GROWTH実験 :コリメータを用いた雷雲由来ガンマ線の角度分布の測定
東大, 理研A, 京大B

奥田和史
中澤知洋, 古田禄大, 和田有希, 湯浅孝行A, 榎戸輝揚B
鈴木寛大, 楳本大悟, 土屋晴文A, 牧島一夫A

11. 雷雲由来のガンマ線雷雲由来ガンマ線の未解決問題

電子 光子• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器を設計・製作。

r = 0–50 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 0–50 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 50–100 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 100–150 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ

300 m

➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr

設計・製作。

r = 150–200 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 200–250 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 250–300 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 300–350 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr設計・製作。

r = 350–400 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr

設計・製作。

r = 400–450 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
2

1. 雷雲由来のガンマ線
10 MeV電子

雷雲由来ガンマ線の未解決問題• 放射源での明るさ、スペクトル。
➡ 放射源高度・方向がわかれば地上データから逆解きできる。

光子
θ300 m➡ 加速電子のスペクトルを推定できる。

本実験の目的 : 放射源高度の三角測量• ガンマ線の入射角に感度を持つ検出器をr

設計・製作。

r = 450–500 m• 放射源の方向を測定。気象レーダーで雲の速度がわかれば放射源の高度が求まる。

ガンマ線の大気散乱シミュレーション• 高度300 mから10 MeV電子を真下に照射。
• 数百 keV以下は地上では放射源の角度情報を失う。

• 3 MeV以上は大部分の光子が放射源から散乱を受けず、まっすぐに地上に到達。
22. 観測装置
検出器の概要25 cm• 主検出部はBGOシンチレータ。
• BGOに鉛のスリットコリメータを設けてBGO

8 cm

FWHMで30 の角度分解能。
• コリメータ検出器3台(真上、 30 方向)+ 参照用BGO検出器1台で1セット。

PMT

2.5 cm BGO,PMTはアルミケースに封入

放射源方向の測定原理• 参照用BGOとコリメータ検出器の線量の30比をとることで、地上に届いたガンマ線のうちコリメータの視線方向から来る割合を求める。
• この割合がピークになる時間帯に、放射源はコリメータの視線方向に存在。

30BGO

BG
OO
GB

BGO
3

2. 観測装置
検出器の概要• 主検出部はBGOシンチレータ。
• BGOに鉛のスリットコリメータを設けてPMT

FWHMで30 の角度分解能。
• コリメータ検出器3台(真上、 30 方向)+ 参照用BGO検出器1台で1セット。

BGO

放射源方向の測定原理• 参照用BGOとコリメータ検出器の線量の30比をとることで、地上に届いたガンマ線のうちコリメータの視線方向から来る割合を求める。
• この割合がピークになる時間帯に、放射源はコリメータの視線方向に存在。

30BGO

BG
OO
GB

BGO
3

2. 観測装置
検出器の概要• 主検出部はBGOシンチレータ。
• BGOに鉛のスリットコリメータを設けてFWHMで30 の角度分解能。
• コリメータ検出器3台(真上、 30 方向)+ 参照用BGO検出器1台で1セット。

鉛

放射源方向の測定原理• 参照用BGOとコリメータ検出器の線量の30比をとることで、地上に届いたガンマ線のうちコリメータの視線方向から来る割合を求める。
• この割合がピークになる時間帯に、放射源はコリメータの視線方向に存在。

30BGO

BG
OOGB

BGO
32. 観測装置
検出器の概要• 主検出部はBGOシンチレータ。
• BGOに鉛のスリットコリメータを設けてFWHMで30 の角度分解能。
• コリメータ検出器3台(真上、 30 方向)+ 参照用BGO検出器1台で1セット。

鉛

放射源方向の測定原理• 参照用BGOとコリメータ検出器の線量の30比をとることで、地上に届いたガンマ線のうちコリメータの視線方向から来る割合を求める。
• この割合がピークになる時間帯に、放射源はコリメータの視線方向に存在。

30BGO

BG
OOGB

BGO
3

2. 観測装置
検出器の概要• 主検出部はBGOシンチレータ。
• BGOに鉛のスリットコリメータを設けてFWHMで30 の角度分解能。
• コリメータ検出器3台(真上、 30 方向)+ 参照用BGO検出器1台で1セット。

鉛

放射源方向の測定原理• 参照用BGOとコリメータ検出器の線量の比をとることで、地上に届いたガンマ線のうちコリメータの視線方向から来る割合を求める。
• この割合がピークになる時間帯に、放射源はコリメータの視線方向に存在。

3

2. 観測装置
検出器の概要• 主検出部はBGOシンチレータ。
• BGOに鉛のスリットコリメータを設けてFWHMで30 の角度分解能。
• コリメータ検出器3台(真上、 30 方向)+ 参照用BGO検出器1台で1セット。

鉛

放射源方向の測定原理

モバイルルータ

南北検出器• 参照用BGOとコリメータ検出器の線量の東西検出器

比をとることで、地上に届いたガンマ線のうちコリメータの視線方向から来る割合を求める。
• この割合がピークになる時間帯に、放射源はコリメータの視線方向に存在。

トPCーノ系
処理号
信S
UP理系
処
信号 ハブ
LAN33. Geant4による検出器のシミュレーション
331010• Geant4で有効面積の角度依存性を評価• 検出器全体に同一の面密度で10 MeV平行光を照射。
• 北→真上→南と入射方向を変化させた。
• BGOに 3‒10 MeVを落とした光子数の比を表示。
• 有効面積のFWHMは30 。Theta (degree)102− 100

102−50050100− 100

北東西検出器1050100

Theta (degree)
Ratio : 3 - 10 MeV

南301110-1
1010− 1−110-21010− 2− 100

Ratio to Reference BGO

南北検出器

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV−50−2−50050100

Theta (degree)

4− 100-100−50-50005010050100
Theta (degree)θ (degree)3. Geant4による検出器のシミュレーション
331010• Geant4で有効面積の角度依存性を評価• 検出器全体に同一の面密度で10 MeV平行光を照射。
• 北→真上→南と入射方向を変化させた。
• BGOに 3‒10 MeVを落とした光子数の比を表示。
• 有効面積のFWHMは30 。Theta (degree)102− 100102−50050100− 100

北南北検出器1南 真上 北050100

Theta (degree)
Ratio : 3 - 10 MeV

南301110-11010− 1西真上東10− 2− 100

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV−50−50−110-210−2050100

東西検出器
Theta (degree)

4− 100-100−50-50005010050100
Theta (degree)θ (degree)3. Geant4による検出器のシミュレーション
331010• Geant4で有効面積の角度依存性を評価• 検出器全体に同一の面密度で10 MeV平行光を照射。
• 北→真上→南と入射方向を変化させた。
• BGOに 3‒10 MeVを落とした光子数の比を表示。
• 有効面積のFWHMは30 。Theta (degree)102− 100102−50050100− 100

北南北検出器1南 真上 北050100

Theta (degree)
Ratio : 3 - 10 MeV

南301110-11010− 1西真上
東10− 2− 100

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV−50−50−110-210−2050100

東西検出器
Theta (degree)

4− 100-100−50-50005010050100
Theta (degree)θ (degree)3. Geant4による検出器のシミュレーション
331010• Geant4で有効面積の角度依存性を評価• 検出器全体に同一の面密度で10 MeV平行光を照射。
• 北→真上→南と入射方向を変化させた。
• BGOに 3‒10 MeVを落とした光子数の比を表示。
• 有効面積のFWHMは30 。Theta (degree)102− 100102−50050100− 100

北南北検出器1南 真上 北050100

Theta (degree)
Ratio : 3 - 10 MeV

南301110-11010− 1西真上
東10− 2− 100

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV−50−50−110-210−2050

100

東西検出器
Theta (degree)

4− 100-100−50-50

0050
10050100
Theta (degree)θ (degree)3. Geant4による検出器のシミュレーション
331010• Geant4で有効面積の角度依存性を評価• 検出器全体に同一の面密度で10 MeV平行光を照射。
• 北→真上→南と入射方向を変化させた。
• BGOに 3‒10 MeVを落とした光子数の比を表示。
• 有効面積のFWHMは30 。Theta (degree)102− 100

102−50050100− 100

北南北検出器1南 真上 北Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV−50050100

Theta (degree)
Ratio : 3 - 10 MeV

南30
1110-11010− 1西真上
東10− 2− 100θ−50−110-210−2050100

東西検出器
Theta (degree)

4− 100-100−50-500050
10050100
Theta (degree)θ (degree)4. 観測装置の設置と運用• 新潟県の柏崎刈羽原子力発電所の環境管理棟屋上に11月9日から11日に設置。
• 2016年11月11日 : 本観測を開始。
• 2016年12月24日 : 通信途絶。28日に復旧作業(携帯回線の不調)。
• 2017年02月06日 : 東西検出器停止。22日に復旧作業(信号処理系の不調)。
• 2017年03月19日 : 正常に観測中。

55. エネルギースペクトル• 1.46 MeV (40K)、2.61 MeV (208Tl)を常に検出 -> エネルギー較正に用いる。
• 雨天時は222Rnウォッシュアウトで214Biによる輝線も顕著に。線量は増加。
• 3 MeV以上は宇宙線成分で線量はほぼ一定。
441010Counts

CountsEnergy Spectrum : ./fits/fy2016s/201611/20161112_000409.fits.gz./fits/fy2016s/201611/20161129_150742.fits.gz (ch3)(ch3)

30分間の平均スペクトル
晴天時
雨天時

103
103

2102
10

1.46 MeV(40K)

2.61 MeV(208Tl)〜25 MeV
ミューオン

1010降雨(2 km南のアメダス)

111
11010
Energy (MeV)

ADC
ADC

65. エネルギースペクトル• 1.46 MeV (40K)、2.61 MeV (208Tl)を常に検出 -> エネルギー較正に用いる。
• 雨天時は222Rnウォッシュアウトで214Biによる輝線も顕著に。線量は増加。
• 3 MeV以上は宇宙線成分で線量はほぼ一定。
1.12 MeV
30分間の平均スペクトル(214Bi)1.76 MeV
晴天時(214Bi)
雨天時

4410
10Counts

CountsEnergy Spectrum : ./fits/fy2016s/201611/20161112_000409.fits.gz./fits/fy2016s/201611/20161129_150742.fits.gz (ch3)
(ch3)

103
10
3

2102
10

1.46 MeV(40K)

1010

2.61 MeV(208Tl)〜25 MeVミューオン

2.2 MeV(214Bi)
降雨(2 km南のアメダス)

111
11010
Energy (MeV)

ADC
ADC

6

Ratio : 3 - 10 MeV

Ratio to Reference BGO

6. 雷雲ガンマ線イベントの検出
1• バースト発生と同時刻に観測装置周辺で落雷。
• 後半の〜100 msecはデータ取得できず。
• 検出器間のカウントレート比は30%以内。
10− 1

ガンマ線平行光に対するコリメータの応答とは矛盾 → 検討中。

‣10− 20

50

100

− 100

−500

Theta (degree)

50

真上
南
北参照用

8000

8000

6000

6000

100 msec

10000

4000

2000

2000

2000

2017/01/16
12:19:22s77371

2017/01/16
12:19:22s85571

2017/01/16
12:19:22s93771

100
200
時間 (msec)

2017/01/16
12:19:23s01971

300−50-5000

Bin time = 10 msec
> 1.2 MeV

6000

4000

00−28000

4000

0
2017/01/16
12:19:22s69171

1010-212000

Counts/sec

Counts/sec

10000

−150
100
5090
Theta (degree)θ (degree)

LightCurve : ./data/fy2016t_20170116_120119.fits (ch0, Bin Time = 0.01 sec)

12000

10000

-11010− 100

Theta (degree)

Bin time = 10 msec
> 1.2 MeV

11-90

100

Counts/sec
LightCurve : ./data/fy2016s_20170116_120014.fits (ch0, Bin Time = 0.01 sec)
12000
南北検出器

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV

Ratio to Reference BGO

0 - 10 MeV

02017/01/16 2017/01/16
12:19:23s10171
12:19:22s61273

400
70100 msec

2017/01/16
12:19:22s69473

2017/01/16
12:19:22s77673

2017/01/16
12:19:22s85873

100200
時間 (msec)

東西検出器
真上東西参照用

2017/01/16
12:19:22s94073

300

2017/01/16
12:19:23s02273

400

6. 雷雲ガンマ線イベントの検出
1• バースト発生と同時刻に観測装置周辺で落雷。
• 後半の〜100 msecはデータ取得できず。
• 検出器間のカウントレート比は30%以内。
10− 1

‣

ガンマ線平行光に対するコリメータの応答とは矛盾 → 検討中。
10− 2

050

100− 100−50

Theta (degree)

050

Ratio to Reference BGO

Ratio : 3 - 10 MeV

Ratio to Reference BGO

Ratio : 1 - 10 MeV

Ratio to Reference BGO

0 - 10 MeV

11-11010−11010-2

100

Theta (degree)

−2-90

− 100

−50-500050
1005090
Theta (degree)θ (degree)

検出光子数の参照用検出器との比(>3 MeV)
南北検出器

1.1
1.01

1.1

東西検出器

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6

y2016s_ch0

fy2016s_ch1
fy2016s_ch0

fy2016s_ch2
fy2016s_ch1

真上/参照用 南/参照用

fy2016s_ch3
fy2016s_ch2

北/参照用

7

fy2016s_ch0
fy2016s_ch3

fy2016s_ch1
fy2016s_ch0

真上/参照用 東/参照用

fy2016s_ch2
fy2016s_ch1

西/参照用

fy2016fy2016

7. まとめ• 雷雲内のガンマ線放射源の高度測定を目的に、BGOシンチレータと鉛を用いて3 MeV以上のガンマ線に対して角度分解能が15 (HWHM)の検出器を設計・製作した。

• 検出器が必要な角度分解能を持つことを、モンテカルロ・シミュレーションによって確認した。

• 製作した観測装置を新潟県の柏崎刈羽原子力発電所の敷地内に設置して観測を行い、検出器は4か月以上にわたって正常に動作した。

• 2017年1月16日にショートバーストを検出。詳細は解析中。

8Appendix

3. Geant4による検出器のシミュレーション
33

3101010• Geant4で有効面積の角度依存性を評価• 検出器全体に同一の面密度で10 MeV平行光を照射。
• 北→真上→南と入射方向を変化させた。
• BGOに 3‒10 MeVを落とした光子数の比を表示。
Theta (degree)(degree)• 有効面積のFWHMは30 。Theta1022
10−100100−102−5050−005050100100− 100北南北検出器

11南 真上 北

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio to Reference BGO

Ratio :: 11 -- 1010 MeV
MeV
Ratio

−50050100

Theta (degree)
Ratio : 3 - 10 MeV

南301110-11010−−1110

西真上
東10−−2210−100100−

θ−5050−−110-210−2005050100100

東西検出器
Theta (degree)(degree)Theta

10− 100-100−50-50005010050100
Theta (degree)θ (degree)6. 雷雲ガンマ線イベントの検出
エネルギースペクトルの形状• どの検出器もスペクトルは〜10 MeVまでのび、急激に折れ曲がる。
• スペクトルは検出器応答を解いていないが、〜30 MeVまではfactor2以内でフラット。
• コリメータ検出器間で形状に大きな差はない。

Energy Spectrum : ./data/fy2016t_20170116_120119.fits (ch0)Counts/sec/MeVCounts/sec/MeVCounts/sec/MeV

Energy Spectrum : ./data/fy2016s_20170116_120014.fits (ch0)Counts/sec/MeV

南北検出器
3真上 1010
南
北10102
参照用

10103

310102232101011東西検出器
真上東
西
参照用

1010
11

10
Energy (MeV)
10

Energy (MeV)

11

11

1

110

Energy (MeV)
10
Energy (MeV)6. 雷雲ガンマ線イベントの検出
エネルギースペクトルの形状• どの検出器もスペクトルは〜10 MeVまでのび、急激に折れ曲がる。
• スペクトルは検出器応答を解いていないが、〜30 MeVまではfactor2以内でフラット。
• コリメータ検出器間で形状に大きな差はない。
Energy Spectrum : ./data/fy2016s_20170116_120014.fits (ch0)Counts/sec/MeVCounts/sec/MeV
104104

全検出器の和10103
3101022101011111010
Energy (MeV)
Energy (MeV)11