～ 2.5 nA cm- ２

(low noize)

～ 65 V= 9 kcm

(high resistivity)

暗電流の度数分布 全空乏化電圧の度数分布

　 GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) は 2007年度打ち上げ予定の宇宙 γ線衛星で、米国、日本、イタリア、フランス、スゥエーデンなどの国際協力からなるミッションである。主検出部である LAT (Large Area Telescope) は、飛跡検出部にシリコンマイクロストリップ検出器を、カロリメーター部に CsIシンチレーターを用いたタワーと呼ばれるモジュールを 16個並べ、周りをプラスチックシンチレーターで囲んで荷電粒子事象を反同時係数で落とす。 LATは 30MeV-300GeVもの広いエネルギー帯に感度を持ち、 CGRO衛星搭載 EGRETの 30倍もの感度で γ線宇宙の探査を行うことで、高エネルギー宇宙物理学の分野で新境地を開こうとしている。　この LATの開発において、これまで日本グループはシリコン検出器の開発およびその性能試験、 2001年の気球実験のシミュレーションやデータ解析、宇宙線バックグラウンドモデルの開発、フライトモデル試験プログラムの開発などで貢献を行ってきた。またフライトモデルの組み立てが本年から始まっており、その試験にも参加している。本講演では、ハードウェア開発を中心に、 GLAST衛星の概要とこれまでの日本の貢献の紹介を行う。

宇宙 γ 線衛星GLAST搭載 LAT検出器の開発試験

要旨 :

GLAST衛星の概要 :

水野恒史、大杉節、深沢泰司、吉田勝一、川端弘治、河本卓也 ( 広島大 ) 、釜江常好、田島宏康(SLAC)、

河合誠之、片岡淳 ( 東工大 ) 、高橋忠幸 (JAXA)

GLAST: ~10000 sources (2 year)

EGRET (3rd Catalogue) : ~271 sources

pulsars LMC

AGN - blazarsunidentified

これまでの開発試験 :

Beat Test Engineering Model:single tower composed of TKR/CAL/ACD

PSF vs. Energy(W. Atwood et al., 2000, NIMA)

# of hit strips per layer (Hit multiplicity) =shower development in TKR(do Couto e Silva et al., 2001, NIMA474)

0deg. Incidentmiddle layer

0deg. Incidentlower layer

30deg. Incidentlower layer

30deg. Incidentmiddle layer

1997/1999 ビーム試験1997年、 1999年にスタンフォード線形加速器センターでビーム試験を行い、角度分解能、エネルギー分解能など基本性能の確認や、シャワーの発達のシミュレーションとの詳細な比較などを行った。日本人では、平山 (UCSC)、半田 (SLAC)などが参加した。 (所属は当時 )

1kHz

1 10 100

大気深さとトリガレートの関係

g cm-2

•3.8g cm-2 (38km)•500Hz in level flight0

1.2kHz maximum (~500Hz is predicted for each tower of LAT)

ビーム試験と対になる実験として、高い放射線環境下での動作確認のため 2001年に気球実験を行った。この実験のため、日本からは広島大学、宇宙研が中心となり、検出器の一部および検出器シミュレーターの開発 (Fig. a)、宇宙線フラックスモデルの開発(Fig. b)を行うとともに、実験とデータ解析に参加した。 1kHzを超える高いカウントレート下で装置、 DAQが動作することを確認するとともに (Fig. c)、バックグラウンドフラックスモデルとシミュレーターを用いて、得られたデータを 10% 内で再現することに成功した。 (Fig.d: T. Mizuno et al. 2004, ApJ 614)

2001年気球実験

フライトモデルの試験：•本年 1 月より、フライトモデルの組み上げおよび試験が SLACにおいて始まっており (Fig. a)、宇宙線事象 (主にmuon)や charge injectionを用いて、装置の動作確認、スレッショルドやゲインの調整を行っている (Fig. b)。 Trackerの Hit 効率 ( 正常な stripの割合 )は、初号機である Tracker Aで 98.6%、 Tracker Bにおいては99.6%という高い値を達成している (Fig. c)。また Calorimeterは、 Trackerと組み合わせることで位置分解能の測定などを行っている (Fig. d)。この他、宇宙線との反応でできたγ線と思われる事象が多数捕えられている。 (Fig.e)

15cm

(a)

(b) (c) (d)

CAL(U.S.A., France, Sweden):

•Hodoscopic arrayによる全 1536本の CsI(Tl)シンチレーター。 ( 各 Tower 8 層 )•Showerの発達を追い、エネルギーを測定•PDによる両側読み出しで位置の測定

ACD(U.S.A.):•セグメント化された 89 枚のプラスチックシンチレーター•荷電粒子 backgroundの除去•セグメント化で高エネルギーでのself-vetoを減らす

TKR(U.S.A., Japan, Italy):•Si-Strip検出器とWのコンバーター•16Tower x 36 層 x 1536 = 9x105channels•γ線の identification、到来方向の測定•Siストリップを用いることで、高分解能を達成

GLAST =LAT+GBMLAT: Large Area Telescope •2007年打ち上げ予定•4X4=16 towers•3000kg, 650 W, 1.8x1.8x1m3

•(30MeV-300GeV)

広島大学と浜松ホトニクスで共同開発した Si-Strip検出器

GLAST衛星は 2007年打ち上げ予定の宇宙 γ線検出器である (Fig. a)。主検出器であるLAT (Large Area Telescope) の飛跡検出部には、日本の誇る Si検出器が用いられ　(Fig.b)、出荷時で 0.01% 以下という極めて低い dead strip率を達成した。また暗電流、全空乏層化電圧なども良い値でそろっており、安定した製造がなされている (Fig. c, d)。

GLASTで期待される成果 :角度分解能

有効面積

有効面積の入射角依存性

エネルギー分解能

5sigma検出限界

Cygnus Regionにおける巨大分子雲からの γ線放射

様々な工夫により、 GLASTは 1990年代に大活躍した EGRETをはるかに上回る性能をもち (Fig.a)、その感度は数 10倍に達すると予想される (Fig. b)。これにより、検出される γ線天体の数は飛躍的に増え (Fig. c,d)、 γ線天文学は新時代を迎える。広いエネルギー帯と高い位置分解能を生かし、銀河系内の宇宙線や物質の分布を調べたり (Fig. e)、広い視野を生かしたトランジェント天体のモニタが行われる。 X線、電波、可視光との比較で、天体の同定も可能となる (Fig.f)。

(a) (b)

(c)

(d)

(e)

EGRET/GLASTの95%エラーサークルの比較(f)

赤道磁極

AMSによる陽子スペクトルのデータとモデル関数

EM: mini-tower(3 x-y layers)

14.6MeV

17.6MeV

Energy measured by CAL

TOT (time over threshold):低消費電力でエネルギー情報を得て粒子を弁別し、対生成を起こした場所を特定

gamma(e-+e+):2MIP

cocmic Ray(muon):1MIP

(Courtesy of E. do Couto e Silva)

Engineering Modelの試験フライトモデルに向け、小型タワーを用いて、試験方法、解析方法を確立した。

primary proton

secondary proton

upwarddownwarde-/e+

gamma

muon

荷電粒子事象による、各 Siレイヤーでのカウントレート (データ vs. シミュレーション )

alpha

実データ

Balloon Flight Engineering Model (BFEM)

(b)(a)

(c)

(d)

TOT　(　fC 単位で電荷量に変換 )　

Takuya Kawamoto　（広島大）Hiro Tajima (SLAC)

MIPによる TOTの分布

Trackerの各 planeでの Hit Efficiency

Tracker A: 平均 98.62%Tracker B: 平均 99.64%

CALの各層での位置分解能

γ線事象の候補最初のフライト Tracker (Tracker A)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Johann Cohen-Tanugi(SLAC)

Micheal Kuss (Pisa)

(Calorimeter team)

• Beam Test: 1997 and 1999

– LATの基本性能の確認。モンテカルロシミュレーションの validation

• Balloon Flight: 2001/8

– 高い放射線環境下での動作確認。宇宙線事象 (バックグラウンド )の取得

• Engineering Model: 2003/10~

– 宇宙線、バンデグラフを用いた、小型タワーの試験。フライトモデルに向け、試験方法、解析方法の確立

• Flight Model Integration and Test: 2005/1～• Environmental testing: 2006/1～• Delivery to Observatory Integration: 2006/5

• Launch: 2007

開発スケジュールCalendar Years

Build & TestFlight Units

ObservatoryI&T

Final DesignEngr’g Models

LAT I&TPrelim. & Sys. Design

Ops.

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 20112000

LaunchBeginLAT I&T

CriticalDesignReview

Preliminary DesignReview

TKR & CALFM A/B

Scheduled LAT Delivery

1997/1999 Beam test

EM test•hardware tests•reviews

BalloonFlight

Environmentaltesting

TKR

CAL