X線偏光観測 小型衛星計画阪大グループの
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- みいか おおふさ
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1 X 線偏光観測 検出方法のいろいろ + 阪大での開発 林田清 堀川貴子 中嶋雄介 常深博 ( 大阪大学大学院理学研究科 )
2 X 線偏光観測 1970 年代の観測以降停滞 有意度高い検出は かに星雲のみ 現状の計画 (Spectrum-X-Γ) は中止 目標とするに足る (?) 物理がある X 線源のポインティング中心 ( ガンマ線バーストは高橋 三原氏の発表 ) に限定しても 輻射機構 空間構造 磁場構造等 多種の測定技術が蓄積されてきた 小型衛星 ( あるいは気球 ) プロジェクトとして検討すべき課題
3 偏光検出に関わる物理 ブラッグ反射 ( 結晶あるいは多層膜 ) OSO-8 ブラッグ角を満たすエネルギーの X 線に対して σ 偏光は反射率 1 π 偏光は反射率 cos 2 Θ トムソン ( コンプトン ) 散乱 入射 X 線の電場ベクトルの垂直な方向に散乱されやすい 光電子放出の異方性 入射 X 線の電場ベクトルに平行な方向に放出されやすい L 殻光電吸収における蛍光 X 線の放出方向 SXRP 阪大でのビーム測定 CCD, 比例計数管??GC
4 X 線偏光観測装置のデザインファクタ M パラメータ 有効面積 検出効率 エネルギー範囲 ( エネルギー分解能 イメージ検出能力 ) 最小検出可能偏光度 Minimum Detectable Polarization (MDP) P min 普通 99%confidence a = N event =I in Seff T M Nevent Ω N g 234 S eff = Sgeo fdet ( fscat ) or( ) 4 π N all
5 OSO-8 ブラッグ偏光計
6 散乱偏光計の一例 SXRP(Stellar X-Ray Polarimeter) for SODART telescope in Spectrum X-Gamma (SXG) mission T=100ksec
7 SODART ミラー有効面積 SXRP は 10keV 以下の偏光観測計画
8 Liだと 10keV 以上で散乱が主 散乱体の選択 Liだと 10cm 直径の散乱体でも OK
9 CCD による偏光検出 Tsunemi et al. (1992) 12micron pixel TI CCD 12micron pixel HPK CCD でも同程度の M 検出 Hayashida et al., 1999, NIMA, 436, p.96)
10 Hayashida et al., 1999, NIMA,436, p.96 解析方法による感度の向上 Grade2,3,4 以外も使う 2 次のモーメントから楕円パラメータを決定 P min = a M N used 約 3 倍の感度向上を達成
11 CCD 偏光検出感度 (Astro-G 想 定 ) 最小検出可能偏光度 (99% 限界 ) 100 かに星雲の偏光度 (2.6keV & 5.2keV) 観測条件有効面積 3000cm2 <15keV 100cm2 >15keV エネルギー範囲 5keV-45keV 観測時間 10 万秒解析方法 2nd-momonet-method CCD ピクセルサイズ / 空乏層厚 CenA 3C273 X 線源強度 (Crab Unit) HerX-1 CygX-1 Crab ScoX-1 6μm/300μm 12μm/300μm 6μm/50μm 12μm/50μm 最小検出可能偏光度 (%)
12 光電子放出の異方性の利用ガス比例計数管出力パルス解析 Riegler et al., 1970 & Sanford et al., 1970 による偏光検出 Anode // Anode E Anode E E Electro n Cloud X-ray パルスのライズタイムを測定する % of PH 20% of PH PH E=40keV Time(microsec) Rise Time = Short Rise Time = Long Photon Digitized Voltage (mv) RT
13 ガス比例計数管偏光計 P min(99% confidence ) 6.63 N + N M N source bgd source M ファクタの実測値 Xe 比例計数管 (Hayashida et al., 1999,NIMA,421, p.241) Modulation Contrast Inciden X-ray Energy (kev) Xe ガス比例計数管を 2 台気球に搭載しかに星雲を観測した場合に期待される Pmin (T=20ksec 各 5keV バンド )
14 検証実験 Hayashida et al., 1999,NIMA,421, p.241
15 最近の進展 CPGC,MPGC,MSGC CPGC(Capillary Plate Gas Chamber) Sakurai et al. (1996, NIMA, 374, p.341) 阪大で実験 20keV で M~0.2 程度 MSGC(Micro Strip Gas Chamber) Oed(1988),Tanimori et al. (1999, NIMA,436,p.188) MPGC(Micro-Pattern Gas Chamber) Costa et al. (2001, Nature, 411, p.662)
16 MPGC M~44% at 5.4keV Feff~3.8% at 5.4keV S~4mmx4mm Feff~90% at 5.4keV S~10mmx10mm Costa et al. (2001, Nature, 411, p.662)
17 Costa et al. (2001, Nature, 411, p.662) MPGC
18 個人的印象 CCD 偏光検出 焦点面 ( 特にスーパーミラー ) イメージャーの付加機能 ガス比例計数管ライズタイム 気球実験向け (20keV 以上 大面積容易 ) 散乱体を利用した偏光計 10keV 以上で威力発揮 (M が 1 に近いのが魅力 ) 焦点面におく解もあり??GC 焦点面偏光計の本命 (10keV 以下はやはり光子が多い ) いずれの技術に関しても 日本は最先端から遠くない位置にいる ( 何故なら世界的にみて層が薄いから )
19 100 CCD(6micron/300micron/100cm2) PC-Risetime(2x2000cm2,20-40keV) SXRP(Li) Thomson(Li,628cm2,M=0.5,10-20keV) MPGC+SODART(present,2-10keV) MPGC+SODART(plan,3.5-10keV) flux(crab) 小型衛星による X 線偏光検出 T=100ks
20 Pmin の計算について注意 必ずしもバックグランドを考慮していない 系統誤差を無視している M=0.1 の検出器で P=1% の天体を測るときにはモジュレーションは 0.1% 数百万イベント集めれば統計的には偏光検出できるとはいえ
21 まとめ 小型衛星計画 1 10keV 以下 version 集光用ミラー (1000cm 2 程度結像性能悪くても問題ない )+ 高圧??GC 小型衛星計画 2 10keV 以上 version コリメータ +Liトムソン散乱計 ( 例えば 10cm 直径散乱体 X8 台 ) コリメータ +Xe 比例計数管 + ライズタイム回路 (2000cm2 x 2 台 )
22
23 阪大での X 線偏光検出器開発 X 線 CCD による偏光検出 ガス比例計数管ライズタイムによる偏光検出 X 線単色偏光ビームラインの開発 較正
24 単色偏光 X 線ビームラインの開発 Ⅱ 中嶋雄介堀川貴子林田清常深博阿久津大介橋本康明小池哲司大谷正之大阪大学 X 線天文グループ X 線偏光検出器開発に使用することを目標に 対陰極型 X 線発生装置と二結晶分光器を組み合わせた単色偏光 X 線ビームラインを構築した 大チェンバー中間チェンバー二結晶分光 X 線発生装置ダイレクト光 X 線器 分光 X 線 21m
25 Koike et al. 2000, SPIE4012,p.414, Hayashida et al., 2001(in prep) トムソン散乱計によるビーム偏光度較正 強度は数百ー数千 c/s 検出器 90 0 E 散乱体はポリエチレンで 11mmφ 長さ 28mm CZT 検出器 2 台使用 M~0.8 散乱体 X-Ray
26 インコヒーレント散乱と コヒーレント散乱 20keV の X 線を C2H2 で散乱したスペクトル インコヒーレント コヒーレント 19.2keV 20keV 堀川
27 測定結果 ) 分光 X 線の偏光度 E x = HV ( kv ) ( kev Ex/HV~0.95 Ex/HV~0.90 Ex/HV~ Ex[keV] Ex/HV の値が 1 に近いほど偏光度が高い Ex/HV が 0.95 の時 P=0.4~ 0.5 入射 X 線の強度は数 100~ 数 1000c/s/cm 2 偏光度
28 簡易版 小型の X 線発生装置 + フィルタ TIFR at India
29 ガス比例計数管偏光計現状 偏光 X 線ビームラインで実験している 10 月 Ar フローカウンタ 11 月 Xe カウンタ データ取得システムの改良 従来デジタルオシロ +GPIB+ パソコン 1 パルス /s 以下の処理能力 PCI バスのデジタイザーボード (Acquirius DP105) の導入で数 10 パルス /s 以上の処理能力
30 Xe 比例計数管の設置 正面から X 線をあてる 穴は 5mm ー >2mm 中嶋 90 に設定した時 0 に設定した時
31 ガス比例計数管偏光計 結果と問題点 33.25keV/35kV 38keV/40kV <RT> measured at Osaka Beam Line 180 度が長い! バックグランドの影響? ノイズの影響? 入射位置 ビーム位置依存性? Preliminary angle
スライド 1
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