雷雲電場による電子加速の観測的研究~夏季の高山観測と冬季の多地点観測へ向けた取り組み~
新任教員枠での採択
ありがとうございました

榎戸 輝揚1, 和田有希2, 湯浅孝行3,中澤知洋2, 中野俊男3, 土屋晴文3
1) 京都大学 白眉センター/宇宙物理学教室
2) 東京大学 物理学専攻, 3) 理化学研究所
平成28年度 東京大学宇宙線研究所 共同利用研究成果発表会 @ 2016年12月10日 (土) 14:10-14:20, 柏図書館メディアホール
https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/indico/conferenceOtherViews.py?view=standard&confId=77

雷雲内の電子加速の観測的研究
修士論文で観測

雷雲ガンマ線は雷放電の前駆現象？
宇宙線+

+

−
負電荷

−

強電場域
Lav

正電荷+

制動放射
ガンマ線

+
−

電子加速e

(ポケット正電荷)

−

−
e+e

雪崩増幅

e ee e+++

カウント数/秒
カウント/秒正電荷

1800
1800

ガンマ線

1200
1200
600
60000
20

雷雲に伴う放射線増大の検出

1分
1分

荷電粒子
2009年1月25日(JST)
2009-01-25

13:31

13:32

13:33

13:34

13:35

10
柏崎刈羽原発での定点観測から雷雲電場による電子加速を観測
0

雷放電
(落雷)

13:31:00

13:32:00

13:33:00

13:34:00

13:35:00

Tsuchiya, Enoto, et al., PRL 2007, 20096000
榎戸, 修論「雷雲電場による粒子加速の観測的研究」東大 (2007)
榎戸&土屋「雷雲は天然の粒子加速器か？」天文月報 (2008)

ガンマ線

減速

減速

加速

Ed

全ての電子が逃走電子になる

射放絶縁破壊の電場 Eb

失損

離10

1気圧

電動

(~2-3 MV/m@1atm)

Eb

1

制

単位長のエネルギー損失 (MeV/m)

大気中の電子加速: 冬季雷雲と夏季高山

電場 E (e.g., 0.3 MV/m)
観測される電場強度高度(気圧)の違いと加速上限？
0.1
加速域の大きさと継続時間は？
10-4
10-2
➡ 多地点でのマッピング観測

加速上限

1102

電子の運動エネルギー (MeV)

大気中の逃走電子なだれ増幅モデル (Gurevich et al., Phys. Lett. A, 165, 463, 1992)

冬季雷雲マッピング観測への新展開
シベリア寒気団からの冷たい北西の季節風が、暖かく湿った日本海を渡って積乱雲を発達。強力な落雷(101-3倍)や低い雲底(<1 km)。
年間雷雨発生日数(C)電中研金沢は雷の宝庫!!

金大付属高校

観測場所の確保！

金沢大学
泉丘高校

小松高校

金沢大学付属高校への訪問説明(C) 気象庁, 2011/12/29

10 km

サイエン
スヒルズ
こまつ平成27年度: 学術系クラウドファンディング
SNS を活用して、2ヶ月で100万円を目指す!
学術系クラウドファンディングサイト「academist (アカデミスト)」

オリジナルリターンの準備(協)アダチ・デザイン研究室

マグカップ
オリジナル T シャツ様
皆たっさだ!
!
くたてししまトいお二人のプロジェクトを見て、久しぶりにとてもわくわく ポー
ざご
サ
電源コンセントのうしました！今はささやかな資金貢献しか出来ませんが、私とがもいつか、自分の専門分野を通じて科学技術に貢献できるあり設置に大いに活用
日本海沿岸に住んでいたことがあり、冬季の雷を思い出しました。とても興味深い研究だと思います、応援しています。

論文謝辞 + 特注 USB

よう仕事頑張ろうと思いました。がんばってください！！

平成27年度: 高校の屋上で観測、金沢で初検出
レーダーエコー 雨量
日本海
金沢駅
1km mesh (気象庁)

2016年2月9日お昼頃

金沢大学
10 km
4 km

金大付属高校榎戸

和田

湯浅

3-7 MeV 放射線 (counts/s)

低気圧の通過（冬型）5120s / sbin/ bin2” BGO

Peak at 11:49:55
Duration 40 s (FWHM)
73 s (full width at 10% maximum)
86 photons

宇宙線由来バックグラウンド

11:50分頃に約1分ほどの間に雷雲からのガンマ線を86個検出！
3号機

超過信号

Raspberry Pi 駆動の小型で安価な放射線モニタ
湯浅らとシマフジ電機で協力しFPGA/ADC ボードを開発

1U サイズ 小型衛星への転用も見越した設計
137
137

h0 h0
Entries
Entries69
Mean
Mean 0
RMS
RMS 0.3

104104200

ゲインアンプ後の波形(2 μs整形)

200200NaI 環境放射線
シンチレータ
環境放射線

100102102(40KK1.46(401.46MeVなど)
MeVなど)

10100100

10 1050 500 0

子基板0 0(HV, amp)

137Cs 662 keV
分解能 8.1%CountCount

150150103103Cs線源の662
Cs線源の662keV輝線
keV輝線(分解能(分解能8.1%)8.1%)

100

ゲインアンプによる出力波形
ゲインアンプによる出力波形
ADC子基板に内蔵)
取得波形(2(2μsec整形;μsec整形;子基板に内蔵)

250250Counts

ADC channel

mm

子基板に高電圧モジュールやプリアンプ子基板に高電圧モジュールやプリアン搭載してPMT用の小型な読み出し系を構築
Spectrum搭載してPMT用の小型な読み出し系を構
SpectrumWaveform
Waveform
9.5万円

ADC channel
ADC channel

95

取得• DC 12 V 駆動
ADC 入力 : 5V, 50 Ω•
FPGA/ADCボードによるスペクトル取得
FPGA/ADCボードによるスペクトル取得
50 MHz サンプル 12 bit ADC 4ch•・50MHzサンプル12bit
・50MHzサンプル12bitADCを4ch搭載
ADCを4ch搭載
RaspberryPi/ Mac から制御可能
PiPi/ /Macから制御可能•・Raspberry・Raspberry
Macから制御可能
・・5V
5V/ /50ΩのADC入力
50ΩのADC入力
SpareWire端子も搭載•・SpaceWire端子を搭載
・SpaceWire端子を搭載
i3
拡張コネクタで小基板を接続可
・拡張コネクタを使用し子基板を接続可
P・拡張コネクタを使用し子基板を接続可•yrr・95mm
e・95mm(幅)(幅) 95mm
95mm(奥行き)(奥行き)b
単体での消費電力
5Wp•s
・DC12Vで駆動
a・DC12Vで駆動
Rmm
・単体の消費電力は5W
95 x 95 mm•・単体の消費電力は5W
95

1 1
2 22

4 44

6 6
8 8
Time(microSec)
Time (microSec)

6810 1012 12

時間 (μs)0 00.50.5

1 1 1.51.5

2 2 2.52.5 3 3Energy(MeV)
Energy(MeV)

3.53.54 4

4.54.5エネルギー (MeV)

52015-16年にかけての観測網の構築
2015年度および2016年度冬季2016年度夏季
2016年度冬季 

3 km


  6能登学舎

柏崎刈羽原子力発電所
金沢市
小松市

乗鞍観測所

(c)%Google,%Data%Japan%Hydrographic%Association
 



図 3.7: 柏崎刈羽原子力発電所の設置場所
10 km
7 km

• 現地での組み上げをなるべく省略するため、シンチレータ以外の部状態で配送業者に引き渡せること。

富士山測候所• 定期的にテレメトリーを送信して検出器の動作をモニターすること• 事前試験を十分に行い、展開先で事故を起こさないよう安全性を保

10 km
10 km

これらの要求を達成するため、信号処理・読出系は独自で開発を行い、検 (c) Google, SK telecom, Zenrin, Data SIO, NOAA,U.S.Navy, NGA, GEBCO, Data Japan
Hydrographic Association,Landsat, Data LDEO-Columnbia, NSF  化を目指す。また専用の治具を設計してシンチレータや信号処理回路など(c)$Google,$ZENRIN,$DATA$SIO,$NOAA,$US$Navy,$NGA,$GEBCO, Landsat
水防塵規格のボックスに封入し、屋外での観測に対応する。各検出器は携
和田有希 修士論文 (2017) 東京大学より抜粋

【1】乗鞍岳 宇宙線観測所(2,770 m)への設置
2016年7月11-12日に実施
1台を設置

コロナ観測所にも置きたいなぁ

設置作業中の和田君

電源ケーブル埋設を手伝ってくれた
東大の古川健人君, 松元崇弘君

瀧田所長はじめ、観測所みなさんには大変お世話になりました。
どうもありがとうございました！

【2】富士山山頂測候所 (3,775 m)への設置
2016年7月15-16日に実施
2台を設置

日本で最高度の放射線検出器＠ドーム屋根裏
予想された宇宙線量の増大を確認

鴨川仁さん(学芸大)グループ、NPO富士山測候所を活用する会のみなさまのご支援、大変ありがとうございました！

【3】金沢~小松の大学と高校 5箇所に設置
2016年9月10-14日に実施
5台を設置

金沢市 泉丘高校の屋上

米徳さん(金沢大学)はじめ各高校の先生のご協力、ありがとうございました
サイエンスヒルズこまつ
ひととものづくり科学館

金沢大学
金沢大学付属高校

小松高校

泉丘高校 (出前授業も!)平成28年度に構築した観測システム
和田(東大・馬場中澤研 M2)を中心にシステム設計, 製作, 設置, 観測を実施• BGOシンチレータ (80 x 25 x 250 mm3)は理研仁科センターから借用。

• ~0.5-8 MeV の放射線イベントごとにGPS時刻、エネルギー等を記録。

• 和田ほかがフロントエンドボード(子基板)を製作。HV, センサー, ゲイン, GPS ほかを搭載。

• 温度、気圧ほか環境データ、装置の健康診断の情報も取得。M2X でリアルタイム監視。

• モバイル通信で遠隔操作 (ssh)、データ送信可。ただし、通信料の関係で送信を制限。

• ウェブカメラで空の様子も記録。
• シンチレータを除く、読み出し回路の製作費用は 80万円から20万円以下まで低減。

さらなる広域観測に市民との連携が必須。オープンサイエンス(市民科学)の可能性も模索。データ公開サイト http://thdr.info も準備。
KYOTO オープンサイエンス勉強会 (毎月1回開催, 世話人:小野英理 & 榎戸輝揚)
T. フェダー「市民参加型, クラウドソーシング的研究が大成果」月刊誌パリティ2016年9月号(榎戸翻訳)

102

全データは和田(東大M2)の修士論文にて！

• 天然放射性核種のラドンの影響は 3 MeV 以下• 雷雲ガンマ線は 10 MeV 近くまで伸びる

Count/s/MeV

乗鞍での観測データ例

積算スペクトル
7/11-9/26

40K

10208Tl

1214Bi10− 1

1.2-3 MeV>3 MeV

10− 21

7月27日 14時頃 (晴れ間)781.8
1.6Count Rate (count/sec)

20

Count Rate (count/sec)

56Energy (MeV)

2ラドンフォールアウト？

15

1.2-3 MeV (7/28 降雨時)
10時間

1.4
1.2
10.8
0.6>3 MeV (7/28 降雨時)

0.4

こちらで雷雲ガンマ線を探査

0.2

小松高校
004

Count Rate

25

53

7月28日 18時半頃 (雨)Count Rate

102200400

600
800
Time (min)

1000

1200

1400

00200

400

600
800
Time (min)

1000

1200

1400

【まとめ】平成28年度の研究報告• 雷雲電場による電子加速の解明には多地点マッピング観測が本質的。
石川県や乗鞍岳、富士山に展開できる観測システムの構築を行った。

• FPGA/ADC ボードを始めとする読み出しシステムを開発し、シンチレータを除く1台の開発コストを80万円から20万円まで低減した。

• 夏季高山として乗鞍岳宇宙線観測所、富士山山頂の 2箇所、金沢と小松市内の 5箇所など、合計10箇所にて観測を開始した。

• 夏季、冬季の全データ解析が進行中 (和田修士論文へ)。
• 今後はより広域展開を目指したサポーターを含む観測体制を目指す。
今後３年間を目処に科学成果を目指します。よろしくお願いします！
[査定25万円+新任教員枠50万]• 屋外用電源ケーブル等の製作: 42.5万円• 防水ボックスの購入と加工: 17.7万円• 乗鞍旅費 (7/11-12, 9/26-27): 14.0万円

シンチレータを探しています！
現在、シンチレータの有効面積で雷雲ガンマ線の検出が制限される状況です。

研究費の関係で中古品に心当たりのある方いらっしゃらないでしょうか？

天然放射性核種
３つの種類に分類される
1. 原始放射性核種 (壊変系列をなす)
半減期が長く、太陽系ができた約45億年前から消えずに生き残った、放射性元素を親とする放射壊変系列に属するもの。238U (半減期 45億年) を親とするウラン系列核種、 232Th (半減期140億年)を親とするトリウム系列核種など。
2. 原始放射性核種 (壊変系列をなさない)
40K (半減期 12.7億年)のように、放射壊変系列に属さない長寿命の核種。全カリウム中に 0.0117% ほど存在する。他にルビジウ
ム87 (87Rb, 半減期475億年)などがある。
3. 誘導放射性核種
宇宙線と高層大気中での原子核(窒素、酸素、アルゴンなど)が核反応(破砕反応)を起こしたり、その際の中性子が二次的な反応を起こして生じる核種 (3H, 14Cなど)。現在も生成されている。

天然放射性核種: ウラン系列

半減期が地球年(約45億年)と同度で現在でも生き残っている

α崩壊 (ヘリウム原子核を放出)
AZ

X

A-4Z-2Y

4+ 2(~25万年)He(~7.8万年)

β-崩壊 (電子を放出)

XA
Z+1Y+0-1226Ra(~1600年)

e-β-崩壊(~138日)(~3.8日)

214Po

216Po

(~0.16ミリ秒)

214Bi(~20分)

(~5日)
210Pb

214Pb

(~22年)(~27分)

数

同性子と中図表
核陽安定な最終生成物である鉛

数子

じ(安定)

α崩壊
234Th

(~24日)

希ガス元素で、土壌や岩石の隙間から大気中に放出される• 典型的に地表面から1 pCi/m2 の割合で大気中に放出。

(~3.1分)

210Bi

208Pb

(~45億年)

222Rn

Z=陽子数, A=陽子数+中性子数
208Pb

234mPa(~1.2分)
230Th

AZ

238U

234U

• 高度 10 km 以下の対流圏にわたって空気中にほぼ一様に~100 pCi/m3 の濃度で拡散。
• 降雨とともに降下。