γ 線衛星 GLAST の概要と開発試験 February 24, 2005@ICRR Tsunefumi Mizuno 広島大学理学部 mizuno@hirax6.hepl.hiroshima-u.ac.jp History of Changes: February 23, 2005 written by T. Mizuno Tsunefumi Mizuno 1
GLAST Large Area Telescope TKR(U.S.A., Japan, Italy): Si-Strip Tracker with Lead converter 18 X-Y tracking planes, 228um pitch, 8x10 5 channels 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 γ GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope)=LAT+GBM LAT: Large Area Telescope 2007 年打ち上げ予定 4X4=16 towers 3000kg, 650 W, 1.8x1.8x1m 3 (30MeV-300GeV) ACD(U.S.A.): Segmented 89 plastic scintillator tiles 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 e + e CAL(U.S.A., France, Sweden): Hodoscopic array of 1536 CsI(Tl) scintillators (8 layers in each tower) Showerの発達を追い エネルギーを測定 Tsunefumi Mizuno 2
Expected performance of GLAST LAT による γ 線宇宙の観測 広視野 (~2sr 全天の 20%) 高位置分解能 (10 in E>10 GeV) 大有効面積 (~10000 cm -2 ) Angular Resolution 圧倒的な高感度 (next slide) Relative Effective Area Effective Area Energy Resolution Tsunefumi Mizuno 3
Sensitivity of GLAST LAT(1) 10-8 Integral Sensitivity Crab Nebula E^-2(integral なら E^-1) なるスペクトルを持つ点源に対する 5σ 検出感度 Flux above E (c/cm^2/sr) 10-9 10-10 10-11 0.01 1-year observation (galactic center region) 1-year observation (high galactic latitude) ~10 photons will be detected in one year Morselli et al. 5-year observation (high galactic latitude) http://www-glast.slac.stanford.edu/software/is/glast_lat_performance.htm 中の図を元に作成 0.1 1GeV 10 100 Tsunefumi Mizuno 4
Sensitivity of GLAST LAT(2) Differential Sensitivity vs. Source Fluxes (Kamae et al. 2005, Proc. of International Symposium of High Energy Gamma-ray Astronomy, Heidelberg) より作成 galactic center region (1msr) COMPTEL 30MeV-300GeVのエネルギーで EGRETを数 10 倍上回る感度 100GeV 前後でACTとオーバーラップ EGRET (3000hrs, 3sigma) Crab Nebula GLAST (1year, 5sigma) extra galactic diffuse (1msr) CANGAROO HESS Tsunefumi Mizuno 5
Gamma-Ray Sky Gamma-Ray observed Sky by LAT(1) 100 sec 1 orbit 1 day 全天の20% という広い視野を生かし scanning modeで観測 (<--->pointing observation by EGRET and ACTs); burst/transient sourceを常時モニタ 数日でEGRETに匹敵する感度を達成 達成される感度 (10-6 cm -2 s -1 ) EGRET Fluxes 3C279 flare Vela Pulsar Crab Pulsar 3C279 quiescent EGRET 5sigma sources ~ a few days with LAT EGRET: ~270 sources GLAST: ~10000 sources (2year) GRB, AGN, 3EG + Gal. plane & halo sources Tsunefumi Mizuno 6
Gamma-Ray Sky observed by LAT (2) Data Challenge1(DC1): 2003/12-2004/2 LATによる1 日分の観測をシミュレートし解析することを通し 解析ツールの開発などを行った Cygnus Region Galactic diffuse, extragalactic diffuse, 3 rd EGRET Catalogue sources, Blazars, etc. were simulated 3c279 Vela Geminga E>100 MeV with some other cuts for illustration DC2: 2005 年 1 ヶ月の観測のシミュレーションと解析 DC3: フライトデータ (1 年間 ) のシミュレーションと解析 PKS 0528+134 PKS 0208-512 Crab Tsunefumi Mizuno 7
Hardware Development Schedule Beam Test: 1997 and 1999 LATの基本性能の確認 日本グループはSi 検出器の モンテカルロシミュレーションのvalidation 開発および試験 気球実験 Balloon Flight: 2001/8 とそのシミュレーターおよびバックグラウンドモデルの開 高い放射線環境下での動作確認 発で主に貢献 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~ 現在進行中!(2つ目のタワーの試験開始) Environmental testing: 2005/9~ Delivery to Observatory Integration: 2006/1 去年のスケジュールにつき 多少遅れると見込まれます Launch: 2007/2 Tsunefumi Mizuno 8
Si-Strip Strip Detector (1) 広島大学と浜松ホトニクスにより開発 製造 4 4 array of Si-strip sensors (X) 4x4=16tower 1 tower: 18 trays (36 Si layers) 読み出し回路 15cm 4 4 array of Si-strip sensors (Y) バイアス回路 C-fiber face shee Hex cell core Al closeout C-fiber face sheet コンバータ Carbon thermal panel Tsunefumi Mizuno 9
Si-Strip Strip Detector (2) 1 万枚以上の SSDs を製造 非常に高い Quality dead strip 率 0.008% in 10000 SSD x 384 strips=3.7m strips 安定した製造 Leakage current ~2.5 na cm -2 (low noize) Full depletion voltage ~65 V ρ= 9 kωcm (high resistivity) Tsunefumi Mizuno 10
1997/1999 Beam Test 1999 Beam Test Engineering Model: single tower composed of TKR/CAL/ACD # of hit strips per layer (Hit multiplicity) =shower development in TKR (do Couto e Silva et al., 2001, NIMA 474) PSF vs. Energy (W. Atwood et al., 2000, NIMA) 0deg. Incident middle layer 30deg. Incident middle layer 0deg. Incident lower layer 30deg. Incident lower layer Tsunefumi Mizuno 11
The GLAST Balloon Experiment (1) Balloon Flight Engineering Model (BFEM) Objectives: LAT の基本デザインをタワー 1 個のレベルで検証 宇宙空間に似た高い放射線環境下で DAQ も含めた装置の動作を確認する 宇宙線事象を取得し LAT のための バックグラウンドのデータベースとして用いる 日本グループ ( 広島大 宇宙研 ) が宇宙線フラックスモデルと検出器シミュレーターを開発 AMS による陽子スペクトルのデータ ( 高度 380km 鉛直方向 ) とモデル関数 e-/e+ 大気 γ などもモデル化 磁極 赤道 Tsunefumi Mizuno 12
The GLAST Balloon Experiment (2) 2001/8@Palestine, Texas Trigger rate vs. atmospheric depth 1kHz 1.2kHz maximum (~500Hz is predicted for each tower of LAT) Count rate of each layer for Charged Events e-/e+ muon gamma upward downward secondary proton 0 3.8g cm -2 (38km) 500Hz in level flight 1 10 100 g cm -2 primary proton alpha 1kHz を超える高カウントレート下で 装置 DAQ が動作することを確認 Background Flux Model とシミュレーションで 得られたデータを 10% 内で再現 (T. Mizuno et al. 2004, ApJ 614) CAL TKR ACD Tsunefumi Mizuno 13
Test of Engineering Model EM: mini-tower(3 x-y layers) Energy measured by CAL (Courtesy of E. do Couto e Silva) 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 17.6MeV 14.6MeV cocmic Ray(muon): 1MIP Tsunefumi Mizuno 14
Flight Tower Integration and Test (1) 2005 年 1 月より開始 Flight Tracker arrived at SLAC Tracker in Clean Room Attach Calorimeter to Tracker Tsunefumi Mizuno 15
Flight Tower Integration and Test (2) TOT Distribution: ゲインの調整を行い チップ間で TOT を揃える 宇宙線事象 ( 主に muon) や charge injection を用いて Flight Model 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 1MIP peak 宇宙線 (muon) による事象の例 TOT Hit Strip Distribution: dead strip/hot strip を探す noise occupancy の測定 スレッショルドの調整 layer number xz-view yz-view strip number strip number Tsunefumi Mizuno 16
Summary GLAST LAT (Large Area Telescope) は広い視野 高角度分解能などを生かし EGRET の数十倍の感度で γ 線天文学に新境地を開くことを目指す 日本グループは GLAST の核心部である Si 検出器の開発および試験 気球実験とそのシミュレーターおよびバックグラウンドモデルの開発で主に貢献してきた ビーム試験 気球実験 Engineering Model の試験を通し 装置の基本的な性能確認を行ってきた Flight Model の組み上げとテストが今年 1 月から開始 2007 年の打ち上げに向け 精力的な試験が行われている GLAST で期待されるサイエンスの詳細 TeVγ 線との関係については 次の講演を参照されたい Tsunefumi Mizuno 17