γ 線バースト偏光モニタ　 GAPOM

(GAmma-ray 　 burst 　 POralization 　 Monitor)

岡田京子（ SPring-8 ）　三原建弘（理研）窪秀利（京大） 河合誠之（東工大）　吉田篤正

（青山）石崎欣尚（都立大）　玉川徹　桜井郁也小浜光洋　宮坂浩正　根来均（理研）　

松岡勝（ NASDA ）　牧島一夫（東大・理研）

Motivation: 　偏光と物理過程X・γ線天文：　より激しい　より内側の現象の追及　　

偏光計を作って　偏光を観測したい！

宇宙の解明のための物理パラメーター○ 従来：★ イメージ　 ★ エネルギースペクトル★ ライトカーブ

１　シンクロトロン放射　　超新星残骸、 AGN 、 γ線バースト (?)

２　サイクロトロン散乱　　 X 線パルサーの降着コラム

３　降着円盤の反射　　　低質量 X 線連星 ブラックホール連星

→ 放射機構、放射ジオメトリ、放射輸送過程

○ 今後：　新しい軸　「偏光」

　　　　　　　 　 　　　 2.6keV 5.2keV

カニ星雲 ( 超新星残骸 ) 　 　 19±1 % 20±8 %

さそり座 X-1 ( 中性子星連星 ) 0.4±0.2 % 1.3±0.4 %

白鳥座 X-1 ( ブラックホール連星 ) 2.4±1.1 % 　　　　 　 5.3 ±2.5 %

白鳥座 X-2 ( 中性子星連星 ) 1.0± 0.9 % 　 3.1±2.2 %

困難の原因　　（１）検出器としての検出効率：低　　　　　　　　　（２）ターゲットが多岐：強度も偏光度も素過程も様様　　　　　　　　　（３）大型／大規模な人工衛星のミッション、巨額の予算

が必要

偏光の検出

検出方法 　エネルギー範囲 　　検出効率 　 偏光感度 トムソン散乱　　　 > 　 10 keV 連続光　　　○ 　 　　○

ブラッグ反射 　　 < 5 keV 　 　単色光 　 　△ 　　　 　　 ○

光電効果 　 　　　　　　　　 　連続光　　　 ◎ 　 　　　 △

検出過程で散乱や反射が入ると、検出効率が低下。

トムソン／コンプトン散乱は、連続光を扱え高効率、簡便。　

散乱角 θ の依存性（エネルギー毎）散乱角 φ 依存性 M パラメーター = 振幅 / 平均

現在まで、各種の天体中で４例のみ (OSO-8 衛星、 1975 年 )

γ 線バースト宇宙の最遠方かつ最大の爆発現象

短時間の突発的な現象

1 ～ 100 秒＞ ~10c/s/cm ２

分布は等方

強い X 線・ γ 線を放出

スパイクが見られる

理研プロジェクト HETE ２

X線 / 可視光の残光の発見 1997年 8時間後 2.5 日後

爆発原因は不明

γ 線バーストの偏光：偏光観測のブレークスルー

γ 線バーストはシンクロトロンか？　●爆発衝撃波面で粒子加速　●粒子によるシンクロトロン放射　→　偏光　● ドップラーブーストで γ 線に。　

　　●光度曲線の複雑なマルチスパイク構造。　●各々が火の玉の独立な衝撃波？　→　偏光方向・偏光度が異なる可能性あ

り　

１．強度の強い γ線バーストに特化

２．到来方向は分からないので広い視野

３．大面積　検出効率大←六角形敷き詰め方式、

　　　　　　　　　　　　　　　　　同位相まとめの多信号読み出し

４．搭載プラットフォーム：　宇宙ステーションもしくは小型衛星

既存の技術＋アイデアで　迅速に偏光観測を実現

偏光は、重要な証拠になる。

YAP/GSO/CsI/BGO

sci nti l l ati oncounter crystal(2 x 6 x 30 mm)

PMT

PMT

PMT

PMT

Li ght gui de

scatteri ng obj ects

Rod or Fi ber

(si de: 6 mml ength: 30 mm)

グラファイトや

プラスチック

石英・ UVアクリルDAQ

直接 X 線が入らないようにマスク

←視野

基本セル　基本ユニット　

X 線

Ｅ

シンチレータは隣り合う辺で共通

PMT

PMT

PMTTop View

同位相のものはまとめる

六角柱を効率良く最密　

トムソン /コンプトン散乱の放出異方性で　偏光を検出

GAPOM

ライトガイド

位置分解できる光電子増倍管

数台で全天を網羅する。

トムソン /コンプトン散乱の放出異方性で　偏光を検出

エネルギー範囲 : 20-150 keV(S/N good)視野 : 　　　　　　 1 str面積 : 　　　　　 10000 cm2

偏向検出限度 : 5 %時間分解能 : 0.1 ms

X線

Ｅ

詳細な位置情報は HETE2 などから

位置分解能のある光電子増倍管　 　 　 　 　 　 　 （PDアレイ）

DAQ システム

アクリルロッド

または

ファイバーで

基礎実験項目

センサーヘッド　 １セルモデル（結晶をフルに装填）の完成

　　　　　　　　　　 　１ユニットモデルの完成　（ 1/10 モデルの試作）1ユニットの製作

ライトガイド　　　 多チャンネル用櫛の歯型ライトガイドの開発　　　　　　　　　　　　 PMT や結晶とのコンタクトの取り方の検討

処理回路　　 　　独自の多チャンネル処理回路、 VME

放射光施設（ KEK 　 SPring-8 ）での検出器の較正

パーツ試作実験

偏光Ⅹ線照射実験

シミュレーション同位相をまとめる方法の最適解　→　大面積化の検討　

宇宙物理のターゲットをいれての検討

X 線発生装置での検出器の較正

散乱体・蛍光体結晶の物質の種類、大きさ、形状、コリメーターのサイズ

アセンプリ　　　　　 光量ロス最小のコンタクト方法の確立　

光電子増倍管 　マルチアノードでクロストークの無い最適な物の選定

シンチレータ　　放射線源での結晶のテスト　　　

パーツレベルの基礎実験• 結晶：自己吸収～ 10-25%(CsI, YAP(フランス製 )) 。

• 研磨する面の数と光量→全面研磨• ライトガイド： UVアクリルまたは石英• ライトガイドロッド： 100mm を入れると光量

30%↓ 　

X 線ジェネレータの実験結果　結晶１本

カーボン散乱体で 100% 偏光を生成

ジェネレーター

コリメーター

鉄フィルター

散乱体（カーボン）

ポラリメーター

50kV2-25mA

遮蔽箱

ポラリメーター用ダブルコリメーター

M パラメーター = 振幅 / 平均

M パラメーター　 0.4

垂直方向から 5 度時計周りの方向

ジェネレーター

コリメーター

鉄フィルターポラリメーター

50kV2-25mA

遮蔽箱

ポラリメーター用ダブルコリメーター

X 線発生装置の直接光

M パラメーター　0.1→ 　偏光度 25％

水平方向から 5 度時計周りの方向

偏光検出部

今後の実験予定（１セル / １ユニット）

１． X 線発生装置での基礎実験　（適宜）

　○手軽　○ ( )△ 単色化　△発散角大　△手持ちは５ 0 / 200keV以下

　　　１セルモデルでの実験　　今週末から年末

　　　１ユニットモデルの試作・実験　←ライトガイド

２．放射光での検出器の較正（来年）

　○△芯では　直線偏光度が１００％

　 × 強度が強すぎる

○ 高エネルギー ( １次光、高調波、ウィグラー ) 、単色も可能

KEK 　 PF ：　縦型ウィグラー (BL14)

　　 SPring-8 ：　　白色 BL （＋モノクロメーター結晶１ -2枚）

　　　　　　　　　　単色 BL （ B/W/ （ U ）　＋　 Si(311)/Si(511 ） etc ）

Si(111 ）

33.15keV

失敗例

シンチレーターの性能比較NaI

(Tl)

CsI

(Tl)

GSO

(Ce)

BGO YAP

(Ce)

CaF2

(Eu)

BaF2 CeF3 CdWO4

蛍光減衰時間 (ns) 230 about 1000

60 300 30 940 0.6

630

5 15000

実効的な原子番号 50 54 59 74 35

密度 (g/cm2 ） 3.7 4.5 6.7 7.1 5.5 3.18 4.88 6.16 7.9

137Cs 減衰長 (cm) 2.6 1.9 1.4 1.2 2.6 1.9 1.0

最大蛍光波長 (nm) 410 565 430 480 347 435 220

325

305 470

光量（ NaI を 100 として）

100 85 25 12 40 (50) 2

20

(10) 30-50

融点 ( )℃ 651 621 1900 1050 1850 1373 1354 1460 1325

潮解性 有◎ 少し有○ 無 無 無 無 無 無 無

◎ ○ ◎

BGO: Gd2(SiO4)O YAP:YAlO3 プラスチックシンチレーターは、熱の問題等で除外GSO:Gd2SiO5

59.5keV

PMT:R1365 (HV +800V)

CsI(Tl)

241Am

59.5keV59.5keV

59.5keV

実験結果（１）

実験結果（２）