 窓の歪みが少なからず生じ、ガスを封入して圧力がかかった際に想定外の応力が発生してリークの原因になる。そこでこの歪みを最小限にするために、Al やスレンテス材の中でも一般的な SUS304 ではなく、より Be と CTE の値が近い SUS310 を採用し*2 、さらに非対称な熱膨張を軽減するた
めに、接着前にアニール処理を施している。
チェンバーの内部にはガスを 0◦ C, 1.2 atm 換算の圧力で封入する。宇宙空間ではこの圧力がチェンバー内外の差圧としてそのまま Be 箔全体にかかるため、Be 箔の外側に位置する Al 格子窓により Be を支える構造になっている。Al 格子の開口率は検出器の有効面積を決める重要なパラメーターの一つであり、Be 窓の保持性能と開口率のト
レードオフを考慮して決める必要がある。Be 窓上部に設置するコリメーターの開口率はおよそ 70% で、我々はこれと Al 格子窓を合わせた全体の開口率としておよそ 50% が達成できるように、Al 格子窓についても 70% の開口率を目標とした。検討の結果、開口部の直径は 10 mm、桟の幅は 1.5 mm を採用することにした。開口率の設計値は後述の内側電極部分で 74.4%、外側電極部分で 71.6% である。また、Be の保持性能については、チェンバーのフライトモデル試作機に実際と同様に 0◦ C, 1.2 atm 換算でガスを封入し、真空炉内で衛星の生存温度範囲である −30 ∼+60◦ C の範囲で温度を変化させ、十分な耐性があることを確認している。

4.1.2 SUS-Al トランジション材
ガスチェンバーの下半分は軽量化の為に Al 製にしており、Be 窓のリング部分には前述のように SUS310 を使用している。ステンレスと Al は電子ビーム溶接ができないため、両者の間には SUS304, Ti, Al (A1050) を爆発圧接*3 し*1 採用前には、宇宙における温度変化に対する耐性を確認するために、NinjaSat 衛星の生存温度範囲である −30 ∼ +60◦ C で合計 8 サイク

ルにわたる熱サイクル試験を実施し、試験前後ともにリークがないことを確認した [16]。
*2 線熱膨張係数の値は Be が ∼ 12×10−6 K−1 、
SUS310 が ∼ 14.4×10−6 K−1 、
SUS304 が ∼ 17.3×10−6 K−1 、Al が 21–24×10−6 K−1である。
*3 俗に、爆着と呼ばれる

26

(a)

(b)

SUS-Al トランジション材

27 mm

Be 窓部

SUS304Ti
Al (A1050)

φ84
φ85.6

Al (A5056)

φ95電子ビーム溶接箇所

図4.4: SUS-Al トランジション材の 3D モデル: (a) 斜め上から見た図。(b) 断面図。

た SUS-Al トランジション材をかませ、ステンレス同士、Al 同士で電子ビーム溶接することでガスを封止している。
図4.4にこの部分の 3D モデルを示す。図4.4(b) の断面図には、トランジション材の上下に位置する Be 窓部と Al 材
および溶接箇所も示している。
74

4.1.3

チェンバー下部

図4.2(b) に示したように、チェンバー下部はガス封入用の 3/8 インチ銅パイプと 4 つの高電圧印加用フィードスル
ーを備えている。図4.5にチェンバー下部の 3D モデルを示す。銅パイプはチェンバー下部の中央部に溶接されており、チェンバー下側に伸びる。チェンバー下部の上面には後述する直径 83.6 mm の円形センサー部品がのるため、真空引きの際に内部のガスを効率的に排気できるように、図4.5(a) に示すような十字方向の凹加工 (幅 8 mm, 深さ 1 mm)が施されている。また、SUS-Al トランジション材とチェンバー下部の間に位置する Al 部品のチェンバー壁面に相当する箇所についても、排気効率を上げるために同様の凹加工を施している。
(a)

(b)

φ4.1貫通穴

電子ビーム溶接箇所

4

フィードスルー4

3/8 インチ銅パイプ

図4.5: チェンバーの 3D モデル: (a) 斜め上から見た図。(b) 断面図

27
75

(a)

(b)
M1ネジ用タップ
2 mm

ガス抜き穴
接着剤 (10HT)

14 mm

PEEK

接着剤 (10HT)
PEEK

高電圧印加用銅電極

20 mm

φ2.1貫通穴

図4.6: フィードスルーの 3D モデル: (a) 斜め上から見た図。(b) 断面図

4.1.4

フィードスルー76

ガスチェンバーのフィードスルーは、小型・軽量かつ低いリークレートを実現するために、市販品ではなく新規に開発を行った。図4.6に示すように、フィードスルーは高電圧印加用の銅電極と、ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)
製の 2 つの絶縁パーツ、10HT からなる。まず、銅電極と 2 つの PEEK パーツ間を 10HT で接着することで、銅電極の側面に沿った経路でのリークを封止し、その後、チェンバー下部と上側の PEEK パーツ間を 10HT で接着することで、チェンバー内部からのガスのリーク経路を全て封止している。
銅電極のチェンバー内部側には、高電圧印加のために使用する M1 ネジ用のタップが切られており、さらに、真空引き後にチェンバー内に残存するガスを減らすための工夫として、ガス抜き用の穴を設けている。チェンバー外側には直径 2.1 mm の貫通穴を開けており、FEC から圧着端子付きのケーブルを伸ばしてネジとナットで固定すること
で、チェンバー内部のセンサーに電圧を印加できるようになっている。また、銅電極と GND 電位であるチェンバーの金属部分の絶縁距離は全ての箇所で 2 mm 以上を確保している。

4.1.5

ガス封入用銅パイプ

ガスの封入はチェンバー下部中央に溶接された 3/8 インチ銅パイプ経由で行う。銅パイプの元々の長さはおよそ200 mm で、図4.7(a) に示すように、真空引きおよびガス封入用配管に接続される。ガスを封入し、試験を実施して検出器の健全性が確認できた後、銅パイプは最終的に図4.7(b) に示すように油圧カッターを用いて両側から封じ切られる (ピンチオフ)。ピンチオフ後、チェンバー内部のガスは交換できないため、チェンバーや内部に搭載するセンサ
ー部品を、事前に十分にベーキングしてアウトガスを減らしておく必要がある。銅パイプのチェンバー底面からの長さはおよそ 3.7 cm で、銅パイプの先はチェンバーの下に位置する DAQ ボードからおよそ 2 mm ほど浮いた状態になる。

28

図4.7: (a) チェンバーを銅パイプ経由で真空引きおよびガス封入用配管に接続した様子。(b) 油圧カッターによる銅パイプのピンチオフ作業の様子。

4.2

センサー部

ガスチェンバー内に搭載されるセンサー部は、GEM と信号読み出し電極、カプトン製スペーサー、PEEK 製スペーサーからなる。図4.8にこのセンサー部の組み立て写真を示す。読み出し電極と GEM のアノード・カソードには最大 2 kV の高電圧がフィードスルー経由で印加される。チェンバーは GND 電位であるため、センサー部の下側および側面をシャーレ状の PEEK 製スペーサーにより囲むことで、チェンバーとセンサー間を絶縁している。読み出し
電極と GEM の間は 125 µm 厚のカプトン製スペーサー 2 枚によって絶縁されている。以下では GEM と信号読み
出し電極についてその詳細をまとめる。

4.2.1 GEM
GEM および読み出し電極はチェンバーの形に合わせて円形状のものを新規開発した。チェンバー内部の直径は8.4 cm であるが、そのうちの直径 6.7 cm の領域を有感領域として確保している。GEM は厚み 9 µm の銅極板を、厚み 100 µm の絶縁体 (Liquid Crystal Polymer; LCP) の両面に貼り付けたシート状の構造をしており、直径 6.7 cmの領域に 70 µm の貫通穴が 140 µm ピッチで無数に空けられている。GEM は、その外縁部を 2 枚のアルミ製リン
グで挟み込むことで、上下方向に撓まないようにしている。ただし、アルミ製リング間での放電を避けるために、2 枚のアルミ製リングはどちらも GEM のカソード電位になるように M1.6 金属ネジを用いて連結されており、GEM のアノードと下側のアルミ製リングの間には、カプトン製スペーサーを 1 枚挟むことで絶縁している。図4.9に示すように、センサー部全体はアルミ製リングの上から下部チェンバーに対して 8 本の M2 金属ネジによって固定している。
ただし、M2 金属ネジはチェンバーと同じく GND 電位となるため、アルミ製リングとの間を PEEK 製ブッシュを用いて絶縁している。

29

図4.8: センサー部の組み立て写真: (a) 下部チェンバーの上にシャーレ状の PEEK 製スペーサーを乗せた状態。(b)PEEK 製スペーサーの上に信号読み出し電極を乗せた状態。(c) 信号読み出し電極の上にカプトン製スペーサーを乗せた状態。(d) カプトン製スペーサーの上に GEM を乗せた状態。

GEM

M2金属ネジ

PEEK 製ブッシュ
アルミ製リング
カプトンスペーサー
信号読み出し電極
PEEK 製スペーサー
チェンバー下部

図4.9: M2 金属ネジによるセンサー部固定箇所の断面図。

30

X線

55Fe 較正源

1.5 cmコリメーター

1.545 cm

ガスチェンバー

荷電粒子
Be窓

有感領域
二次電子

電場
GEM
読み出し電極FEC
DAQ board

図4.10: GMC の断面図。

4.2.2

信号読み出し電極

信号読み電極は、
1 mm 厚のセラミック基板上に表面を金メッキした銅電極をプリントして製作している (図4.8(b))。

1.31 : 1.00 である。

ガスチェンバー

直径 6.7 cm の電極は、同心円状に内側と外側に分かれており、境界部分の直径は 5.0 cm、面積比は内側 : 外側 =GMC では 2 つの読み出し電極を用いて、観測のバックグラウンドとなる荷電粒子イベントの除去を行うことができる。図4.10に示すように、コリメーターを通過して入射してきた天体からの X 線のほとんどは片側の電極領域のみに電荷を発生させる*4 。一方で、チェンバーを貫通する荷電粒子のうち、図中に斜めの線で示したように 2 つの電極を跨ぐ場合には、経路に沿ってガス原子が連続的に電離し両電極で信号が発生するため、これらの反同時計数をとることで荷電粒子イベントの除去が可能になる。またこれとは別の手法として、信号の立ち上がり時間による X 線と荷電粒子の弁別も可能である。X 線により発生する光電子は光軸に対して垂直な面内に放出される確率が高く、チェン
バー内における 2 次電子の光軸方向に射影した電荷分布は局所的になる。一方で、視野方向から荷電粒子が入射した
場合、経路に沿って電子が発生するため、電荷は光軸方向の広い範囲で分布する。この X 線と荷電粒子の光軸方向の電荷分布の違いが、出力信号の立ち上がり時間に反映され、後者の方がより立ち上がり時間が遅くなる。上記 2 つの荷電粒子イベントの除去手法は、前者がチェンバー側面から入射した荷電粒子に対してより敏感であるのに対して、後者はチェンバー上部から入射した荷電粒子に対してより敏感であるため、互いに相補的な関係にある。

*4 X 線が電極の境界付近に入射した場合や、光電吸収した原子が特性 X 線を放出するような場合には、両電極に信号が発生する場合もある

31

第5章

ガスチェンバー部の開発・試験
5.1 GMC の要求性能とガスチェンバー部の主な開発・試験項目
NinjaSat に搭載する GMC の要求性能のうち、ガスチェンバー部に関係するものを表5.1 にまとめる。GMC の X
線観測帯域は 2–50 keV に設定しているが、ダイナミックレンジは、バックグラウンドのスペクトル形状を知るために、それより広い 100 keV までに設定してある。エネルギー分解能は 5.9 keV において 25% を達成することを目指
す*1 。また、全天で最も明るい定常 X 線天体であるさそり座 (Sco) X-1 に対して、パイルアップによるエネルギー分
解能の悪化や数え落とし等の問題がなく観測できるように、最大で 500 counts sec−1 程度の高レート耐性を有することが要求される。さらに衛星全体の設計要求として、GMC 1 台あたりの質量は 1.2 kg 以下である必要があり、ガスチェンバーについては質量 500 g 以下を目標値として設定した。この他に、GMC には打ち上げ時の加速度や音響振動に対する耐性、熱真空環境に対する耐性などが要求され、理研および名古屋大学、埼玉県産業技術総合センター(SAITEC)、宇宙科学研究所 (ISAS) が所有する実験装置を用いて各種試験を既に実施し、チェンバーおよび GMCの機械的・熱的な強度が要求を満たすことは確認済みである。
図5.1にガスチェンバー部の 3D モデル分解図と主な開発・試験項目を示す。1 点目の Be 窓の透過率は、GMC の検出器応答を作成する上で必要な情報である。特に、Be 窓の厚みと含まれる不純物の濃度は、観測帯域の下限である

2 keV における透過率に数 10% 程度の影響を与えるため、チェンバーを組み立てる以前に実験により評価しておく必要がある。2 点目の封入ガスについては、GEM の電子増幅度 (ゲイン) と検出効率の両面を考慮して最適化する必要があり、3 点目のドリフト電場・インダクション電場は、GEM で増幅した電子を効率的に読み出すために、選定したガスに対して最適化が必要である。GMC のコアデバイスである GEM には、ゲインやエネルギー分解能といった性能に個体差があるため、試験項目の 4 点目として、事前に複数枚の GEM についてその性能を確認し、衛星搭載品を選定した。また、GEM が故障し電子増幅機能を失うと天体観測不能となることから、1 年の衛星運用期間中に起きる放電・導通の回数を実験により見積もり、それに対し GEM が十分な耐性を持つことを評価した (5 点目)。最後に 6 点目として、ガスチェンバーの長期安定性 (ガスのリークと劣化の有無) を確認した。本章ではこれらの点に加えて、ガスチェンバーの真空引きおよびベーキング、ガス封入についてもまとめる。

*1 NinjaSat は分光よりも測光をメインに据えているため、エネルギー分解能に対する要求は厳密ではなく、目標値として設定している。

32

表5.1: ガスチェンバー部への主な要求性能。
項目

要求性能

X 線観測帯域

2–50 keV

ダイナミックレンジ<100 keV

検出効率

10 keV 以下でほぼ 100% かつ、50 keV までの高エネルギー X 線にも感度を持つこと

GEM 電子増幅度≥ 300 @∆VGEM a∼ 620 V

エネルギー分解能∼ 25% (FWHM) @5.9 keV 全面照射b

レート耐性

最大 500 counts sec−1 (Sco X-1 を想定)

放電耐性

2 年の運用の間に想定される GEM 電極間の導通事象に対する耐性が十分であること

質量≤ 1.2 kg (うち、チェンバー ≤ 500 g)

リークレートチェンバー全体で ≤ 10−10 Pa m3 sec−1a

GEM のアノード、カソード電極間に対する印加電圧。

b

チェンバー中心の上部に線源を設置し、両電極の全領域に X 線を照射した状態を全面照射と定義する。本来、GEM 全面に対して X 線を均等に照射するのが理想だが、大口径かつ長いビームラインが必要になるため、この方法を採用した。

(1) Be 窓の透過率測定(2) 封入ガスの最適化(3) ドリフト電場・インダクション電場の最適化(4) GEM の選定(5) GEM の放電・導通耐性の評価(6) ガスチェンバーの長期安定性の評価• ガスリークの有無の確認• ガスの劣化の有無の確認

図5.1: ガスチェンバー部の 3D モデル分解図と主な開発・試験項目。
45

33

5.2 Be 窓の透過率測定
5.2.1

目的

GMC で使用する Be 箔は日本ガイシ株式会社から購入したもので、純度は 99% 程度である。Be の組成について
は、表5.2に示したマテリオン社製の Be PF–60 に近いが、含まれる不純物の詳細な割合と、厚みの実測値の情報については提供を受けていない*2 。これら 2 つのパラメーターは特に 5 keV 以下の低エネルギー領域の有効面積に大きく影響するため、GMC を組み立てる前の単体試験で評価しておく必要がある。本試験の目的は、GMC のフライトモ
デル試作機用の Be 窓 1 枚 (#1) とフライトモデル用の Be 窓 3 枚 (#5, #6, #14) について、不純物濃度および厚みの面内ばらつきを X 線透過率の測定により評価することである。
表5.2: マテリオン社製 Be PF–60 の不純物濃度 [17]。

5.2.2CompoundMaximum (%)

CompoundMaximum (%)

Beryllium Oxide

0.8

Lead

0.002

Aluminum

0.05

Lithium

0.0003Boron

0.0003Magnesium

0.049

Cadmium

0.0002

Manganese

0.01

Calcium

0.01

Molybdenum

0.002

Carbon0.06

Nickel0.02

Chromium

0.01

Nitrogen0.03

Cobalt0.001

Silicon0.04

Copper

0.01

Silver

0.001

Iron

0.08

実験セットアップと試験の概要

図5.2(a) に実験セットアップの全体写真を示す。セットアップの主な構成要素は X 線発生装置、Be 窓、Si–PIN 検
出器の 3 つで、Be 窓の透過率は、光軸上に Be 窓を挿入した場合と挿入していない場合のカウント数の比を用いて測定した。測定に使用した X 線発生装置は、リガクの Geiger flex 4027 型である。X 線発生装置では、陰極のフィラメントを加熱することで生じた熱電子を高電圧で加速し、ターゲット金属に衝突させることで X 線を発生させる。
生じる X 線はターゲット金属固有の特性 X 線と、電子の制動放射による連続 X 線である。X 線発生装置の印加電圧
は 20 kV から 50 kV まで 2.5 kV 刻みで設定が可能で、電流についても 2–50 mA の範囲で調整できる。今回は電圧 20 kV、電流 2 mA に設定し、ターゲット金属として Ti, Fe, Cu の 3 つを用いた。X 線発生装置で発生した X 線
はおよそ 2 m の長さをもつビームパイプにより引き出され、その先端の鉛コリメーターにより、直径およそ 0.5 mmに絞られる。また、データ解析のし易さを考えると可能な限り単色 X 線に近いことが好ましいため、連続成分をカットするための金属フィルターをそれぞれのターゲットに合わせて使用した。本試験で透過率を測定するエネルギーは*2 Fe と BeO の含有率については、それぞれ 0.18%、1.2% 程度をあくまで参考値として提供されている。

34

図5.2: (a) 実験セットアップの全体写真と (b) Be 窓を X–Z ステージ固定用の治具に取り付けた状態の写真。

表5.3: 主な測定パラメーターのまとめ。
ターゲット

電圧, 電流鉛コリメーター

Ti
Fe

20 kV, 2 mA

ϕ ∼0.5 mm

Cu
*

フィルター

トータルレート*

Dead time* 測定時間*

Ti 60 um

∼4200 counts sec−1∼ 2%1200 sec

Mn 250 um, Ni 10 um∼1300 counts sec−1∼ 2%1200 sec−1∼ 3%1200 sec∼1600 counts sec

Ni 50 um

測定によって変動あるいは微調整するため、あくまで参考値。

4.51 keV (Ti Kα)、4.93 keV (Ti Kβ)、6.40 keV (Fe Kα)、8.05 keV (Cu Kα) の 4 つである。
X 線ビームを測定する Si–PIN 検出器には Amptek 社製の XR–100CR を用いており、Digital pulse processer(PX–5) と付属のソフトウェアにより、測定パラメーターを設定できる。全ての試験で共通するパラメーターは、温度 (200 K)、電圧 (180 V)、peking time (11.2 us)、gain (22.712)、slow threshold (5.004)、fast threshold (45.00)、

pileup rejection (OFF) の 7 つである。それ以外のパラメーターについては、フィルター金属の厚みなどと合わせて
表5.3にまとめた。Si–PIN 検出器のセンサー部分のサイズはおよそ 5 mm 角であり、その中心に X 線ビームが当たるように、Si–PIN 検出器を PC により制御可能な X–Z ステージ上に固定して位置調整を行った。

Be 窓は、図5.2(a), (b) に示すように治具に固定した状態で、Si–PIN 検出器とは別の X–Z ステージ上に固定される。透過率の測定点を正確に把握するために、透過率測定の前に Be 窓の位置出しを実施した。図5.2(b) からわかる
ように、Be 窓の円周部分はステンレス製の治具により囲まれているため、この部分は X 線ビームが透過しない。このことを利用し、まず X 軸方向に Be 窓を 0.1 mm 間隔で移動させながら Si–PIN のカウントレートがゼロになる
左右のステージ座標を取得し、2 つの座標の中間点を X 軸方向の中心として定義した。その後、Z 軸方向にも同様の測定を行い、Be 窓の中心座標を取得した。
不純物濃度および厚みの測定手順は大きく 2 つに分けられる。まず、Ti, Fe, Cu の 3 つのターゲットによる X 線
ビームをそれぞれ Be 窓の中心に照射し、透過率 vs. エネルギーの関係から、照射点における不純物濃度および厚み35を決定する。その後、不純物濃度については 1 枚の Be 窓内では均一であると仮定し、厚みのみを測定から求めるパラメーターとして、Ti ターゲットを用いて中心から放射状におよそ 1 cm 間隔で複数点マッピングを行う。以上の 2つの試験を各 Be 窓について実施し、それぞれの不純物濃度と厚みの面内ばらつきを評価する。

5.2.3 Si–PIN 検出器の較正各 Be 窓の測定で取得した特性 X 線のピーク ADC 値を用いて、Si–PIN 検出器のエネルギー較正を行い、ADCの原点を見積もる。一例として、図5.3に #5 の測定の際に取得した Ti, Fe, Cu の ADC スペクトルを示す。図中には、矢印でそれぞれの特性 X 線に対応するピークを示している。各特性 X 線のピークからおよそ 300 ch ほど低チャ
ンネル側に見えるピークは、Si のエスケープピーク*3 である。また、Fe のスペクトルには、1200 ch と 1400 ch 付近にもピークが存在するが、これはそれぞれ Fe の Kβ と、鉛コリメーターに不純物として含まれる Cu の特性 X 線に対応する。4 枚の Be 窓について、特性 X 線のピークにそれぞれガウス関数を用いてフィットを行い、ADC 値に対して X 線エネルギーをプロットしたのが図5.4である。ただし、#1 のみ Fe の測定は実施していない。図中の点線は各々の Be について 1 次関数でフィットした結果を表しており、残差は最大でも 0.2% 程度と、よくフィットできている。表5.4にフィットから得られた較正曲線と、ADC の原点の推定値をまとめる。ADC の原点は全て 1σ エラーの範囲で位置しており、全ての測定において同じ測定パラメーターで試験したことと矛盾しない結果である。これ以降のスペクトルに対するフィット解析は、ADC スペクトルの ADC 値から原点のチャンネル数を差し引いた上で行う。
表5.4: 各 Be 測定における Si-PIN の較正曲線と ADC の原点。

5.2.4

Be No.

較正曲線

ADC の原点#1

E = 0.00598 × ADC (ch) − 0.0800 (keV)

13 ± 4 ch#5

E = 0.00597 × ADC (ch) − 0.0691 (keV)

12 ± 3 ch#6

E = 0.00597 × ADC (ch) − 0.0736 (keV)

12 ± 2 ch#14

E = 0.00595 × ADC (ch) − 0.0578 (keV)

10 ± 2 ch

カウント数および透過率の見積もり方法

透過率は Be あり/なしのピークのカウント数の比から求める。Fe と Cu の場合にはピークは 1 つであるため、カウント数の見積もりには、次に示す単一のガウス関数を用いる。

f (ADC) =[]NKα(ADC − MKα )2√ exp −
2σKα 2σKα 2π(5.1)

ここで、NKα はガウス関数を −∞〜∞ の範囲で積分したカウント数、MKα は中心値、σKα は標準偏差である。一方で、Ti の場合には Kα、Kβ に対応する 2 つのピークが存在するため、次に示す 2 つのガウス関数からなるフィット関数を用いる。

[[]](ADC − (4.93/4.51)MKα )2NKα(ADC − MKα )2NKβ√√ exp −exp −f (ADC) =+(5.2)
2σKα 22(4.93/4.51)σKα 2
σKα 2πσKα 2π · 4.93/4.51*3 Si 原子が光電吸収によりイオン化すると、一定の確率でおよそ 1.8 keV の特性 X 線が放出される。この X 線が Si–PIN 検出器の有感領域内で再び光電吸収されなかった場合には、入射 X 線のエネルギーから 1.8 keV を差し引いたエネルギーのみが X 線信号として読み出されるため、これに対応するピークが生じる。

36

Cu Kα

Fe Kα

Ti Kα
Ti Kβ

Counts5

10Target: Ti
4

10

Target: Fe
Target: Cu

3

10

102

10

1
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500
4000
ADC channel

図5.3: Si–PIN 検出器で取得した Ti, Fe, Cu ターゲットの ADC スペクトル。

12
#1
#5
#6
#14

Energy (keV)

10

8

6

4

Residual (%)(y − model)/model

2

0
0.5
0.0

−0.5

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

ADC channel

図5.4: 各 Be 測定における Si–PIN 検出器のエネルギー較正。

37

2000

ここで、一項目と二項目がそれぞれ Kα、Kβ に対応する。Kβ の中心値は Kα の値からエネルギーでスケールしており、また、Kβ の標準偏差 σ の値についても分散 σ 2 がエネルギーに比例すると近似して、σKα の値からスケールしている。フィットから求めるパラメーターは NKα 、MKα 、σKα 、NKβ の 4 つである。透過率 T は Be ありの場
合のカウント数 NBeOn となしの場合のカウント数 NBeOff から次の式を用いて計算する。

T =

5.2.5

NBeOn
NBeOff(5.3)

透過率 vs. エネルギーのグラフに対するフィット関数

Be 窓の不純物および厚みは、測定から得られた透過率 vs. エネルギーの関係に対してフィットを行うことによって評価する。一般に物質の透過率 T は物質の密度を ρ 、反応断面積を σ 、物質の厚みを l とすると、T = exp(−ρσl)と表される。ρ は不純物濃度の関数であり、また σ は不純物濃度およびエネルギーの関数である。したがって Be の
透過率 T vs. エネルギー E のグラフに対するフィット関数には、近似的に次の式を用いる。

T = exp [−ρ(wBe ) · σ(E, wBe ) · l]

(5.4)

ここで、ρ, σ, l はそれぞれ Be 窓の密度、反応断面積、厚みである。また、wBe は Be 窓に含まれる Be の質量分率(mass fraction) である。今回の解析では、不純物の中で濃度が他に比べて比較的高く、透過率に最も影響の大きい Feのみを考慮するという近似をおこなったため、Be の質量分率のみが不純物濃度に関連するパラメーターになる。5.4式を用いてフィットを行うには、E と wBe に対する ρ と σ の行列を事前に準備する必要がある。この行列は、放射線検出器で一般に用いられているシミュレーションツールキットである Geant4[14] の Geant4Py と Geant4 Material

Database を用いて作成した。

5.2.6 Be 窓中心の不純物濃度と厚みの評価
図5.5–5.7に Be #5 を用いて取得した Ti, Fe, Cu のスペクトルに対して、5.2式、5.1式を用いてフィットを行った
結果を示す。青色 (赤色) のヒストグラムが Be なし (あり) の状態で取得した場合に対応する。フィット範囲は ±2σ
で 5 回ほどイテレーションし、フィット結果が同じ値に収束することを確認した。点線がベストフィットのガウス関数全体を表し、実線はフィット範囲を示している。ピークの左右に見えるイベントは制動放射に由来する連続成分であり、本来はこの連続成分も考慮した関数でフィットするべきである。しかし、この連続成分の寄与は輝線に比べて桁で小さく、また透過率計算の際に行う割り算によっても部分的に打ち消し合うため、今回は考慮していない。4 枚の Be について同様にフィットし、ピークのカウント数および透過率をまとめた結果を表5.5に示す。
表5.5にまとめた透過率 vs. エネルギーの測定結果に対して、5.4式でフィットを行った結果を図5.8に示す。また
表5.6には、ベストフィットのパラメーターの値をまとめた。フィットより得られた χ2 /d.o.f の値から、#1, #6 については測定結果と5.4式のフィット関数に統計的に有意な一致が見られるのに対して、#5, #14 については一致していない。#1, #5, #6, #14 それぞれの厚みは、131.8 ± 1.9 µm , 112.4 ± 1.6 µm, 126.2 ± 1.6 µm, 108.1 ± 1.7 µmであり、100 µm と比較して 10–30 µm ほど厚い傾向が見られる。また、Be の mass fraction はそれぞれ 99.79 ±0.02 %, 99.65 ± 0.02 %, 99.81 ± 0.02 %, 99.75 ± 0.02 % で、この結果から実効的な Fe の mass fraction を見積
もると、それぞれ 0.21 %, 0.35 %, 0.19 %, 0.25 % となる (1σ エラーは全て 0.02%)。日本ガイシから参考値として提供を受けた Fe の mass fraction の値は 0.18 % であるのに対して、測定値とフィット関数に統計的に有意な一致が見られた #1, #6 については、この値と測定結果がエラーの範囲で一致している。

38

0CountsCounts
10

Be なし
Be あり

4

4

10

3

10

3

10

2

10

2

10

600

650

700

750

800

850

900

950
1000
ADC - 11.6 (ch)

900

950

図5.5: Ti の ADC スペクトルに対して5.2式でフィットした結果。青色 (赤色) のヒストグラムが Be なし (あり) のCountsCounts状態で取得した場合に対応する。使用した Be は #5。

Be なし
Be あり

5

10

Be な
Be あ
104

Be なし
Be あり

4

10

3

10
3

10

102
2

10

1150
950
1000
ADC - 11.6 (ch)

900

950

1000

1050

1100

1200
1150

1250

1300

1350

1400

1200
1250
ADC - 11.6 (ch)図5.6: Fe の ADC スペクトルに対して5.1式でフィットした結果。青色 (赤色) のヒストグラムが Be なし (あり) の状態で取得した場合に対応する。使用した Be は #5。

Be なし
Be あり

39

1450
15
ADC

700

750

800

Counts

50

2

10

850

900

950
1000
ADC - 11.6 (ch)

900

950

1000

1050

1100

5

10

Be なし
Be あり
104

3

10

102

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450
1500
1550
ADC - 11.6 (ch)図5.7: Cu の ADC スペクトル対して5.1式でフィットした結果。青色 (赤色) のヒストグラムが Be なし (あり) の状
態で取得した場合に対応する。使用した Be は #5。

表5.5: ピークのカウント数および透過率の測定結果まとめ。
Be No.
#1

#5

#6

#14

4.51 keV (Ti Kα)4.93 keV (Ti Kβ)

カウント数: Be あり (counts)(5.767 ± 0.008)×105(1.330 ± 0.003)×105

カウント数: Be なし (counts)(6.735 ± 0.009)×105(1.495 ± 0.003)×105

6.40 keV (Fe Kα)8.05 keV (Cu Kα)(8.420 ± 0.010)×105

未取得(8.784 ± 0.010)×105

透過率0.8563 ± 0.0016

0.8895 ± 0.0026

カウント数: Be あり (counts)(7.253 ± 0.009)×105(1.766 ± 0.003)×105(6.363 ± 0.008)×105(1.629 ± 0.001)×106

0.9586 ± 0.0014

カウント数: Be なし (counts)(8.299 ± 0.009)×105(1.974 ± 0.003)×105(6.696 ± 0.009)×105(1.704 ± 0.001)×106

透過率0.8739 ± 0.0015

0.8949 ± 0.0022

0.9503 + 0.0018

0.9561 + 0.0011

カウント数: Be あり (counts)(6.736 ± 0.008)×105(1.796 ± 0.003)×105(6.894 ± 0.009)×105(1.635 ± 0.001)×106

カウント数: Be なし (counts)(7.805 ± 0.009)×105(2.008 ± 0.003)×105(7.278 ± 0.009)×105(1.700 ± 0.001)×106

透過率0.8630 ± 0.0015

0.8946 ± 0.0022

0.9473 + 0.0017

0.9616 + 0.0011

カウント数: Be あり (counts)(6.344 ± 0.008)×105(1.767 ± 0.003)×105(8.684 ± 0.010)×105(1.712 ± 0.001)×106

カウント数: Be なし (counts)(7.210 ± 0.009)×105(1.944 ± 0.003)×105(9.124 ± 0.010)×105(1.777 ± 0.001)×106

透過率0.8799 ± 0.0016

0.9090 ± 0.0023

0.9517 + 0.0015

0.9635 + 0.0011

40

1150

120
ADC -

Transmission

1
0.98

FM5: Transmission vs. energy

#1

0.92
0.9
0.88

0.92
0.9
0.88

0.86

0.86

0.84
0.82

0.84
0.82

2

2

0
−2
3

4

5

6

7

8

9
10
Energy (keV)

3Transmission

#6

1
0.98

5

6

7

8

0.92
0.9
0.88

0.92
0.9
0.88

0.86

0.86

0.84
0.82

0.84
0.82

2

9
10
Energy (keV)

#14

0.96
0.94

χ

0.96
0.94

2

0
−2
3

4

FM14: Transmission vs. energyχTransmission

0−2

FM6: Transmission vs. energy
1
0.98

#5

0.96
0.94

χ

0.96
0.94

1
0.98

χ

Transmission

FM1: Transmission vs. energy

0
−2

4

5

6

7

8

9
10
Energy (keV)

3

4

5

6

7

8

9
10
Energy (keV)

図5.8: 透過率 vs. エネルギーの関係に対して5.4式でフィットした結果。
22

表5.6: 厚みおよび Be の mass fraction のフィット結果。

2 keV におけるBe No.

厚み (µm)Be の mass fraction (%)χ2 /d.o.f#1

131.8 ± 1.9

99.79 ± 0.02

0.029/1± 2.0#5

112.4 ± 1.6

99.65 ± 0.02

10.63/2± 1.9#6

126.2 ± 1.6

99.81 ± 0.02

1.804/2

± 1.8

#14

108.1 ± 1.7

99.75 ± 0.02

8.254/2± 1.9

透過率の不定性 (%)

Be の透過率は低エネルギー側で急峻に低下するため、厚みおよび不純物の測定結果から求めた透過率の推定値は、
エネルギーが下がるほど不定性が大きくなる。GMC の観測帯域は 2–50 keV であるため、ここでは 2 keV における透過率の不定性を見積もり、表5.6にフィット結果と合わせて示している。この値は次の手順にしたがって見積もった。

1. フィットの結果から、図5.9に示すように、厚みと Be の mass fraction についてのエラーコントアを作成する。
2. エラーコントア上の 1σ の範囲について、厚みと Be の mass fraction の値を用いて各点における 2 keV での透過率を求める。このとき、透過率の計算には 5.4式を用いた。

3. 図5.10に示すように、求めた透過率のヒストグラムを作成し、ベストフィットにおける透過率と、最大値・最41

Be mass fraction

0.999

#6
#14

0.998

1σ
1σ
3σ

1σ

#1
3σ

3σ

0.997
1σ

#5
3σ

0.996

0.1

0.11

0.12

0.13
0.14
Thickness (mm)

図5.9: 厚みと Be の mass fraction についてのエラーコントア。Be 4 枚について、1σ および 3σ エラーに相当する範囲を図示している。
28

小値の差から、2 keV における透過率のエラーを評価する。

2 keV における透過率の不定性は試験した 4 枚全てで 2% ほどである。この測定精度は、コリメーターおよび Al 格子の開口率など、有効面積に影響する他の部分の測定と遜色ないレベルであり、十分許容できるものと判断した。また、2 keV における透過率の推定値は最も小さい #1 で 0.150、最も大きい #14 で 0.208 と、39% ほど異なる。この透過率の違いは検出効率にそのまま反映されるため、最終的に衛星に搭載する GMC 2 台を選定する上でも重要な参考情報となる。

Frequency (N)TransHistAt2keV:
TransHistAt2keV:FM14
FM5
FM6
FM1
240
220
200

#1

#6

#5

best fit:
best
fit:0.164
0.189
0.15

#14

min: 0.147
min:
0.186
0.161
max: 0.167
0.153
0.193

180
160
140
120

20
0
0.14

0.15

0.16

0.17

0.18

0.19

Best t = 0.208

40Best t = 0.189

60Best t = 0.16480Best t = 0.150

100

0.2
0.21
0.22
@2
Transmission at
2 keV

図5.10: 2 keV における透過率の不定性。図5.9の 1σ のエラーコントア上で、各点に対応する 2 keV での透過率を見積もり、作成した。

fi

42

28

表5.7: 各 Be 窓の厚みの平均値と標準偏差。

5.2.7

Be No.

厚みの平均値 (µm)

厚みの標準偏差 (µm)

#1

126.5

3.3

#5

116.4

5.9

#6

126.3

3.2

#14

104.7

7.2

厚みの面内ばらつきの評価

Be の厚みの面内ばらつきを評価するために、Be 窓の位置を移動させながら、Ti ターゲットを用いて中心から放射状に透過率のマッピングを行った。不純物濃度については Be 面内で一様であると仮定し、5.4式の Be の massfraction の値を5.2.6章で求めた値に固定した上で、Ti の Kα, Kβ の透過率に対してフィットすることで厚みを見積もった。図5.11に Be 窓の厚みの半径方向の変化を表すグラフを示す。図中のプロットの色は図5.12の矢印の色に対応しており、丸形と四角形のマーカーが十字方向、三角形のマーカーが斜め方向の測定結果である。各 Be 窓の厚みの平均値と標準偏差を表5.7にまとめる。#1, #5, #6, #14 の厚みの平均値はそれぞれ 126.5 µm, 116.4 µm, 126.3 µm,

104.7 µm であり、標準偏差は 3.3 µm, 5.9 µm, 3.2 µm, 7.2 µm である。#1 と #6 は他の 2 枚に比べて全体的に厚い傾向が見られるが、面内ばらつきは小さい。一方で、#5 と #14 は平均的に薄めではあるがばらつきが大きく、特に外側に向かって円周方向の厚みの不均一さが大きくなる傾向が見られる。さらに、#14 については中心から 1 cmの距離の測定結果の１つ (赤色の丸形マーカー) が 88.8 ± 2.1 µm と、周りの測定点に比べて 20 µm ほど局所的に薄くなっていたため、データの取得ミス等の可能性も考慮し、同じ点も含めて追加で 5 点測定した。これらの結果は、図中に四角形のマーカーで示している。厚みの薄い中心から 1 cm の部分については追加測定でも再現性が確認でき、さらにこの点から 1, 2 mm ずらした 2 点はともに 20 µm ほど厚いという結果が得られたため、当初の測定結果通り、局所的に厚みが薄くなっているものと結論付けた。

43

150

140

130

Thickness (µm)

Thickness (µm)

140

150

#1

120
110
100
90
80

#5

130
120
110
100
90

0

1

2

80

3

0

Radial distance (cm)
150

140

130
120
110
100
90
80

2

3

150

#6
Thickness (µm)

Thickness (µm)

1401Radial distance (cm)

#14

130
120
110
100
90

0

1

2

80

3

0

Radial distance (cm)

1

2

3

Radial distance (cm)

図5.11: Be の厚みの半径方向の変化。プロットの色は図5.12の矢印の色に対応し、丸形と四角形のマーカーが十字方
31

向、三角形のマーカーが斜め方向のマッピング結果である。斜め方向の測定結果のうち、中心からの距離が 2 cm の測定点 (三角) のみ、見易さのために 0.1 cm ほどずらしてプロットしている。

図5.12: 面内ばらつき評価試験における X 線ビームの照射位置の模式図。Al 格子の桟部分に X 線ビームが当たらないように、ビーム照射位置を調整した。

44

封入ガスの最適化

5.3

ガス検出器の性能は、封入ガスの種類に大きく左右される。封入ガスは一般に希ガスをベースとし、これにクエン
チガスと呼ばれる多原子分子を少量加えた混合ガスが主に用いられる。クエンチガスは検出器の安定的な運用に必要不可欠なものであり、CO2 , CH4 , ジメチルエーテル (DME) などは宇宙実績が豊富である。仮にクエンチガスがない
場合、GEM の電子増幅過程で発生する励起した希ガス原子は、一般に紫外線を放出して基底状態に戻るが、この時放出された紫外線が GEM の銅電極で吸収されると新たな電子が発生する。この電子は GEM 内の電場により電子増幅されるため、その過程で再度励起した希ガス原子が発生し、同様のプロセスが繰り返し起こることで、電子増幅が止
まらなくなる恐れがある。これに対して、多原子分子であるクエンチガスは、希ガスと異なり振動や回転といった非放射的な励起状態を多く持っているため、紫外線を効率的に吸収し、前述のようなプロセスを抑制することができる。
表5.1で示したように、GMC では ∆VGEM = 620 V においておよそ 300 程度のゲインを達成し、かつ 50 keV ま
での X 線に対して感度を持つことが要求されている。GMC の X 線検出原理である光電吸収の反応断面積は、ター
ゲットとなる原子の原子番号 Z の 5 乗に比例する (2.2式)。したがって、X 線の検出効率を上げるためには原子番号の大きなガス種を用いる必要があり、このことから、これまでに開発・運用されてきた高エネルギー X 線用のガス検出器の多くは Xe をメインガスとして採用している*4 。

5.3.1

当初予定していた XeCO2 混合ガスの問題点

当初 GMC の封入ガスには、理研を中心に ISS で運用している全天 X 線監視装置 MAXI の主検出器の一つである Gas Slit Camera (GSC) [18] を参考に、XeCO2 (95%/5%) 混合ガスを 0◦ C において 1.2 atm に相当する圧力で封入する予定であった。しかし、先行研究を調べてみると、GEM を使った検出器の場合には、ワイヤーチェンバ
ーである GSC と異なり、XeCO2 ガスだと Ar や Kr などの他の希ガスを用いた場合と比較して高い電子増幅度が得られないということが判明した [23, 24, 25]。そこでまずこのことを確かめるために、ガスチェンバーの機能実証モ
デル (engineering model; EM) に XeCO2 ガスを封入して試験したところ、先行研究から想定されるように、いくつかの点で我々の要求を満たせないことが確認できた。
最も問題であったのはゲインが低いことであり、10 keV 以下の低エネルギー X 線に対して十分な S/N 比で信号取得が行えなかった。図5.13は GEM 印加電圧 (∆VGEM ) に対する実効ゲインの関係を示すもので、一般にゲインカー
ブと呼ばれる。GMC において 2 keV の X 線が電子回路の電気ノイズに埋もれることなく十分な S/N 比で取得できるためには、GEM のゲインは最低でも 200 程度は必要であり、我々はゲイン ∼ 300 を目標値として設定している。
これに対して XeCO2 (95%/5%) 混合ガスの場合、∆VGEM = 630 V において達成可能なゲインは 40 程度であることがグラフから読み取れる。GEM のゲインは ∆VGEM に対して指数関数的に増加するため、より高いゲインを達成するためには ∆VGEM を大きくすれば良いが、ゲインが大きくなると同時に、GEM の導通破壊につながる放電の発生率も急激に増加することが知られている [26]。実際に、EM ガスチェンバーを用いた試験でも、∆VGEM = 620 V*4 MAXI/GSC: XeCO (99%/1%), 0◦ C, 1.40 atm [18]2ASCA/GIS: XeHe(96%/4%), 0◦ C, @1.20 atm [19]Ginga/LAC: ArXeCO2 (75%/20%/5%), 0◦ C, 1.86 atm [20]RXTE/PCA: XeCH4 (90%/10%), 1.11 atm [21]INTEGRAL/JEM–X: XeCH4 (90%/10%), 1.48 atm [22]PolarLight/GPD: DME(100%), 0.8 atm [11, 12]

45

50

Effective gain

Energy resolution @22 keV (%)

102

101

600

605

610

615

620

625

45

40

35

30

25

630

Raw data
Noise subtracted data

600

605

610

615

620

625

630

∆VGEM (V)

∆Vgem (V)

図5.13: XeCO2 (95%/5%) ガスにおける GEM 印加電

図5.14: XeCO2 (95%/5%) ガスにおける 22 keV X

圧 (∆VGEM ) に対する実効ゲインの関係 (ゲインカー線に対するエネルギー分解能 vs. GEM 印加電圧◦

ブ)。ガスは 0 C において 1.2 atm 相当の圧力で封入(∆VGEM ) の関係。

した。点線は指数関数モデルでのフィット結果を表す。

を超えたあたりから、GEM の電極間が瞬間的に導通したことが原因と思われるスパーク音がチェンバー内部から聞こえ始め、∆VGEM が大きいほどその頻度が高くなることが確認できた。したがって、これ以上 ∆VGEM を大きくしてゲインを改善することは現実的ではないと判断し、小さな ∆VGEM でより高いゲインを達成可能なガスの選定試験を実施することにした。

XeCO2 (95%/5%) 混合ガスを用いて行った試験でもう一点判明した問題は、エネルギー分解能が想定より悪かったことである。図5.14は放射線源 109Cd を GEM 全面に照射して取得した、22 keV におけるプロトフライトチェン
バーのエネルギー分解能を ∆VGEM に対してプロットしたもので、マゼンタのプロットは生のエネルギー分解能、ネ
イビーのプロットは電子回路ノイズの影響を差し引いた場合のエネルギー分解能を表している (電子回路ノイズの評
価方法については 5.3.4 章を参照すること)。GEM の面内ゲインばらつきを考慮した場合に想定されるエネルギー分
解能は 20–25% 程度だが、実験により得られたエネルギー分解能は ∆VGEM によらずおよそ 35% 程度であり、想定と比べ明らかにエネルギー分解能が悪いことがわかる。ゲインと同様に、ガスの種類がエネルギー分解能にも影響していることが考えられたため、ガス選定試験での調査項目の一つとしてこの点についても確認することにした。

5.3.2

先行研究の追加調査とガス選定試験の方針

ガス選定試験の方針を立てるために、先行研究の追加調査を行った *5 。その結果、次の 2 つの結果がゲイン増加の参考になる可能性が考えられた。

1. ArCO2 (70%/30%) 混合ガスのゲインは XeCO2 (70%/30%) 混合ガスと比較しておよそ 3 倍大きい [24]。
2. ArDME (90%/30%) 混合ガスのゲインは ArCO2 (90%/30%) 混合ガスと比較しておよそ 4 倍大きい [27]。
そこでガス選定の基本方針としては、まず XeCO2 (95%/5%) 混合ガスの Xe の一部を Ar で置換し、CO2 について
*5 先行研究の調査の結果、Xe 混合ガス中での GEM の動作例は、Ar などの他の希ガスと比較して格段に少ないことがわかった。これはGEM が主に荷電粒子のトラッキングに用いられ、その用途ではベーテ・ブロッホの式 (2.7式) からもわかるように、荷電粒子のエネルギ
ー損失の大きさが物質の種類にはほとんど依存せず、高価な Xe ガスを用いるメリットがほとんどないためだと考えられる。

46

は DME に変更する。さらに、各ガスの混合比については、高エネルギー側の検出効率を維持するために Xe の割合をできるだけ高く保ちつつ、ゲインを見ながら微調整することにした。ただしこのとき、最優先で満たすべきなのはゲインに対する要求 (最低 200 以上で目標値は 300) であり、検出効率については半減するような大幅な悪化が見られなければ良いという比較的緩い条件を設定した。また一般に、ガスの圧力を下げると加速電子の平均自由行程が長くなり、タウンゼント係数が大きくなることで GEM のゲインは増加するが、封入圧力は 0◦ C, 1.2 atm 換算で固定し、実験から決定するパラメーターには含めないことにした。これは、大気中において −30 ∼ +60◦ C の範囲で熱サイクル試験を実施する際に、チェンバー内部の圧力が大気圧以下になり、Be 窓に負圧がかかって破損することがない
ようにするためである*6 。また、上記のガスの他に宇宙実績が豊富な CH4 についても用意し、XeArCH4 混合ガスのゲインを確認することにした。参考として、表5.8に選定試験に使用する各ガス種のイオン化エネルギーと主な励起エネルギーをまとめる。
表5.8: 各ガス種のイオン化エネルギーと主な励起エネルギー。

5.3.3

ガス種

イオン化エネルギー (eV)

主な励起エネルギー (eV)Xe

12.1 [28]

8.4 [29]Ar

15.8 [28]11.6 [29]CO2

13.8 [28]10.0 [29]DME

10.0 [28]–CH4

12.6–13.6 [28]–実験セットアップ

ガス選定試験には、GMC 用のガスチェンバーではなく、研究室で保有する Time Projection Chamber (TPC)型 X 線偏光計を用いた。これは以前玉川研究室が NASA ゴダード宇宙飛行センターと共同で、X 線偏光観測衛星

Polarimeter for Relativistic Astrophysical X-ray Sources (PRAXyS) へ搭載するために開発していたもの [30] をベースに、10 keV 以上のより高エネルギーな X 線に対しても感度を持つように新たに開発したものである [31, 32]。
この偏光計では Time Projection Chamber (TPC) 技術を利用することで光電子の二次元飛跡画像を取得し、その飛跡画像から入射 X 線の偏光方向、偏光度を推定する。図 5.15 に TPC X 線偏光計により二次元の光電子飛跡画像が得られるまでの概略図を示す。
偏光計に入射した X 線がチェンバー内のガスと光電効果を起こすと、入射 X 線のエネルギーとはじき出された電子のエネルギー準位に対応した運動エネルギーを持つ光電子が生じる。この光電子は周りのガスを電離させながらガス中を運動するため、光電子の通った飛跡に沿って電子–イオン対ができる。ガスの平均イオン化エネルギーはガスの種類によらず 20–30 eV 程度で、仮に入射 X 線のエネルギーが 10 keV の場合にはおよそ 300–500 個の電子が一次電子として生じるが、このままでは後段の読み出し回路の電気的なノイズに信号が埋もれしまうため、一次電子を増幅する機構が必要となる。この増幅機構として、TPC 偏光計では NinjaSat の GMC と同様に GEM を用いている。
光電効果とその後のガスの電離によって発生した電子は、高電圧が印加されたドリフト電極と GEM の間に生じる電場により、X 線の入射方向に対して垂直な方向にドリフトし、GEM で増幅された後、読み出しストリップによって*6 チェンバーの Be 窓の外側には Al 格子があり、これによりガスの内圧を支えているが、内側には圧力を支える構造を持たない。

47

図5.15: TPC X 線偏光計による二次元光電子飛跡取得の概略図 [33]。

一次元的に読み出される。このとき、読み出しストリップと同時に GEM のカソードからは読み出しストリップと極性が反対の信号が読み出される。ストリップから読み出されたアナログ信号は、GEM カソード信号から生成された信号をトリガーに、25 ns 周期でサンプリングされ、最終的に二次元の光電子飛跡画像が得られる。二次元光電子飛跡画像のそれぞれの軸はストリップ方向とドリフト方向に対応しているため、本来の飛跡の形状を得るためには、電子のドリフト速度がドリフト速度 = ストリップ間隔/サンプリング周期になるようにドリフト電場を最適化する必要がある。しかし今回の試験は偏光測定が目的ではなく、X 線のスペクト
ルのみが取得できれば良いため、このドリフト電場の最適化は行わなかった。この X 線偏光計を使用したのは、

1. Be 窓部分の構造上、真空引きおよびガスフィルが GMC と比べて格段に容易である。
2. GEM の厚み (100 µm)、穴径 (70 µm)、ピッチ (140 µm) といったデザインが GMC 搭載品と同じである。
という 2 点を考慮したためである。特に 1 点目に挙げた真空引きおよびガスフィルが容易な点については、ガス選定のために多くのガス種を繰り返し試す上で大きなメリットであった。ただし、Be 窓の耐圧性が 1 atm 程度までしか保証されていないため、今回は GMC で採用している 0◦ C, 1.2 atm 換算ではなく、0◦ C, 1.0 atm 換算でガス封入を行い、圧力によるゲインの違いについては別途検討することにした。
図5.16と図5.17にそれぞれ実験セットアップの概略図とセットアップ組み立て後の写真を示す。セットアップは大きく分けて X 線発生装置からの X 線ビーム、4 象限コリメーター部、Al チェンバー部、高電圧印加回路系、信号読
み出し回路系、テストパルス入力用リサーチパルサーの 6 つに分けられる。以下では、それぞれの部分について詳細な説明をおこなう。

17.5 keV X 線ビーム測定に使用した X 線発生装置は、5.2 章と同じくリガクの Geiger flex 4027 型である。本試験では電圧を 40 kV、
電流 2 mA に設定し、ターゲット金属として Mo を用いた。Mo から放射される特性 X 線としては 17.5 keV の Kα48

図5.16: 実験セットアップの概略図。

図5.17: 実験セットアップ組み立て後の写真。右手前に見えるのが X 線発生装置から伸びている真空パイプであり、4象限コリメーターを通して TPC 偏光計に 17.5 keV の X 線が照射される。

線と 19.6 keV の Kβ 線が存在するが、Kβ 線については 100 µm の Zr フィルター*7 を用いてカットしている。
*7 光電効果の K 吸収端エネルギーは 18.0 keV

49

4 象限コリメーターと XZ ステージ
4 象限コリメータはビームラインに対して垂直な 2 方向 (X 方向と Z 方向とする) に移動することが可能な XZ ス
テージ上にねじ留めされる。XZ ステージの位置は、ステージコントローラーを介して接続された Mac PC からコマンドを送ることにより調整することができる。この状態で X 線のカウントレートを確認しながら X, Z 方向のビーム
プロファイルを行い、カウントレートが最大になる位置に調整した。その後コリメーターの開き角を 100 × 100 µm2に設定し、カウントレートを 100 counts sec−1 程度に調整した。

Al チェンバーと XZ ステージ
Al チェンバーは、X ステージと Z ステージを組み合わせたステージ上に、読み出しストリップがビームラインに対して平行になるように置かれる。コリメータステージと同様、これら 2 つのステージもそれぞれステージコントロ
ーラーを介して同じ Mac PC に接続され、コマンドを送ることで X,Z 方向の位置調整ができる。ビームの照射位置が測定によって異なると、GEM 面内のゲインばらつきの影響でガスによるゲインの違いを正しく調査することできない。そこでチェンバーの位置は、0–127 ch ある読み出しストリップの中央に位置する 63 ch および 64 ch の間で、かつ GEM からビームの照射位置までの距離が 4.6 mm になるように全ての試験で統一した。ビーム位置は、ストリップ方向は X 線信号の読み出し位置から、ドリフト方向は電場整形用のフィールドケージを構成するルーバーの位置を目印に調整した。

HV 印加回路系
HV 印加回路系はそれぞれ 2 ch の入力端子をもつ 2 つの Chain box とプリアンプからなり、チェンバー内のドリフト電極、電場整形用のフィールドケージ、GEM フレーム、GEM カソード、GEM アノードそれぞれにマイナス電圧を印加している。フィールドケージ部分と GEM 部分の電圧印加ラインは分かれており、ドリフト電場と GEMのゲインをそれぞれ独立に調整することができる仕様になっている。高電圧印加モジュールには CAEN 1470 を用いた。CAEN 1470 は USB 経由で PC からリモートコントロールが可能で、今回はステージコントロールにも使用した Mac PC を用いて印加電圧を設定した。

Chain box は 2.20 もしくは 2.18 MΩ の抵抗と 2200 pF のコンデンサーからなるローパスフィルターと、電圧分配用の抵抗で構成される。フィールドケージの 6 つのルーバーのうち一番上と一番下にそれぞれ電圧が印加され、これらの間を直列につなぐ 10 MΩ の抵抗によって電圧を等分配することで一様な電場を形成している。また、GEMのカソードにはプリアンプ (ORTEC 109) 経由で電圧を印加しており、カソードに電圧を印加しつつ電子増幅時に発生した信号を読み出すことができるようになっている。本試験では、図5.14に示した GMC EM チェンバーでの試験におけるセットアップに合わせ、ドリフト電極–GEM カソード間のドリフト電場を 403.2 V cm−1 、GEM アノー
ド–読み出しストリップ間のインダクション電場 1488 V cm−1 に固定したまま、∆VGEM のみ変化させてゲインカー
ブの取得を行った
信号読み出し回路系
図5.16に示したように、偏光計から読み出すのは、読み出しストリップからの信号と GEM カソード信号の 2 つである。ストリップから読み出された信号はチェンバー内部に位置するアナログ集積回路 APV25 で整形・増幅された
後、直接 HDMI ケーブルを介して Scalable Readout System (SRS) に転送される。一方、GEM カソード信号はプリアンプである ORTEC 109 で増幅された後、LINEAR FAN-IN/FAN-OUT に入力され、減衰することなく 3 つのラインに分配される。

50

1 つ目のラインは飛跡画像取得のトリガー信号を生成する部分で、微分回路で処理された後、Constant Fraction
Discriminator (CFD) で NIM 信号に変換され SRS に外部トリガーとして入力される。SRS には ADC チップと
FPGA が実装されており、APV25 から送られてきた 128 ch のアナログ信号を、この NIM 信号をトリガーに 25 nsのサンプリング周期で 30 回の連続サンプリングを行う。CFD のスレッショルドはノイズにトリガーがかからないよ
うに調整を行なった。

2 つ目のラインはスペクトル取得用の信号を整形する部分である。LINEAR FAN-IN/FAN-OUT から出力されたシングルエンド信号は、まずメインアンプ (ORTEC 572) で信号増幅、整形された後、SRS で処理ができるよう、研究室自作の作動アンプによってオフセット + 1.25 V の作動信号に変換され、HDMI ケーブル経由で SRS に入力され、X 線のスペクトルを取得できる。

3 つ目のラインは今回の試験では未使用だが、このラインでも X 線信号のスペクトルを取得できる。信号は ORTEC
572 で増幅、整形されたあと、Windows PC と接続したマルチチャンネルアナライザ (Amptek 社製 MCA 8000A)
で A/D 変換される。
テストパルス入力用リサーチパルサー
カソードから読み出された信号を処理するプリアンプ (ORTEC 109) には、チェンバーからの信号読み出しラインの他に、外部からのテストパルスを入力することが可能な端子が用意されている。X 線データの取得中はこのテス
トパルス入力端子に、リサーパルサー (ORTEC 448) を用いて X 線信号を模擬した数 10 ns の早い立ち上がりと数

10 us の遅い立ち下がりを持つテストパルスを入力し続けた。テストパルスと X 線信号はそれぞれ別のイベントとしてトリガーがかかるため、X 線信号に影響を与えることはなく、プリアンプ以降の電気回路が原因であるエレキノイズを評価することができる。すなわち、テストパルスのスペクトルの広がりからエレキノイズが原因のエネルギー分
解能の悪化成分を評価し、電離過程や増幅過程に内在するチェンバーそのもののエネルギー分解能を評価することができる (具体的な解析方法については5.3.4を参照)。
セットアップまとめ上で述べた実験セットアップアップのうち、主なものを表5.9にまとめる。
表5.9: ガス選定試験における実験セットアップの主なパラメーター。
ガスチェンバー

X 線ビーム

封入ガス

Xe, Ar, CO2 , DME,CH4 の混合ガス (0◦ C, 1.0 atm 換算で封入)∆VGEM

505–620 V (下限は各ガスについて信号取得が可能な電圧に応じて決定)

ドリフト電場

403.2 V cm−1

インダクション電場

1488 V cm−1

管電圧

40 kV

管電流

2 mA

X 線エネルギー

17.5 keV (Mo ターゲット, Zr フィルター 100 µm)

ビームサイズ

100 × 100 µm2

ビーム照射位置ストリップ方向: 64-65 ch, ドリフト方向: GEM から 4 mm 上

51

5.3.4

データ解析

ゲインの評価方法

GEM の実効的なゲイン (Effective gain) は、入射した X 線により発生する二次電子の数と、GEM カソードから読み出されるイオンの数の比で近似できる。ただし実際に取得するデータは、GEM カソードから読み出されるアナログ信号を Analog-to-digital converter (±2 V, 12-bit) で A/D 変換したチャンネル数であるため、このチャンネル
数と GEM から実際に読み出されたイオンの数との関係を表す校正曲線を事前に求めておく必要がある。前述のようにテストパルスはリサーチパルサーからプリアンプに入力される。プリアンプのテストパルス入力端子には 1 pF のコンデンサーが直列に入っており、数 ns 程度の早い立ち上がりと数 10 µs の遅い立ち下がり時定数を持つテストパ
ルスを入力することで、入力信号の電圧から Q = CV の関係に従ってプリアンプの信号処理ラインに電荷を入力することができる。入力信号の電圧値は入力端子に並列に接続したオシロスコロープで測定した。試験した全てのガスについて、図5.18に取得した校正曲線を示す。ここでは、ADC 値から電荷量を見積もることを想定し、横軸に ADC
チャンネルの値、縦軸に電荷量をとっている。図中の点線は一次関数 Q = A × ADC (ch) + B (fC) でフィットした
結果を表しており、そのフィット結果については、表5.10にまとめた。
図 5.19 に XeCO2 ガスを 0◦ C, 1.0 atm 換算で封入した TPC 偏光計で取得した ∆VGEM = 620 V における Mo
ターゲットの ADC スペクトルを示す。1150 ch 付近のピークが Mo の Kα ライン (17.5 keV) であり、その低チャンネル側に見えるのは制動放射由来の連続成分である。1900 ch 付近のピークは同時入力したテストパルスに対応する。ゲインの評価は以下の手順に従って行った。

1. Mo Kα のピーク部分にガウス関数を用いて −1σ ∼ +2.5σ の範囲でフィットを行い、ピークに対応する ADC
チャンネルを求める。

2. 求めたチャンネルを校正曲線に代入して、読み出された電荷量 Q に変換する。
3. 5.5式を用いて GEM の実効的なゲインを求める。ここで e は電気素量 (1.602 × 10−19 C) で、E は入射 X 線のエネルギー (17.5 keV)、w は封入ガスの平均イオン化エネルギー (純 Xe ガスの場合は 22 eV) である。

Effective gain =Q
e · E/w(5.5)

封入ガスの平均イオン化エネルギーについて、元素個々の値はこれまでによく調査がなされているのに対して、混合ガスにおける平均イオン化エネルギーは各ガスの混合比や圧力、組み合わせ等によって異なる。そこで今回の解析では全てのガスについて、最も多くの割合を占める Xe ガスの平均イオン化エネルギー 22 eV を用いてゲインの見積もりを行うことにした。
エネルギー分解能の評価方法
エネルギー分解能は、ガウス関数フィットで求めたピークの ADC 値 mean とガウス関数の標準偏差 σ を用いて次の5.6式で見積もることができる。
エネルギー分解能 (FWHM) =

2.35σ
mean

(5.6)

このときの mean の ADC 値は ADC の原点に対する値だが、使用している ADC のダイナミックレンジは ±2 Vとマイナス側も取得できるものであるため、フィットを行う前に ADC の原点補正を行う必要がある。具体的には、

52

500

XeCO2 (95%/5%), 0◦ C, 1 atm
XeDME (95%/5%), 0◦ C, 1 atm
XeArCO2 (85%/10%/5%), 0◦ C, 1 atm

Input charge Q (fC)

400

XeArCH4 (85%/12%/3%), 0◦ C, 1 atm
XeArDME (85%/10%/5%), 0◦ C, 1 atm
XeArDME (85%/12%/3%), 0◦ C, 1 atm
XeArDME (75%/20%/5%), 0◦ C, 1 atm
XeArDME (75%/22%/3%), 0◦ C, 1 atm

300

XeArDME (75%/24%/1%), 0◦ C, 1 atm

200

100

0

2000

2250

2500

2750

3000

3250

3500

3750

4000

ADC channel
図5.18: カソードから読み出される電荷量と ADC チャンネルの較正曲線。図中の点線は一次関数 Q = A ×

ADC (ch) + B (fC) でフィットした結果を表す。

表5.10: 各測定でのメインアンプのゲイン設定と、直線フィットの結果得られた較正曲線のパラメータ A, B の値。
ガス

XeCO2 (95%/5%)
XeDME (95%/5%)
XeArCO2 (85%/10%/5%)
XeArCH4 (85%/12%/3%)
XeArDME (85%/10%/5%)
XeArDME (85%/12%/3%)
XeArDME (75%/20%/5%)
XeArDME (75%/22%/3%)
XeArDME (75%/24%/1%)

アンプのゲイン設定

A

Coarse gain × 100, Fine gain × 1.00
Coarse gain × 100, Fine gain × 0.55
Coarse gain × 100, Fine gain × 0.78
Coarse gain × 50, Fine gain × 1.02
Coarse gain × 50, Fine gain × 0.70
Coarse gain × 50, Fine gain × 0.53B−2

−49.75 ± 0.49

−2

−91.56 ± 0.75

−2−65.5 ± 1.2−2−96.2 ± 1.1(2.59 ± 0.017) × 10
(4.83 ± 0.025) × 10
(3.41 ± 0.017) × 10
(5.07 ± 0.017) × 10

(7.60 ± 0.0017) × 10

−2−145.0 ± 1.5−1−192.1 ± 1.8−1(1.0097 ± 0.0060) × 10

Coarse gain × 50, Fine gain × 0.50

(1.0889 ± 0.0037) × 10

−207.5 ± 1.1

Coarse gain × 20, Fine gain × 0.83

(1.604 ± 0.020) × 10

−1−302.7 ± 5.8(2.091 ± 0.015) × 10

−1−395.7 ± 3.7

Coarse gain × 20, Fine gain × 0.625

53

Counts

800
700
600
500
400
300
200
100
0
0

200

400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800 2000
Corrected ADC (ch)図5.19: ∆VGEM = 620 V で取得した Mo の ADC スペクトル。1150 ch 付近のピークが Mo の Kα ライン (17.5 keV)であり、その低チャンネルの側が制動放射由来の連続成分、1900 ch 付近のピークがテストパルスにそれぞれ対応する。

ADC スペクトルの横軸のチャンネル数から ADC の原点の値を差し引く。ADC の原点の値は、図5.18に示した較正
曲線で Q = 0 fC となる ADC 値として求めた。
検出器のエネルギー分解能は読み出し回路の電気ノイズの影響を受ける。ノイズの大きさはセットアップの配線方
法や電源系の安定性、周囲のノイズ環境など、多くの要因により変動しうるため、測定毎にその影響を評価し、ノイズの影響を差し引いたエネルギー分解能を比較することで、エネルギー分解能のガス種に対する依存性をより正確に調べることができる。ここでは検出器内部での電離過程や増幅過程に内在するエネルギー分解能への影響とノイズの影響が独立であることを仮定し、以下の5.7式を用いてノイズの影響を差し引いた検出器のエネルギー分解能を見積もった。
電気ノイズを差し引いたエネルギー分解能 (FWHM) =

2.35

√

2 − σ2
σMo
test
mean

(5.7)

ここで、σMo は Mo スペクトルにガウス関数でフィットして得られた標準偏差の値、σtest はテストパルスのスペク
トルにガウス関数でフィットして得られた標準偏差の値である。

5.3.5

ゲインカーブ

1.0 atm におけるゲインの目標値の設定
今回のガス選定試験は全て 0◦ C, 1.0 atm 換算でガスを封入しているため、GMC の 0◦ C, 1.2 atm 換算の場合に比べてゲインが高くなる。そこでまず、TPC 型偏光計に XeCO2 (95%/5%) ガスを 0◦ C, 1.0 atm 換算で封入し、EM54

チェンバーに 0◦ C, 1.2 atm 換算で封入した場合のゲインカーブとの比較を行った。図5.20にその結果を示す。両者のゲインカーブの比較から、1.0 atm の XeCO2 (95%/5%) ガスにおけるゲインは 1.2 atm の場合と比較しておよそ一桁高いことがわかる。この結果には、GEM の個体差や検出器ジオメトリの違い等の影響も含まれているが、TPC 型
偏光計を用いた全ての測定で X 線照射領域を同じにすることで、ガスの違いによる影響のみを比較できる。今回の試験では、XeCO2 (95%/5%) 以外のガスでも、圧力差によるゲインの違いが同程度であると仮定し、ゲインの最低目標値を設定することにした。GMC ではゲイン ∼ 200 を最低達成ラインに設定しており、目標値としてはゲイン ∼ 300を設定している。そこで、ガス選定後にドリフト電場およびインダクション電場の最適化を実施してさらにゲインが向上することも念頭に、∆VGEM = 620 V においてゲイン ∼ 2000 を達成することを 1.0 atm における目標ラインとして設定した。∆VGEM = 620 V を区切りの電圧として設定しているのは、前述のようにこの電圧以上だと導通破壊につながる放電の発生回数が急増したためである。図5.20にはゲインの目標ラインを赤点線で示している。

103

TPC polorimeter : XeCO2 (95%/5%) @0± C, 1.0 atm
GMC EM chamber : XeCO2 (95%/5%) @0± C, 1.2 atm

インEÆective gain

atm

, 1.0

℃
%), 0
5%/5

O2 (9

r: XeC

imete

olar
TPC p

102

EÆective gain

目標ラ

103

℃, 1.2

GMC

101

560

570

580

O2
: XeC
mber

), 0
%/5%

102

atm

(95

cha

590

600

610

620

630

¢VGEM (V)
図5.20: TPC 型偏光計と GMC EM チェンバーでそれぞれ取得した XeCO2 (95%/5%) のゲインカーブの比較。封
入圧力は TPC 型偏光計では 1.0 atm、EM チェンバーでは 1.2 atm である (どちらも 0◦ C 換算で封入)。さらに今回の試験の最低目標ラインである、∆VGEM = 620 V でゲイン ∼ 2000 を達成するゲインカーブを赤点線で示している。

ゲインカーブの比較

5.3.2章で述べたガス選定試験の方針に従い、まず XeCO2 (95%/5%) 混合ガスのうち Xe 10% を Ar で置換した XeArCO2 (85%/10%/5%) 混合ガスのゲインカーブを取得し、その後 CO2 を DME に変更した XeArDME(85%/10%/5%) 混合ガスで同様に試験した上で混合比の調整を行った。図5.21に測定により得られた各混合ガスにおけるゲインカーブの比較図を示す。試験したガスは合計 9 種類であり、全て 0◦ C, 1.0 atm 換算で封入している。

XeArDME 混合ガスの他に、XeDME (95%/5%) 混合ガスと XeArCH4 (85%/12%/3%) 混合ガスについても試験
55

101

XeCO2 (95%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeDME (95%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArCO2 (85%/10%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArCH4 (85%/12%/3%), 0◦ C, 1.0 atm

Effective gain

10

3

XeArDME (85%/10%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArDME (85%/12%/3%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArDME (75%/20%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArDME (75%/22%/3%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArDME (75%/24%/1%), 0◦ C, 1.0 atm

102

101

510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620∆VGEM (V)
図5.21: ゲインカーブの比較。点線は指数関数モデルでそれぞれのプロットにフィットした結果を表す。

している。ゲインは先行研究から予想されたように、Xe を Ar に置換する事で増加し、また CO2 を DME に変更することによっても増加した。XeArDME の混合比の微調整は Ar を増やして Xe と DME を減らすという方針のもとで行い、これにより最終的に、図5.21中に灰色のプロットで示した XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガスにおいて、目標ラインであるゲイン ∼2000 を ∆VGEM = 620 V で達成可能であることが確認できた。以下に測定結果から読み取れる点をまとめる。

(1) XeCO2 (95%/5%) と XeDME (95%/5%) の比較から、Xe メインの混合ガスにおけるクエンチガスとしては、
CO2 よりも DME を用いた場合の方がゲインが高くなる。今回試験した混合比の場合はおよそ 2 倍に増加している。

(2) XeDME (95%/5%) と XeArDME (85%/10%/5%)、XeArDME (75%/20%/5%) の比較から、Xe を Ar に置換するほどゲインは増加する。具体的には XeDME (95%/5%) から Xe を 10%、20% と置換すると、ゲインはともにおよそ 1.5 倍ずつ増加している。

(3) 混合比の異なる XeArDME の 5 回の測定について、Xe の割合を固定した状態で DME の割合を低くするほど (Ar の割合を高くするほど)、ゲインは増加する。具体的には、Xe の割合が 75% と 85% の場合ともに、

DME の割合を 5% から 3%、1% と下げると、ゲインはおよそ 1.3–1.4 倍ずつ増加している。
(4) XeArDME (85%/10%/5%) と XeArCO2 (85%/10%/5%) の比較から、Xe メインの混合ガスに Ar を加えた場合でも、クエンチガスとして CO2 よりも DME 用いた方がゲインが高くなる。今回試験した混合比では
およそ 2 倍ほどゲインが高い。

(5) XeArDME (85%/12%/3%) と XeArCH4 (85%/12%/3%) の比較から、Xe および Ar の混合ガスに対するク56

エンチガスとしては、CH4 よりも DME 用いた場合の方がゲインが高くなる。今回試験した混合比ではおよそ 2 倍ほどゲインが高い。
当初採用予定であった XeCO2 (95%/5%) と比較して、XeArDME (75%/24%/1%) ではおよそ 10 倍のゲインを達成できているが、その理由については、表5.8 に示した各ガス種のイオン化エネルギーおよび主な励起エネルギーの大きさの違いと、各ガス間でのそれらの値の大小関係を考えることで、定性的にではあるが理解することができる。

2.4章で述べたように、GEM 内で生じる電子雪崩現象では原子・分子のイオン化反応の他に、励起反応もおき、ガスの組み合わせによってその後に起きるペニング効果のゲインへの寄与の大きさが異なる。XeCO2 (95%/5%) 混合ガ
スの場合、Xe のイオン化エネルギーは 12.1 eV で主な励起エネルギーは 8.4 eV、CO2 の場合はそれぞれ 13.8 eV と10.0 eV であるため、互いの励起エネルギーは相手のイオン化エネルギーよりも低く、ペニング効果の発生確率は低い*8 。それに対して XeArDME (75%/24%/1%) の場合、Ar のイオン化エネルギーは 15.8 eV、主な励起エネルギ
ーは 11.6 eV で、DME のイオン化エネルギーは 10.0 eV であるため、励起した Ar は周囲の DME をイオン化できる可能性が高い。すなわち、Ar と DME の組み合わせでは、ペニング効果が効率的に起きることでエネルギーロス
を抑え、より多くの電離電子を発生させることができるため、結果的にゲインが大きくなっていると考えられる。このことは (4) と (5) で述べたように、XeArDME の方が XeArCO2 や XeArCH4 と比べてゲインが高いこととも矛盾していない。

5.3.6

エネルギー分解能

図5.22に 17.5 keV X 線ビームを用いて取得したエネルギー分解能 (FWHM) vs. 実効ゲインのグラフの比較図を示す。グラフから、ガスの種類によらず、ゲインがおよそ 250 よりも低いとエネルギー分解能の値は急激に増加し、ゲイン 50 程度ではおよそ 2 倍にまで悪化することが読み取れる。また、ゲインに対するエネルギー分解能の分布の形状が似ているだけでなく、特に低ゲイン側では多くのプロットがエラーの範囲で一致していることから、エネルギ
ー分解能とゲインの関係について、ガスの種類によらない共通したメカニズムが働いていることが示唆される。ゲインが低いとエネルギー分解能が急激に悪化するというこの結果は、GMC の EM ガスチェンバーに XeCO2 を封入して試験した際のエネルギー分解能が、想定よりも大幅に悪いという結果 (図5.13) と矛盾しないものである。EM ガス
チェンバーではガス選定試験とガスの圧力が異なるが、ゲインは 20–40 程度と低いため、エネルギー分解能の悪化原因は同じであると考えられる。GMC では 2 keV の X 線がエレキノイズに埋もれずに取得できる必要があるという要請から、ゲイン 300 程度を目標値として設定したが、エネルギー分解能という観点からもゲイン 300 程度を達成するべきと言える。実際にはガスの圧力が異なるため、今回の試験と同様にゲインに対するエネルギー分解能の依存性を確認した上で、最適なゲイン (∆VGEM ) のもとで運用する必要がある。

GEM や GEM と同じく電子雪崩現象を用いて信号を増幅する比例計数管についての先行研究でも、低ゲイン側でのエネルギー分解能の悪化についていくつか報告されているが [34, 35]、今回のようにテストパルスを用いたエレキ
ノイズの差し引き等は行われておらず、原因については電気ノイズの影響とのみ言及されているか、触れていない場合が多い。一方で Ref.[36] では、平行電場中での電子増幅における、ゲインばらつきのタウンゼント係数に対する依存性を、モンテカルロ法を用いて計算しており、ペニング効果の影響については十分に考慮されていないが、同様の傾向が得られている。GMC 用のガスチェンバー開発とは別の話題として、このようなシミュレーションと実験結果を比較することで、どのようにゲインがエネルギー分解能に影響を与えているのかを検討することは、電子増幅のメ*8 励起のエネルギー準位は複数あるため、ペニング効果が全く起きないというわけではないが、ゲインに対する寄与は相対的に小さい。

57

Energy resolution at 17.5 keV (%)

27.5

XeCO2 (95%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeDME (95%/5%), 0◦ C, 1.0 atm

25.0

XeArCO2 (85%/10%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArCH4 (85%/12%/3%), 0◦ C, 1.0 atm

22.5

XeArDME (85%/10%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArDME (85%/12%/3%), 0◦ C, 1.0 atm

20.0

XeArDME (75%/20%/5%), 0◦ C, 1.0 atm
XeArDME (75%/22%/3%), 0◦ C, 1.0 atm

17.5

XeArDME (75%/24%/1%), 0◦ C, 1.0 atm

15.0
12.5
10.0

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

Effective gain
図5.22: 17.5 keV の X 線ビームで取得したエネルギー分解能 (FWHM) vs. 実効ゲインのグラフの比較。エネルギー
分解能については5.3.4章の方法で電気ノイズを差し引いている。

カニズムをより深く理解するために必要であると考えており、今後の課題である。

5.3.7

検出効率

GEM のゲインやエネルギー分解能の他に、X 線の検出効率も検出器の性能を決める重要な要素の一つである。ここでは各封入ガスにおける検出効率の見積もりを行う。ただし、実際に試験を行ったガスのうち、元々採用予定であった XeCO2 (95%/5%) と他のガスと比べて高いゲインが達成可能であった XeArDME 混合ガス (XeArDME(85%/10%/5%) と XeArDME (75%/20%/5%)、XeArDME (75%/24%/1%)) の合計 4 つのみについて検討する。
入射 X 線は Be 窓を透過し、チェンバー内部のガスにより吸収される。物質の透過率 T は物質の密度を ρ 、反応断面積を σ 、物質の厚みを l とすると、T = exp(−ρσl) と表される。したがって GMC チェンバーの検出効率 QEは次の式で与えられる。

QE = exp(−ρBe σBe lBe ) × (1 − exp(−ρgas σgas lgas ))(5.8)

ここで、ρBe , σBe , lBe はそれぞれ Be 窓の密度、反応断面積、厚みであり、ρgas , σgas , lgas はそれぞれ封入ガスの密度、
反応断面積、有感層の厚みである。注意点として、ここで計算しているのは反応断面積のみであり、Xe による K 殻
光電吸収後に放出される Kα 線が有感領域外にエスケープするようなイベントや、コンプトン散乱イベントなども含まれる。Be 窓の厚みは個体差があるためここでは 100 µm で計算し、チェンバーの有感層の厚みは前述したように

1.545 cm とする。密度については、Be 窓は純度 100% で近似して 1.85 g cm−3 、封入ガスは理想気体を仮定して見積もりを行う。n 種類のガスの混合気体の場合、k 番目のガスのモル質量を Mk 、圧力分率を Pk とすると、標準状態

58(0◦ C、1.0 atm、22.4 × 103 cm3 mol−1 ) における混合ガスの密度は次の式で与えられる。
∑nρgas =

k=1 Mk Pk

22400(g cm−3 )(5.9)

表5.11に 0◦ C、1.2 atm の場合の各ガスの混合比 (圧力分率)、質量比、密度をまとめる *9 。反応断面積の値にはNational Institute of Standards and Technology (NIST) の XCOM: Photon Cross Section Database[6] を用いる。XCOM は各元素単体および混合物について、光子のエネルギーに対する物質の反応断面積のテーブルを出力可能なデータベースである。混合ガスの場合には各ガス種の質量比を与える必要があり、表5.11にまとめた値を入力して、各混合ガスの反応断面積を計算した。
表5.11: 各混合ガスの質量比と密度
ガス

混合比 (圧力分率)

質量比

密度 (0◦ C, 1.2 atm)

XeCO2

95%/5%

98.3%/1.7%

6.800 mg cm−3

XeArDME

85%/10%/5%

94.7%/3.4%/1.9%

6.316 mg cm−3

75%/20%/5%

90.5%/7.3%/2.1%

5.827 mg cm−3

75%/24%/1%

90.8%/8.8%/0.4%

5.814 mg cm−3

図5.23に混合ガス 4 種について検出効率を比較したグラフを示す。また、図5.24には XeCO2 (95%/5%) に対す
る他の 3 つの混合ガスの検出効率の比を示す。4.78 keV および、34.6 keV に見える検出効率の飛びは、それぞれ Xe の L1–edge と K–edge に対応する。また見えづらいが、3.20 keV と 5.10 keV、5.45 keV にはそれぞれ Arの K-edge と Xe の L2-edge、L3-edge に対応する検出効率の飛びがある。図5.23および図5.24からわかるように、

XeCO2 (95%/5%) と比較して XeArDME は特に 10 keV 以上の高エネルギー側で検出効率が低下している。これは、高エネルギー領域の検出効率への寄与の大部分が Xe によるものであり、Ar はほとんど寄与しないためである。このことは、検出効率低下の割合が XeArDME (85%/10%/5%) では 50 keV においておよそ 10%、XeArDME(75%/20%/5%) と XeArDME (75%/24%/1%) ではおよそ 20% と、XeCO2 (95%/5%) から Xe を減らした割合と概ね一致していることからも理解できる。試験した中で最も高いゲインを達成できた XeArDME (75%/24%/1%)
は、XeCO2 (95%/5%) と比較して 50 keV でおよそ 20% ほど検出効率が低下するが、10 keV での低下率はおよそ10% であり、7 keV より低いエネルギーでは 2% 以下に抑えられている。前述のように、検出効率については半減す
るような大幅な悪化が見られなければ許容するという比較的緩い条件を設定したため、XeArDME (75%/24%/1%)
はその条件を十分クリアしていると判断した。
*9 各ガスのモル質量の値はそれぞれ Xe: 131.3 g mol−1 、Ar: 39.95 g mol−1 、CO : 44.01 g mol−1 、DME: 46.07 g mol−1 。
2

59

100

XeCO2 (95%/5%), 0◦ C, 1.2 atm
XeArDME (85%/10%/5%), 0◦ C, 1.2 atm

Detection efficiency (%)

XeArDME (75%/20%/5%), 0◦ C, 1.2 atm
XeArDME (75%/24%/1%), 0◦ C, 1.2 atm

80

60

40

20

0 0
10

101

102

Eenergy (keV)

Detection efficiency ratio to XeCO2 (95%/5%)

図5.23: XeCO2 (95%/5%) および XeArDME 混合ガスの検出効率の比較。封入圧力は全て 0◦ C, 1.2 atm。

1.00
0.95
0.90
0.85
0.80

XeArDME (85%/10%/5%), 0◦ C, 1.2 atm
XeArDME (75%/20%/5%), 0◦ C, 1.2 atm
XeArDME (75%/24%/1%), 0◦ C, 1.2 atm

0.75 0
10

101

102

Energy (keV)
図5.24: XeCO2 (95%/5%) に対する XeArDME 混合ガス 3 種の検出効率の比。封入圧力は全て 0◦ C, 1.2 atm。

60

103

EÆective gain

, 1.2

0℃, 1

5
E (7

4%/

DM

102

GMC

c

be
ham

eAr
r: X

.2 atm

101

635

560

570

580

CO
r: Xe
mbe

%), 0
%/5

.2
℃, 1

atm

5

2 (9

GMC

625

%/2

atm

, 0℃
1%)

cha

590

600

610

620

630

¢VGEM (V)
図5.25: XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm) のゲインカーブ。図5.13に示した XeCO2 混合ガス

(95%/5%, 0◦ C, 1.2 atm) のゲインカーブについてもプロットしている。

5.3.8 XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm) のゲインおよびエネルギー分解能
ガス選定試験においてゲインに対する目標ライン (∆VGEM = 620 V でゲイン ∼2000 以上) を達成できた

XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガスについて、チェンバーのフライトモデル試作機 (proto-flight model; PFM)*10に 0◦ C, 1.2 atm 換算でガスを封入し、ゲイン 200 を 1.2 atm において達成可能か確認した。図5.25に取得したゲインカーブを示す。図中には図5.13に示した XeCO2 混合ガス (95%/5%, 0◦ C, 1.2 atm) のゲインカーブについてもプロットしている。ガス選定試験における 1.0 atm での結果と同様に、XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガスにおけるゲインは XeCO2 (95%/5%) 混合ガスのゲインのおよそ 10 倍であり、∆VGEM = 610 V においてゲイン 250 を達成している。すなわち、XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガスは、0◦ C, 1.2 atm の封入圧力で要求値であるゲイン 200以上を達成可能であることが確認できた。
図5.26に放射線源 55Fe, 109Cd を GEM 全面に照射して取得した 5.9 keV と 22 keV におけるエネルギー分解能のゲインに対する依存性を示す。それぞれゲインの低い順に、∆VGEM = 560, 580, 600, 610 V に対応する。22 keV( 109Cd) におけるエネルギー分解能は 22% 程度であり XeCO2 (95%/5%) 混合ガスでの結果 (図5.14) と比較して、絶対値で 10% 程度の改善が見られる。また、∆VGEM = 610 V (ゲイン ∼250) のときの 5.9 keV におけるエネルギ
ー分解能は 25% 前後で、5.1章で示した GMC の目標値と同等である。17.5 keV X 線を用いたガス選定試験の結果
59(図5.22) と同様に、5.9 keV でのエネルギー分解能はゲインが低くなるほど急激に悪化している。一方で 22 keV におけるエネルギー分解能はゲイン 50–250 の範囲でほぼ一定であり異なる傾向が見られるが、現時点で原因は不明である。
*10 デザインは EM と全く同じである。

61

er: Xe

hamb

c
GMC

101

560

570

580

590

600

610

620

101

630

¢VGEM (V)

55
FeFe
° 55

109
Cd
° 109
Cd

Energy resolution (%)

30
28
26
24
22
0

50

100

150

200

250

300

EÆective gain
図5.26: 5.9 keV, 22 keV におけるエネルギー分解能のゲイン依存性。エネルギー分解能の値は電気ノイズの影響を差し引いていない。

5.3.9

結論

達成可能なゲインおよび検出効率を考慮し、XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm) を封入ガスの第一候補として選定した。チェンバーのフライトモデル試作機を用いて取得したゲインは ∆VGEM = 610 V において250 で、最低目標ラインである 200 を達成できており、次章で行うドリフト電場・インダクション電場の調整によりさらなる改善が可能である。また、検出効率については、当初採用予定だった XeCO2 (95%/5%) と比較して 50 keV
でおよそ 20% ほど検出効率が低下するが、10 keV での低下率はおよそ 10% であり、7 keV 以下では 2% 未満に抑えられている。今回試験した XeArDME, XeArCO2 , XeArCH4 混合ガス中での GEM の動作はどれも世界初の試みである。特にこれらの中から選定した XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm) は、高エネルギー X
線に感度を持ちつつ高いゲインを達成することができ、これにより GMC における 2–50 keV の観測帯域の実現に目処を立てることができたという点で、重要な結果である。また、以下の章で検討するガスチェンバーの開発要素のうち、ドリフト電場・インダクション電場の調整 (5.4章)、GEM の放電・導通耐性の評価 (5.6章)、長期安定性の評価(5.8章) の 3 点については、ガスの第一候補である XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm) を用いて試験を実施し、GMC の要求仕様を満たすことを確認した上で最終的に封入ガスとして採用することとした。

62

560

5.4

ドリフト電場とインダクション電場の最適化

5.4.1

目的

入射 X 線が GMC の有感領域で光電吸収されて生じた二次電子は、グランド (GND) 電位である Be 窓と、GEM
カソード電極の間に形成されるドリフト電場によってガス中を GEM へ移動する。その後 GEM 内の高電場により電子増幅され、GEM アノードと読み出し電極間に形成されたインダクション電場によって読み出し電極側に誘導された電子により、電荷信号として読み出される。すなわち、二次電子が発生してから信号として読み出されるまでに、GEM 電極間の電場の他に、ドリフト電場とインダクション電場という 2 つの電場によって電子はガス中を輸送されることになる。これらの電場の強度は発生した電子の収集効率を決める重要な因子である。ドリフト電場がある値より小さいと、ドリフト領域で発生した電子–イオン対は再結合してしまい、信号として読み出すことができない。また、電子は周りのガスと衝突しながら GEM まで移動するため、電気陰性度の高い酸素などの分子によって電子が吸着される場合もある。後者については、ガス封入前にチェンバーを十分な時間ベーキングすることによって可能な限りガス中の不純物濃度を下げておくことが最も有効な対策手段ではあるが、電子のドリフト速度を適切に設定することによっても、その影響を緩和することができる。一方、インダクション電場がある値よりも小さいと、GEM で増幅された電子のほぼ全てが GEM のアノード電極に引き寄せられるため、X 線の信号を取得することができない。イ
ンダクション電場を強くするにしたがって、読み出し電極から読み出される電子の割合が増加するため、一般的にインダクション電場はインダクション領域での電子増幅が起きない安全な範囲において、できるだけ高く設定すべきである。本試験の目的は、選定した XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガスを GMC チェンバーに 0◦ C, 1.2 atm 換算で封入した上で、読み出し電極における収集電荷量のドリフト電場およびインダクション電場に対する依存性を実測し、FEC で実現可能な範囲で最良な 2 つの電場の値を決定することである。

5.4.2

実験セットアップ

図5.27に実験セットアップの概略図を示す。GMC チェンバー内の読み出し電極と GEM アノード、カソードの 3
箇所は、それぞれ独立に高電圧印加モジュールに接続されている。GEM アノードの印加電圧を VA 、カソードの印加
電圧を VC 、読み出し電極ラインの印加電圧を VP とすると、収集電荷量のドリフト電場に対する依存性を調査する際には、GEM 印加電圧 (∆VGEM = VA − VC = 580 V) と、インダクション電場 (0.957VP − VA = 1392 V cm−1 ) の値がそれぞれ一定になるようにしながら、VC の値を変化させた。一方、インダクション電場に対する依存性を調査する
際には、GEM アノードの印加電圧 VA およびカソードの印加電圧 VC を変化させずにドリフト電場を 377.2 V cm−1で固定したまま、読み出し電極ラインの印加電圧 VP の値を変化させた。使用した GMC チェンバーはベーキング未実施状態のフライトモデル試作機であり、搭載 GEM は #1586 である。読み出した信号のアナログ処理には、5.3章と同じくプリアンプ (ORTEC109PC) とシェーピングアンプ (ORTEC572) を用いた。X 線源として 55Fe を GMC
チェンバー上部中央に設置し、5.3.4章と同様にあらかじめ取得しておいた収集電荷量 Q vs. ADC チャンネルの較正曲線を用いて、内側電極における収集電荷量を評価した。図5.28に取得した較正曲線を示す。

63

図5.27: ドリフト・インダクション電場試験のセットアップ概略図。

Input charge Q (fC)50

Q = 0.006741 × ADC (Ch) − 0.06660 fC

40
30
20
10
0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

ADC channel
図5.28: テストパルスによる入力電荷量 Q と ADC チャンネルの較正曲線。図中の点線は一次関数 Q = A ×

ADC (ch) + B (fC) でフィットした結果を表す。

64

Counts

1200
ドリフト電場
100 V/cm
150 V/cm
200 V/cm
250 V/cm
300 V/cm
350 V/cm
377.2 V/cm
500 V/cm
650 V/cm

1000
800

600
400
200
0
0

200

400

600

800

1000
1200
ADC channel

図5.29: 異なるドリフト電場に対する 55Fe スペクトルの比較。∆VGEM = 580 V、インダクション電場 = 1392 V cm−1
で固定。

5.4.3

収集電荷量およびエネルギー分解能のドリフト電場に対する依存性

図5.29に 100–650 V cm−1 の範囲でドリフト電場を変化させて取得した、 55Fe スペクトルの比較図を示す。また、
図5.30には、収集電荷量およびエネルギー分解能のドリフト電場に対する依存性を表すグラフを示す。エネルギー分
解能は図5.29のスペクトルにそれぞれガウス関数でフィットすることで見積もっており、収集電荷量についてはフィット結果から得られた ADC 値と図5.28に示した較正曲線から求めた。図5.30から、読み出し電極における収集電荷
量はドリフト電場が 250 V cm−1 以下になると急激に減少し、これと同時にエネルギー分解能についても大きく悪化
していることがわかる。一方で、ドリフト電場が 250 V cm−1 以上の領域では、収集電荷量の増加は比較的緩やかでほぼ頭打ちしており、エネルギー分解能の改善についてもわずかである。以上の結果から、ドリフト電場は最低でも250 V cm−1 以上に設定すべきであり、さらに FEC で実現可能な範囲で大きい値であることが望ましいと言える。

5.4.4

収集電荷量およびエネルギー分解能のインダクション電場に対する依存性

図5.31に 500–5000 V cm−1 の範囲でインダクション電場を変化させて取得した、 55Fe スペクトルの比較図を示す。また、図5.32には、収集電荷量およびエネルギー分解能のインダクション電場に対する依存性を表すグラフを示す。収集電荷量およびエネルギー分解能の見積もり方法は、ドリフト電場の場合と同様である。図5.32から、読み出
し電極における収集電荷量はインダクション電場に対して概ね線形に増加し、5000 V cm−1 と 1000 V cm−1 で比較すると約 2.4 倍である。一方エネルギー分解能については、インダクション電場が 2000 V cm−1 以上の領域についてはほぼ一定であるのに対して、2000 V cm−1 以下の領域ではインダクション電場の低下とともに悪化している。以
上の結果から、エネルギー分解能を悪化させないためにインダクション電場は最低でも 2000 V cm−1 以上に設定す

65

38Collected charge

Collected charge (fC)

5

36
34

4

32
3
30
2
Energy resolution
1
0

28
26

0

100

200

300

400

500

600

700

Energy resolution at 5.9 keV(%)

624

Drift field (V/cm)
図5.30: 収集電荷量およびエネルギー分解能のドリフト電場に対する依存性。∆VGEM = 580 V、インダクション電場= 1392 V cm−1 で固定。エネルギー分解能については5.3.4章と同様の方法で電気ノイズを差し引いている。

べきであり、さらにゲイン改善の観点から、FEC で実現可能な範囲で大きい値であることが望ましいと言える。

5.4.5

結論

ドリフト・インダクション電場に対する収集電荷量およびエネルギー分解能の依存性の測定結果から、ドリフト電場は 250 V cm−1 以上、インダクション電場は 2000 V cm−1 以上に設定すべきであることがわかった。さらにゲイ
ン改善の観点からは、両電場ともに FEC で実現可能な範囲で大きい値であることが望ましい。ただし、ドリフト領域の幅 (1.545 cm) はインダクション領域の幅 (0.125 cm) に比べておよそ 12 倍と大きいため、ドリフト電場を強くするにはより大きな電圧が必要となる。また、FEC に搭載されている高電圧印加モジュール (UMHV0520) の最大
出力電圧は 1.9 kV 程度であり、さらに、抵抗チェーンに使われている耐圧抵抗の抵抗値についても種類が限られている。以上の点を踏まえて、FEC の抵抗チェーン部分の抵抗値は図3.7に示した値に決定した。∆VGEM = 600 V におけるドリフト電場、インダクション電場の値はそれぞれ 390.2 V cm−1 、4800 V cm−1 であり (表3.1)、当初の設定 (それぞれ 403.2 V cm−1 、1488 V cm−1 ) と比較すると、ゲインはおよそ 2 倍に改善する。

66

Counts

1400

インダクション電場
500 V/cm
1000 V/cm
1392 V/cm
2000 V/cm
3000 V/cm
4000 V/cm
5000 V/cm

1200
1000
800
600
400
200
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800 2000
ADC channel

図5.31: 異なるインダクション電場に対する 55Fe スペクトルの比較。∆VGEM = 580 V、ドリフト電場 = 377.2 V cm−1
で固定。

30

ge
har
c
d

8

29

te
llec
o
C

6

28

4

27
Energy resolution

2

0

26

0

1000

2000

3000

4000

5000

Energy resolution at 5.9 keV(%)

Collected charge (fC)

1025Induction field (V/cm)
図5.32: 収集電荷量およびエネルギー分解能のインダクション電場に対する依存性。∆VGEM = 580 V、ドリフト電場= 377.2 V cm−1 で固定。エネルギー分解能については5.3.4章と同様の方法で電気ノイズを差し引いている。

67

5.5 GEM の選定
5.5.1

目的

GEM で電子増幅が起きているのは主に電場強度が高い穴の内部であり、ゲインは電場強度に対して指数関数的に増加する。電場強度は GEM のアノード、カソード電極間の距離、すなわち LCP の厚みに反比例するため、LCP の厚みの GEM 面内におけるばらつき具合が、GEM のゲインの面内ばらつきを決める [37]。このゲインの面内ばらつ
きは、X 線を局所的に照射した場合にはエネルギー分解能の悪化に影響しないが、実際の天体観測では GEM 全面に

X 線が入射することになるため、エネルギー分解能悪化の最も大きな要因となる。したがってエネルギー分解能改善の観点から、GMC フライトモデルに使用する GEM には、ゲインの面内ばらつきがより小さいものを選定する必要がある。GMC の要求性能 (5.1章) から、内側・外側電極ともに 5.9 keV において 25% 程度のエネルギー分解能を目標値として設定した。本試験の目的は、GMC フライトモデル試作機に搭載する GEM 1 枚を 55Fe の全面照射試
験により選定し、さらに選定した GEM について、ゲインおよびエネルギー分解能の面内ばらつきをマッピング試験
により確認することである。

5.5.2

ガスフローチェンバー

GEM 選定試験では多数の GEM を頻繁に入れ替えて試験することになるため、GMC チェンバーではなく、GEMを含むセンサー部品の組み立てから試験を実施するまでにかかる時間がより短くて済むガスフローチェンバーを用いた。図5.33の (a), (b) は、それぞれガスフローチェンバーの外観および内部の写真である。フローチェンバー内の台座の上には、GMC チェンバーを模擬した円筒形のパーツが乗り、その内部には GEM や読み出し電極など、GMCと同様のセンサーパーツが組み込まれている。GEM のアノード・カソード、読み出し電極には、フィードスルーを介して GMC チェンバーと同様に高電圧を印加することができる。使用したガスは ArCO2 (70%/30%) であり、大気圧中でガスをフローして、チェンバー内部の不純物濃度が十分低くなった状態 *11 で試験を行った。X 線はアルミニウムマイラー窓から照射できるようになっており、1.2 cm の不感領域と 1.453 cm の有感領域をもつ。不感領域を持つ点や有感領域の幅がおよそ 0.1 cm ほど異なるなど、ガスフローチェンバーは GMC チェンバーと完全には同じ構造ではないが、GEM を選定する上では問題ないと判断した。また、ArCO2 (70%/30%) ガスによって GEM を選定することになるが、GMC と異なるガスであっても、ゲインが電場に対して指数関数的に増加する点は共通である
ため、GEM の優劣は正しく判断することができる。

5.5.3

実験セットアップ

図5.34に、 55Fe 全面照射試験およびマッピング試験における実験セットアップの概略図を示す。2 つの試験で異なるのは、X 線源として 55Fe 線源を用いるか X 線発生装置を用いるのかという点のみである。55Fe 全面照射試験では、
55

Fe 線源を X 線照射用窓の中央部分に設置し、Mn の特性 X 線 (Kα: 5.90 keV、Kβ: 6.49 keV) を GEM 全面に照射した。一方マッピング試験では、X 線発生装置からの X 線ビームを 4 象限コリメーターを用いて 250 × 250 µm2に絞った上で GEM に照射した。使用した X 線発生装置はガス選定試験 (5.3章) と同じくリガクの Geiger flex 4027
*11 堀場製マスフローコントローラーを用いて 0.3 L/min のフローレートで最低 60 分ガスをフローした。フローチェンバーの内部容積はおよそ 1.8 L であるため、不純物濃度の計算値は exp(−(0.3 L/min × 60 min)/1.8 L) = 0.005% である。

68

図5.33: (a) ガスフローチェンバーの外観写真。(b) ガスフローチェンバー内部の写真。

型である。ターゲット金属には Cu を選択し、40 µm の Ni フィルターを用いて 8.05 keV の特性 X 線 (Kα) が支配的になるように調整している*12 。テストチェンバーはビームの光軸に対して垂直な面内で位置を調整できるように、

XZ ステージの上に設置している。GEM および読み出し電極への高電圧の印加は、FEC ではなく、自作の抵抗チェーン回路を用いた。ただし、抵抗分割部分の抵抗値は FEC に合わせて設定しているため、同じ HV テーブル (表3.1)にしたがう。読み出し電極からの電荷信号は 5.3、5.4章と同じくプリアンプ (ORTEC109PC) とシェーピングアン
プ (ORTEC572) を用いた。また、X 線データ取得時の電気ノイズの評価のために、パルスジェネレーターからテス
トパルスを同時入力する点や、事前に較正曲線を取得し、ADC の原点補正を行った後に、ゲインおよびエネルギー分解能を評価するという点についても同様である。

5.5.4

55

Fe 全面照射試験

全面照射試験に使用した 55Fe は、電子捕獲により、およそ 2.74 年の半減期で 55Mn に壊変する。その後、Mn 原子が基底状態に戻る過程で、およそ 10 : 1 の比率で 5.90 keV (Kα) と 6.49 keV (Kβ) の特性 X 線を放出することが知られている。本試験では、5.90 keV におけるエネルギー分解能を基準に GEM の選定を行う。5.90 keV におけるエネルギー分解能をより厳密に見積もるためには、取得した 55Fe スペクトルに対して単一のガウス関数でフィットを行うのではなく、Kα および Kβ に対応するスペクトルがそれぞれガウス分布にしたがうと仮定し、2 つのガウス関数の和としてフィットを行う必要がある。ただし、試験に使用したガスフローチェンバーには、X 線照射用の窓部分にアルミニウムマイラーおよびレート調整用のアルミニウムフィルターがあるため、Kβ と比較して Kα の強度が弱くなり、両者の強度比は Kα : Kβ = 10 : 1 より小さくなることが予測された。そこで、ガスフローチェンバー内で実際に取得される両者の強度比を、実験および検出効率の計算をもとに見積もったところ、7.43 : 1 という結果が得られた (詳細については、appendix A章を参照すること)。この結果をもとに、 55Fe の ADC スペクトルへのフィット関数として次式を用いる。
*12 Ni の K エッジは 8.33 keV であり、Cu の Kβ (8.91 keV) をカットしている。

69

ガスフローチェンバー

ドリフト
プレーン

GEM
読み出し電極不感領域: 1.2 cm

0.125 cm

有感領域: 1.453 cm

ArCO2 (70%/30%)

Al フィルター 78 um+ Al マイラー
四象限コリメーター250 um x 250 um

Fe-55

ビームパイプ (~ 2 m)

X線発生装置ターゲット金属: Cu
20 kV, 5 mA

堀場マスフロー
コントローラーXZ Stage
XZ Stage
Z

Z
X

X

図5.34: GEM 選定試験の実験セットアップ概略図。マッピング試験の際は、窓部分に取り付けた 55Fe 線源を外して
12

X 線ビームを照射する。

]
[
]
[
CKα
(ADC − (6.49/5.90)MKα )2(ADC − MKα )2
√
+
exp −
f (ADC) = CKα exp −2σKα 22(6.49/5.90)σKα 27.43 6.49/5.90(5.10)

ここで、一項目と二項目がそれぞれ Kα, Kβ に対応し、CKα , MKα , σKα がフィットから求めるパラメーターである。

Kβ の中心値は Kα の値からスケールしており、また、Kβ の標準偏差 σ の値は分散 σ 2 がエネルギーに比例すると仮定して*13 σKα の値からスケールしている。

2022 年 2 月 2 日時点で、合計 17 枚の GEM について 55Fe の全面照射試験を実施済みである。GEM は複数回に分けて製作および試験しており、ロット No. は 38th–42nd の 5 種類である。一例として、図5.35に、GEM 39th batch#1597 を搭載して ∆VGEM = 580 V のもとで取得した 55Fe の ADC スペクトルを示す。(a) と (b) はそれぞれ内側
電極、外側電極における結果であり、グラフ中の赤実線が5.10式によるフィット結果を表す。また、点線はそれぞれ

Kα、Kβ に対応しており、500 ch 付近のピーク構造は Ar のエスケープピーク*14 である。GEM のゲインは、較正
*13 X 線により発生する 2 次電子数 N の分布は、個々の電子の電離過程が独立である場合にはポアソン分布に従うが、実際はポアソン分布からずれる。このずれを定量化するために導入されたのがファノファクター F (ガスに依存するがおよそ 0.2 程度) で、検出器のエネルギー√
分解能 (FWHM) は 2.35F N /N で与えられる。ただし、GEM のような電子増幅過程はポリヤ分布にしたがう統計揺らぎがさらに加わ√るため、エネルギー分解能の式はこれを考慮して、2.35(F + f ) N /N のように修正される。X 線のエネルギーを E とすると、N ∝ E
2であるため、分散 σ = N は E に比例する。
*14 Ar 原子が光電吸収によりイオン化すると、一定の確率で 2.96 keV の特性 X 線が放出される。その後、この X 線が有感領域内で再び光電吸収されなかった場合には、5.90 keV から 2.96 keV を差し引いた 2.94 keV 分のみが X 線信号として読み出されるため、これに対応するピークができる。

70

run0002.root(b)CountsCounts

(a)

600
500

run0002.root
160
140
120
100

400

80

300

60
200

40

100
0
0

20
200

400

600

0
0

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
ADC-7376 channel

200

400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800 2000
ADC-8210 channel

図5.35: GEM を #1597 を搭載し ∆VGEM = 580 V のもとで取得した (a) 内側電極、(b) 外側電極における 55Fe のADC スペクトル。グラフ中の点線はそれぞれ Mn の Kα、Kβ に対応するガウス関数でのフィット結果であり、赤色の実線がそれらの和を表す。250–300 ch 以下あたりに見える崖構造は、イベント取得のトリガースレッショルドに対応している。
13

曲線を用いて 5.90 keV に対応する ADC 値を電荷量 Q に変換し、5.5 式において E = 5.90 keV、w = 27.8 eV [38]を代入して見積もった。また、同時入力したテストパルスのスペクトルに対しては単一のガウス関数でフィット行い、
電気ノイズの大きさを評価した。その後、5.7式と同様の手法を用いて、電気ノイズの影響を差し引いた 5.90 keV におけるエネルギー分解能を計算した。図5.35に示した GEM 39th batch #1597 のゲインは内側電極で 320 ± 13、外側電極で、277 ± 12 であり、エネルギー分解能は内側電極で 24.4 ± 0.3%、外側電極で 26.6 ± 0.7% である。エラー
は全て 1σ 相当でつけている。特に外側のエネルギー分解能のエラーが内側に比べて大きいのは、主に統計量の違いが原因であり、これは 55Fe をフローチェンバー中央に設置していることから生じている。

17 枚全ての GEM について、表5.12に測定日と ∆VGEM 、ゲインおよび 5.9 keV におけるエネルギー分解能の測定
結果をまとめた。例外はあるが、全体的な傾向として内側電極の方がゲインが高めで、エネルギー分解能についても比較的良い。全ての GEM で共通して試験した ∆VGEM = 580 V における結果で比較すると、内側電極のエネルギ
ー分解能は 23.7–37.9% という広い範囲に分布し、外側でも 24.6–38.2% となっている。すなわち、当初の想定通り、エネルギー分解能が他に比べて大幅に悪い GEM を衛星搭載品として使用しないように、事前に選定試験を実施することは必要不可欠である。

NinjaSat プロジェクト全体のスケジュールの観点から、GMC のフライトモデル試作機に搭載する GEM は 2021
年 5 月の段階で選定する必要があった。その時点で試験済みであった衛星搭載用 GEM は 39th batch の #1591,#1596, #1597 の 3 枚である。表5.12に示した測定結果から、内側・外側電極ともにエネルギー分解能が最も良い *15#1597 をフライトモデル試作機搭載用の GEM として選定した。残りの 2 枚および 2021 年 10 月以降に試験した 14
枚の GEM については、フライトモデル用の候補となる。
*15 外側電極については #1596 と #1597 はエラーの範囲で一致している。

71

表5.12: 55Fe 全面照射試験の結果まとめ。
ロット No.

38th batch

39th batch

#1567

外側電極

内側電極

外側電極

570 V

245 ± 1236 ± 1

26.2 ± 0.3%

29.3 ± 0.7%580 V

324 ± 1304 ± 125.8 ± 0.3%

27.4 ± 0.6%580 V

304 ± 1290 ± 125.0 ± 0.3%

28.4 ± 0.6%

#1569

12/11

580 V

286 ± 1279 ± 137.9 ± 0.3%

38.2 ± 0.6%590 V

368 ± 1356 ± 137.6 ± 0.3%

36.1 ± 0.5%

#1591

4/27

580 V

274 ± 9274 ± 1226.1 ± 0.3%

36.5 ± 0.9%

#1596

4/28

580 V

272 ± 14257 ± 1326.0 ± 0.3%

26.5 ± 0.7%

#1597

4/29

580 V

320 ± 13277 ± 1224.4 ± 0.3%

26.6 ± 0.7%

#1595

12/9

580 V

239.8 ± 0.8

242.3 ± 0.8

28.3 ± 0.2%

29.7 ± 0.5%

590 V

309.1 ± 0.9

311.2 ± 0.9

27.1 ± 0.2%

27.6 ± 0.4%600 V

398 ± 1400 ± 1

26.6 ± 0.2%

28.4 ± 0.4%

580 V

268.4 ± 0.7

261 ± 127.9 ± 0.2%

33.1 ± 0.5%

590 V

341.0 ± 0.8

328 ± 1

27.6 ± 0.2%

33.4 ± 0.5%

600 V

439.3 ± 0.9

423 ± 126.5 ± 0.2%

32.9 ± 0.4%

12/13

#1606

10/16

580 V

264 ± 1254 ± 225.6 ± 0.3%

29.5 ± 0.7%

#1604

10/18

580 V

241 ± 1233 ± 227.9 ± 0.3%

32.3 ± 0.7%590 V

309 ± 1296 ± 227.8 ± 0.3%

30.9 ± 0.6%

#1603

10/21

580 V

263 ± 1259 ± 1

25.6 ± 0.3%

35.8 ± 0.8%

#1610

10/29

580 V

237 ± 1242 ± 1

36.1 ± 0.4%

36.6 ± 0.8%590 V

306 ±1310 ± 134.9 ± 0.4%

32.1 ± 0.7%580 V

295 ± 1271 ± 1

26.4 ± 0.2%

28.7 ± 0.4%590 V

377 ± 1346 ± 1

25.6 ± 0.2%

27.9 ± 0.4%600 V

486 ± 1448 ± 224.6 ± 0.2%

26.8 ± 0.4%

580 V

325.1 ± 0.8

313.4 ± 0.7

25.2 ± 0.2%

24.6 ± 0.4%

590 V

419.4 ± 0.9

402.3 ± 0.8

24.5 ± 0.2%

25.3 ± 0.4%600 V

538 ± 1519 ± 1

24.2 ± 0.2%

24.3 ± 0.3%

580 V

243.6 ± 0.9232.2 ± 0.7

23.9 ± 0.2%

29.2 ± 0.5%590 V

312 ± 1296.4 ± 0.7

23.5 ± 0.2%

25.4 ± 0.4%600 V

400 ± 1378.5 ± 0.9

23.0 ± 0.2%

27.7 ± 0.4%580 V

276 ± 1272± 123.7 ± 0.2%

29.7 ± 0.4%590 V

354 ± 1347 ± 122.7 ± 0.2%

28.2 ± 0.4%600 V

453 ± 1446 ± 122.3 ± 0.2%

26.4 ± 0.4%

580 V

288.2 ± 0.8

281.3 ± 0.9

25.1 ± 0.2%

25.6 ± 0.4%

590 V

368.9 ± 0.9

358 ± 1

24.6 ± 0.2%

26.7 ± 0.4%600 V

474 ± 1465 ± 1

24.2 ± 0.2%

25.4 ± 0.4%

#1602

#1621

#1620

42nd batch

内側電極

10/27

#1601

41st batch

10/25

5.9 keV におけるエネルギー分解能b

ゲイン

#1568

#1594

40th batch

測定日a ∆VGEM

#1633

12/14

12/15

12/16

12/20

12/17

a

日時は全て 2021 年。

b

回路ノイズの影響を差し引いた後の値。

72

1 cm

図5.36: X 線ビームの照射位置。同心円状の 2 つの円はそれぞれ内側電極と外側電極を表す。

5.5.5 X 線発生装置を用いたゲインおよびエネルギー分解能のマッピング試験
55

Fe 全面照射試験により選定した、GEM 39th batch #1597 について、マッピング試験により GEM のゲインおよびエネルギー分解能の面内分布を測定した。X 線ビームの照射位置は、図5.36に示すように 1 cm 間隔の合計 37 点である。レートはおよそ 100 counts sec−1 で、各点 100 sec の測定時間で試験を行った。一例として、図5.37に GEM
中心に X 線ビームを照射して取得したスペクトルを示す。1600 ch 付近のピークが Cu の Kα ライン (8.05 keV) であり、1000 ch 付近のピークが Ar のエスケープピークに相当する。全ての測定点について、Cu の Kα ラインに対してガウス関数でフィットを行い、ゲインおよびエネルギー分解能を見積もった*16 。
図5.38にゲインのマッピング結果を示す。(a) は 2 次元ゲインマップであり、37 点のゲインの平均値 305 を基準にしたゲインの相対値 (relative gain) の分布を示している*17 。図中の 2 つの同心円はそれぞれ内側・外側電極の境界を表している。(b) は相対ゲインのヒストグラムであり、グラフ中には 2 つの電極それぞれと、両電極合わせた場合の分布の標準偏差を示している。標準偏差の値は内側電極で 7.21%、外側電極で 8.51% と内側電極の方がゲインばらつきが小さい。また、相対ゲインの平均値は内側電極で 1.06、外側電極で 0.93 であり、内側電極の方が 14% ほどゲインが高い。この結果は 55Fe 全面照射試験の結果 (内側電極の方が 16% ほどゲインが高い。表5.14を参照すること。) と概ね一致している。
図5.39にエネルギー分解能のマッピング結果を示す。(a) は 2 次元エネルギー分解能マップであり、37 点の平均値

14.5% を基準にした相対値の分布を示している。(b) はエネルギー分解能のヒストグラムである。グラフ中には 2 つの電極それぞれと、両電極合わせた場合のエネルギー分解能の平均値を示している。平均値は内側電極で 14.3%、外側電極で 14.8% と内側電極の方が僅かにエネルギー分解能が良い。
*16 これまでの試験と同様に、エネルギー分解能からはテストパルスを用いて電気ノイズの影響を差し引いている。
*17 照射位置は 1 cm × 1 cm のセルの中心である。

73

Counts

run0027.root
600
500
400
300
200
100
0
0

500

1000

1500

2000

2500
3000
ADC-7376 channel

図5.37: X 線発生装置を用いて取得した Cu ターゲットの ADC スペクトル。使用した GEM は #1597 であり、∆VGEM は 580 V に設定した。

7
フ 内
ィ 側
ー 電
ド 極
ス の
ル
ー

6

1.2

0.96

0.93

1.01

1.08

1.06

1.01

1.16

0.95

1.15
1.1

5
0.78

1.01

1.11

1.08

1.00

1.11

1.03

0.77

1.04

1.17

1.10

1.18

0.93

0.94

4

Frequency (N)

(b)
の ー
ド ル
ー ス
ソ ド
カ ー
ィ
フ

Y-axis (cm)

(a)

1.05

9

All: STDEV = 10.0 %8Inner: STDEV = 7.21 %7Outer: STDEV = 8.51 %

6

1

5
0.95

3
0.97

0.93

1.04

1.15

1.05

1.02

0.93

1.00

0.99

1.00

1.01

0.89

4
0.9

3

0
0

1

0.82

2

0.90

3

0.87

4

0.85
フ 外
ィ 側
ー 電
ド 極
ス の
ル
ー

の ー
ド ル
ー ス
ノ
ア ード
ィ
フ

2
1

10

5

6
7
X-axis (cm)

2

0.8

1

0.75

0

0.6

0.8

1

1.2

1.4
Relative gain

図5.38: ゲインのマッピング結果。相対ゲインの (a)2 次元マップと (b) ヒストグラム。

7
フ 内
ィ 側
ー 電
ド 極
ス の
ル
ー

6

16

14.11

13.89

16.87

14.47

14.12

13.87

15.58

15.5

14.78

5
16.22

15.08

14.15

13.93

14.36

15.31

14.36

14.01

14.42

14.73

14.27

13.95

13.49

15.90

13.76

14.43

14.16

13.95

14.17

13.38

14.95

15

Frequency (N)

(b)
の ー
ド ル
ー ス
ソ ド
カ ー
ィ
フ

Y-axis (cm)

(a)

8
7

74

6

4

3
2

14

Inner: Mean = 14.3 %Outer: Mean = 14.8 %

5

4
14.5

All: Mean = 14.5 %

3

0.95

3
0.97

0.93

1.04

1.15

1.05

1.02

0.93

1.00

0.99

1.00

1.01

0.89

4
0.9

3

0
0

1

0.82

2

0.90

3

0.87

4

0.85
フ 外
ィ 側
ー 電
ド 極
ス の
ル
ー

1

の ー
ド ル
ー ス
ノ
ア ード
ィ
フ

2

5

6
7
X-axis (cm)

2

0.8

1

0.75

0

0.8

1

1.2

1.4
Relative gain

(b)
フ 内
ィ 側
ー 電
ド 極
ス の
ル
ー

6

16

14.11

13.89

16.87

14.47

14.12

13.87

15.58

の ー
ド ル
ー ス
ソ ド
カ ー
ィ
フ

Y-axis (cm)

7

15.5

14.78

5
16.22

15.08

14.15

13.93

14.36

15.31

14.36

14.01

14.42

14.73

14.27

13.95

13.49

15.90

13.76

14.43

14.16

13.95

14.17

13.38

14.95

13.74

14.53

14.71

14.26

14.01

Frequency (N)

(a)

0.6

15

8
7

All: Mean = 14.5 %Inner: Mean = 14.3 %6Outer: Mean = 14.8 %

5

4
14.5

4

3

3

14

0
0

1

14.35

2

13.76

3

18.23

4

2
フ 外
ィ 側
ー 電
ド 極
ス の
ル
ー

1

の ー
ド ル
ー ス
ノ
ア ード
ィ
フ

2

5

6
7
X-axis (cm)

13.5

1
0
10

13

11

12

13

14

15

16

17
18
19
20
Energy resolution (%)

図5.39: 8.05 keV におけるエネルギー分解能のマッピング結果。エネルギー分解能の (a)2 次元マップと (b) ヒストグ
ラム。

5.5.6

考察

55

Fe の全面照射試験により評価したエネルギー分解能と、マッピング試験から得られた GEM のゲインの面内ばらつきとの関係について考察する。 55Fe を GEM に全面照射した場合に期待される 5.90 keV におけるエネルギー分
解能 ∆E/E (FWHM) は、近似的に以下の式で表すことができる。

∆E
=
E

√(

∆E
E

)2
+ σgain 2(5.11)0

ここで、(∆E/E)0 は X 線を GEM の局所的な領域に照射した場合の 5.90 keV におけるエネルギー分解能 (FWHM)、

σgain は GEM のゲインばらつき (FWHM) である。すなわち、検出器を GEM の平面内で細かく分割した上で、各微小領域におけるエネルギー分解が全て同じであると仮定し、さらにこのエネルギー分解能について、各領域のゲイ
ンばらつきを考慮して全ての領域で足し合わせることによって、検出器全体のエネルギー分解能が表されるという考えである。(∆E/E)0 については、エネルギー分解能がエネルギーの −1/2 乗に比例すると仮定して、8.05 keV でのマッピング結果 (内側電極 = 14.3%、外側電極 = 14.8%) を用いて近似的に求めると、内側電極は 16.7%, 外側電極は 17.3% となる。一方、 55Fe 全面照射試験の結果から、ゲインばらつき σgain は内側電極で 16.9%、外側電極で20.0% である。以上の値を5.11式に代入して、全面照射時に期待される 5.90 keV におけるエネルギー分解能を計算すると、内側電極は 23.8%、外側電極は 26.4% と見積もることができる。これらの値は実測した 5.90 keV におけるエネルギー分解能の値 (内側電極 = 24.4 ± 0.3%、外側電極 = 26.6 ± 0.7%) と 2σ エラーの範囲で一致している。すなわち、5.11式で仮定したように、5.90 keV の X 線を全面照射した際のエネルギー分解能は、検出器の微小領域におけるエネルギー分解能と、GEM のゲインばらつきという 2 つのパラメーターで概ね表すことができる *18 。
*18 5.11式が成り立つエネルギー範囲は今回の試験結果からは判断できない。

75

15

5.6 GEM の放電・導通耐性の評価
GEM は 100 µm の絶縁体の両側に位置する銅電極に対しておよそ 600 V の高電圧を印加することにより、ガス中で電子雪崩を引き起こし、信号増幅を行う。NinjaSat に搭載している GEM の電極間は数 T� 以上の高い抵抗値を持つが、両電極間に生じる電場の強さは最大で 60 kV cm−1 ほどになるため、瞬間的に放電もしくは完全に導通する可能性はゼロではない。微小な放電の場合にも検出器のバックグラウンドとなるため本来は好ましくないが、これにより GEM が破損する可能性は低い。一方で電極間が完全に導通し、蓄積していた電荷が瞬間的に絶縁体表面を伝って流れるような場合には、絶縁体が炭化して電極間が恒常的に導通し、信号増幅不能になってしまう可能性がある。
また、電極間が恒常的に導通しない場合であっても、このような現象が運用中に繰り返し発生することで、バックグ
ラウンドとなる微小放電のレートが時間とともに高くなることも考えられる。したがって、あらかじめ運用中に想定される GEM の導通回数を見積り、それに対する GEM の耐性および、経時変化の有無を確認しておく必要がある。

5.6.1

実験セットアップ

図5.40に GEM の放電・導通耐性を評価する際に用いた実験セットアップを示す。図5.40(a) はセットアップ写真
であり、図5.40(b) はそのブロックダイアグラムである。ガスチェンバーはフライトモデル試作機で、内部の GEMも含めて、全てのデザインはフライトモデルと同一である。ただし衛星搭載品の余分なストレスを低減するという観点から、本試験で使用した GEM は衛星搭載品としては採用せず、試験後に GEM のみ選定試験で選定した別のものに入れ替えることにした。チェンバーへの高電圧印加ならびに X 線信号のアナログ処理には、実際の運用と同じく

FEC を用いた。FEC の高電圧印加部の回路は、図3.7に示したように、HV モジュールから出力されるおよそ 2 kVの電圧を抵抗分割することにより、ガスチェンバー内部の読み出し電極内側・外側、GEM アノード・カソードにそれ
ぞれ高電圧を印加している。抵抗分割の一番下には 470 kΩ の抵抗があり、この抵抗にかかる電圧を電圧フォロア回
路で読み出すことで、抵抗チェーン全体に流れる電流をモニターできるようになっている (実際に測定するのは電圧であり、我々はこの測定電圧を HV monitor と呼んでいる)。GEM 導通時には、GEM 電極間の電位差を作り出している 100 MΩ の抵抗だけでなく、アノード、カソードそれぞれに接続している 10 MΩ の保護抵抗側にも電流が流れることになるため、抵抗チェーン全体の電流量が瞬間的に増加する。NinjaSat では HV monitor の値を DAQ ボー
ド上の ADC を用いて 100 ms 周期でサンプリングし、運用中に発生する GEM の導通現象をモニターし続ける。今回の試験実施時には DAQ ボードの開発が完了していなかったため、GRAPHTEC 社製のデータロガー GL200A を用いて 100 msec 周期で HV monitor を測定した。また実際の天体観測を想定し、試験中はチェンバー上部に 55Fe
線源を設置して、GEM 全面に 5.9 keV, 6.5 keV の X 線を合計およそ 100 counts sec−1 (∼ 2.5 Crab 相当) で照射
し続けた。

5.6.2

測定全体の GEM 印加電圧と GEM 導通時の HV monitor 波形

図5.41 に、測定全体における GEM に対する印加電圧 (∆VGEM ) を時刻に対してプロットしたグラフを示す。測定はガスフィル後およそ 2 ヶ月に渡って断続的に実施しており、試験した ∆VGEM は 580, 593, 610, 620, 622 V の 5 パ
ターンである。最大設定電圧である 622 V は、今回使用した FEC で印加可能な最大電圧である。詳しい原因は理解できていないが、ガスフィル直後は GEM の導通レートが高い傾向が見られるため、最低電圧である ∆VGEM = 580 V
で測定を行い、レートが落ち着いた 10 日経過以降で、より高電圧での試験を実施した。また、 55Fe のスペクトル解76

図5.40: (a) 実験のセットアップ写真 (b) チェンバーおよび測定系のブロックダイアグラム

析より、運用予定であるゲイン ∼ 300 を達成するのは、∆VGEM = 593 V の時であることが確認されている。
実験で取得した HV monitor の 1 例として、図5.42に ∆VGEM = 622 V における HV monitor の信号波形を示す。図5.42(a) は 2021/5/11 10:30–13:30 の 3 時間の間に取得した HV monitor の信号波形全体であり、図5.42(b)はそのうちの 1 波形のみを拡大したものである。これらのグラフから、定常状態における HV monitor の値はおよ
そ 2.9 V であり、GEM 導通時には電圧が最大で 0.7 V ほど増加した後、およそ 100 ms の時定数で立ち下がり、

500–600 ms 程度でベースラインに復帰していることがわかる。この時定数 100 ms というのは、GEM 導通後の充電時間に対応する。100 MΩ, 10 MΩ, 470 kΩ の抵抗をそれぞれ R, r, r ′ 、電源電圧を V , GEM に流れる電流を I,

GEM の静電容量および電荷を C, Q とすると、図3.7の RC 回路に対応する回路方程式は()()
2R + r + r′
2R + r + r′
QV =(R + 2r) + 2r I +
+1
R
R
C

(5.12)とかけ、この式を解くと RC 回路の時定数 τ は(
τ =C

2R + r + r′
(R + 2r) + 2r
R)(

2R + r + r′
+1
R)
(5.13)と求まる。使用している GEM の静電容量はおよそ 1100 pF 程度であるため、上式にこの値と抵抗値を代入すると、
時定数は 97 ms と見積もることができ、実験結果と概ね一致する。このことから、当初の想定通り GEM 電極間の導通が実際に起きていることが実験的にも確かめられた*19 。

5.6.3 GEM 導通レートの時間変化
図5.43に各 ∆VGEM における GEM 導通レートの時間変化を表すグラフを示す。グラフから、GEM 導通レートの時間変化は大きく分けて 2 パターンあることがわかる。1 つ目はガスフィル直後から 5–10 日経過後までの期間で、こ*19 本章では、HV monitor の値が変動する GEM の生き死にに関わるような事象を「GEM の導通」と呼び、HV monitor の値に影響のない「微小放電」と区別している。

77

図5.41: 測定全体における GEM 印加電圧 (∆VGEM ) の推移。ガスフィル後およそ 2 ヶ月の間に実施したすべての試
験について、各時刻における GEM 印加電圧をプロットしている。印加電圧は 580, 593, 610, 620, 622 V の 5 パターンであり、試験に用いた GEM では ∆VGEM = 593 V の時、運用予定であるゲイン 300 を達成した。

図5.42: (a) 2021/5/11 10:30–13:30 に取得した ∆VGEM = 622 V における HV monitor の測定値。定常状態における HV monitor の値はおよそ 2.9 V であるが、GEM 導通時には電圧が最大で 0.7 V ほど増加している。(b) GEM
導通時の HV monitor 波形の例。HV monitor の値が瞬間的に立ち上がった後、およそ 100 ms の時定数でベースラ
インに復帰する。

の期間ではガスフィル直後の数日でレートがおよそ 2 桁ほど急激に低下している。2 つ目は 10 日経過以降の期間であり、ここでは時間経過とともに緩やかにレートが低下している。この GEM 導通レートの時間変化の原因に関して、
前者についてはガスフィル後の Xe, Ar, DME ガスがチェンバー内で不均一であること、後者についてはチェンバー
壁面およびセンサーから放出されるアウトガスにより、ガスの組成が時間変化することが影響しているのではないかと考えているが、現時点で確証は得られていない。

5.6.4 GEM 導通レート vs. ∆VGEM
表5.1に各 ∆VGEM における GEM 導通レートの測定値をまとめた結果を、図5.44に GEM 導通レートの ∆VGEM
に対する依存性を表すグラフをそれぞれ示す。導通レートは、各 ∆VGEM において複数回取得したデータについて、その平均として見積もった。ただし、∆VGEM = 580 V のデータの最初の 2 点については、ガスフィル直後で導通レートが安定する前であったため、解析からは除外している。また、導通レートのエラーは、導通回数がポアソン分布78

図5.43: GEM 導通レートの時間変化。縦軸は 1 分あたりの導通レート、横軸はガスフィル後の経過時間である。導通
レートのエラーは、導通回数がポアソン分布に従うと仮定して導通回数の平方根 (1 σ) でつけており、また経過時間のエラーバーは各測定の測定時間幅を表す。

に従うと仮定して導通回数の平方根 (1 σ) でつけている。図5.44のグラフを見ると、導通レートは ∆VGEM に対して指数関数よりも若干強めに増加しており、GEM の耐用年数を考えると、より低い電圧での運用が推奨されることがわかる。今回試験した GEM の場合、運用予定であるゲイン 300 程度になるのは ∆VGEM = 593 V の時であり、この時の 1 分あたりの導通レートは 0.057 ± 0.008 counts min−1 である。軌道上における実際の運用では、衛星がSAA やオーロラ帯を移動する際や、地没により天体観測が行えない時間帯には高電圧を下げることになる。ここで、高電圧印加時間の割合が 1 日の 50% であり、また導通レートが運用期間中に変化しないと仮定すると、1 年分に相当する GEM の導通回数は(0.057 ± 0.08 counts min−1 ) × 1440 min day−1 × 365 day year−1 × 50% = (1.5 ± 0.2) × 104 counts year−1と見積もることができる。
表5.13: 各 ∆VGEM における GEM 導通レートの測定値。

∆VGEM (V)GEM 導通レート (counts min−1 )580

0.03 ± 0.03593

0.057 ± 0.008

610

0.154 ± 0.007

620

0.403 ± 0.005

622

0.505 ± 0.004

79図5.44: GEM 導通レートの ∆VGEM に対する依存性。

5.6.5 GEM の放電・導通耐性
運用は 1 年間をベースラインとし、それ以降はエクストラサクセスとしているため、少なくとも 1 年分に相当する

1.5 万回の GEM の導通に対する耐性を確認する必要がある。そこで、図5.43に示したように、主に ∆VGEM = 593 V
以上の印加電圧で、合計およそ 39 日間の加速試験を実施した。表5.14は試験全体の結果をまとめたものであり、断続的に実施した各測定について、測定日時、∆VGEM 、放電回数、測定時間、GEM 導通レートをまとめている。測定全体における GEM の合計導通回数は 25321 回であり、これはノミナル設定電圧である ∆VGEM = 593 V で運用した場
合のおよそ 1.7 年分に相当する。また、放電回数の 70% 以上は FEC の最大出力電圧である ∆VGEM = 622 V で測定しているため、∆VGEM = 593 V で運用した場合と比較して GEM にとってより過酷な試験になっている。GEMの電極間が恒常的に導通して信号増幅不能になるといった状況や、また図5.43に示したように、GEM の導通レート
が時間とともに増加するなどの傾向も見られなかった。以上の試験結果より、GMC 用の GEM はおよそ 1.7 年分に相当する導通事象に対しても十分な耐性を持ち、最低運用年数である 1 年を 70% のマージンを持ってクリアしていることが確認できた。

80

表5.14: GEM の放電・導通耐性試験の結果まとめ。
日時∆VGEM (V)3/7

GEM 導通レート (counts min−1 )放電回数

測定時間 (hour)

580

215

2.41

1.49 ± 0.10

3/10

580

101

9.02

0.19 ± 0.02

3/17

580

1

0.50

0.034 ± 0.034

620

99

3.04

0.54 ± 0.06

620

85

2.73

0.52 ± 0.06

610

378

41.38

0.152 ± 0.008

610

73

7.30

0.166 ± 0.02

4/2–4/8

620

3616

147.920.407 ± 0.007

4/8–4/12

620

2176

93.38

0.388 ± 0.008

4/12–4/13

593

54

15.79

0.057 ± 0.008

4/13–4/15

622

1770

50.53

0.584 ± 0.014

4/16–4/19

622

2212

66.65

0.553 ± 0.012

4/23–5/11

622

12799

426.470.500 ± 0.004

5/14–5/17

622

1742

67.40

0.433 ± 0.010

合計

–

25321

38.9 day–

3/30–4/1

815.7

真空引き、ベーキング、ガス封入

5.7.1

真空引きおよびガス封入のセットアップ(1)

Vacuum
gauge

V12

B3へ

B2へ

V13

Rough
pump

Be 窓観察用チェンバー1

Be 窓観察用チェンバー2

ガスチェンバー1

ガスチェンバー2

Turbo
pump

V11

Be 窓観察用
チェンバー1へB2

Be 窓観察用
チェンバー2へ

B3

V18

(2)

バラトロン

(3)
V14 V15

Vacuum
gauge

バラトロン

B4

B1

V1 V2
Rough
pump

Purifier
Xe用

V7

V3

Purifier
CO2用

V4

V8

V10

V20

Xe

Rough & turbo
pump

V6

V21

Ar or DME

V5

V9ExhaustFlowV17meter

図5.45: 真空引きおよびガス封入を行うガスシステム全体の概要図。

図5.45にガスチェンバーの真空引きおよびガス封入を行うガスシステム全体の概要図を示す。ガスシステムは 2 台の GMC を同時に、もしくは 1 台のみを真空引きおよびガス封入できるように設計しており、図中に示すように (1),(2), (3) に大別できる。(1) は GMC ガスチェンバーおよび Be 窓観察用チェンバーを含む部分である。GMC チェン
バーの銅パイプの先にはそれぞれオールメタルアングルバルブ V11, V18 (VAT 54124-GE02) があり、真空引きの際にはこれら 2 つのバルブを開いた状態にして同時に内部を排気できるようになっている。V11, V18 には GMC チ
ェンバー内部を排気するターボポンプ (Pfeiffer HiPace 80) と粗引き用のダイアフラムポンプ (Pfeiffer MVP040-2)が接続されており、大気圧計 (MKS バラトロン 626C) と真空ゲージ (Pfeiffer PKR 251) の 2 つを用いてそれぞれ
大気圧付近および高真空における圧力を測定する。

(2) は Be 窓観察チェンバーの排気系である。GMC チェンバーは Be 窓にかかるガス圧をチェンバー外側の Al 格子で保持しているが、チェンバーに対して負圧 (内向きの圧力) がかかると Be 窓が破損してしまう。そのため、GMC
チェンバー内部を真空引きする前に、GMC 上部に取り付けられた Be 窓観察用チェンバーを排気する必要がある。
図5.46に Be 窓観察用チェンバー上部の写真を示す。Be 窓観察用チェンバーには上部にガラス窓がついており、真空82

図5.46: Be 窓観察用チェンバー上部のガラス窓部分。このガラス窓から、GMC チェンバーの Be 窓に負圧がかかっていないか目視確認できる。

引き時に Be 窓に負圧がかかっていないかどうかをこのガラス窓から目視確認できる。Be 窓にかかってもよい負圧の値は 0.1 Torr と設定している。負圧が 0.1 Torr の場合、およそ 9 g の質量が Be 窓全体にかかる計算になるが、これは Be 窓の強度的に問題にならないレベルである。Be 窓観察用チェンバー 1, 2 はそれぞれバルブ B2, B3 を経
由して、ターボポンプとダイアフラムポンプ一体型のポンプステーション (PFEIFFER TSH 071 E) とドライ真空ポンプ (NeoDry7E) に接続されており、内部の圧力は GMC チェンバーと同様に大気圧計と真空ゲージでモニターする。バルブ B4 は常に閉めており、Be 窓観察チェンバーの排気系は GMC チェンバーの排気系と切れた状態にある。Be 窓観察用チェンバーを 2 つの排気系統を用いて真空引きしているのは、夜間など実験者が装置の近くにいな
い際に瞬間停電が起きた場合に備えるためである。ポンプステーションは瞬間停電後の電力復旧時に自動で排気が再開しない仕様になっているのに対して、NeoDry は復旧時に自動で排気が再開するため、仮に瞬間停電が起きた場合であっても、NeoDry が稼働することにより Be 窓観察用チェンバーの真空度を保つことができる。NeoDry だけでなくポンプステーションを使用しているのは、ポンプステーションの方が排気性能が良く、より高い真空度を達成でき、万が一チェンバーからリークした際などに気づきやすくするためである。また、2 つの排気系統それぞれには、電源のオンオフに同期して開閉する電磁バルブが接続されており、仮に長時間停電した場合であっても数時間から半日程度は真空度を保持できる。

(3) はガス封入用のシステムで、バルブ V10 を介して GMC チェンバーと接続されている。GMC チェンバーに封入する 3 種類のガスのうち、Xe は不純物除去を目的とした高純度ガス精製器 (ARM 社製 125C-V04) を通して封入する。一方で、Ar と DME についてはガス精製器を用いておらず、またセットアップの関係上、ガス封入毎にガスボンベを配管に接続し直す必要がある。ただし、Xe ガスの場合も含めて、ガス封入前にバルブ V9, 17 経由でガスを大気中に流しながら配管内を共洗いし、純度を保持している。

83

測定全体の排気曲線

Press

Be 窓観察用チェンバー

GMC チェンバー

(i)

(ii)

図5.47: 測定全体における GMC チェンバーと Be 窓観察用チェンバーの排気曲線。GMC チェンバーの真空度が0.1 Torr を切った時刻を 0 sec に設定している。

5.7.2

Pressur

真空引き

図5.47に測定全体における GMC チェンバーと Be 窓観察用チェンバーの排気曲線を示す。横軸は GMC チェンバーの真空度が 0.1 Torr を切った時刻を 0 sec に設定しており、その時刻からの経過時間を表している。測定全体は図中に色で示したように、(i) ベーキング前の真空引き, (ii) ベーキング中の真空引きという 2 つの領域と、その後のア
ウトガスレートの評価試験 (pressure-rise test)、ガスの封入に分けられる。

Be 窓に 0.1 Torr 以上の負圧がかからないように、まず Be 窓観察用チェンバーの排気から行った。バルブ B1 を閉めた状態でターボポンプのみで排気すると 3 × 10−5 Torr 程度の真空度を達成し、この状態で GMC チェンバーの排気をスタートした。領域 (i) において、GMC チェンバーの圧力はおよそ 6.5 × 104 sec かけて 7.37 × 10−7 Torrまで低下している。また、GMC チェンバーの圧力が 10−5 Torr 台になった段階で、夜間の真空引きに備えてバルブ

B1 を開いており、Be 窓観察用チェンバーの排気曲線で 300 sec 付近に見える真空度の急激な悪化は、このタイミン
グに対応している。バルブ B1 を開くと厳密には Be 窓に負圧がかかることになるが、差圧は 0.01 Torr 以下である
ため問題ない。

5.7.3

ベーキング

およそ 1 日ほど真空引きを行い、時間経過に対しておよそべき乗で真空度が低下していることを確認した上で、ベーキングに移行した。図5.48に 2 つのチェンバーおよび配管にリボンヒーターを巻いた写真を示す。リボンヒーター
はバルブ V10 から GMC チェンバー側と、Be 窓観察用チェンバーにそれぞれ巻いている。本来ベーキングする必

84

図5.48: GMC チェンバーおよび Be 窓観察用チェンバー、配管にリボンヒーターを巻いた状態。

要のない Be 窓観察用チェンバーもベーキングしているのは、Be 窓観察用チェンバーが GMC チェンバーの上に固定されており、GMC チェンバー全体を均一に加熱するためには、Be 窓観察用チェンバーの温度も上げなければならないためである。図5.48の写真に示したリボンヒーターの上からアルミホイルを巻き、電源に接続したスライダッ
ク経由でリボンヒーターに電圧を印加してベーキングを実施した。ベーキング時の GMC チェンバーの温度はおよそ75◦ C、Be 窓観察用チェンバーの温度はおよそ 80◦ C であり、この温度をおよそ 10 日間保持した。
図5.49にベーキング中の排気曲線を示す。スライダックの電源を入れてベーキングを開始した時刻を 0 sec に設定している。GMC チェンバーの圧力は温度上昇とともに一度 5.09 × 10−6 Torr まで上昇しているが、その後再度圧力が下がり始めている。圧力が上昇するのは、温度が上がることでチェンバー内壁やセンサーから放出されるアウトガ
スの量が一時的に増えるためである。圧力上昇部分の形状が 3 段になっているのは、温度の上昇具合をみて、2 回ほどスライダックの電圧値を微調整したためである。一方でこの間、Be 窓観察用チェンバーの圧力はほぼ一定であった。GMC チェンバーの圧力はベーキング開始からおよそ 10 日 (8.5 × 105 sec) かけて 1.4 × 10−7 Torr まで低下している。10 日間のベーキング後、スライダックの電圧を 1 時間半かけて徐々に下げていき、約 2 時間かけてチェンバ
ーおよび配管の温度を室温まで戻した。この時 GMC チェンバーの圧力は 1 桁程度急激に低下し、最終的な到達圧力
は 2.00 × 10−8 Torr であった。

85

Pressur
ベーキング中の排気曲線

Be 窓観察用チェンバー

GMC チェンバー

図5.49: GMC チェンバーと Be 窓観察用チェンバーのベーキング時における排気曲線。スライダックに電源を入れてベーキングを開始した時刻を 0 sec に設定している。

5.7.4

アウトガスおよびリークレートの評価

ベーキング後、室温の状態でバルブ V12 を閉めてターボポンプによる排気を中断し、圧力の上昇レートを確認することで、GMC チェンバーと配管部分全体のアウトガおよびリークレートを評価した*20 。図5.50にバルブ V12 を閉め始めた時刻を 0 sec に設定してプロットした、GMC チェンバーおよび配管の圧力上昇曲線を示す。圧力は V12 が完
全に閉まり切ったおよそ 10 sec 経過時点から次第に上昇し始め、450 sec 付近で一度上げ止まり、その後の 400 sec
は徐々に圧力が低下している。上げ止まるまでの平均の圧力上昇レートは 1.4 × 10−8 Torr sec−1 である。その後圧力は再度徐々に増加し始め、およそ 4800 sec 経過した時点で 2 桁を超える急激な圧力上昇が見られる。この圧力上昇部分のみを拡大したグラフを図5.51に示す。図5.50とは異なり、縦横軸ともに線形スケールでプロットしている。圧力の上昇レートは初め 1 × 10−5 Torr sec−1 程度で急激に増加しているが、次第に上昇レートは低下し、最後の 100 sec
では 2 × 10−7 Torr sec−1 程度となっている

5.7.5

ガス封入

アウトガおよびリークレートの評価後、バルブ V12 を開いて再度 GMC チェンバー内を真空引きした上でガスの封入作業に移行した。ガスの選定試験 (5.3章) より、封入ガスの第一候補である XeArDME (75%/24%/1%) 混合ガ
スを、0◦ C, 1.2 atm 換算で GMC チェンバーに封入した。ガスの封入順は混合比の小さい DME, Ar, Xe の順である。各ガスを封入する前には、V9, V17 経由でガスを大気中に流し、配管内を共洗いした。各段階におけるガスの封*20 測定からは圧力上昇の原因がアウトガスかリークかの判断はできない。

86

i)

Pressure-rise Test における圧力上昇曲線
Pressure-rise Test における圧力上昇曲線(ii)

図5.50: バルブ V12 を閉めることで取得した、GMC チェンバーおよび配管の圧力上昇曲線。バルブ V12 を閉め始
めた時刻を 0 sec に設定している。

Pressure-rise
Pressure-rise Test
Test 後の再真空引きとガスフィル
後の再真空引きとガスフィル

47
図5.51: 図5.50 の 4000 sec 以降のみの拡大図。

8747

入圧力 P は、封入ガスが理想気体であると近似し、熱電対で測定した大気圧計直下の配管部分の温度 T を次の計算
式に代入することで決定した。

(for DME)(for Ar)(for Xe)

273.15 + T
1%
×273.15100%273.15 + T
25%−1
P = 1.2 atm × 101.325 kPa atm ××
273.15100%273.15 + T
100%
P = 1.2 atm × 101.325 kPa atm−1 ××
273.15100%

P = 1.2 atm × 101.325 kPa atm−1 ×(5.14)(5.15)(5.16)

封入時の測定温度は 24.1◦ C で、各段階における圧力は DME 封入後で 1.32 kPa、Ar 封入後で 33.08 kPa、Xe 封入
後で 132.3 kPa である。これらの圧力は 5.14–5.16式による計算値に一致する。

5.7.6

考察

アウトガスおよびリークレートの評価時における GMC チェンバー内の圧力には、バルブ V12 を締めて試験を開始した直後と、4800 sec 経過時点にそれぞれ急激な増加が見られた。圧力上昇の原因は GMC チェンバーおよび配管からのアウトガスのみであり、リークの影響は無視できると仮定すると、圧力の上昇レートは 2 回目の方が 1–3 桁ほど大きいことから、2 回の圧力上昇には別の箇所のアウトガスがそれぞれ寄与していると考えられる。真空ゲージは
バルブ V12 の横に接続されており、GMC チェンバーとは数 10 cm の配管と直径 3/8 インチ、長さ 20 cm のガス
封入用銅パイプを介して繋がっている。特に、3/8 インチ銅パイプのコンダクタンスは小さく、GMC チェンバー内とそれ以外の配管部分では 1–2 桁ほどの圧力差が生じると設計段階から想定されていた。したがって、4800 sec 付
近に見られたおよそ 2 桁の圧力上昇は、GMC チェンバー内に溜まっていたガスが銅パイプを通り、真空ゲージ付近まで到達したタイミングに相当すると推測できる。おそらく 4800 sec という時間差は GMC チェンバーと銅パイプのコンダクタンスに依存している。4800 sec 以降の圧力上昇レートが初め 1 × 10−5 Torr sec−1 程度だったのに対して、最後の 100 sec では 2 × 10−7 Torr sec−1 程度と低下しているのは、GMC チェンバーと配管で圧力が平衡状態に近づく途中の段階が見えているものと考えられる。

88

ガス封入後のゲイン・エネルギー分解能の安定性の確認

5.8

チェンバーにガスを封入した後、ガス封入用銅パイプをピンチオフし GMC として組み立てるまでのおよそ 5.5 ヶ月の間、チェンバーのガスリークとガス純度の劣化がないかどうか確認することを目的に、 55Fe 線源を用いてゲイン
およびエネルギー分解能の経過観察を実施した。ガスリークの有無は GMC のパーツとしてそのチェンバーを使用可
能かどうかの判断材料になり、ガス純度の劣化の有無はこのことに加えて、今後製作する GMC チェンバーにおいても5.7.3章と同様のベーキング条件 (およそ 80◦ C で 10 日間) で良いかどうかの判断材料となる。

GMC では、5.1章で述べたように ≤ 10−10 Pa m3 sec−1 のガスリークを要求しており、これは 2 年間で 1% 程度の圧力低下に相当する。チェンバー組み立て前のパーツレベルでは、Be 窓とフィードスルーそれぞれの接着部分におけるリークレートを He リークディテクターを用いて測定していて、要求値よりも 1 桁以上良い 10−11 Pa m3 sec−1*21

以下であることを確認している。しかし、GMC チェンバー組み立て後は、チェンバーの構造上、He リークディ

テクターによるリークレートの評価はできないため、他の手法を用いてリークの有無を確認する必要がある。ガスの圧力測定に使用しているバラトロンの測定精度は 0.1% 程度であり、2 年で 1% に相当するガスリークを検知するには最低でも 2.4 ヶ月ほどかかる。また、圧力は環境温度によっても変動する*22 ためその補正も必要であり、さらにガス封入用銅パイプのピンチオフ後には圧力を測定することはできない。そこで我々は、GEM のゲインの時間変化をもとに、ガスリークの有無を判断することにした。GEM を始めとするタウゼント型電子雪崩を利用した検出器のゲ
インは、チェンバー内のガス原子の密度に敏感に依存し、環境温度の変化に対するゲイン変動も圧力の場合と同程度である*23 。また、ゲインであればピンチオフ後にも測定可能であるため、チェンバーの製作から衛星の打ち上げまで常にリークの有無を判断できる。理研が国際宇宙ステーション (ISS) で運用中の MAXI でも、ゲインの変化を長期的に追うことにより、ガスリークの有無を判断している。
ガス純度の劣化は X 線スペクトルに大きな影響を与える。一般に純度の悪化原因は、チェンバー壁面や内部のセンサーに H2 O を始めとする不純物が残存しており、それが時間経過とともに封入ガス中に混ざることである。特に酸素原子のように電気陰性度が大きな原子が不純物として含まれると、ドリフト領域を輸送される電子の一部が不純物に吸着するため、ゲインおよびエネルギー分解能の悪化につながる。スペクトルの形としては、一般にピーク位置が本来よりも低チャンネル側にシフトし、高チャンネル側に尾を引くような形となる。したがって、ガスのリークがない場合であっても、時間とともにガスが劣化して不純物濃度が高い状態になると、ゲインの見積もり値は次第に低下
し、エネルギー分解能についても悪化することになる。

5.8.1

ゲインの安定性

図5.52に 55Fe をチェンバー上部に設置し、GEM 全面に X 線を照射して取得したゲインのガスフィル後の時間変化を表すグラフを示す。ガスフィル後最初の試験は、ガスフィルからおよそ 1 日経過後に実施した。∆VGEM の設定
値は全て 580 V であるが、図中に色を付けて示した 3 つの領域では、使用している FEC のバージョンやデータ取得装置が異なる。領域 (i) では FEC rev.B と特殊電子回路社製の ADC ボード Cosmo-Z mini を、領域 (ii) では FEC*21 使用した He リークディテクタの検出限界値。
*22 理想気体を仮定すると、1◦ C の温度変化に対応する圧力変化は 0.4% ほどである。
*23 GMC 全体のゲイン変動については 6.2章で確認しており、チェンバーのゲイン変動は 20◦ C の温度変化に対して最大でも 10% 程度、すなわち 1◦ C あたり最大で 0.5% ほどであることがわかっている。

89

500

(i)

(ii)

(iii)

内側電極

300

200

外側電極

ピンチオフ

EÆective gain

400

100

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Elapsed time from gasfill (hour)
図5.52: 5.9 keV X 線を GEM 全面に照射して取得したゲインのガス封入後の時間変化。∆VGEM の設定値は 580 V。

rev.C と Cosmo-Z mini を、領域 (iii) では FEC rev.C と NinjaSat 用の EM DAQ を使用した。それぞれのセットアップで ADC チャンネルの較正曲線を取得し、ゲインを評価した。
両電極ともに、ゲインはガスフィル後におよそ 100 時間程度かけて 20–30% ほど急激に減少し、その後 350 時間経過時点までは大きな変化はない。それ以降は、1200 時間あたりにかけて徐々に増加して、最初の測定値付近まで値が戻っている。ただし、最初の測定点はガスフィル後 1 日経過時点で取得したものであるため、ガスフィル直後のゲインはより高い値であったと推測している。その後の領域 (ii), (iii) では、ピンチオフ前後で僅かにゲインが減少している傾向が見えるが、セットアップ変更時以外でゲインの値に統計誤差を超える変化はない。領域 (i) におけるゲインの減少・増加の原因については現時点で理解できていないが、以上の結果より、チェンバーからのガスリークの可能性は低いと考えている。

5.8.2

エネルギー分解能の安定性

エネルギー分解能の時間変化をより詳細に追うために、ここでは 55Fe を GEM 全面に照射するのではなく、NinjaSat 用のコリメーター (開き角 2.3◦ ) もしくは 3D プリンターで作成したコリメーター (開き角 ∼ 4.7◦ で X 線照射領域のサイズは直径およそ 4 mm。) を用いて X 線照射領域を絞ってデータを取得した。照射位置は GEM の中心で、それ以外の実験セットアップはゲインの安定性確認試験と同じである。
図5.52に 5.9 keV におけるエネルギー分解能とゲインのガスフィル後の時間変化を表すグラフを示す。図5.52と同様に、セットアップの違いをもとに領域 (i), (ii), (iii) に色分けしている。ガスフィル後最初の試験は、ガスフィルからおよそ 3 日経過後に実施しており、これは、図5.52に示した 55Fe 全面照射試験の 3 つ目の測定点とほぼ同時刻である。ゲインの安定性確認試験と比較して測定点がまばらではあるが、ゲインの時間変化には同様の傾向が見られる。
また、エネルギー分解能については、5.3章などと同様に、テストパルスを用いて電気ノイズの大きさを評価し、その影響を差し引いている。時間経過に伴うエネルギー分解能の悪化は見られず、むしろ徐々に良くなっており、最初と最後で比較すると平均して 2% ほどの改善が見られる。以上の結果から、試験した期間内ではガスの劣化は確認でき

90

(i)

(ii)

24

(iii)

22
ゲイン

20

300
18
エネルギー分解能

200

16
ピンチオフ

EÆective gain

400

100

0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

14
12

Energy resolution at 5.9 keV (%)

500

10
4000

Elapsed time from gasfill (hour)
図5.53: 5.9 keV X 線を GEM 中心にコリメート照射して取得した、エネルギー分解能とゲインのガス封入後の時間変化。∆VGEM の設定値は 580 V。

ず、およそ 80◦ C で 10 日間というベーキングの条件は、我々の要求する検出器性能を達成するのに十分であることが確認できた。

5.8.3

考察

領域 (i) におけるゲインの減少・増加は再現性が見られるが、現時点で原因ははっきりしていない。ただし、ガス
封入後にゲインが減少し安定するまでのタイムスケールは、5.6.3章の図5.43に示した GEM の放電レートの減少のタ
イムスケールと同程度であり、これらの原因は同じである可能性が考えられる。例えば、チェンバーおよび配管内における Xe, Ar, DME の混合比率がガスフィル直後は不均一であり、それが時間の経過とともに均一に近づいていく過程がゲインと放電レートに表れている可能性が考えられる。また別の可能性として、真空引きおよびベーキングによりガスを吸着しやすくなった GEM に、最初に封入した DME が過剰に吸着し、そのことが GEM の増幅機構に影響を与えていることも考えられる。その場合、ガスの封入順序を変えることにより、ゲインおよび放電レートの時
間変化の傾向に違いが見られるかもしれない。

91

5.9

まとめと結論5.1 章でまとめたように、ガスチェンバーの開発・試験項目は (1) Be 窓の透過率測定、(2) 封入ガスの最適化、(3)ドリフト電場・インダクション電場の最適化、(4) GEM の選定、(5) GEM の放電・導通耐性の評価、(6) 長期安定性の評価、の 6 点である。(1) の Be 窓の透過率については、フライトモデルに使用予定のものも含めて合計 4 枚の測定を実施し、Be 窓の厚みおよびその面内ばらつきと、含まれる不純物の濃度を見積もった *24 。フライトモデル
試作機に使用した Be#1 は厚みの平均値が 126.5 µm で標準偏差が 3.3 µm、不純物濃度は 0.21 ± 0.02% である。

2 keV における透過率は 0.150 で測定精度は ±2% と見積もっている。(2) の封入ガスに関しては、Xe メインの混合ガス 9 種類について GEM のゲインを実測し、最大 50 keV の高エネルギー X 線に感度を持ちつつ、GEM の電子増幅度として 300 を達成可能なガスである Xe/Ar/DME 混合ガス (75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm 換算で封入) を採用した。そしてこの選定したガスについて、X 線により発生する電荷の収集効率を高めるために (3) ドリフト電場・インダクション電場の最適化を行った。運用予定である ∆VGEM = 600 V における値はそれぞれ 390.2 V cm−1 、4800 V cm−1 であり、当初の設定と比較するとゲインはおよそ 2 倍に改善する。(4) については、合計 17 枚の GEMについて、5.9 keV X 線の全面照射によりゲインの面内ばらつきを評価し、フライトモデル試作機に搭載する GEMとして、#1597 (5.9 keV におけるエネルギー分解能は内側電極で 24.4 ± 0.3%、外側電極で 26.6 ± 0.7% である) を選定した。また、同デザインの別の GEM を用いて、(5) GEM の放電・導通耐性の評価を行い、1.7 年分の運用に相当する合計 25321 回の導通に対して耐性を持つことを確認した*25 。最後に、(6) 長期安定性の評価として、チェン
バーにガスを封入した後、ガス封入用銅パイプをピンチオフし GMC として組み立てるまでのおよそ 5.5 ヶ月の間、ガスリークおよびガス純度の劣化がないか確認した。ガスリークに関しては GEM のゲインを用いて定期的にモニターし、ガス封入後 1200 時間経過までは 30% 程度の変動が見られたが、その後の 2600 時間の間にセットアップ変更
時以外でゲインの値に統計誤差を超える変化は見られず、チェンバーからのガスリークの可能性は低いと結論づけた。
また、ガス純度の劣化に伴うエネルギー分解能の悪化は 5.5 ヶ月の間に見られておらず、およそ 80◦ C で 10 日間というベーキングの条件は、チェンバーの純度を長期的に保つ上で十分であることが確認できた。以上の結果から、開発したガスチェンバーが 6 つの開発要素全てについて、要求仕様を満たすことが確認でき、ガスチェンバーの開発が完了した*26 。

*24 本修士論文では不純物として Fe のみを考慮した。今後より詳細な解析を行い、最終的には検出器応答に反映させる予定である。
*25 運用期間は 1 年をベースラインとしているため、70% のマージンを持ってクリアしている。
*26 (1) の Be 窓の透過率測定のみ要求仕様は設定されておらず、衛星搭載品として使用する Be 窓の厚みおよび不純物濃度の評価ができてい

れば良い。

92

第6章

ガス X 線検出器 GMC の性能評価試験
ガスチェンバーの開発完了後、FEC, DAQ 等の他のコンポーネントとともに GMC として初めて組み立てた。
図6.1に組み立て後の GMC フライトモデル試作機の写真を示す。質量は 1.137 kg (そのうちチェンバーは 473 g)
であり、1.2 kg 以下という GMC の質量に対する要求を満たしていることが確認できた。本章ではまず、開発した

GMC フライトモデル試作機が要求仕様 (表5.1) を満たすかどうかを確認するために行った基本性能の確認試験についてまとめ、次に温度特性確認試験の結果について述べる。

6.1

基本性能の確認

6.1.1

セットアップと試験概要

図6.2(a), (b) にそれぞれ実験セットアップの全体写真とその配線図を示す。GMC には DAQ に供給する +5 V
電源と CAN 通信を Eth/UDP 通信にブリッジするための STM32 Discovery ボード (STM32H745I-DISCO) の 2

図6.1: ガスチェンバー開発後に他のコンポーネントとともに組み立てた GMC の全体写真。

93

図6.2: (a) セットアップの全体写真。(b) セットアップの配線図。

つが接続されている。PC では NinjaSat 用に開発したソフトウェアを用いて、取得パラメーターの設定や DAQ 経
由での高電圧 (HV) の印加、データ取得の開始・終了、取得データのリアルタイム確認などが可能である。GMC とSTM32 Discovery ボードは、クリーン度維持のためにサンプラテック社製の簡易クリーンベンチ (S-800) 内に設置した。4 つの機器は全て GND を実験室の電源 GND と同電位になる用に接続している。
基本性能試験として、以下の 4 点について確認した。

1. 電気ノイズの ∆VGEM 依存性。
2. 55Fe スペクトルの取得
3. 内側・外側電極のゲインカーブの取得
4. ゲイン・エネルギー分解能のマッピング
2–4 の試験では全て 55Fe を X 線源として用いた。55Fe の照射位置の再現性を担保するために、図6.3(a) のように照射位置を制限する治具をコリメーターの上に乗せ、さらにその上に 55Fe を設置してデータを取得した。55Fe の X 線
照射口は直径 5 mm ほどで、X 線強度は 10 kcps 程度だが、コリメーターにより開き角 2.3 ◦ (FWHM) に絞られ、GMC での取得カウントレートはおよそ 5 counts sec−1 となる。 55Fe の照射位置は図6.3(b) のように中心と、中心
1 、外側電極では位から 1.5 cm, 3.0 cm の合計 7 点である*1 。試験 3. のゲインカーブの取得は、内側電極では位置⃝
8 に設置して、∆VGEM = 580, 590, 600 V のもとでデータを取得した。また、試験 4. のゲイン・エネルギー分解
置⃝能のマッピング試験は、前述の 7 点について、∆VGEM = 590 V のもとでデータを取得した。各データの取得時間は試験によらず約 300 sec である。

6.1.2

電気ノイズの ∆VGEM 依存性

GMC では FEC 上の DC/DC コンバーターを用いてガスチェンバーに HV を印加するが、超小型衛星特有のサイズに対する制約から、チェンバーのフィードスルーと HV 印加モジュールの距離が近い設計となっており (図3.6)、

HV モジュール由来の電磁放射ノイズが低エネルギー側の観測帯域に影響を与えないか確認する必要がある。ここで*1 位置⃝
5 には NinjaSat 用 55Fe 較正源が固定されているため、本試験では使用していない。

94

図6.3: (a) コリメーター上に 55Fe 線源を乗せた状態。(b) ゲインカーブの取得およびマッピング試験における 55Fe
線源の照射位置。

は、観測時に想定される設定電圧である ∆VGEM = 580, 590, 600 V において、電気ノイズの大きさが ∆VGEM に依存しているかどうか確認した。

FEC でアナログ処理された X 線信号のうち、設定したスレッショルド以上の波高を持つ信号については、DAQのセルフトリガー機能により 25 MHz で連続サンプリングされる。これとは別に、GMC では健全性確認用のHousekeeping (HK) data として、AD590LF を用いて測定した温度や X 線信号ラインの ADC 値を 8 sec 周期 (暫定値であり、可変) で取得している。HK データとして取得される X 線信号ラインの ADC 値 (以下 HK fast ADCと呼ぶ。) は、スレッショルド以上の信号を選択的に取得しているわけではなく、ある時刻 1 点における ADC 値を取得するものであるため、これを用いて X 線信号ラインに乗る電気ノイズの大きさを評価することができる。本試験では、可変である HK の取得周期を 1 sec に設定し、HK fast ADC を用いて、電気ノイズの大きさの ∆VGEM 依存性を確認した。
図6.4に ∆VGEM = 590 V のもとで取得した、各電極の HK fast ADC のスペクトルを示す。測定時間は 300 sec
である。X 線信号ラインのオフセット電圧は、チャンネル数が 30 ch 程度になるようにそれぞれの電極で調整しているため、スペクトルの中心値はおよそ 30 ch になっており、電気ノイズの影響で左右に広がった分布をしている。これらのスペクトルに対してそれぞれガウス関数を用いて ±2.5σ の範囲でフィットを行い、フィットの結果得られる
標準偏差 σ の値を見積もると、内側電極で σ = 4.02 ± 0.21 ch, 外側電極で σ = 4.99 ± 0.27 ch という値が得られた。
同様の解析を ∆VGEM = 580, 600 V の場合にも行い、∆VGEM に対して σ をプロットしたのが、図6.5である。電気
ノイズの大きさは ∆VGEM = 580 V では両電極で一致しており、内側電極では ∆VGEM によらず 4 ch ほどであるのに対して、外側電極では ∆VGEM の増加に伴い電気ノイズが 1 ch 程度大きくなっている。この電気ノイズの大きさの違いを 3σ 換算するとおよそ 3 ch に相当する。GMC のダイナミックレンジは <100 keV であり、12-bit ADC を用いているため、3 ch の電気ノイズの差は 0.07 keV に相当する。

95

HK fast ADC sig

40
30
20
10
0
0

5
4
3
2
1

10

20

30

40

50
60
ADC channel

0
575

580

585

Countsrun0022.root
70
内側電極
外側電極

60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50
60
ADC channel

図6.4: ∆VGEM = 590 V のもとで取得した HK fast ADC スペクトル。信号波形のベースラインである 30 ch 付近を中心に分布している。

16.root30

22.root

98

HK fast ADC sigma (ch)

内側電極
外側電極

内側電極
外側電極

7
6
5
4
3
2
1

40

50
60
ADC channel

0
575

580

585

590

595

600

605

¢VGEM (V)

図6.5: 電気ノイズの大きさの ∆VGEM 依存性。縦軸の電気ノイズの大きさは、HK fast ADC のスペクトルにガウス関数でフィットすることで見積もっている。
内側電極
外側電極

96

590

¢VGEM (V

140
120
100

2 keV 相当 (位置①)160

2 keV 相当 (位置⑧)Countsrun0022.root
180

位置①
位置⑧

80
60
40
20
0
0

50

100

150

200

250

300

350
400
ADC channel

1 、外側電極では位置⃝8 。
図6.6: ∆VGEM = 590 V のもとで取得した 55Fe スペクトル。照射位置は内側電極では位置⃝

103

55

55

Fe スペクトル

位置①EÆective gain

6.1.3

Fe スペクトルの例として、∆VGEM = 590 V のもとで取得した内・外側電極それぞれの ADC スペクトルを

図6.6に示す。横軸の ADC 値は信号波形のベースラインである 30 ch を差し引いている。照射位置は内側電極では
1 、外側電極では位置⃝8 である。100 ch 以上の領域に見える 2 つのピークがそれぞれ 55Fe の 5.9 keV の X 線
位置⃝Gain = 300に相当する。イベントをトリガーするスレッショルドの設定値は内側電極で
31 ch、外側電極で 33 ch であり、トリ
位置⑧ガー設定は 2 つの電極の OR トリガーを使用している。スペクトルに存在するこれらのスレッショルド以下のイベン
トは、反対側の電極において放電もしくは宇宙線等にトリガーがかかったイベントに相当する。スレッショルドから55

Fe のピークの間に存在するイベントは、主に宇宙線ミューオンと GEM の微小放電に起因する。特に宇宙線については、信号の立ち上がり時間の違いを利用した
X 線との弁別手法の開発を、実測とシミュレーションの両面から進
2

10
575

580

585

590

595

600

605

めており、現時点で 90–99% の宇宙線を除去することができると見積もられている [39, 15]。

¢VGEM (V)各スペクトルに対して、ガウス関数を用いて ±2.5σ の範囲でフィットし、ゲインと 5.9 keV におけるエネルギー
1 ではゲイン 470 ± 1、エネルギー分解能 18.3 ± 0.4%、位置⃝8 ではゲイン 274 ± 1、エネ
分解能を見積もると、位置⃝1 と比較して位置⃝
8 はゲインがおよそ 40% 低く、エネルギー分
ルギー分解能 21.9 ± 0.6% となる。すなわち、位置⃝

解能は絶対値で 3% ほど悪い。エネルギー分解能が GEM 選定試験 (5.5章) と比べて良いのは、本試験では 55Fe 線
源の照射領域が直径およそ 5 mm であり、GEM 選定試験と比較して、GEM のゲインばらつきの影響が小さいためである。また図中には、 55Fe のピーク位置から換算した 2 keV に相当する ADC 値を各照射位置について見積もり、
1 では 87 ch、位置⃝
8 では 54 ch である。両電極ともに、電気ノイズのカウ
点線で示している。この ADC 値は位置⃝1 では 0.8 keV、位置⃝
8 では
ントレートがほぼゼロになるスレッショルドの設定値は 35 ch 付近であり、これは位置⃝

1.3 keV に相当する。

97

60
40
20
0
0

50

100

150

200

250

300
350
400
ADC - 30 channel

103EÆective gain

位置①

Gain = 300

位置⑧

102
575

580

585

590

595

600

605

¢VGEM (V)
1 と⃝8 における GEM のゲインカーブ。
図6.7: X 線照射位置⃝

表6.1: ゲインカーブのパラメーター A, B 。

6.1.4

照射位置

A

B (V−1 )1
位置⃝(4.7 ± 0.4) × 10−7

(3.51 ± 0.02) × 10−2

8
位置⃝

(9.1 ± 1.4) × 10−7

(3.31 ± 0.03) × 10−2

ゲインカーブ

1 と⃝8 でそれぞれ取得した GEM のゲインカーブを図6.7に示す。図中の点線は指数関数モデル
X 線の照射位置⃝

A × exp(B × ∆VGEM ) でそれぞれの測定点に対してフィットした結果を表している。各パラメーターのベストフィ
1 についてットの値を表6.1にまとめた。図中には、ゲインの目標値である 300 のラインを点線で示している。位置⃝
8 については、ゲイ
は、∆VGEM = 580 V でこの目標値をクリアしているが、これよりも 40% ほどゲインの低い位置⃝
8 は、次項のマッピング試験でゲインを確認し
ン 300 を達成するのに 593 V の印加電圧が必要である。ただし位置⃝

た 7 点のうちで最もゲインが低い箇所であり、その他の 6 点については全て ∆VGEM = 590 V において目標値である
ゲイン 300 を達成していることを確認できた。

6.1.5

ゲイン・エネルギー分解能のマッピング結果

図6.8に ∆VGEM = 590 V において 55Fe 線源を用いて取得したゲインのマッピング結果を示す。図は 2 次元のカラーマップになっており、赤色に近い色の箇所ほどゲインが高い。GEM のゲインは外側と比較して中心付近で高く、そ2 が最もゲインが高い。この箇所のゲインは 474 ± 1 である。ゲインカーブを取の中でも中心から 1.5 cm 下の位置⃝
1 (中心) のマッピング試験におけるゲインは 451 ± 1 で、7 箇所のうちで 2 番目にゲインが高い。ゲイン
得した位置⃝

98

FWHM Map
500

4274.3423

4502

341.254

Y-axis (cm)Y-axis (cm)Gain Map (2021/11/06)
4

2

3
2

305.328

20.7257

400

1

352.6

1

373.55350

451.304

0
−1

φ50
φ67

474.346

−2

300

250

−3

19.7415

18

0
−1

20

−2
−3

−3

−2

−1

0

1

2

3
4
X-axis (cm)

200

−3

−2

図6.8: GEM のゲインマップ。 55Fe 線源の照射位置は図6.3(b) の写真に対応している。ϕ50 と ϕ67 の円はそれぞれ内側、外側電極の境界を表す。

カーブ取得時の結果 (470 ± 1) と 4% ほど異なっているのは、照射位置の再現性が 1 mm 程度であることが原因だと
8 におけるゲインは 274 ± 1 で、ゲインカーブ取得時と一致しており、測定した 7 箇所の考えている。一方で、位置⃝8 以外の 6 点については全て ∆VGEM = 590 V においてゲイ
うちで最もゲインが低い。前章でも述べたように、位置⃝ン 300 を達成している。また、ゲイン分布の標準偏差は内側電極で 12.4%、外側電極で 8.9% であり、使用している

GEM #1597 の GEM 選定試験時のマッピング結果 (内側電極で 7.21%、外側電極で 8.51%) と比較して特に内側電極で 1.5 倍近くに悪化している。その後の追跡調査の結果、このゲインばらつきの悪化の原因は、シート状の GEM
がチェンバー内で最大 300 µm 程度歪んだことにより、GEM の下のインダクション電場の強度が不均一になり、電荷収集効率が場所ごとに異なっているためと結論づけている。GEM の歪みの原因については本修士論文執筆時点で調査中である。
図6.9に 5.9 keV におけるエネルギー分解能のマッピング結果を示す。全体の傾向としては中心付近ほどエネルギ
1 ) における値はー分解能がよく、外側に行くにつれて悪くなっている。エネルギー分解能が最も良い中心 (位置⃝8 における値は 21.9 ± 0.6% である。エネルギー分解能の値はゲインと概ね反相関し18.3 ± 0.4% で、最も悪い位置⃝ていることから、ゲインが低く S/N 比が小さい箇所のエネルギー分解能が相対的に悪くなっていると考えられる。

99

−1

0

FWHM Map (2021/11/06)
500

342

450

Y-axis (cm)021/11/06)

25

4

23

2

305.32824

21.8993

20.7257

19.7736400

1373.55350

304

19.741521

18.867820

18.3046

0

22

19

φ50
φ67

346

300

250

−1

φ50
φ67

20.0295

−2

17
16

−3
1

2

3
4
X-axis (cm)

200

18

−3

−2

−1

0

1

2

3
4
X-axis (cm)15

図6.9: 5.9 keV におけるエネルギー分解能マップ。 55Fe 線源の照射位置は図6.3(b) の写真に対応している。ϕ50 とϕ67 の円はそれぞれ内側、外側電極の境界を表す。

6.1.6

考察
42

GMC の要求性能 (表5.1) のうち、ここまでで未検証である観測帯域およびダイナミックレンジと、レート耐性の3 点について、プロフライトモデルが要求を満たしているかどうか検証する。
観測帯域について

GMC では 2–50 keV の観測帯域と <100 keV のダイナミックレンジを要求している。前者の観測帯域の上限値である 50 keV における検出効率については、5.3章のガス選定の時点で検討済みであり、Xe メインの混合ガス(XeArDME = 75%/24%/1%, 0◦ C, 1.2 atm) を採用することで要求を満たした。一方、下限値である 2 keV の X 線を検出可能かどうかについては、GEM のゲインおよび FEC, DAQ の電気ノイズの大きさの両方を考慮して検討する必要がある。2 keV の X 線の検出は、ゲインが低く、ノイズが大きい箇所で最も難しくなる。基本性能の確認試験
8 で、さらに電気ノイズの大きより、マッピング試験を行った 7 点のうちゲインが最も低かったのは外側電極の位置⃝

さは外側電極の方が最大で 0.07 keV ほど大きいという結果が得られた。すなわち、今回 5.9 keV の X 線を照射した
8 に 2 keV の X 線が入射した場合に最も X 線の検出が困難になる。
7 点のうち、位置⃝

前述のように、外側電極で信号がノイズにかからなくなるチャンネル数に相当するエネルギーは 1.3 keV である。
8 について、本試験で得られた測定結果を用いて 2 keV におけるエネルギー分解能を計算し、外側電極である位置⃝
8 におけるゲインの値は 274 ± 1 (ADC 値だと2 keV の X 線をどの程度の確率で取得できるのかを見積もる。位置⃝159.74 ± 0.45 ch) であり、エネルギー分解能は 5.9 keV において 21.9 ± 0.6% であった。また、データ取得時の HK
100fast ADC の標準偏差の値は σ = 4.99 ± 0.27 ch である。この値が電気ノイズに相当し、2 keV 付近の低エネルギー領域のエネルギー分解能を考える際には、その影響を無視することができない。すなわち、2 keV におけるエネルギ
ー分解能は近似的に次の式で与えられる。

(

∆E
E

√(

)
=
2 keV

∆E
E

)2
2 keV,02+ σnoise,2
keV

(6.1)

ここで、(∆E/E)2 keV,0 は電気ノイズの影響を除いたエネルギー分解能 (FWHM) で、σnoise,2 keV は 2 keV の X 線
信号に対する電気ノイズの影響の大きさ (FWHM) である。電気ノイズの影響を除いたエネルギー分解能は、X 線エネルギーの平方根に反比例するため、上式は次のように書き換えられる。

(

∆E
E

√

)

5.9
2.0

=
2 keV

(

∆E
E

)2
5.9 keV,02+ σnoise,2
keV

(6.2)

(∆E/E)5.9 keV,0 が電気ノイズの影響を除いた 5.9 keV におけるエネルギー分解能 (FWHM) である。電気ノイズの影響を含んだ 5.9 keV におけるエネルギー分解能についても、6.1式と同様に次のように書ける。

(

∆E
E

√(

)
=
5.9 keV∆EE)2
5.9 keV,02+ σnoise,5.9
keV

(6.3)

この式と6.2式から (∆E/E)5.9 keV,0 を消去して次式をえる。

(

∆E
E

√

)
=
2 keV

5.9
2.0

(

∆E
E

)2
5.9 keV2+ σnoise,2
keV −

5.9 2
σ
2.0 noise,5.9 keV(6.4)

電気ノイズ (1σ = 4.99 ± 0.27 ch) の影響は、信号の大きさによって異なる。5.9 keV に相当する ADC 値は159.74 ± 0.45 ch であるため、この値から 2 keV に相当する値を見積もると 54.15 ± 0.15 ch となる。これらの値に対する電気ノイズの影響を FWHM で表すと、それぞれ

σnoise,5.9 keV = 7.34 ± 0.40%(6.5)

σnoise,2.0 keV = 21.7 ± 1.1%(6.6)

となる。求めた 2 つの値と、5.9 keV におけるエネルギー分解能の値 (21.9 ± 0.6%) を6.4式に代入して 2 keV におけるエネルギー分解能を見積もると、41.5 ± 1.1% となる。さらに、このエネルギー分解能を 1σ に相当するエネルギーに換算すると、(41.5 ± 1.1)%/100%/2.35×2 keV = 0.35 ± 0.01 keV となる。
8 における 2 keV の X 線の想定される分布を示す。図中には外側電極におけ以上の計算結果より、図6.10に位置⃝

る電気ノイズの大きさも点線で示している。グラフから、2 keV の X 線のうち、97.6% が電気ノイズと切り分けら
8 と比較して X 線の取得率がより高くなる。ここで検討したのれることがわかる。当然、他の 6 点については位置⃝

は、GEM 全面のうち、マッピング試験を実施した 7 点のみであるため、よりゲインが低い箇所では X 線の取得率が低下する。ただし、今後開発する衛星搭載品に対しては GEM 全面を細かくマッピングし、今回と同様の検討を行って ∆VGEM を適切に設定することにより、2–50 keV という観測帯域は十分実現可能であると言える。
ダイナミックレンジについて
ダイナミックレンジについてはガスチェンバー側での制限はなく、FEC, DAQ の回路ゲインを調整することにより対応する。FEC の回路ゲインは、ガスチェンバーのゲインを 300 と仮定して固定値とし、DAQ 上のデジタルポテン

101

外側電極の電気ノイズの大きさ: 1.3 keVCountsNormalized counts

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0

0.5

1

ポアソン分布
中心値: 2.00 keV
標準偏差: 0.35 keV

X線取得率
97.7%

1.5

2

2.5

3

3.5
4
Energy(keV)(keV)
Energy8 における 2 keV の X 線の想定分布。2 keV の X 線のうちの 97.7% が電気ノイズと切り分けられるこ
図6.10: 位置⃝とを示している。

ションメーターを用いた増幅回路のゲインを 0.004–254 の範囲で微調整することで、ダイナミックレンジを 100 keVまで確保する。12-bit ADC であるため ADC の分解能は 24 eV/ch で、検出器のエネルギー分解能*2 を考えると十分な性能である。
レート耐性について
全天で最も明るい X 線天体である Sco X-1 を想定し、GMC には最大で 500 counts sec−1 cm−2 程度のレート耐性を要求している。観測帯域と同様、レート耐性についても GMC を構成するガスチェンバーと FEC, DAQ のそれぞれを考慮して検討する必要がある。
まずガスチェンバーについてだが、一般的なガス放射線検出器であるワイヤーチェンバーでは、入射 X 線のレートが高い場合に問題になるものとして空間電荷効果の影響が挙げられる。古典的なワイヤーチェンバーなどの場合、アノード近傍で発生したイオンは、比較的長いドリフト領域を移動してカソードで吸収される。したがって、X 線が短時間に連続的に入射した場合、ドリフト領域をゆっくりと移動するイオンの影響でドリフト電場が歪められ、後から発生した 2 次電子の輸送を妨げることになり、エネルギー分解能の悪化につながる。一方で、GMC のガスチェンバ
ーでは増幅機構として GEM を用いているが、GEM は電子増幅時に生じるイオンの 90% 以上を増幅箇所近傍のカソードで吸収するため、空間電荷効果の影響はほとんど受けない。
またこれとは別に、GEM を用いた検出器に X 線を高レートで入射すると、増幅時に生じる電子およびイオンがGEM の絶縁層に付着 (チャージアップ) し、GEM の孔内の電場を歪めることでゲインが時間的に変化する場合があると報告されている [40]。この場合、エネルギー分解能の悪化につながる可能性が考えられるが、GMC のガスチェ*2 5.9 keV において 25% 程度のエネルギー分解能 (FWHM) を仮定した場合、FWHM に相当するチャンネル数はおよそ 60 ch に相当す

る。

102

ンバーでは 5.8.2章でエネルギー分解能の安定性を測定した試験において、3D プリンターで作成したコリメーターを用いて直径 4 mm の領域 (面積 0.50 cm2 ) に X 線をおよそ 9 counts sec−1 で照射したが、チャージアップの影響は見られなかった。GMC の要求性能である 500 counts sec−1 は、直径 6.7 cm である有感領域のサイズを考慮すると

14 counts sec−1 cm−2 に相当するのに対して、上記の試験におけるレートは 18 counts sec−1 cm−2 である。以上の2 点を踏まえ、チェンバー側で高レートにおける性能を律速することはないと考えている。
次に FEC についてだが、X 線が高レートで入射した場合に問題になる可能性があるのはパイルアップのみである。
パイルアップとは、信号を処理している間に次の X 線が入射するような場合を言い、このとき後から入射した信号
は前の信号の一部に積み重なる形となるため、そのままでは本来の波高値を取得することができない。GMC では、

X 線の信号波形は数 100 ns で早く立ち上がった後、FEC 回路の時定数により、およそ 10 µs かけて信号のベース
ライン電圧に復帰する。X 線の入射レートが 500 counts sec−1 である場合、∆t sec の間に X 線が検出される確率P (≤ ∆t) は、指数分布より次の式で与えられる。
P (≤ ∆t) = 1 − exp(−500 × ∆t)(6.7)

この式に 10 µs を代入すると P = 0.5% となり、理想的には 99.5% のイベントはパイルアップの影響を受けない。
したがって、実測による検証は今後必要であるが、検出器性能を極端に悪化させる可能性は低いと考えている。
最後に DAQ について、高レートの場合に問題になるのは数え落としである。この件については現在 DAQ 単体での開発を進めている状況で、現時点でイベントの処理時間は 1.3 ms/event となっている。すなわち、500 counts

sec−1 の信号は問題なく処理できるレベルであり、500 Hz の周期信号を合計 100 万イベント入力しても、ロスなくデータが処理できていることが確認できている。

103

6.2

温度特性確認試験

6.2.1

目的

GMC の運用温度範囲は 0–20 ◦ C と設定しており、衛星搭載品の熱真空試験ではこれの上限・下限それぞれに
10◦ C ずつマージンをもたせた −10〜+30◦ C の温度範囲で温度特性を確認する。温度特性のうち本試験で確認した
いのは、分光性能の温度に対する依存性である。GMC において分光性能に影響を与える項目として考えられるのは、

GEM および電子回路のゲインの温度変化や、信号波形のオフセット電圧の温度変化などである。GEM のゲインについては、印加電圧に対して指数関数的に増加し、また圧力に対しても敏感に変化する。GMC を構成するコンポー
ネントそれぞれの温度特性は、ガスチェンバーを除いて単体試験で部分的に確認済みであり、以下に現時点で得られている結果をまとめる。

• FEC– アナログ信号処理回路 (A225 と後段の増幅回路) の出力波高の温度特性を、ファンクションジェネレータ
ーからテストパルスを入力して測定。出力波高は −10 → +30◦ C の温度変化でおよそ 1.4% ほど増加。

– HV モジュールの出力電圧および抵抗チェーンの温度特性をそれぞれ確認。その結果をもとに ∆VGEM ∼580 V における GEM 印加電圧の温度特性を見積もると、−10 → +30◦ C の温度変化に対して約 1 V 程増加。ゲインだと 3% ほどの増加に相当。

• DAQ– 信号波形のオフセット電圧は、0 → +30◦ C の温度変化に対しておよそ 4 ch/4096 ch 相当増加。
– DAQ の信号処理回路初段のデジタルポテンションメーターを含む増幅回路の温度特性は未確認。
本試験の目的は、大気圧環境下において 0–30 ◦ C の温度範囲で GMC 全体の温度特性を確認し、その分光性能に対する影響を評価することである。

6.2.2

セットアップと試験概要

0–30 ◦ C の温度制御にはエスペック社製の小型環境試験器 (SH–662) を用いた。SH–662 は −60〜+150◦ C の範囲
で温度制御が可能な内寸 400 × 400 × 400 mm3 の環境試験器であり、100◦ C 以下における温度変動は ±0.3◦ C、試
験器内の温度勾配は 2.5◦ C 以下という仕様である。図6.11(a) にこの試験器内に GMC を設置した全体写真を示す。

GMC は環境試験器内の Al 板の上にカプトンテープで固定している。試験器内の温度が想定通り制御できているかの確認のために、GMC 自身が持つ温度計の他に、熱電対でも温度を測定した。温度測定箇所は GMC 設置箇所近傍の Al 板 (ch1) と Al 板の端 (ch3)、GMC のベースプレート (ch4) の 3 箇所である。GMC のベースプレートについては、図6.11(b) に示すように GMC 自身でも温度を測定しており、その測定結果と熱電対での測定結果に矛盾がないことを確認しながら温度を制御した。X 線源としては NinjaSat 用に開発した 55Fe 線源を使用し、図6.11(c) に示
すようにコリメーター上部の中心付近にカプトンテープで固定した。X 線照射領域のサイズは直径 1 mm ほどである。STM32 Discovery ボードや PC、+5 V 電源は試験器横に設置しており、試験器内とは +5 V 電源用のケーブルと CAN 通信用のケーブルのみで接続されている。
図6.12 に試験全体の流れをまとめた概要図を示す。試験内容は大きく分けて 2 つあり、1 つは 0◦ C, 15◦ C, 30◦ C において温度が安定した状態で行う性能確認試験、もう 1 つは温度変化中に実施する 55Fe スペクトルの取得である。温104

図6.11: (a) 小型環境試験機内に GMC を設置した全体写真。(b) GMC のベースプレートの温度測定箇所の拡大写真(c) コリメーター上に設置した NinjaSat 用 55Fe 線源。

度安定状態で行う性能確認試験は 2 つの試験からなり、1 つは ∆VGEM = 580, 590, 600 V での 55Fe スペクトルの取得で、およそ 1.3 counts sec−1 のレートで 300 sec ずつデータを取得した。もう一つは、テストパルススペクトルの取得で、DAQ から 50, 100, 150 mV に相当する信号を FEC のテストパルスラインに入力し、DAQ でデータを取得した。テストパルスは 20 Hz の周期信号であり、測定時間は各 100 sec である。また温度の安定状態の定義は、GMC
自身と熱電対でそれぞれ測定する GMC ベースプレートの温度変化率が 0.1◦ C min−1 以下になった状態としている。
一方、温度変化中の 55Fe スペクトルの取得は、全て ∆VGEM = 590 V のもとで行った。ただし、15 → 30◦ C の温度変化中に取得したデータについては、取得ミスでデータが破損したため、解析に用いることはできない。また、試験の計画段階では制御温度の変化率は 1◦ C min−1 とする予定だったが、装置のトラブルで想定通り制御できず、各温度変化ごとに温度変化率は異なる。

105

室温 (~20℃) で GMC 立ち上げ。ΔVGEM = 590 V まで昇圧。
温度変化

20℃ で Fe-55 データのみ取得 (ΔVGEM = 590 V)
温度変化

0℃ で性能確認試験
温度変化

15℃ で性能確認試験• 温度変化中は ΔVGEM = 590 V で
Fe-55 データを取得し続けた。
• 15 => 30℃ の温度変化中に取得した

温度変化データは、取得ミスでデータが破損したため、解析には使えない。

30℃ で性能確認試験
温度変化

20℃ で Fe-55 データ取得のみ取得 (ΔVGEM = 590 V)
試験器オープン

GMC 立ち下げ (HV オフ)

図6.12: 温度特性確認試験の流れ。
32

6.2.3

55

Fe スペクトルの温度依存性

図6.13に ∆VGEM = 580, 590, 600 V の各設定電圧について、それぞれ設定温度 0◦ C, 15◦ C, 30◦ C の状態のもとで取得した 55Fe スペクトルの比較図を示す。図中の青色、水色、赤色のヒストグラムがそれぞれ 0◦ C, 15◦ C, 30◦ Cの設定温度に対応し、数 100 ch 付近に見えるピークが 55Fe の特性 X 線に相当する。図中には各測定における温度の測定値を不確かさ付きで示しており、これは、GMC 自身で 1 sec おきに測定して得られた GMC ベースプレ
ート温度のヒストグラムに対して、ガウス関数でフィットすることで見積もっている。その一例として、図6.14に∆VGEM = 590 V、設定温度 = 15◦ C において取得したヒストグラムを示す。温度の測定値は、電気ノイズの影響でガウス分布から数 ◦ C ほど大きく外れる場合もあるが、300 sec の測定で温度の測定値は 0.2◦ C ほどの不確かさで求まっており、これは熱電対で測定した結果と 1◦ C 以下の差で一致している。図6.13から、 55Fe スペクトルのピーク

ADC の値は温度に対して正の相関を持って変化していることがわかる。変化率は 0 → 15◦ C の温度変化に対して
10.0–10.6%、15 → 30◦ C に対しては 1.8–3.2% である。また、図6.15に示した各温度におけるゲインカーブの傾きが概ね一致していることからもわかるように、この変化率は ∆VGEM にほとんど依存していない。すなわち、スペクトルの温度変化は、信号波形のオフセット電圧の変動によるものではなく、GEM のゲインもしくは電子回路のゲインに起因するものと考えられる。以上の結果から、運用温度範囲である 0–20◦ C における ADC 値の変化率はおよそ10% 程度であることが確認できた。
図6.16に、図6.13の 55Fe スペクトルに対してガウス関数を用いて ±2.5σ の範囲でフィットして求めた、5.9 keVにおけるエネルギー分解能の温度および ∆VGEM に対する依存性を表すグラフを示す。フィットは 5 回ほどイテレー

1061.4 ± 0.2°C

15.5 ± 0.1°C

80

15.2 ± 0.2°C

30.2 ± 0.2°C

70

30.4 ± 0.2°C

Counts

0.8 ± 0.2°C

100
90

60
50
40

60

0.830
± 0.2°C

50
40

300

100
90

1.4 ± 0.2°C

15.5 ± 0.1°C

80

15.2 ± 0.2°C

30.2
20± 0.2°C

70

30.4 ± 0.2°C

50

0
0

400
500
600
Inner
ADC-30channel
10
20

60

20

0.8 ± 0.2°C

50

15.5 ± 0.1°C
30.4 ± 0.2°C

10

40

60

10

30

30

ΔVGEM
= 600 V
Fe-55 spectrum

ΔVGEM= 590 V
Fe-55 spectrum

40CountsCounts60

50
Counts

ΔVGEM= 580 V
Fe-55 spectrum

30

40

100
30

200

300

20

0
0

400
500 20600
Inner ADC-30 channel
10

100

200

10
0
0

100

200

300

0
0

400
500
600
Inner ADC-30 channel

100

200

300

400
500
600
Inner ADC-30 channel

0
0

100

200

300

400
500
600
Inner ADC-30 channel

図6.13: ∆VGEM = 580, 590, 600 V の各設定電圧について、それぞれ設定温度 0◦ C, 15◦ C, 30◦ C の状態のもとで取得した 55Fe スペクトルの比較図。

60
50

CountsTemperature = 3.3/0.0027*SlowADC[2]/0xFFFF-273.15
Temperature= 3.3/0.0027*SlowADC[2]/0xFFFF-273.15

Counts200

ΔVGEM= 600 V
Fe-55 spectrum

ΔVGEM= 590 V
Fe-55 spectrum
Counts

ΔVGEM= 580 V
Fe-55 spectrum

60
50
40
30

40

20
10

30

0
12

13

14

15

16
17
18
GMC baseplate temperature (°C)

20
10
0
12

33

13

14

15

16
17
18
GMC baseplate temperature (°C)

図6.14: GMC 自身で測定した GMC ベースプレート温度のヒストグラムの例。測定周期は 1 sec で測定時間は合計
およそ 300 sec である。∆VGEM と設定温度はそれぞれ 590 V, 15◦ C。

ションし、ベストフィットのパラメーター値が収束していることを確認している。エネルギー分解能に対する統計誤差が 1% 程度と大きいため、温度および ∆VGEM に対する依存性の詳細は確認できなかったが、統計誤差の範囲内で一定であると言える。
図6.17に 30 → 20◦ C, 20 → 0◦ C, 0 → 15◦ C の制御温度変化に対する、GMC ベースプレートの測定温度および55

Fe スペクトルの時間変化を表すグラフを示す。測定時間はそれぞれおよそ 2100, 2500, 6600 sec であり、時間方向のビン幅は全て 60 sec に揃えている。図中の下側に示したのが 55Fe スペクトルであり、230–250 ch 付近に見える
黄色のラインがピークに相当する。温度安定状態での測定結果と同様に、 55Fe スペクトルのピーク位置は、GMC ベ
ースプレートの温度変化に伴い、正の相関を持って変化していることが確認できる。

6.2.4

テストパルススペクトルの温度依存性

図6.18にそれぞれ設定温度 0◦ C, 15◦ C, 30◦ C の安定状態のもとで取得した、テストパルススペクトルの比較図を示す。図中には 55Fe スペクトルの場合と同様に、測定時の GMC ベースプレートの温度もしている。テストパルスの入力電圧は 50, 100, 150 mV の 3 種類である。図から、入力信号の大きさによらず、テストパルススペクトルのピ

107

300

400

20
10

200

300

400
500
600
Inner ADC-30 channel

0
0

100

200

300

400
500
600
Inner ADC-30 channel

26

Fe peak ADC (ch)4 £ 102

Energy resolution at 5.9 keV (%)

0± C
15± C
30± C

3 £ 1022 £ 102

55

100

102
575

580

585

590

595

600

◦

◦

◦

れ 0 C, 15 C, 30 C。

22
20
18
16
14
575

605

¢VGEM (V)

図6.15: ゲインカーブの温度依存性。設定温度はそれぞ

24

0◦ C
15◦ C
30◦ C

580

585

590

595

600

605

∆VGEM (V)

図6.16: 5.9 keV におけるエネルギー分解能の温度および ∆VGEM に対する依存性。

33

図6.17: 30 → 20◦ C, 20 → 0◦ C, 0 → 15◦ C の制御温度変化に対する、GMC ベースプレートの測定温度および 55Fe
スペクトルの時間変化。

108

1600

50 mV

1600

1.1 ± 0.1°C Fe-55 spectrum

1800
1400

CountsCountsFe-55 spectrum
1800

1400

15.3 ± 0.2°C

1600

29.7 ± 0.2°C

1200
1400

1200
1000

CountsCountsFe-55 spectrum
1800

1200

1000

800

100

200

300200400

00150 mV
1.0 ± 0.2°C

29.8 ± 0.2°C

15.4 ± 0.2°C
30.1 ± 0.1°C

800

600
400

0
0

Fe-55 spectrum

15.3 ± 0.2°C

1000

600

200

1.1 ± 0.2°C

1200

800
800

400

1600

100 mV

1400

1000

600

1800

600
400
500
600
Inner ADC-30 channel
200

400

400
600 200

200
0
0

0
0

200

800
1000
Inner ADC-30 channel
200
400
600

400

800

600

1000

1200
1400
1600
Inner ADC-30 channel

800
1000
Inner ADC-30 channel

図6.18: 設定温度 0◦ C, 15◦ C, 30◦ C の安定状態のもとで取得した、テストパルススペクトルの比較図。

ーク ADC 値は温度に対して負の相関を持つことが確認できる。これは温度に対して正の相関がある 55Fe スペクト
1.1 ± 0.1°C

1.1 ± 0.2°C

1600

Counts1600

Fe-55 spectrum

Fe-55 spectrum

1800
ルとは異なる傾向である。0 → 30◦ C の温度変化に対するピーク位置の変動率はほぼ線形であり、50 mV で 3.3%、
1800

CountsCountsFe-55 spectrum

1800

1.0 ± 0.2°C

1600

1400

100 mV で 2.1%、150 mV15.3でと、入力電圧が大きくなるほど小さい傾向が見られる。対応するチャンネル数の± 0.21.7%°C
15.4 ± 0.2°C
15.3 ± 0.2°C
1400

1200

変化はそれぞれ 9 ch, 14 ch, 19 ch である。
1200

29.7 ± 0.2°C

1400

29.8 ± 0.2°C

1000

1000

1000

800

800

800

600

600

400

400

600

6.2.5

考察

400
200
0
0

200

ADC スペクトルの温度依存性の原因について
200

100

200

300

400
500
600
Inner ADC-30 channel
55

実験により確認した

0030.1 ± 0.1°C

1200

200

400

600

800
1000
Inner ADC-30 channel

0
0

200

400

600

800

1000

1200
1400
1600
Inner ADC-30 channel

Fe スペクトルの温度依存性の原因について、6.2.1章で示した FEC、DAQ の単体試験での結果も合わせて考察する。本試験で得られた結果をまとめると、• 55Fe スペクトルのピーク ADC 値の変化率は ∆VGEM にはほとんど依存せず、0 → 15◦ C の温度変化に対して 10.0–10.6% 増加、15 → 30◦ C に対しては 1.8–3.2% 程度増加。

• テストパルススペクトルのピーク ADC 値の変化率は、0 → 30◦ C の温度変化に対してほぼ線形に変化し、50 mV で 3.3%、100 mV で 2.1%、150 mV で 1.7% 減少。
となる。まず上記 2 点目について、本試験では 0 → 30◦ C の温度変化でテストパルスのピーク ADC 値は減少したのに対して、FEC 単体試験では出力波高が −10 → +30◦ C の温度変化でおよそ 1.4% ほど増加しており、2 つの結果は温度に対する変化の符号が異なる。2 つの試験の大きな違いは、前者は DAQ 上の増幅回路や ADC の前段で信号にオフセット電圧をはかせる部分を含めた試験になっているのに対して、後者は FEC 上の増幅回路のみの温度特性を評価している点である。DAQ の信号波形のオフセット電圧は、0 → 30◦ C の温度変化に対しておよそ 4 ch/4096 ch
相当しか増加しないため、2 つの試験結果が異なる理由としては、DAQ 上の増幅回路部分の温度依存性が原因である可能性が高いと考えている。また、これとは別の可能性として、2 つの試験ではテストパルスの入力方法が異なり、前者が DAQ 上の DAC を用いているのに対して、後者は室温中に設置したファンクションジェネレーターを用いている。つまり、今回の試験では DAQ 自身でテストパルスを生成しているため、その出力電圧が温度依存性を持つ可能

109

35

性も考えられる。しかしどちらにせよ、FEC と DAQ の増幅回路部分の温度依存性は数% 程度であり、 55Fe スペク
トルに見られた 10% を超えるような温度依存性を説明することはできない。
その他の可能性として、GEM のゲインの温度依存性について検証する。FEC 単体試験の結果、∆VGEM は−10 → +30◦ C の温度変化に対しておよそ 1 V 増加することがわかっており、これはゲインに換算すると 3% ほどに相当する。単体試験と本試験に使用した HV モジュールや抵抗チェーンに用いている抵抗は同じ型番のものだが別の個体であるため、個体差の影響で温度特性が異なる可能性も考えられる。しかし、本試験で得られた 13–14% 程
度の ADC 値の増加を ∆VGEM の変化のみで説明することは難しい。他に GEM のゲインを変える可能性がある点
としては、ガス密度の温度変化が考えられる。5.3.5章では、GEM のゲインがガスの圧力に依存し、XeCO2 の場合、

1.0 atm におけるゲインは 1.2 atm でのゲインのおよそ 10 倍にもなることを示したが、実際はガスの圧力ではなく、ガスの密度に依存する*3 。すなわち、大気圧付近ではガスの密度が小さいほどゲインは大きくなる。今回の試験では、

0 → 30◦ C の温度変化により、チェンバー全体が熱膨張し、内部のガス密度が下がったことがゲイン変化の原因として考えられる。

ADC スペクトルの温度補正について
GMC 自身で測定するベースプレートの温度を用いてスペクトルを補正することで、どの程度エネルギー分解能が改善するのか検証する。まず、温度に対する補正因子を 20 → 0◦ C の温度変化時に取得したデータを用いて求め、これを 0 → 15◦ C の温度変化時に取得した別のデータに適用するという 2 段階の手順を踏む。図6.19(a) に 20 → 0◦ Cの温度変化時に取得した、GMC ベースプレート温度と 55Fe ピーク ADC の関係を表すグラフを示す。このグラフ
は、取得データを測定時間 300 sec 間隔で区切り、各区間における温度と 55Fe のピーク ADC 値を見積もることで作成した。プロット間は線形補間している。図6.19(b) は (a) を用いて計算した各温度におけるスケール因子の値を示しており、(a) のグラフの 55Fe ピーク ADC 値の逆数をとり、10◦ C の値が 1 になるように定数を掛けて作成している。2.4◦ C 以下と 20.9◦ C 以上は測定点がないため、直近の測定値を用いて一定値に設定した。

0 → 15◦ C の温度変化時に取得したデータについて、各イベント取得時の温度に対応する補正因子を図6.19(b) を用いて求め、これを ADC 値に掛け合わせることで、温度変化による影響を補正する。図6.20(a) に各時刻における補正因子の値を、(b) に 55Fe スペクトルの補正前後の比較図を示す。補正後のスペクトルは補正前に比べてわずかに幅が狭くなりピークカウント数が増加していることが確認できる。これらのスペクトルに対して、次に示すガウス関数と指数関数を足し合わせた関数を用いてフィットし、エネルギー分解能を見積もる。ガウス関数が 55Fe に、指数関数
が宇宙線や放電イベント等のバックグラウンドイベントにそれぞれ対応する。

][
N(ADC − M )2
+ exp(p1 + p2 × ADC)
f (ADC) = √ exp −
2σ 2
σ 2π

(6.8)

ここで、N はガウス関数を −∞〜∞ の範囲で積分したカウント数、M は中心値、σ は標準偏差で、これらに加えて、指数関数の p1 , p2 がフィットから求めるパラメーターとなる。フィットの結果得られた 5.9 keV におけるエネルギー
分解能は、補正前で 18.1 ± 0.2%、補正後で 17.1 ± 0.2% と、絶対値で 1% 、割合で表すと 5.5% 改善し、温度補正の効果が確認できた。参考として、温度に対する補正因子の関係を見積もる際に使用した、20 → 0◦ C の温度変化時に取得したデータ自身に対して同様の補正を行うと、エネルギー分解能は割合で 8.6% の改善が見られた。

GMC 自身で測定する GMC ベースプレートの温度を用いることで、温度変化の影響を補正可能であることが確認できたが、本試験で最も重要な結果は、GMC 全体のゲイン変動が運用予定範囲である 0–20◦ C の温度変化に対して*3 ガスの圧力が高くなるほど、体積排除効果などの影響で理想気体からのずれの影響が出てくる。

110

(a)

(b)
1.06
1.04

(a)

(b)

Correction factor
Correction factor

240

1.02
1.06

235
245

1.00
1.04

230
240

0.98
1.02

225
235
220
230

0.96
1.00

0

5

10

15

0.94
0.98 020

Temperature of GMC baseplate (± C)55

Fe peak ADC55 Fe(ch)peak ADC (ch)

245

225

5

10

15

20

Temperature of GMC baseplate (± C)

0.96

図6.19: (a)20 → 0◦ C の温度変化時に取得した、GMC ベースプレート温度と 55Fe ピーク ADC の関係。(b) (a) の
220

55
0.94
グラフの
Fe ピークADC
1020◦ C の値が 1 になるように調整して作成した温度に対するスケール因子
0510 の逆数をとり、
15
0
5
10
15
20

run0030.root

Temperature of GMC baseplate (± C)

Counts

1.06
の関係。
1.04

900
800

(a)

(b)

700

1.02
1.06

CountsCorrection factor
Correction factor

Temperature of GMC baseplate (± C)

1000

1.00
1.04

run0030.root

1000
600
900

補正前
補正後

500

800

400

0.98
1.02

700

300

600

200

0.96
1.00
0.94
0.98 0

500

100

400

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0
0

7000

300

Time (sec)

50

100

150

200

250

300

350

400
450
ADC channel

200

0.96

36

100

0.94

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0
0

7000

50

100

150

200

250

Time (sec)

300

350

400 450
500
ADC channel

図6.20: (a)0 → 15◦ C の温度変化時における、各時刻での補正因子の値。データを 60 sec 間隔で区切り、温度に対応36
する補正因子を図6.19(b) を用いて求めた。(b) 55Fe スペクトルの温度補正前後の比較。

10% 程度に収まっていたという点である。GMC はピクセル読み出しの検出器ではないため、5.11式に示したように、
GEM の面内ゲインばらつきの影響により、どんなに X 線のエネルギーが高くてもエネルギー分解能は 20% 程度が限度である。したがって、温度変化による 10% 程度のゲイン変化は、エネルギー分解能を最大でも数% 悪化させるだけであるため、エネルギー分解能ではなく時間分解能を特徴とする NinjaSat では、検出器のデザイン変更等による改善努力は必要ないと考えている。

111

第7章

まとめと結論私の所属する理化学研究所玉川研究室を中心とするチームでは、明るい X 線天体の長期的な多波長同時観測や、突発天体の追観測などを目的とした超小型 X 線衛星 NinjaSat を開発しており、2023 年 4 月に打ち上げ予定である。

NinjaSat には、5 台のフライトモデルから選定した 2 台の非撮像型ガス X 線検出器 (GMC) が搭載される。本修士
論文では、GMC フライトモデル 5 台の製作判断のために、まず GMC の X 線センサー部であるガスチェンバーのフライトモデル試作機を一から設計・製作した後、ガスチェンバーの開発・試験項目として、(1) Be 窓の透過率測定、(2) 封入ガスの最適化、(3) ドリフト電場・インダクション電場の最適化、(4) GEM の選定、(5) GEM の放電・導通耐性の評価、(6) 長期安定性の評価を行った。以下に各項目について得られた結果をまとめる。

• (1) Be 窓の透過率測定:
フライトモデルに使用予定のものも含めて合計 4 枚の Be 窓について X 線に対する透過率を測定し、厚みおよびその面内ばらつきと、含まれる不純物の濃度を見積もった。フライトモデル試作機に使用した Be#1 は厚みの平均値が 126.5 µm で標準偏差が 3.3 µm、不純物として考慮した Fe の濃度は 0.21 ± 0.02% である。観測
エネルギーの下限 2 keV における透過率は 0.150 で、測定精度は ±2% と見積もっている。これは GMC の
有効面積に直接的に影響するコリメーター開口率の測定精度と同等以上である (5.2章)。

• (2) 封入ガスの最適化:
Xe メインの混合ガス 9 種類について GEM のゲインを実測し、最大 50 keV の高エネルギー X 線線に感度を持ちつつ、GEM の電子増幅度として 300 を達成可能なガスである XeArDME 混合ガス (75%/24%/1%,

0◦ C, 1.2 atm 換算で封入) を採用した。当初採用予定であった XeCO2 (95%/5%) と比較すると、ゲインはお
よそ 10 倍ほど大きく、それに伴いエネルギー分解能も改善した。検出効率については、XeCO2 (95%/5%) と比較して Xe の割合が低下したことにより、50 keV でおよそ 20% ほど低下するが、10 keV での低下率はおよそ 10% で、7 keV 以下では 2% 未満に抑えられている (5.3章)。

• (3) ドリフト電場・インダクション電場の最適化:
天体からの X 線により発生した二次電子を効率的に電極から読み出すため、チェンバー内の GEM の上下にそれぞれ形成するドリフト電場・インダクション電場の強度を変化させながら収集電荷量を測定した。収集電
荷量はドリフト電場が 250 V cm−1 以下になると再結合および電子吸着の影響で急激に減少し、同時にエネル
ギー分解能も悪化するが、250 V cm−1 以上では緩やかに増加するだけで、エネルギー分解能の改善もわずかである。一方、インダクション電場に対して収集電荷量はほぼ線形に増加し、5000 V cm−1 における収集電
荷量は 1000 V cm−1 の場合の約 2.4 倍になる。エネルギー分解能はインダクション電場が 2000 V cm−1 以112

下になると悪化するが、2000 V cm−1 以上ではほぼ一定である。以上の結果と FEC で実現可能な電場強度を考慮し、ドリフト電場・インダクション電場を決める FEC の高電圧印加回路の抵抗値を決定した。∆VGEM =600 V におけるドリフト電場、インダクション電場の値はそれぞれ 390.2 V cm−1 、4800 V cm−1 であり、当初の設定と比較してゲインはおよそ 2 倍に改善する。(5.4章)。

• (4) GEM の選定:
GMC のエネルギー分解能は、主に GEM のゲインの面内ばらつきに依存する。そこで合計 17 枚の GEM について 55Fe を全面に照射してエネルギー分解能を測定し、ゲインの面内ばらつきを評価することで、衛星に搭載する GEM を選定した。チェンバーのフライトモデル試作機には、製作段階で既に試験済みであった 3 枚の GEM のうち、最もエネルギー分解能が良い GEM#1597 を使用した。5.9 keV におけるエネルギー分解能
は内側電極で 24.4 ± 0.3%、外側電極で 26.6 ± 0.7% であり、面内ゲインばらつき (標準偏差) の測定値は内側電極で 7.21%、外側電極で 8.51% である (5.5章)。

• (5) GEM の放電・導通耐性の評価:
GEM は 100 µm という薄い電極間におよそ 600 V の高電圧を印加して動作させるため、運用中に電極間が瞬間的に放電もしくは導通し、最悪の場合には信号増幅不能になってしまう可能性があり、この放電・導通に対する耐性の評価が必要となる。そこでまず、運用予定であるゲインおよそ 300 (∆VGEM の設定値は 593 V) における GEM 電極間の導通レートを測定したところ、0.057 ± 0.008 回 min−1 という結果が得られた。これ
を 1 年間の運用に換算すると (1.5 ± 0.2) × 104 回になる (衛星の運用効率を 50% と仮定)。その後、∆VGEMの設定値を最大で 622 V まで上げた加速試験をおよそ 39 日間実施した。その結果、1.7 年分に相当する合計

25321 回の導通後も GEM が故障することはなく、さらに導通レートの増加といった経時劣化も見られなかった。以上のことから、GEM が導通に対して十分な耐性を持ち、最低運用年数である 1 年を 70% のマージンを持ってクリアしていることが確認できた (5.6章)。

• (6) 長期安定性の評価:
チェンバーからのガスリークとガス純度の劣化がないかどうか確認することを目的に、ガス封入後のおよそ 5.5
ヶ月の間、ゲインおよびエネルギー分解能を定期的に測定した。ガス封入後、ゲインはおよそ 100 時間程度か
けて 20–30% ほど急激に減少し、その後 1200 時間経過あたりにかけて徐々に増加が見られたが、残りの 2600
時間の間、統計誤差を超える変化は見られなかった。エネルギー分解能については 5.5 ヶ月の間、悪化していない。すなわち、ガスリークの兆候は見られず、また検出器性能に影響を与えるようなガス純度の劣化もないことから、ガスチェンバーの長期的な安定性が確認できた (5.8章)。
ガスチェンバーの開発・試験項目 6 つ全てについて、要求仕様を満たすことを確認、あるいは必要な評価試験を完了することができた。その後、開発したガスチェンバーを FEC や DAQ などとともに GMC として組み立て、基本性能および温度特性の確認試験を実施した。基本性能の確認試験では、GMC が検出器として想定通りに動作し、要求仕様である 2–50 keV の観測帯域を達成可能であることを実測で確認した。また、最大 500 counts sec−1 の X 線
レートに対する耐性についても、本修士論文で得られた結果と FEC および DAQ の開発状況を踏まえて考察し、十分要求を達成可能であることを示した (6.1章)。温度特性確認試験では、運用温度範囲である 0–20◦ C の温度変化に対して、GMC 全体のゲイン変化が 10% 程度に収まっていることを確認した。また、この温度変化に伴うエネルギー分
解能の悪化は、GMC 自身で測定するベースプレートの温度により補正可能であることも確認できた (6.2章)。
ガスチェンバーのフライトモデル試作機の開発と、それに続く GMC の性能評価という本研究の成果を受け、GMC
フライトモデル 5 台の製作が決定し、当初の目的が達成された。

113

付録 A

GEM 選定試験の事前準備:
55Fe 線源の特性 X 線 Kα, Kβ の強度比測定
A.1

目的GEM 選定試験における 55Fe スペクトルへのフィット関数作成のため、ガスフローチェンバーで検出される 55Fe
線源の 2 つの特性 X 線 Kα (5.90 keV), Kβ (6.49 keV) の強度比を見積もる。

A.2

実験セットアップ

図5.34に示したように、入射窓に固定された 55Fe 線源から放射される X 線は、まず (1) レート調整用のアルミニ
ウムフィルターおよびアルミニウムマイラーを透過し、(2) 1.2 cm の不感領域を透過した後、(3) 1.453 cm の有感領域で検出される。そこで、アルミニウムマイラーを透過した直後におけるスペクトルを取得するため、図A.1に示

図A.1: (a) ガスフローチェンバーの X 線入射窓中央に 55Fe 線源を固定した様子。(b) ガスフローチェンバー内側のアルミニウムマイラー部分に Si-PIN 検出器を設置した様子。

114

すような実験セットアップを組んだ。図A.1(a) はガスフローチェンバー外側の X 線入射窓中央に 55Fe 線源を固定した様子であり、(b) は 55Fe 線源のスペクトルを測定するために、チェンバー内側のマイラー部分に Si-PIN 検出器(Amptek 社製 XR‒100CR) を設置した様子を示している。Si-PIN の主な設定は、温度 205 K, 電圧 180 V, Shaping
time 22.4 µsec であり、およそ 16 counts sec−1 のカウントレートで 1800 秒測定した。

A.3

アルミニウムマイラー透過直後の Kα, Kβ の強度比

図A.2に取得した 55Fe の ADC スペクトルを示す。横軸の ADC 値は5.2章と同様に較正を行っている。図中の赤線は、Be 窓の透過率測定で用いた 5.2式の 4.51 keV, 4.93 keV の値をそれぞれ 5.90 keV, 6.49 keV に修正した次の関数でフィットした結果を示す。

f (ADC) =[[]](ADC − MKα )2(ADC − (6.49/5.90)MKα )2
NKα
NKβ
√
√ exp −
exp
−
+
(A.1)
2σKα 22(6.49/5.90)σKα 2
σKα 2πσKα 2π · 6.49/5.90

ここで、NKα と NKβ がそれぞれ 5.90 keV, 6.49 keV のカウント数で、フィットの結果得られた値は NKα =(4.364 ± 0.030) × 104 counts, NKβ = (7.498 ± 0.089) × 103 counts である。5.90 keV, 6.49 keV における Si-PIN
検出器の検出効率はどちらもほぼ 100% であり [41]、大きな差はないためここでは無視する。以上のことから、アルCounts

ミニウムマイラー透過直後の Kα と Kβ の強度比の最良推定値は Kα : Kβ = 5.82 : 1 と見積もることができる。

1200
1000
800
600

Kα

400

Kβ

200
0
900

950

1000

1050

1100

1150
ADC - 11.6 (ch)図A.2: Si-PIN 検出器で取得したアルミマイラー透過直後の 55Fe スペクトル。

A.4

有感領域での検出確率と Kα, Kβ の強度比の見積もり

まず、フローチェンバー内の不感領域を透過し、有感領域で光電吸収される確率 P を見積もる。物質の透過率 T
は物質の密度を ρ 、反応断面積を σ 、厚みを l とすると

T = exp(−ρσl)
115

(A.2)

Kβ
1000

1050

1100

1150
ADC - 11.6 (ch)

0.25
0.20
0.15

3.76% @6.49 keV

4.79% @5.90 keV

0.30

Detection e±ciency (%)

950

0.10
0.05
0.00

2

4
6
Photon energy (keV)

810

図A.3: 1 気圧下において ArCO2 (70%/30%) ガスをフローした場合のガスフローチェンバーの検出効率。

と表される。したがって、確率 P は次式で与えられる。

P = exp(−ρArCO2 · σArCO2 · ldead ) × (1 − exp(−ρArCO2 · σArCO2 · leff ))(A.3)

ここで ρArCO2 , σArCO2 はそれぞれ ArCO2 (70%/30%) ガスの密度と反応断面積、ldead , leff はそれぞれ不感領域、有感領域の厚みである。

5.9式より、大気圧における ArCO2 (70%/30%) ガスの密度は 1.838 mg/cm3 、不感領域、有感領域の厚みは 1.2 cm,
1.453 cm である。これらの値と、NIST XCOM[6] の反応断面積の値をA.3式に代入して有感領域での検出確率を見積もると図A.3のようになる。5.90 keV, 6.49 keV における検出確率はそれぞれ 4.79%, 3.76% である。求めた5.90 keV, 6.49 keV における検出確率の値を、アルミニウムマイラー透過直後の Kα と Kβ の強度比 (Kα : Kβ =5.82 : 1) にかけ、ガスフローチェンバーで検出され強度比を見積もると、Kα : Kβ = 7.43 : 1 となる。

116

付録 B

NinjaSat チームメンバー

所属

氏名

所属

氏名

理化学研究所

玉川 徹

芝浦工業大学

佐藤 宏樹

榎戸 輝揚

彰化師範大

Chin-Ping Hu

北口 貴雄

広島大学

高橋 弘充

加藤 陽

東京大学

小高 裕和

三原 建弘
中央大学

岩切 渉

東京都立大学

沼澤 正樹

東京理科大学/理化学研究所

内山 慶祐
武田 朋志
吉田 勇登
大田 尚享
林 昇輝

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丹波 翼
早稲田大学

谷口 絢太郎謝辞
本修士論文の研究および執筆にあたり、大変多くの方々にお世話になりました。この場を借りてお礼申し上げます。
指導教員である玉川徹教授には、学部 4 年生で研究室に配属されてからこれまでの 3 年間指導していただいています。修士課程の研究のメインであったガスチェンバーの開発について、やってみないかと声をかけていただき、設計から開発まで、ものが出来上がってプロジェクトが進んでいく様を、全て当事者として経験させていただきました。
チェンバー開発は山あり谷ありといった感じで、苦しい状況を何度も経験しましたが、常に焦らず論理的に対応策を示し、時には一緒になって問題解決に取り組むなど、研究者としての態度を側で感じさせていただけたのが、私の成長につながっていると感じています。

NinjaSat チームの皆様にも大変お世話になりました。榎戸輝揚さんには副 PI としてプロジェクト全体の調整から、時にチェンバー開発に対しても適切なコメントをいただきました。北口貴雄さんには、4 年生の頃から実験データの解析やプレゼン等、多くの面でお世話になってきました。私なら曖昧にしたまま進んでしまうような点に対して、常に妥協なく指導いただきました。岩切渉さん、加藤陽さん、沼澤正樹さんはそれぞれコリメーター、RBM、DAQ の開発担当者として、時に一緒になって実験をし、時間が空いた際には研究についてのお話を聞かせていただくなど、非常に勉強になりました。同じ研究室のメンバーでもある内山慶祐さん、吉田勇登さん、大田尚享さん、林昇輝さん、
佐藤宏樹さんには、日常的な雑談や研究についてのディスカッションなど、学生間だから話せることも多かったように思います。特に林さんにはガスチェンバー関係の実験で多大な貢献をしていただき、その他の学生に関しても実験のヘルプに入ってもらえたことで、なんとか研究を進めることができました。また私にとって、チェンバー開発がな
かなかうまく行かない時に、気軽に愚痴を吐き出せるみなさんの存在は、とても大きかったと感じています。
高エネルギー宇宙物理研究室のメンバーの方々にもたくさんのご指導と助言をいただきました。三原建弘さんにはMAXI 開発の経験から、ガス検出器や電子回路等について多くのコメントをいただきました。GU Liyi さん、澤田真
理さん、佐藤寿紀さん、米田浩基さん、佐々木亮さん、周圓輝さん、李晋さん、高嶋聡さん、坂井謙斗さんとは直接的に関わることは少なかったですが、毎週の研究室定例会議の際に、私の研究に対して色々とコメントをいただきました。また皆様の研究についても興味深く話を聞かせていただきました。研究アシスタントである圓井由里さんには、理研で研究をする上で必要な手続きなど、多くの面でご助力頂きました。
本研究を進める上で外部の方々の協力は必要不可欠でした。株式会社ムサシノエンジニアリングさんには、相談を何度も繰り返し、最終的にアウトガスの少ない素晴らしいチェンバーを製作していただきました。特に製作をメインで担当してくださった石橋勝弥さんには、チェンバーの設計から溶接、ベーキングの仕方までたくさんのことを教えていただき、工学的な知識が皆無であった私にとって非常に勉強になりました。また、株式会社シーアイ工業の山品
寧さんには、GEM フレームやハウジングに始まり、実験に必要な治具まで、多くの物品を製作していただきました。
最後になりますが、私が研究を行うにあたって家族と友人の支えはなくてはならないものでした。心より感謝し
ます。

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