大型 CsI 結晶を用いた冬季雷雲由来ガンマ線検出器の量産とそれを用いたマッピング観測
松元崇弘A
和田有希A, B, 古田禄大A, 清野愛海A, 中澤知洋A, C,榎戸輝揚D, 湯浅孝行B, 牧島一夫B, 中野俊男B, 土屋晴文E
東大理A , 理研B, 名大理C, 京大理D, 原研E
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1. 雷雲からの放射線
雲中電場

逃走電子雪崩雷雲内の電場による電子加速(Gurevich+1992)• 時おり雷活動に伴う放射線が観測される（鳥居+02, 土屋+07など）• 雷雲内の電場で加速・増幅された電子が制動放射を生じる• 磁場が関与しない自然界唯一の電場加速~60 sec

2018/1/11
典型的雷雲ガンマ線@金沢沿岸
カ・雷雲が上空を通過する数十秒間、 ウ 40 3 ~ 24 MeV帯域
ビン幅3 sec
線量が増加するン
ト・一般的に落雷は伴わない
・~ 20 MeVまで延びるスペクトル レ 20ート
10:30~20倍

10:40

10:50

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時刻(JST)1.1. 北陸での観測とGROWTH
北陸の冬季雷雲の特徴• 夏季雷雲より低い雲底(< 1 km)
à ガンマ線が地上に届きやすい• エネルギーの大きい落雷が多い

à 北陸は雷雲ガンマ線研究のメッカ
GROWTH実験(Gamma-Ray Observation of Winter THundercloud)年度• 2006から新潟県柏崎市で行なっているガンマ線の地上観測• 柏崎で雷雲ガンマ線を初めて詳細に観測 (土屋+07)• 制動放射ビーミング効果を示す (古田+年次大会15)• 雷放電が引き起こす光核反応を観測的に解明 (榎戸+17)3

2. 多地点観測(2015~)
多地点観測の意義• 「生成à成長à消滅」という雷雲加速器の時間発展を追跡したい• 加速機構の空間的構造に制限20 km
à 2015年度から金沢で多地点観測に着手(和田+年次大会16)

冬期季節風

GROWTH金沢サイト• 海岸から山間部に至る広い平野部• 検出器を設置可能な公共施設が多い• 冬期の雷日数が多い

金沢地域

10 km四方に~30台設置を目標

ß 安価で設置しやすく、かつ高性能な検出器が多数必要

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地理院地図

2. 多地点観測(2015~)
多地点観測の意義• 「生成à成長à消滅」という雷雲加速器の時間発展を追跡したい• 加速機構の空間的構造に制限

à 2015年度から金沢で多地点観測に着手

冬期季節風(和田+年次大会16)

10 km

GROWTH金沢サイト• 海岸から山間部に至る広い平野部• 検出器を設置可能な公共施設が多い• 冬期の雷日数が多い

10 km

10 km四方に~30台設置を目標

ß 安価で設置しやすく、かつ高性能な検出器が多数必要

地理院地図

2016年度金沢での検出器設置場所
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2. 多地点観測(2015~)
多地点観測の意義

2017年度は沿岸部の• 「生成à成長à消滅」という雷雲加速器の時間発展を追跡したい
石川メッキ工業（株）敷地内に設置• 加速機構の空間的構造に制限
・
à沿岸での雷雲ガンマ線の検出2015年度から金沢で・日本海から上陸した雷雲の発展を多地点観測に着手
沿岸部と内陸部から観測

10 km(和田+年次大会16)

GROWTH金沢サイト

冬期季節風• 海岸から山間部に至る広い平野部• 検出器を設置可能な公共施設が多い• 冬期の雷日数が多い

10 km

10 km四方に~30台設置を目標

ß 安価で設置しやすく、かつ高性能な検出器が多数必要

地理院地図

2016年度金沢での検出器設置場所
2017年度金沢での検出器設置場所
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3. 開発した検出器
2016年度に開発した検出器• 小型、軽量で取り回しやすい( 45 x 35 x 20 cm, 10kg ）• 商用電力で駆動し、低消費電力( 10 W )• ひと冬放置しての連続観測が可能• スイッチ一つで立ち上げ容易• 大型で比較的安価な CsI 結晶を用いることでコストと有効面積を両立• 簡素な設計で大量生産が容易• シンチレータを搭載したまま郵送可能大量生産が容易

設置作業• 現地での検出器の組み上げが必要
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3. 開発した検出器
多地点観測にフォーカスした改良型検出器• 小型、軽量で取り回しやすい( 45 x 30 x 25 cm, 10kg ）• 商用電力で駆動し、低消費電力( 10 W )• ひと冬放置しての連続観測が可能• スイッチ一つで立ち上げ容易• 比較的安価なCsIの大型結晶を用いることでコストと有効面積を両立• 簡素な設計で大量生産が容易• シンチレータを搭載したまま郵送可能設置作業〜1時間未満• 現地での検出器の組み上げが不要• 郵送してコンセントにつなぎ、スイッチを入れるだけ8

3.1. 検出器全景
回路系

モバイルルーター
電源スイッチ(100V)

30 cm
PMTCsI

防水Boxに封入
45 cm

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3.2. ガンマ線検出部
大型のCsIシンチレータ：5 cm x 5 cm x 30 cm：大有効面積• 研磨した結晶をESR反射材とゴアテックスと遮光幕で覆う
1. 光量の増加
ゴアテックス二重と比較して最大37 %の増光
2. 潮解性のあるCsIを湿気から守る
設置直後と撤収直前で光量変化は3%未満àCsIは劣化していない• 0.4~24 MeVの広帯域
511 keV対消滅線から雷雲ガンマ線cutoff~10 MeV)*

K

環境放射線
2017/11/30

宇宙線
𝟎. 𝟒 ~ 𝟐𝟒 MeV
𝟑𝟎 cm

エネルギー(MeV)

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4. 設置箇所と運用
2017年度は、新型検出器を7台生産し、そのうち3台を金沢に設置
新型検出器は2017/11/29〜2018/3/9（三ヶ月）運用•正常にデータ取得を行った
日本海から上陸した雷雲の発展を、・新型検出器で海岸沿いから、沿岸部で3件、内陸部で3件の従来の検出器で内陸部から観測する
雷雲ガンマ線を確認ことが可能な体制を構築
日時

場所

2017/12/05 11:51頃

3

2017/12/05 18:30頃

42018/1/10

3:00頃

52018/1/10

3:00頃

6

2018/1/10

12:02頃

32018/1/11

10:40頃33 km冬期季節風

金沢の沿岸部で初めてイベントを検出
内陸部まで追跡できたイベントはなかった

地理院地図

従来型の検出器
改良型検出器11

5. 代表的な観測例
2018/1/11 10:40頃

イベント
観測地点~60 sec
ライトカーブ・3~24 MeV帯域・ビン幅 3 sec

カウン
トレート

10:38

10:40

10:42

10:44
12

5. 代表的な観測例
2018/1/11 10:40頃

イベント

観測地点

エネルギー(MeV)13

5. 代表的な観測例
2018/1/11 10:40頃

イベント

観測地点

∝ 𝐸 01.2) exp(−𝐸/7.2)（検出器応答込み）

エネルギー(MeV)

制動放射のカットオフを検出

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6. まとめ• 多地点観測に焦点を合わせ、安価で設置しやすく、大有効面積で広帯域を観測できる改良型検出器を開発した。
• 改良型検出器を沿岸部に3台設置し、日本海から上陸した雷雲の発展を沿岸部と内陸部から観測する体制を整えた。
• 三ヶ月間、正常にデータ取得を行い、3件の雷雲ガンマ線イベントを観測した。
制動放射のcutoffを確認した。
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