地球内部磁気圏探査に向けた高エネルギーイオン観測器の設計

平原研　 M2

渡邊　健太

● 内部磁気圏とは内部磁気圏の粒子　：　プラズマ圏（電離圏起源） (~eV)　　　　　　　　　　　　 　　リングカレント (0.1~ 数百 keV)

・ 1950 年代に発見。安定な領域だと考えられてきた。・ 1990 年以降のあらたな衛星観測により磁気嵐に伴って　激しく変動していることが再発見。

放射線帯　 (>MeV)

Miyoshi & Kataoka 2005

＞ 300keV の電子フラックス

回復相主相

Dst 指数 : 地磁気の変動　　　　　　 磁気嵐の指標

高エネルギー電子の生成機構は？－磁場が大きな影響を与えている

● 内部磁気圏でのイオンの役割

2||2

BBB

JJJJ

BPPP

B

cM

　 　

・磁力線に垂直方向の電流密度

[Lui et al,1987][Parker,1957]

リングカレントを電流として直接観測することは困難

プラズマ圧の空間勾配から間接的に電流を求める方法

内部磁気圏研究を進める上で大きな障害となってるのは、内部磁気圏の基本場がよく分かっていないことである

・内部磁気圏では、数百 eV ～数 MeV のイオンがプラズマ圧を担うが、こ　のような広いエネルギー範囲の粒子と電場と磁場を同時に計測した　衛星はかつて無い。

・リングカレントの発達や消失によって電磁場が発生することは予期　されているが、この二次的な効果が荷電粒子に与える影響について　はほとんど知られていない

10-1 10100 103102 105104 107106 energy(eV)

TSP-iLEP-i

MEP-iHEP-i

TSP-eLEP-e

MEP-eHEP-e

XEP-e

● プラズマ粒子観測器と HEP-i のスペック

HEP-i の求められるスペック

プラズマ粒子観測器（ ERG 衛星）

エネルギー範囲　：　 100keV ～ 1MeV

視野　：　 180deg×360deg 　（衛星のスピンを利用）角度分解能　：　 10deg×10deg

電子

イオン

時間分解能　：　 4s ,1spin period (3 次元の分布関数 )

：オプション

● 計測原理 (HEP-i)

半導体検出器 (SSD)

E

v m

入射粒子Collimator(Carbon Foil)

Start Signal Stop SignalMCP

TOF (Time of Flight) 型質量分析

1) 粒子が Carbon foil を透過して観測器内に入射してくる時、 2 次電子を放出する。それを Start Signal として MCP で検出。2) 入射粒子が SSD に到達するとエネルギーが計測される。同時に SSDから 2 次電子が放出されそれを Stop Signal として MCP で検出。3)Start,Stop Signal の時間差と粒子のエネルギー Eから粒子の質量を算出することで、電子、イオンの切り分け、さらにイオン種を弁別することが可能となる。

●HEP-i 概念図

MCPSSD

carbon foil

start -ele

stop-ele

側面から見た図

上から見た図

入射粒子の軌道観測器の大きさ : φ160 mm　　　　　　 高さ : 40 mm

MCP （有効エリア） : φ105mm

SSD （有効エリア） : 16×36 mm

コリメーターCarbon Foil

: 10.5×1.5 mm

Carbon Foil からSSD までの距離 : ~60 mm

形状パラメタ

G-factor : ~0.08cm2sr

電子到達領域

● 二層構造 SSD を用いた電子、イオンの弁別

シミュレーション設定

・最大入射速度ベクトル　　　　 30x5 degree

・エネルギー－電子　　 100,300,500,700 800,900,1000(keV)

－プロトン 700,800,900,1000 (keV)

電子 >100keV

イオン <1MeV

SSD

・ SSD 12um 500um

100keV 電子の一層目透過確率　 92 ％

原理 HEP-i の場合）・ 100keV 以上の電子は一層目を透過し、 1MeV 以下のイオンは一層目で止まる SSD の厚さが必要。・一層目と二層目でカウントのあった粒子は 全て電子とみなす。

● 電子をイオンとみなしてしまう場合

①‥‥ 　一層目で 100keV 以上のエネルギーを損失して後方散乱。

①

②

③

②‥‥ 　二層目で 30keV 以下のエネルギーを損失し後方散乱され、一層目で　　　　　　止まるもしくは透過し 100keV 以上のエネルギーを損失。③‥‥ 　一層目で 100keV 以上のエネルギーを損失し透過した後、

　　　　　　二層目に到達しない。

●SSD からの信号閾値は　 ~30keV であると設定

シミュレーション設定

エネルギー分布　　　　　

イベント数　　　　 1000000 event

Differential flux L=4, E=100~1400keV

AE8MAX,AP8MAX

SSD 表面と入射粒子のなす角 ； 30x5 deg

● 電子をイオンとみなしてしまう場合

・二層目での損失エネルギーが 30keV 以下

・一層目での損失エネルギーが 100keV 以上

誤認してしまう確率は

0.05 ％

・一層目の厚さが 12um の SSD なら 100~800keV のプロトンと電子の弁別が可能　　　　　　－　これまでのシミュレーションでは不感層を考慮に入れていない　　　　　　－　強度面で不十分　　　　　　－　作成が困難

● 質量分析器の設計

MCPSSD

carbon foil

start -ele

stop-ele

側面から見た図

上から見た図

入射粒子の軌道

電子到達領域

粒子の計測時間

時間

incident particle

start-ele

stop-ele

tit1t2

t1 : start ele MCP に到達t2 : stop ele MCP に到達ti : 入射粒子 SSD に到達

T = t2-t1

実際に計測する時間

●Start,Stop 電子

Carbon Foil や SSD 表面で発生する電子の初期エネルギーは数 eV 程度であると知られているが、シミュレーションでは 1~10eV の間の値を等確率で与えた。

SSD からの 2 次電子について

v 初速ベクトル

n 法線ベクトルα

Carbon FoilSSD

初速ベクトルが Carbon Foil,SSD の法線に対して α となる確率が cosα に比例するような確率分布をとった。

cos)( p

メッシュ Carbon Foil

700V

Start 電子

Start 電子を MCP に到達させるためにCarbon Foil から放出された二次電子を加速させる。SSD 側に 700kV の電位を与えたメッシュを設置

Start 電子の引き出し

● イオンの軌道

●Start 電子の軌道

MCP 1.5kV

0.5kV

-1.5kV

●Stop 電子の軌道

MCP 1.5kV

SSD 0.1kV

-0.55kV

0.6kV

● 計測時間100keV 1MeV

１ MeV のプロトン ,start,stop 電子の飛行時間

Stop 電子の飛行時間が分散している

構造 Φ160×50 mm

エネルギー範囲　 100keV~1MeV

イオン種 H,He,O

視野 180deg×360deg 　（衛星のスピンを利用）

角度分解能 10×10 deg

時間分解能 4s ,1spin period (3 次元の分布関数 )

G-factor ~0.08 　 cm2 ・ sr

● 放射線帯電子シミュレーション設定

・ Double Layered SSD : 300um 1mm 　　　　　　　　　　　　　　　　　 70×18 mm × ３・ Shield : Al 5mm

・ MCP : 　Φ105mm

入射粒子AE8MAX,AP8MAX

Differential flux L=4, E=1~6MeV

初期座標　　　－ HEP-i を覆う球殻の上半球

速度ベクトル　　　－球の内側にランダムに入射

エネルギー分布

イベント数　 1000000

SSD1 173counts

● シミュレーション結果イベント数につい

て ][ 12 scm

Integral flux

p>1MeVp>10MeVe>1MeVe>3MeVe>10MeV

今回、球殻の半径は 20cm と設定　　　　－上半球の表面積は約 5000cm2

SSD2 　 185counts SSD3 　 172counts

5000/2×106=2.5×109 （ /s ）実際は

SSD による検出

一層目のみ反応したカウントはない

MCP 到達電子の個数　 1217　　　　　　　 gamma 　　　 1974

MCP による検出

粒子の MCP 到達時のエネルギーをプロット

gamma 線 400keV<

MCP 到達領域赤　電子緑　 gamma 線

分布に斑があるように見えるが

● まとめと今後

○ 半導体検出器のみで電子とプロトンの弁別の可能性を検討した。　　　　　　　　－ 100keV~ の弁別を実現させるためには 12 um 以下の薄さの　　　　　　　　　　 SSD が必要なことが分かった。

○ 質量分析器の設計を行った。　　　　　　　　－ 1MeV 以下の粒子種の弁別が可能　　　　　　　　　　 stop 電子の飛行時間の分散を抑えられれば、さらに高いエネルギー　　　　　　　　　　での弁別が可能

○TOF のわりこみについて考察

－エネルギー、飛行時間、電子到達領域の三重相関をとることによる　ノイズ評価