雷雲ガンマ線の多地点観測に向けた検出装置の小型化と2015年度冬季における北陸地方への展開
東大理A, 京大白眉B, 理研C, 東大ビッグバンD, 原子力機構E

和田有希A, 榎戸輝揚B, 湯浅孝行C, 中野俊男D, 中澤知洋A,奥田和史A, 古田禄大A, 楳本大悟A, 土屋晴文C, E
観測機器設置協力

米徳大輔 (金沢大), 渡會兼也 (金沢大附属高)2016/3/21

日本物理学会 第71回年次大会
宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-121

カウントレート

雷雲ガンマ線の多地点観測

70 sec

雷雲から地上に到達する 〜 10 MeVのガンマ線
時間・柏崎原発内で2006年より今までに23回の検出
柏崎における検出の一例
・雷雲内の静電場によって宇宙線由来の電子が(古田+年次大会2015)
加速され、制動放射する説が有力 (土屋+11 PRL)
・制動放射ビーミング効果、電子陽電子対消滅などの成果(楳本+16 PRE)

日本物理学会 第71回年次大会
宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-12

加速領域＋

2016/3/21

雷雲の動き

＋

最適な観測地域
・雲底が低く、かつ多くの雷が発生する冬の北陸地方
・10 kmを超える広い平野部-> 冬の金沢市近郊が最適ー

課題
・加速器の大きさ、保持する機構、寿命は未知・移動、発達、消滅を追跡したい-> 〜 10 kmを検出器アレイでカバーする計画

ー(古田+年次大会15)

ガンマ線検出器群2

アレイ化に向けた小型ガンマ線検出器
防水ボックス

検出器の概要・2015年度は試作段階
・結晶シンチ＋DAQのシステム・システムを防水ボックスに封入
・モバイル通信経由で制御・データ送信
・ウェブカメラで空の様子を撮影
・安価で小型な検出器-> エレキボードを独自開発

結晶プリアンプ

PMT

ADC
PC
モバイル回線経由で制御

エレキボードエレクトロニクス
Raspberry Pi

エレキボードエレキボード・波形を25MHzデジタルサンプリング(〜30 bytes/event)
日本物理学会 第71回年次大会
宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-12

HV
プリアンプ
FPGA

16 cm

38 cm

・小型Linux Raspberry Piで制御

2016/3/21

HV2015年度の金沢における検出器の設置
日本海2地点での観測を実現
金沢大学

10km

金沢大(2台)4km

金大附属高校 (1台)©2016 Google, ZENRIN

2016/1/7 - 2/19
3号機：2 inch BGO

2号機
1号機

2015/11/13 - 2016/2/18
1号機：2 inch CsI + Plastic
2号機：3 inch BGO
3号機
クラウドファンディングでの附属高校 調達資金で屋上に電源を設置
2016/3/21

日本物理学会 第71回年次大会
宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-124

検出器のバックグラウンド
金沢大学1号機のライトカーブ・スペクトル (2 inch CsI)50

0.5 ‒ 3.0 MeV

40

温度変化・降雨によりカウントレートが大きく変化

3020

3.0 ‒ 7.0 MeV

0.8

宇宙線信号の変化が支配的

0.6
0.40.2048

バックグラウンドスペクトルGraph(2016年2月1日から18日までの合計)
カウントレート (Count/s/MeV)

カウントレート (Count/s)

カウントレートの時間変化 (ライトカーブ)(120秒ビン・2016年2月1日から18日まで)

16

12

2 2
1010

40Kからの1.4 MeV

208Tlからの2.6 MeV

10 10

1 1

1010-1−1

プリアンプのsaturation

宇宙線由来の信号
高BGD領域10− 2

0.5

2月1日からの経過日数 (日)11

低BGD領域35

エネルギー (MeV)

雷雲ガンマ線の検出は 3-7 MeV の帯域を使用
2016/3/21

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宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-12

58

附属高校におけるガンマ線イベント検出
ライトカーブ(3-7 MeV/5秒ビン)

0.5 - 3.0 MeV
直後に降雨による線量の増加(高BGD帯域)->雷雲ガンマ線の特徴

カウントレート (Count/s)

60
50
40

3.0 - 7.0 MeV(低BGD帯域)

0.8

BGDから
11.5σ イベント

0.6
0.4
0.2
020000

40000

60000

カウントレート (Count/s)

ライトカーブ
(2月9日分/120秒ビン/2 inch BGO)
3

イベント中心
11時49分52秒
FWHM：38秒

2

180000

11:40

11:50

11:55

時刻

0時26分からの経過時間 (秒)約1分間にわたり 3­7 MeV で86

11:45

19フォトンの増加を検出

金沢で初めて雷雲ガンマ線を検出
2016/3/21

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宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-126

2016年2月9日の金沢の気象状況
・日本海上空を低気圧が通過 -> 強い冬型の気圧配置
・北陸地方で日中に多数の発雷・11時ごろ金沢市内で発達した積乱雲による突風被害が発生

高気圧

低気圧
金沢

出典: 東京管区気象台

出典: フランクリンジャパン社
http://www.franklinjapan.jp/contents/lightning-info/previous/

雷雲ガンマ線が観測されうる典型的な気象条件
2016/3/21

日本物理学会 第71回年次大会
宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-127

気象情報との比較・考察
60

ガンマ線検出中40
降雨量 (mm)・雷雲ガンマ線を附属高で11:49 ‒ 11:50の間に検出・ガンマ線検出直後に雨雲が通過
・11:52に降雨を確認

11時40分
11時50分
12時10分
12時00分
11時30分金沢大附属高

20
・雨雲 (雷雲) は2箇所の観測点を雷雲の動き通るように移動(1.2 km/分)
・附属高での検出から30分以内に0
気象庁「1kmメッシュ全国合成レーダーエコー強度GPV」より作成
金沢大でイベントの検出なし(1) 金沢大の上空を加速領域は通過しなかった 附属高ウェブカメラ 11:52撮影->放射領域が狭く検出器をかすめた可能性(2) 2点間 (4km) を移動中に加速領域が消滅-> 移動中に発雷があった可能性 (現在調査中)
Google, ZENRIN(土屋+2013 PRL)
2016/3/21

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宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-12

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まとめ・独自開発のエレキボードを搭載した屋外用小型ガンマ線検出器を3台製作、金沢大学と金大附属高校に設置し、雷雲ガンマ線を観測。
・2016年2月9日に附属高校で約1分継続のイベントを11.5σで検出、同イベントは4 km風下の金沢大学で検出されず。
・検出した日は強い冬型の気圧配置で、雷雲ガンマ線が検出されうる典型的な気象条件。
・4km離れた2地点間の移動中に発雷により加速領域が消滅した、または放射領域が狭く金沢大の検出器をかすめた可能性がある。

2016/3/21

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宇宙線・宇宙物理領域 21pAZ-12

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