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1 フレネルレンズ型大気蛍光望遠鏡 (CRAFFT) の開発 Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel-lens Telescope CRAFFT 信州大学大阪電気通信大学東京大学地震研究所神奈川大学 : 中村雄也 冨田孝幸 山本真周 岩倉広和 齊藤保典 : 多米田裕一郎 貝野裕紀 小越友理菜 : 池田大輔 : 山崎勝也 2018/10/05 1

2 自己紹介 名前中村雄也 ( なかむらゆうや ) 所属信州大学工学部 4 年出身広島県尾道市趣味スノボ / プラモ / 同人誌をかく 白馬のスキー場に出没したト ロ ->

3 超高エネルギー宇宙線とは 超高エネルギー宇宙線とは, ev 以上の高いエネルギーの宇宙線 観測する目的 : 起源の解明 起源の解明のために以下の 3 つが必要 エネルギー 到来方向 質量組成 超高エネルギー宇宙線 空気シャワーの発達の様子

4 現行の超高エネルギー宇宙線観測 現行の超高エネルギー宇宙線観測では 2 種類の検出器を用いてハイブリット観測が行われている 30km 決定精度 大気蛍光望遠鏡 地表検出器 エネルギー 到来方向 質量組成 建設コスト 2000 万円 150 万円 大気蛍光望遠鏡 地表検出器 稼働率 ~10% ~100%

5 次世代の超高エネルギー宇宙線観測 次世代の宇宙線検出器に求められるのは以下の 2 つ 1. 観測統計量を増やすために観測領域を拡大 - 検出器のコストを低下 2. 空気シャワーの縦方向発達を観測して質量組成を決定する - 大気蛍光望遠鏡を用いた空気シャワー観測 低コストの大気蛍光望遠鏡 Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel-lens Telescope = CRAFFT 次世代の超高エネルギー宇宙線観測に向けた大気蛍光望遠鏡

6 CRAFFT 望遠鏡の構成 2.0m 1.0m 1.4m フレネルレンズ 光電子増倍管 高圧電源電圧アンプローパスフィルタ FADC ボード 紫外光透過フィルタ アルミフレーム 1 台約 100 万円

7 CRAFFT による宇宙線試験観測概要 全作業期間 :2017 年 9 月 16 日 11 月 30 日 ( 望遠鏡製作 :2 日 / 台, 設置 : 1 日 / 台 ) 宇宙線観測 :2017 年 11 月 9 日 11 月 23 日 場所 :TA 実験サイト TA 望遠鏡 観測方法 CRAFFT 4 台のCRAFFT 望遠鏡を設置 建屋無しで屋外に放置 TA 実験望遠鏡からの外部トリガーにより信号記録

8 観測時間 Observation time [hours] [hour] Integrated observation time [hour] 仰角方向 [deg] CRAFFT による宇宙線試験観測概要 CRAFFT 望遠鏡 エレクトロニクス ケーブル (Power, Network, Trigger) 観測時間 :63.5 時間 (10 日間 ) 観測データ : 個 (TAFD 全視野分のトリガー ノイズを含む ) 空気シャワーを 10 事象観測した 方位角方向 [deg] 望遠鏡視野 紫 : 日付ごとの観測時間 Observation time 緑 Integrated : 総観測時間 observation time /08 11/10 11/12 11/14 11/16 11/18 11/20 11/22 11/ 総観測時間 [hours] 観測時間の変遷

9 ADC count 観測した空気シャワー信号例 :53:31 TAFD 単眼解析 エネルギー : ev, 距離 : 3.6 km Upper left Lower Upper center Upper right Time [us] CRAFFT 望遠鏡による観測波形 TA 実験大気蛍光望遠鏡による観測信号 空気シャワーの観測に成功した

10 これからの CRAFFT 実験 フレネルレンズ望遠鏡にて空気シャワーの観測に成功 観測領域の大規模化へ向けての 開発 最適化 1. 空気シャワー解析能の評価 検出器シミュレーションによる性能評価 観測シミュレーション 2. 低コスト化 ( 建設単価 運用費 ) 完全自動運用 ( 運用費 ) 望遠鏡あたりの観測領域の拡大 ( 建設単価 ) 3. 耐久性能の評価 * 保護用の建屋を使用しない 紫外線 熱 砂塵

11 これからの CRAFFT 実験 フレネルレンズ望遠鏡にて空気シャワーの観測に成功 観測領域の大規模化へ向けての 開発 最適化 1. 空気シャワー解析能の評価 検出器シミュレーションによる性能評価 観測シミュレーション 2. 低コスト化 ( 建設単価 運用費 ) 完全自動運用 ( 運用費 ) 望遠鏡あたりの観測領域の拡大 ( 建設単価 ) 3. 耐久性能の評価 * 保護用の建屋を使用しない 紫外線 熱 砂塵

12 望遠鏡の理解と最適化 望遠鏡の最適化には以下の項目が必要になる 空気シャワー解析能に関する最適化検出器シミュレーションを用いて望遠鏡を評価し 観測シミュレーションによって解析能に関して最適化 望遠鏡当たりの観測領域の拡大望遠鏡の光学系を理解しシミュレーションと比較することで観測領域を最適化 両方に必要なレイトレースシミュレーションを作成

13 y [mm] 望遠鏡の集光評価 レイトレースシミュレーション (ROBAST (1 ) を用いて望遠鏡の集光を評価 histgram Entries Mean x Mean y 1.184e- 16 Std Dev x Std Dev y cm 実際のフレネルレンズによる白色光の集光 x [mm] シミュレーション結果 (650nm) 実際の集光の様子をシミュレーションが再現しているこのシミュレーターで望遠鏡光学系を設計できる 1) A. Okumura, K. Noda, C. Rulten (2016) ROBAST: Development of a ROOT-Based Ray-Tracing Library for Cosmic-Ray Telescopes and its Applications in the Cherenkov Telescope Array Astroparticle Physics arxiv: cm 1

14 これからの CRAFFT 実験 フレネルレンズ望遠鏡にて空気シャワーの観測に成功 観測領域の大規模化へ向けての 開発 最適化 1. 空気シャワー解析能の評価 検出器シミュレーションによる性能評価 観測シミュレーション 2. 低コスト化 ( 建設単価 運用費 ) 完全自動運用 ( 運用費 ) 望遠鏡あたりの観測領域の拡大 ( 建設単価 ) 3. 耐久性能の評価 * 保護用の建屋を使用しない 紫外線 熱 砂塵

15 完全自動運用にむけて 完全自動運用には以下のシステムが必要 電力自給システム 太陽光発電で必要な電力を供給する 自動観測システム エレクトロニクス, 望遠鏡保護システムを自動制御する 望遠鏡保護システム 日中の太陽光から望遠鏡を保護する

16 完全自動運用システム構成図 : 電力 : 信号 : 通信 ソーラーパネルチャージコントローラーバッテリー Host ( 複数台に 1 個 ) Local (PMT ごとに 1 個 ) DC-DC(12V) DC-DC(5V) モニター コントロールコンピュータ FADC(8ch) HV 素子 DC-DC(±5V) PMT Amp. 素子 DC-DC(12V) ルーター スイッチアレイ (16ch) ADC(8ch) Shutter ( 望遠鏡ごとに 1 個 ) ソーラーパネルチャージコントローラーバッテリー DC-DC 開閉動作 シャッター

17 電力自給 自動観測システム試験 電力自給 自動観測システムについて以下の構成で 5 分ごとに起動 停止をスケジュールして試験を行った ( 実際は月のない夜間をスケジュール ) Host Local 紫外光 LED 事前にスケジュールした時間通りにエレクトロニクスを制御できた 紫外光 LED を記録できた 今後 TA 実験サイトにて試験を行う予定

18 望遠鏡保護システム フレネルレンズによる太陽光の集光を防ぐシステムが必要 望遠鏡保護用シャッターを検討中 レンズ前面に金属製シャッターを設置 太陽光 砂塵からフレネルレンズを保護できる レンズ背面にハニカムサーモスクリーンを設置 遮光性 断熱性が高い 布製で軽い ハニカムサーモ スクリーン

19 y [mm] ADC count まとめ 次世代の超高エネルギー宇宙線観測に向けて低コストな大気蛍光望遠鏡 CRAFFT を開発している 100 万円程度のコストの望遠鏡で宇宙線を観測できることを確認した Upper left Lower Upper center Upper right Time [us] histgram Entries Mean x Mean y 1.184e- 16 Std Dev x Std Dev y 望遠鏡の最適化に向けて検出器シミュレーションを作成している 大規模な観測領域の実現のために完全自動運用システムを開発している今後の予定 完全自動運用システムの動作を確認するため TA 実験サイトで観測試験を行う x [mm] 10 1

20 Back up

21 ADC count ADC count ADC count ADC count 観測した空気シャワー信号例 (2) :47: Upper left Lower Upper center Upper right :33: Upper left Lower Upper center Upper right Time [us] エネルギー : ev, 距離 : 3.92 km Time [us] エネルギー : ev, 距離 : 2.25 km :16: Upper left Lower Upper center Upper right :31: Upper left Lower Upper center Upper right Time [us] エネルギー : ev, 距離 : 3.52 km Time [us] エネルギー : ev, 距離 : 2.39 km

22 ADC count ADC count ADC count ADC count 観測した空気シャワー信号例 (3) :59: :24: Upper left Lower Upper center Upper right Upper left Lower Upper center Upper right Time [us] Time [us] :16: :36: Upper left Lower Upper center Upper right Upper left Lower Upper center Upper right Time [us] Time [us]

23 1 台あたりのコスト フレーム レンズ 外装 22 万円 Solar Panel Charge Controller Battery ( エレキ ) 13 万円 / 4 台 Solar Panel Charge Controller Battery (shutter) 13 万円 ハニカムサーモ 32 万円 PMT UV フィルタ 27 万円 エレキ (HOST) 30 万円 / 4 台ラズパイ CosmoZ Switch Array Router Hub DC-DC 2 エレキ (LOCAL) 6 万円 HV Amp DC-DC 2 Tatal 108 万円 / 1 台

24 削除スライド

25 物理背景超高エネルギー宇宙線 従来の望遠鏡 FD SD これからどうするのか ( 将来性 ) CRAFFT 望遠鏡のコンセプト 観測できた ( 構造が簡単 ) 安価 完全自動運用 ( 運用費が ) 安価 検出器シミュレーション最適化 まとめ ToDo

26 これからの CRAFFT 実験 CRAFFT で宇宙線を観測できることが示された 1. 観測領域の拡大に向けての開発と最適化空気シャワー解析能の評価 検出器シミュレーション 2. 低コスト化 完全自動運用 望遠鏡当たりの観測領域の拡大 3. 耐久性能の評価 紫外線 熱 砂塵

27 これからの CRAFFT 実験 観測領域の拡大に向けての開発と最適化 1. 空気シャワー解析能の評価 検出器シミュレーション 2. 低コスト化 完全自動運用 望遠鏡当たりの観測領域の拡大 3. 耐久性能の評価 紫外線 熱 砂塵 両方に必要なレイトレースシミュレーション

28 完全自動運用システム試験 期間 : 2018 年 10 月 ~ 11 月 場所 : TA 実験サイト 観測方法 視野方向 4 台の CRAFFT 望遠鏡を設置 建屋無し 試験内容 望遠鏡保護装置以外を全自動で稼働 TA 実験望遠鏡に同期して宇宙線を観測 CRAFFT 望遠鏡 TA 大気蛍光望遠鏡

29 TA 実験サイトの様子

30 Observation time [hour] Integrated observation time [hour] CRAFFT による宇宙線観測概要 CRAFFT 紫 : 日付ごとの観測時間緑 : 総観測時間 Observation time Integrated observation time TA 大気蛍光望遠鏡 TA 大気蛍光望遠鏡の視野に対する CRAFFT の観測視野 /08 11/10 11/12 11/14 11/16 11/18 11/20 11/22 11/24 観測時間 :63.5 時間 (10 日間 ) 期待事象数 :~8 事象 (10 17 ev 以上 ) 観測データ : 個 (FD 全視野分のトリガー, ノイズ含む )

31 Observation time [hour] Integrated observation time [hour] CRAFFT による宇宙線観測概要 紫 : 日付ごとの観測時間緑 : 総観測時間 Observation time Integrated observation time /08 11/10 11/12 11/14 11/16 11/18 11/20 11/22 11/24 観測時間 :63.5 時間 (10 日間 ) 期待事象数 :~8 事象 (10 17 ev 以上 ) 観測データ : 個 (FD 全視野分のトリガー, ノイズ含む ) 全体で 10 事象観測できた

32 完全自動運用システム試験 日時 :2018 年 10 月 - 11 月 場所 :TA 実験サイト CRAFFT 実験望遠鏡 TA 実験望遠鏡建屋 試験内容 昨年度建設した 4 台の CRAFFT 実験望遠鏡に電力自給 自動観測システムを導入 望遠鏡保護装置以外は全自動で TA 実験望遠鏡に同期して宇宙線を観測

33 CRAFFT による宇宙線観測試験概要 期間 : 2017 年 11 月 9 日 ~ 11 月 23 日 場所 : TA 実験サイト 観測方法 4 台のCRAFFT 望遠鏡を設置 建屋は設置せず日中も屋外に放置 TA 実験の望遠鏡から外部トリガーにより信号記録 観測時間 :63.5 時間 (10 日間 ) 期待事象数 :~8 事象 (10 17 ev 以上 ) 観測データ : 個 (FD 全視野分のトリガー, ノイズ含む ) 視野方向 CRAFFT 望遠鏡 TA 大気蛍光望遠鏡 TA 大気蛍光望遠鏡の視野に対する CRAFFT の観測視野

34 宇宙線観測概要 全作業期間 :2017 年 9 月 16 日 11 月 30 日 ( 望遠鏡製作 :2 日 / 台, 設置 : 1 日 / 台 ) 宇宙線観測 :2017 年 11 月 9 日 11 月 23 日 場所 :TA 実験サイト TAFD 観測方法 4 台のCRAFFT 望遠鏡を設置 建屋無しで屋外に放置 TA 実験望遠鏡からの外部トリガーにより信号記録

35 完全自動運用システム試験 観測期間 :2018 年 10 月 11 月 場所 :TA 実験サイト 観測方法 昨年度建設した 4 台の CRAFFT 実験望遠鏡に電力自給 自動観測システムを導入 望遠鏡保護装置以外は全自動で TA 実験望遠鏡に同期して宇宙線を観測

36 完全自動運用システム試験 期間 : 2018 年 10 月 ~ 11 月 場所 : TA 実験サイト 試験内容

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