P4-202 CALET ガンマ線バーストモニタ （CGBM)の開発 山岡 和貴*1, 吉田 篤正*1, 坂内 容子*1, 野中 雄気*1, 原 拓生*1, 山本 龍実*1, 冨田 洋*2, 上野 史郎*2、中平 聡志*3, 森 國城*4*5, 中川 友進*5, 小 谷 太郎*5, 鳥居 祥二*5, 他 CALETチーム *1 :青山学院大学理工学部, *2: JAXAつくば宇宙センター, *3: 理化学研究所, *4: JAXA宇宙科学研究所(ISAS), *5 : 早稲田大学理工学術院総合研究所 2014年夏期打ち上げ予定の国際宇宙ステーション実験CALETには主検出器であるカロリメータ(CAL)のガンマ線バースト観測機能を強化するため，7 keV~20 MeV の広帯域X・ガンマ線を観測する，ガンマ線バーストモニタ(CGBM)が搭載される．CGBMは新型シンチレータLaBr3(Ce)とガンマ線阻止能にすぐれたBGOの2種類の センサ(それぞれHXMとSGM)，センサからの信号処理やガンマ線バーストを自動検出し，データをメモリに保存する電子回路部(E-BOX)からなる．現在CALETは詳細 設計フェーズにあり，急ピッチでフライトモデル製作に向けて開発が進められている．本発表では，CGBMで可能なサイエンス，CGBMのシステムと開発の現状につい て報告する． 2. ガンマ線バーストモニタ(CGBM)の概要 1. CALETによるガンマ線バースト(GRB)の観測 広帯域をカバーするため、2種類の検出器を搭載 CALET(CALorimetric Electron Telescope)の主検出器であるカロリメータ(CAL)は、FermiLATと似たタワー型の構造をもち(図1)、1 GeV-20 TeVの高エネルギー電子, 10 GeV10TeVのガンマ線, 数10 GeV-1000 TeVの陽子・原子核成分の測定を行うことが狙いであ る。ガンマ線の感度はCGRO/EGRETと同程度であり、GRB観測を行うことが可能である。 表1. GRB観測のためのCALETの重要なパラメータ 検出器 ～1.8 str. CAL ガンマ線エネル ギー 有効面積(cm2) 角度分解能 視野 デッドタイム 時間分解能 VAチップAssy 10 GeV– 10 TeV (通常時) 数 GeV– 10TeV (GRBトリガー時) ~1000 2.5 deg@1 GeV, 0.4 deg@10 GeV MaPMT組立 GRB (視野内) SciFi IMC-FEC （4段） 硬Ｘ線モニタ (Hard X-ray Monitor; HXM) 軟ガンマ線モニタ (Soft Gamma-ray Monitor; SGM) どちらも光電子増倍管（PMT)とシンチレータという宇宙環境で実績のあるテクノロジーを用いる。 表 2. HXM と SGMの特徴 IMC検出器構造 （630ｘ630ｘ約195mm） CHD CGBM サイズ IMC搭載プレート 台数 天頂~45度(~1.8 str.) 1.8 ms 1 ms バ ス 部 サ イ ド パ ネ ル PMT バ ス 部 サ イ ド パ ネ ル TASC-FEC （6段） TASC_TOPプレート TASC PD/APD さらにCALETのGRB観測機能を強化するため、 ~7 keV– 20 MeVをカバーするCALETガンマ線バ ーストモニタ(CGBM)を搭載する。また、姿勢決定 のためのスターセンサ(Advanced Star Camera: ASC)を積極的に科学目的に用い、GRB発生直後 の可視光画像を取得する。 TASC検出器構造 （426ｘ426ｘ約270mm） バス部ベースプレート PWO 図1: CALET-CALを横から見た図 エネルギー 68 cm2(2台) エネルギー分解能 ~3%@662 keV ASC 82 cm2 ~12%@662 keV GRB方向決定 自身ではなし。惑星間ネットワークによる決定 視野 天頂 ~50度(~2.2 str.) ほぼ全天 4πstr. 30 μs / イベント デッドタイム Gonzalez et al. 2002 SGM BGO+PMT LaBr3(Ce)＋PMT Φ66 mm x 12.7mm t Φ102 mm x 76 mm t 2 1 ~7 keV – 1 MeV ~100 keV – 20 MeV 有効面積(cm2) 時間分解能 Fenimore et al. 1988 SGM HXM 検出器 IMC HXM MDC 図4: CALETの全体図 トリガー時： 62.5 μs (イベントデータ) 通常時: 1/8 s or 4 s (モニターデータ) CAL、CGBM、ASCを合わせてGRBの超広帯域 Ginga/GBD SC（約60 cm2)や HETE2/FREGATE(約120 cm2)とほぼ 同等の性能をもつ。特にFermi-GBMに はない、10 keV以下の低エネルギーX線 に感度をもつことがユニーク。7 keV以下 に下限エネルギーを設定する予定。 スペクトルを取得 (可視光、~7 keV—数 TeV) •X線フラッシュからGeVガンマ線バーストまでの SGM ピークエネルギー探査、遅れたGeVガンマ線の HXM 起源(図2)、Gingaでみられた吸収線探査(図3) CAL •可視光閃光（フラッシュ）の検出、起源解明 GRBに加えて、軟ガンマ線リピーター、太陽フレア、 X線パルサー、ブラックホール突発天体の 長期モニター観測 図2:GRB 941017で観測 された遅れた10 MeV 図3:GRB 880205のGinga GBD 以上の超過成分 で発見された吸収線構造 3. CGBMの開発現状 3.3 CGBM E-BOXとMDC 3.1 CGBMの主要コンポーネント ① センサー部： HXM, SGM ② CGBM信号処理部： CGBM-EBOX ③ ミッションデータ処理部： MDC (Mission Data Controller) 3.2 CGBMセンサー部 結晶シンチレータ、PMT、ブリーダー、プリアンプ (Astro-Hと共同開発のハイブリッド ICを使用）で構成 図7: HXMシンチレータ結 ◎HXM 晶ユニットの構造 • 宇宙で使用実績のない高性能シンチレータ コリメ LaBr3(Ce)を初めて用いる。潮解性が大きい。 結晶ユ ータ • X線に感度をもたせるため、410 μm厚の ニット ベリリウム入射窓を使用。 PMT • コリメータで視野を約50度に制限。 • 高い量子効率をもつ浜松ホトニクス耐震型2.2イン ブリーダー チ光電子増倍管 R6232-05を用いる。 プリアンプ • サンゴバン、IHIエアロスペース(IA)と検出器 図8: HXMの全体構造 構造設計ほぼ完了(図7, 8参照)。 ◎SGM • 高いガンマ線阻止能をもち、宇宙での実績豊富な BGOシンチレータを用いる。 • 高い量子効率をもつ浜松ホトニクス耐震型3インチ 光電子増倍管 R6233-20を用いる。 • 応用光研工業、IAと設計ほぼ完了(図9参照) 結晶テストモデルの製作と性能評価 図6: HXM2台とSGM1台の有効面積 図9: SGMの全体構造 BGO 現在の配置でHXMで年間約40 個程度、SGMで約80個程度の GRB検出を期待 1系統 x3 センサ • 広帯域を実現するためHigh/Lowのゲインア ンプ出力を独立の16bit ADCで取得。 • ゼロクロスタイミングでピークを検出し、波高 をサンプルホールド。 • 高圧電源S9099 (イタリアSITAEL社)を装備 。 8 bitで3検出器独立に高圧値制御を行う。 • GRBが発生したことを判断するハードウエ ア判定回路を保持する。判定はGinga/GBD やSuzaku/WAMと同様に、 バックグラウンド レベルを時々刻々計算し、統計揺らぎからの 有意性で判断する。 FPGA Lowゲイン ADC Highゲイン ADC LD+ゼロクロス コンパレータ Fast 整形 DAC UD ADC HV HV mon DAC HV ref Δｔ 秒間のBG を引いたGRB イベント数 Δｔ 秒間の BGの統計揺 らぎ 図11: テストモデルの性能 Ｍ メモリ データ Ｄ Ｃ コマンド ΔBg Bg Δｔ 表 3. CGBMのデータの種類 • GRBトリガー時に、 • メモリに約10 Mbyteのイベントbyイベントデータ データ イベントデータ モニターデータ を蓄積する。 PH TH • CGBM EBOXの内部クロックとMDCの 62.5 μsec 4 sec 1/8 sec 時間分解能 クロック、GPS時刻の照合を行い、時刻付けする。 8 エネルギーチャンネル 4096 (High, Low) 512 • CALのエネルギー閾値を数 GeVに下げる。 時間範囲 約1.4x106イベント 常時出力 • ASCの可視光画像データを取得。 を保存（～500s) • CGBMからのデータ イベントデータとモニターデータの2種類を出力（表３）。 Highゲイン 電気系要素試作モデル(BBM) • • IA,三菱プレシジョンと共同製作 広帯域スペクトル(4.6 keV~2614 keV)の取得に成功 GBM-EBOX 138La 1438 keV + 40K 1461 keV 208Tl LaBr3 テスト モデル + トリウム (232Th)レンズ Ba-KX 32.1 keV Lowゲイン SGM-FEC 図10: テストモデルの写真 (ADC 駆動部 、カウ ンタ、ヒ ストグ ラム生 成、Ｇ ＲＢ判 定、コ マンド など) 図12: CGBM-EBOXのブロック図 Ba-LX 4.6 keV LaBr3(Ce) Logic ＧＲＢ トリガー 1 10 100 1000 エネルギー (keV) 図13: CGBM電気系BBMの写真と試験風景 図14: BBMで取得したLaBr3(Ce) テストモデルのスペクトル 2614 keV
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