齋藤 義文

本研究の目的は,磁気圏in-situ 高温プラズマ観測において,電子ダイナミクスを解明する高い時間分解能を得ることができる,新しい方式による検出部の開発である.MCP(microchannelplates)と位置検出マルチアノードからなり,ASIC(Application specific integrated circuit)技術を取り入れるところが新しい.ASICとマルチアノードの組み合わせは,最も高速な信号処理を可能にするだけでなく,同時に小型,軽量,低消費電力な検出部になると期待が持てる.これを可能にする基盤技術は,ASICをアノード基板(セラミック)の裏面へ直接搭載することである.アノード表面は,多数の個別アノードを構成する導体パターンが,プリントしてある.このアノード基板をはさんだ,表と裏の導体パターンによる静電容量を,信号検出に用いる.これは,アノード表面の高電圧と信号処理系を絶縁する,高電圧絶縁コンデンサーの代用である.アノード基板は,厚さ1mmのアルミナであり,導体パターンでつくる.基板利用コンデンサーの静電容量は3pFである.これは通常,信号検出に用いられる,高電圧絶縁コンデンサーの静電容量より2桁小さい.高電圧絶縁コンデンサーを,この極めて小さい静電容量で代用できるかというのは,小型化を目的としてた電子検出部として,ASICを採用できるかどうかの決定要素であった.しかしながら,われわれの実験結果は,低静電容量による信号の減衰はあっても約50%であることを示した.厚さ1mmというのは,構造強度の要求を満たすので,この基板利用コンデンサーは,衛星搭載機器に利用できる設計概念である.次に個別アノード間の静電カップリングを測定した.多くの個別アノードが有効面積を大きくとれるように互いに隣接した構造をとる.マルチアノードシステムでは,重要な検討項目である.その結果,基板利用コンデンサーを使用するアノードは,隣接する個別アノード間に10%のクロストークがあった.一方で,アノードと処理系を直結させる場合では,電気的クロストークは無視できるレベルである.よって,電気的クロストークも,基板利用コンデンサーの低い静電容量の影響である.10%のクロストークは,アノード運用時,信号レベルの適切な設定により十分回避できる大きさであるが,将来的には,静電容量を大きくとるほうが望ましく,今後の課題である.今回,ASICはローレンスバークレー研究所が開発してきたSSD用の荷電アンプ,ディスクリミネータ,カウンターまでを含むチップを用い,マルチアノードを試作した.このチップのサイズは,およそ1.2mm×1.2mmである.実際に,イオンビームを照射し,試験した結果,われわれの新しいタイプのマルチアノードは,さらに研究を進める必要があるものの将来の磁気圏ミッションで,高時間分解能な高温プラズマ観測へ適用可能できると結論する.

資料番号: AA0049206025レポート番号: JAXA-SP-05-001E

資料番号: AA0049206021レポート番号: JAXA-SP-05-001E

資料番号: AA0048468025レポート番号: JAXA-SP-04-010

On December 27, 2004, plasma particle detectors on the GEOTAIL spacecraft detected an extremely strong signal of hard X-ray photons from the giant flare of SGR1806-20, a magnetar candidate. While practically all gamma-ray detectors on any satellites were saturated during the first ~500 ms interval after the onset, one of the particle detectors on GEOTAIL was not saturated and provided unique measurements of the hard X-ray intensity and the profile for the first 600 ms interval with 5.48 ms time resolution. After ~50 ms from the initial rapid onset, the peak photon flux (integrated above ~50 keV) reached the order of 10^7 photons sec^{-1} cm^{-2}. Assuming a blackbody spectrum with kT=175 keV, we estimate the peak energy flux to be 21 erg sec^{-1} cm^{-2} and the fluence (for 0-600 ms) to be 2.4 erg cm^{-2}. The implied energy release comparable to the magnetic energy stored in a magnetar (~10^{47} erg) suggests an extremely efficient energy release mechanism.

MCP出力チャージの大きさ(=チャージクラウド)を実験と計算の両方で調べた.MCP出力チャージは,MCPのチャンネル径で決まる有限の初期半径を持って出力される.そしてその電子雲は,角度分散とエネルギーを持っており,アノード上で初期の大きさ以上に広がる.それに加え,アノード落下時に空間電荷効果でも広がる.チャージクラウドを様々なアノード電圧,電荷量(印加電圧の制御による)での大きさを求めた.実験結果はこれらの効果を考慮したモデル計算でよく説明できる.このときチャージクラウドの空間電荷密度分布をガウス分布と仮定することで大きさを求めた.ガウス分布の標準偏差を,チャージクラウドの半径とした.MCP出力側からアノードの距離が2.5mm,アノード電圧70〜300Vの場合,チャージクラウドの半径は,およそ0.4〜1mmの間をとる.半径は,アノード電圧が大きいほど小さく,ほぼアノード電圧の2乗根の反比例する.また,半径は,MCP出力電荷量にも依存し,電荷量が少ないほど,半径も小さくなる.モデルでは,パルス電流の落下時の広がりを求めることにより,空間電荷分布を計算できる.この結果は,Edgarの実験結果ともよく一致する.

現在月はグローバルなダイポール磁場を持たないことが知られている.しかし過去の観測から月表面には磁気異常が存在することが解っている.もし月溶岩地形に関係した数kmから10km程度の磁気異常が多々見つかれば,それはおそらく熱残留磁化起源であり,月表面の地形依存した磁気異常モーメントの方向と年代が,推測される古月グローバル磁場と矛盾が無ければ,溶岩形成当時の月グローバル磁場の存在を強く示唆する.我々は電子反射法によって磁気異常を観測するため,SELENE衛星搭載用電子エネルギー分析器(ESA:Electron Spectrum Analyzer)の開発を行なった.電子反射法とはSELENE衛星に搭載される磁力計LMAG(Lunar MAGnetometer)と同時に観測を行い,太陽風の電子が月表面の磁場によって反射されることで生じる電子のピッチ角異方性を利用して月表面磁場を求める方法である.SELENE衛星は3軸姿勢制御衛星であるためスピンしない.そのため月面側に1台,反月面側に1台の計2台のESAで4πの視野を持たせることにした.ESAは基本的にはTop-Hat型の静電分析器であるが,荷電粒子の入射口に45°方向を中心に±45°の掃引を行なう視野角掃引電極を置くことで2πの視野を持つことができる.分析器の開発に際しては,1998年にNASAにより打ち上げられた月周回衛星であるLunar Prospectorのデータを用いて,月周回軌道上で取得が予想される電子のカウント数を推定し,2台の衛星搭載用ESAの感度を決定した.さらに数値計算によるESAの特性と較正実験結果を比較することで,新規開発要素である視野角掃引電極の性能とセンサーの加工精度,組み上げ精度に問題が無い事を確認した.月溶岩地形に依存した数kmから10km程度の磁気異常を測定するためには,測定エネルギー,角度分解能,時間分解能などの運用モードを適切に選択する必要がある.そこでtest particleシミュレーションを行うことで適切な運用モードを特定し,10km程度の磁気異常を世界最高レベルの時間分解能1秒で観測できることを示した.

地球磁気圏はダイナミックな現象に富んでいるが，その中でも高温のプラズマシートの成因と粒子加速・過熱過程の解明は宇宙空間物理学における重要な問題である．1keVから100keVというエネルギー帯は，プラズマシート電子において熱的なスペクトル構造から非熱的なものへと移行を示す特徴的な領域であり，このエネルギー帯での電子計測は磁気圏におけるプラズマ加速・過熱メカニズムの本質に迫る上で直接的な手がかりとなりうる．その重要性にもかかわらず，1keVから100keVの電子は今日までは検出素子の技術上の問題から観測のギャップ領域となっており，正確に測定することが難しかった．従ってこの領域の電子をターゲットにした観測を行うことは新しい観測領域の開拓であり，またこれまで行われてきた観測の信頼性を問う点においても非常に有意義である．本研究の目的は，APD (Avalanche Photodiode) という素子をこのエネルギー帯の電子計測に応用し，その穴を埋めようとすることである．本論文の構成を以下に記す． 第１章ではこの1-100keV電子の観測意義について過去の研究結果も交えて議論した上で，2次電子増倍管，アバランシェ増倍のない固体検出素子という今日の電子計測技術と，それに付随する検出効率やノイズ対策という問題点を取り上げる．第2章では本研究で1-100keV電子を的確な有感領域内で測定できるという結論に至ったAPD素子の原理について，理論的な面から紹介する．APDは固体検出素子（SSD)の一種である．内部の高電界に起因するオージェ過程を介した衝突電離により雪崩的に信号電荷を増倍させ，常温でも高S/N計測が可能である．一方で高電界稼働によるノイズの付加もあり，S/Nに制限を与えている． 第3章ではX線を使った浜松ホトニクス製APD(Z7966-20)の較正実験結果を示す．^55Fe線源の5.9keV輝線のピークを捉えることに成功し，雪崩増倍を経た後でも電離放射線のエネルギー分解を行えることがわかった．ピークの分解能の推移から，以下の実験における印加バイアス電圧を151Vとした． 第4章では1-100keV電子と検出器固体との相互作用について論じる．モンテカルロ法による計算機シミュレーションコードを開発し，入射電子の内部過程を再現して軌道を解いた． そして第5章では目標であったAPDによる5keVから20keV電子ビーム計測の基礎実験結果を示すとともに，計測時の分解能を決めている物理について議論する．電子は入射エネルギーに対して直線性をもって計測され，APDによってX線と同様に電子もエネルギー分解が可能であることがわかった．また分解能は12keVにおいて最もよい結果が得られた．低エネルギー電子に対しピーク形成を決めているのは不感層の厚みであり，分解能には内部の生成電荷による空間電荷効果が影響を及ぼしている可能性がある．電子計測実験の最後にCEMとの比較実験を示す．APDは20keVの電子に対してはCEMの3倍の効率で計測が可能であり，CEMに代わって高い効率で1-100keV電子を計測できる可能性が拓けた．最後に第6章では，本研究のまとめと将来の探査衛星への応用を見据えた課題について検討する．資料番号: SA0200057000

記事種別: 会議・学会報告・シンポジウム

1994年2月20日01UTに発生した太陽フレアは, その伝播過程で強い惑星間空間衝撃波を生じた。太陽風中をモニターしていたGEOTAIL衛星は, 翌日2月21日09UTにこの衝撃波と遭遇し, 粒子分布や磁場等のプラズマ状態を詳細に観測することができた。その結果, このイベントに幾つかの特筆すべき現象がみられることが明らかになった。高周波まで及ぶ比較的強い磁場波動が観測された他, イオンのみならず, 電子に於いても衝撃波フェルミ加速の結果といえる分布とエネルギースペクトルが得られた。1AUに於いて電子の衝撃波統計的フェルミ加速のはっきりした証拠が得られることは, 大変希である。本稿では, 電子の衝撃波フェルミ加速現象の報告を中心に, それに関連する観測結果を述べていきたい。資料番号: SA0166484000

Magnetic reconnection has been known as one of the most important physical mechanisms intervening in the energy transfer processes in various plasma phenomena. In this article, we shall give a brief review on the observational evidence on magnetic reconnection occuring in the earth's magnetotail.