X線偏光観測 小型衛星計画阪大グループの

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）

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

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） – 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 ＯＳＯ－８ ＳＸＲＰ、阪大でのビーム測定 ＣＣＤ，比例計数管、 ??GC

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 _min M in imu m Det ect ab le P ol ari zat io n (M DP ) even t a P MN = ev en t in eff 234 eff det N= I × S S( ) ( ) 4 g ge o sc at all T N Sf f or N π × Ω =× × × 普通 99 ％ confidence

ブラッグ偏光計

•

OSO

散乱偏光計の一例

SXRP(Stellar

X

-Ray Polarimeter)

for SODART telescope in Spectrum X-Gamma (SXG) mission

•

T=100ksec

http://hea-www.harvard.edu/

~kaaret/sxr

SODART

ミラー有効面積

•

SXRPは10keV以下

の偏光観測計画

http://hea-ww w.harvard.edu/SXG/instruments.html

散乱体の選択

• Liだと10keV以上で散乱 が主 • Liだと10cm直径の散乱体 でもOK 0.01 0.1 1 10 0 10 1 10 2 S catte ring / T ot al Li poli-ethylene Ex(keV) 0.1 1 10 10 0 10 1 10 2 Att enua tion Lengt h (c m) Li poli-ethylene Ex(keV)

CCD

による偏光検出

•

Tsunemi et al. (1992) 12micron pixel TI CCD

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} • 約3倍の感度向上を達成 mi n use d a P M N = Hayas

CCD

偏光検出感度

(Astro-G

想

_定）

最小検出可能偏光度（99%限界) 0. 01 0. 1 1 10 100 0. 0001 0. 001 0. 01 0. 1 1 10 100 X 線源強度（C ra b U ni t) 最小検出可能偏光度（％） 6μ m/300μ m 12μ m /300μ m 6μ m/50μ m 12μ m /50μ m かに 星雲の偏 光度 （2 .6 ke V & 5 .2k eV ) 観測 条件 有 効 面 積 30 00 cm 2 < 15k eV 1 0 0 c m 2 > 1 5 ke V エ ネ ル ギ ー 範 囲 5k eV -45 ke V 観測 時間　 1 0 万秒 解析 方法 2 n d-m o m o n e t-m e th o d C C D ピ ク セ ルサイ ズ / 空 乏層厚 Cr ab S c o X -1 Cy gX -1 Ce n A 3C 27 3 He rX -1

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

による偏光検出

Anode Electro n Cloud E JG

Rise Time = Short

Rise Time = Long

// E JG Anode Anode E ⊥ JG X-ray Photon 0 20 40 60 80 100 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 Digitized Voltage (mV) Time(microsec) E=40keV PH 80% of PH 20% of PH RT • パルスのライズタイ ムを測定する Riegler

ガス比例計数管偏光計

•Mファクタの実測値

–

Xe比例計数管

–

(Hayashida et al., 1999,NIMA,421, p.241)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 102 0 304 0 50 Modulation Contrast

Inciden X-ray Energy (keV)

0 5 10 15 20 10 20 3 0 40 50 60 7 0 Minimu m De tect able Po larizat i on Pm in (% ) 12 00c m 2/c o u nte r Pm in (% ) 30 0cm 2 /co u n ter Ex ( k eV ) 9 9 % c onfide nce l e vel f o r e ach 5k eV b a n d 6.63 m in(99% ) sb gd our ce sour ce NN P co nf id en ce MN + ≡⋅

検証実験

Hayashida et al.,

最近の進展

ＣＰＧＣ

,MPGC,

ＭＳ

GC

•

CPGC(Capillary Plate Gas Chamber)

–Sakurai et al. (1996, NIMA, 374, p.341) –阪大で実験。

２０ keV で M ～ 0.2 程度。

•

MSGC(Micro Strip Gas Chamber)

–Oed(1988),Tanimori et al. (1999, NIMA,436,p.188)

•

MPGC

• M~44% at 5.4keV • Feff~3.8% at 5.4keV • S~4mmx4mm • Feff~90% at 5.4keV • S~10mmx10mm

MPGC

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）

小型衛星に

_よる

X

線偏光

検出

•

T=100ks

0.0 01 0.01 0.1 1 10 100 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 CCD(6mic ron /300 mi cro n/1 00c m2) PC-Ris etim e(2x2000 cm2,20-4 0keV ) SXRP(Li) Th oms o n( Li,628cm 2,M= 0. 5,1 0-20k eV) MPGC+ S O D A R T( pre se nt, 2-10keV ) MPGC+ S O D A R T( pl an,3.5 -10k eV) flu x(C ra b)

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。。。

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 X ８台） – コリメータ＋ Xe 比例計数管＋ライズタイム回 路 (2000cm2 x ２台）

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

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 器 X 線発生装置 ２１ｍ ダイレク ト光 X線 分光 X 線

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

トムソン散乱計によるビーム偏光度較正

_•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

Koike et al. 2000, SPIE4012,p.414 , Hayas

hida et al., 2001(in prep)

強度は数百ー数千 c/s X-Ray 散乱体 検出器 90 ° 0 ° G E

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。 20keV 19.2keV コヒーレント インコヒーレント 堀川

測定結果

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 10 203 0 405 0 60 Ex [k eV ] 偏光度 •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 。 分光 X 線の偏光度 ) ( ) ( kV keV HV E x 印加電圧 入射Ｘ線エネルギー = Ex/HV ～ 0.95 Ex/HV ～ 0.90 Ex/HV ～ 0.80

簡易版

小型の

X

線発生装置＋フィルタ

• TIFR at India

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

Xe

比例計数管の設置、

_{正面からＸ線をあてる}

穴は

5mm

ー＞２ｍｍ

90 °に設定した時 0 °に設定した時 中嶋

ガス比例計数管偏光計

結果と問題点

_•

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？ 0. 4 8 0. 5 0. 5 2 0. 5 4 0. 5 6 0. 5 8 0. 6 09 0 18 0 27 0 < R T > m e a s u re d a t Os ak a B e a m L in e 33. 25k eV /3 5k V 38keV/40kV angle Preliminary