日本天文学会
2018年 秋季年会@兵庫県立大学 V336a
SMILE実験計画と
2018年豪州気球実験
SMILE-2+
水村 好貴
（京都大学）
谷森達, 高田淳史, 竹村泰斗, 吉川慶, 中村優太, 小野坂健, 齋藤要, 阿部光, 窪秀利, 水本哲矢,古村翔太郎, 岸本哲朗, 中増勇真, 谷口幹幸(京都大学), 黒澤俊介(東北大学), 身内賢太朗(神戸大学), 澤野達哉(金沢大学), 小財正義(JAXA/ISAS)MeVガンマ線天文学
2次世代
MeVガンマ線望遠鏡
に期待する性能
• 数百keV ~ 数十MeVの広帯域 • 全天探査の為の広い視野 • 高S/Nの鮮明な画像 元素合成 銀河面 : 26Al・電子陽電子対消滅線 SNR : 放射性同位体 粒子加速ジェット(AGN) : Leptonic or Hadronic
強い重力場 Black hole : 降着円盤, π0 その他 Pulsar, 太陽フレア, GRB, Ia型SN, 等 ~30 objects/10 years V. Schönfelder+ (A&AS, 2000) CGRO/COMPTEL
MeV sky map (1—30 MeV)
~3000 objects/4 years
F. Acero+ (ApJS, 2015)
Fermi/LAT
電子飛跡検出型コンプトン望遠鏡
(
ETCC
)
3 到来方向とエネルギーを一意決定 鋭い2D-PSF: 推定手法に頼らない撮像分光 背景雑音の強力除去 広視野 (> 3 sr) 複数天体＆背景放射の同時観測 冗長性のある雑音除去能力 コンプトン散乱運動学テスト(a角) 粒子識別(dE/dx) 重いVETO検出器(雑音源)不要 ガス飛跡検出器 反跳電子のエネルギー + 飛跡 GSOシンチレータアレイ 散乱ガンマ線のエネルギー + 吸収位置 検出事象ごとに コンプトン散乱を完全に再構成a
ガス飛跡 検出器 GSO シンチレータ Energy Deposit Ran geSMILE-I
@ 三陸 (Sep. 1
st2006)
気球高度での動作試験: 安定動作O.K.
宇宙拡散・大気ガンマ線の観測 (0.1 ~ 1 MeV):
他の観測と一致するスペクトル
SMILE
気球実験計画
(Sub-MeV gamma-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment)
4 10 cm角, Xe+Ar 1気圧 A. Takada+ (2011, ApJ)
人工衛星での全天観測
50 cm角, CF4 3気圧SMILE-II
有効面積： ~1 cm2 @ < 300 keV 角度分解能: HPR~15o @ 662 keV (ARM=5.3o, SPD~100o) 30 cm角, Ar 1気圧 (地上較正試験済み, 未放球) Y. Mizumura+ (2014, JINST) T. Tanimori+ (2015, ApJ) T. Tanimori+ (2017, Sci. Rep.)SMILE-2+
有効面積： a few cm2 @ 511 keV 角度分解能: HPR ~10o @ 662 keV
30 cm角, Ar 2気圧
511 keV from G.C. @ Alice Springs
(大気ガンマ線観測, 天体イメージング)
SMILE-3
(長時間気球を用いた科学観測) 30 cm角, CF4 3気圧有効面積： ~10 cm2 @ <500 keV 角度分解能: HPR~5o @ 662 keV
SMILE-I
@ 三陸 (Sep. 1
st2006)
気球高度での動作試験: 安定動作O.K.
宇宙拡散・大気ガンマ線の観測 (0.1 ~ 1 MeV):
他の観測と一致するスペクトル
SMILE
気球実験計画
(Sub-MeV gamma-ray Imaging Loaded-on-balloon Experiment)
5 10 cm角, Xe+Ar 1気圧 A. Takada+ (2011, ApJ)
人工衛星での全天観測
50 cm角, CF4 3気圧SMILE-II
有効面積： ~1 cm2 @ < 300 keV 角度分解能: HPR~15o @ 662 keV (ARM=5.3o, SPD~100o) 30 cm角, Ar 1気圧 (地上較正試験済み, 未放球) Y. Mizumura+ (2014, JINST) T. Tanimori+ (2015, ApJ) T. Tanimori+ (2017, Sci. Rep.)SMILE-2+
有効面積： a few cm2 @ 511 keV 角度分解能: HPR ~10o @ 662 keV
30 cm角, Ar 2気圧
511 keV from G.C. @ Alice Springs
(大気ガンマ線観測, 天体イメージング)
SMILE-3
(長時間気球を用いた科学観測) 30 cm角, CF4 3気圧 有効面積： ~10 cm2 @ <500 keV 角度分解能: HPR~5o @ 662 keV 2018春,豪州気球実験2018/4/7 06:24
(豪州中部標準時間)
アリススプリングスより無事に放球！
SMILE-2+採択から放球実施まで
6 1月 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月 ETCCデザイン 熱環境試験#1 制御系の設計・作製 ETCC作製 修正・動作試験 熱環境試験#２ 地上較正 2017年 1月 2 3 4 2018年 輸出 現地準備 (@Alice Springs) 2018/4/07: SMILE-2+放球2017/1/17 : 2018年度豪州気球実験に採択放球
採択
2017年1月時点 ETCC、制御系がほぼ存在せず ※ SMILE-IIからの過渡期であったため (設計変更内容は2017春に報告済み)約
1年で、設計・作製・動作試験・
熱環境試験・地上較正などを完遂！
地上較正
7 地上較正実験の様子 線源137Cs (zenith ~60 deg.) エネルギースペクトル 137Cs線源 (662 keV) ＠zenith ~ 0 deg. Accepted events Fiducial volume dE/dX selection Imaging selection (15 deg.) 662 keV 飛程 vs Energy Deposit 点源(137Cs)のイメージング zenith 30o zenith 60o有効面積
現地（豪州）での準備
8 3/5: 6名が現地入り(助教:1, PD:1, D:2, M:2) 3/6-8: 組み上げ & 動作確認 3/7: ガス封入 3/8: ガス入れ替え(純度向上) 3/9-16: ETCC較正データ取得 3/13: JAXAの制御系と噛み合わせ 3/16: 屋外試験(GPS, 姿勢計) 3/17: ガス純化システム作動 3/18-19: 与圧容器の気密確認 3/23: 電波感度試験 + 最終噛み合わせ 3/27: ガス純化システム作動 3/28: 放球リハーサル 4/2: ガス純化システム作動4/4: Flight Readiness Review 4/6深夜: 放球準備 4/7朝: 放球 屋外試験 GPS試験 & 姿勢計較正 組み上げ作業 地上系での動作モニター
SMILE-2+の気球ペイロード姿
9 衝撃吸収材 バラスト箱 GPS アンテナ 磁気姿勢計 MLI 重量 511 kg 消費電力 214 W 姿勢制御なし 姿勢センサー ~1° ~2 m 検出器 (ETCC) 電池 ＆ CPUs ~1 m放球
10 高度~40 km 放球直後 JAXA 梯氏提供 150 m ゴンドラ 2017/4/7 早朝 放球直後 JAXA 梯氏提供©google • かに星雲 ~6 時間 • 銀河中心領域 > 8 時間 JAXA ~150 m 望遠鏡装置
天体の観測、装置の回収に成功
4/7 6:24 放球 4/9 装置の回収 約1000 kmの飛翔経路 100 km 放球地点 至 エアーズロック 回収地点 水平飛翔 26時間 JAXA気球グループの運用フライトの概要
11まとめ
2018年春に豪州気球実験
SMILE-2+
を実施
2018/4/7 6:24 に Alice Springs から放球(現地時間)
2018/4/8 10:45 に観測を終了しSMILE-2+を安全降下
2018/4/9 望遠鏡とデータを無事に回収
水平浮遊時間
:
26 時間
かに星雲
:
~6 時間
銀河中心領域
: >8 時間
12 26 時間要求時間を満たす
観測を実施できた
0 30 60 90 ele vat ion an gles [d eg.]次の吉川講演
: フライト中の動作状態、データ初期解析結果
JAXA大気球実験室の皆様の多大なご尽力に感謝いたします！SMILE-II
から
SMILE-II+
へ
14
SMILE-II
の改良余地
シンチレーター
(GSO 13 mm) 1. 0.5 MeV g線の40%が素通り 2. 飛跡検出器を十分覆えずガス飛跡検出器
(Ar 1気圧, 30 cm角) 1. 150 keV以上の電子は測定困難 2. ~50 keV電子の多重散乱~100o SMILE-II+ ETCC GSO を中へ Drift長 30 cm Ar 2 atm ガス SMILE-II ETCC GSO 13 mm (1. R.L.) Drift長 30 cm Ar 1 atm ガス e-電子も 計測!!①
GSOの厚みを増大
⇒散乱ガンマ線の検出確率up!!②ガス容器内に
GSOを設置
⇒150 keV以上の電子も測定可 ⇒150 keV電子の多重散乱~20o ⇒シンチの隙間が激減③ガス圧力の増強
SMILE-II+
での改良設計
良PSF 広帯域 大有効面積 大有効面積 大有効面積 広帯域SMILE-2+
の予測性能
15 有効面積 PSF SMILE-II: ARM 6o, SPD 100o SMILE-2+: ARM 6o, SPD 50o SMILE-II SMILE-2+ 感度 設計変更の詳細は 前回までの年会で報告済みSMILE-2+検出器部の構築
16 GSOシンチ Arガス GSOシンチ μ-PIC (飛跡検出器) μ-PIC (前置増幅器)GEM 検出器部の 重量: 171 kgSMILE-2+システムの構築
17 HV生成器+ HV コントローラ シンチレータ 信号処理回路 トリガー コントローラ DC/DC コンバータ スロー コントローラ CP U1 CPU2 CPU3 ADC スケー ラ Hub GPS システム部の 重量: 127 kg検出器の動作確認
18 飛跡検出器で得た エネルギースペクトル ↑ガス 2気圧化による 電子検出エネルギー拡大を確認 Energy Deposit ↑Ar 2気圧の電子飛程に合致 Ran ge エネルギー相関 反跳電子 [keV] 散乱ガンマ線 [keV] (137Cs線源(662 keV)) コンプトン 散乱角の相関 線源位置に対応する散乱角 再構成した散乱角 コンプトン散乱事象を検出している事を確認 撮像もO.K. Zenith -20o Zenith +40o Zenith 0o (視野中央) 137Cs線源 ずらし置き反跳電子をシンチで検出したイベント例
シンチをガス容器に入れた最大の理由
高エネルギーの反跳電子を検出
→ 有効面積と角度分解能の向上を狙う！
19 トリウム入り タングステン棒 (ガンマ線源) 58 keV の飛跡 散乱ガンマ線候補 494 keV 反跳電子候補 1.8 MeV実際に、高エネ電子をシンチで検出できている！
有感領域 詳細解析はこれからガス純化によるアウトガス対策
最も危惧された問題
ガス容器内に物質増加 → アウトガスでの性能劣化
対策
: ガス純化システムの導入(主に水分吸着)
20性能劣化の回復を実証、
SMILE-2+実験で問題とならない
要求される ドリフト速度 ~3日 ~7時間 純化SMILE-2+
(2018年豪州気球)の成功基準
21 最低成功基準：
大気ガンマ線の観測 残留大気圧特性 + 東西効果を検出 ⇒ 雑音除去能力・有効面積の検証 高度成功基準：
e±対消滅線(銀河中心領域) + Crab観測 ⇒ 共に検出見込み(銀河中心領域 5.5σ, Crab 5.1σ) 大気ガンマ線の撮像分光 大気成分の分析手法を検証 最高度成功基準：
MeVガンマ線背景放射のスペクトル測定 高度角30o Sun Crab 銀河中心 球放予定時間 球放後24h 球放後36h 予定浮遊高度 38.9 km 放球予定日 4/1～5/6 @Alice Springs系の平衡温度と放射率
22 容器内気温 (上中下部) 容器接触温度 熱環境試験結果 2017/3/9 (外気 -40℃, 3 hPa, 熱源 235W) 熱源 235W 外気温 0℃ -40℃ -60℃ ①Kapton全体+ 断熱材全体 ②Kapton全体 +断熱材胴部 ③Kapton全体 +ポリエチレン胴部 ④Kapton全体 ⑤Kapton下部 2 h □ □ ○▲ △ 放射率 ε ~0.35の 放射抑制条件が判明 ④ ⑤ ③ ① ② ② 良条件の放射率 (ε = 0.3～0.4) レベルフライトでは 外気温-60℃予測HK sensors
23 外気圧計 Setra 720/730 0-100 Torr 飛跡検出器内圧計 Minebee NS100A-500KP-3132 0-500 kPa 圧力容器内気圧計 サヤマトレーディング PTX800M-A < 1.05 atm 傾斜計 AccuStar ±60° 磁場センサ 1軸 ±3 Gauss SMILE-I搭載品 SMILE-I搭載品 SMILE-I搭載品 SMILE-I搭載品 温度計 AD590 GPSコンパス Hemispheres Crescent Vector II25
Sensitivity
Hitomi EGRET IACT Fermigoal
G oo d Ba d erg / (cm2 sec)Obs. Time : 106 sec
