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ERG 衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価

ERG 衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価. 斎藤研　 M2 白井 康裕. 本日の流れ. 開発の意義 LEP-i の紹介 実験＆シミュレーション内容 実験＆シミュレーション結果 まとめ. 内部磁気圏. 内部磁気圏は様々なエネルギー粒子が共存する領域. 0.1-10eV. <1eV. 0.1-10keV. 電離圏プラズマ. 主に MeV 領域. 0.1-200keV. これまで高エネルギー粒子による背景ノイズが原因で低エネルギー粒子の観測が困難だった. 背景ノイズを除去可能な観測器の開発が必要となっている. LEP-i.

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ERG 衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価

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  1. ERG衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価ERG衛星搭載用低エネルギーイオン質量分析器の飛行時間分析部の特性評価 斎藤研　M2 白井 康裕

  2. 本日の流れ • 開発の意義 • LEP-iの紹介 • 実験＆シミュレーション内容 • 実験＆シミュレーション結果 • まとめ

  3. 内部磁気圏 内部磁気圏は様々なエネルギー粒子が共存する領域 0.1-10eV <1eV 0.1-10keV 電離圏プラズマ 主にMeV領域 0.1-200keV これまで高エネルギー粒子による背景ノイズが原因で低エネルギー粒子の観測が困難だった 背景ノイズを除去可能な観測器の開発が必要となっている

  4. LEP-i 飛行時間分析部は16セクタ(22.5°分割)で構成され、どのセクターも同じ構造になっている。 ion Carbon foil electron ion Post acceleration carbon foilを通過できるだけのエネルギ ーをもたせるために+5kV加速させる MCP [Uchida 2008] modified 現在、飛行時間分析部だけを試作し、構造・性能評価を行っている

  5. 飛行時間分析部の検出原理 Time Of Flight法によって飛行時間を測定 start信号,stop信号の検出タイミングの 時間差を計測することでion の飛行時間を測定 ionが当たることで 二次電子が発生 Ion beam carbon foil start stop Foil通過時のタイミング electronの 飛行時間 (te) time ionの飛行時間:ti ti L 距離：L te ⊿t MCP start信号 stop信号 得られたイオンの飛行時間、距離と静電分析部で得られたE/qを用いてm/qがわかる

  6. ノイズ対策のための工夫 検出部の面積を小さくすること [mm] CLUSTER/CIS 開発中のLEP-i anodeの形 start anode stop anode [Uchida 2008] modified 10 30 50 70 [mm] 90

  7. Simulationで得られた電子・イオン(H+)の軌道 z φ r r

  8. 飛行時間分析部の特性評価実験 目的 これまでの計算機シミュレーションによる設計を踏まえて試作した飛行時間分析部に直接 イオンビームを照射する。シミュレーションと実験の結果を比較し、設計通りの性能、 構造となっていることを確認する。 ion beam slit -4850[V] -3500[V] -4900[V] -3700[V] ion electron MCP 図 スリットと飛行時間分析部

  9. イオン計測試験セットアップ 真空チェンバー slit ジンバル(垂直回転盤) c c Ion source sensor start signal カウンタ 飛行時間計測回路 オシロ stop signal 高圧電源 PC

  10. 実験① 目的 飛行時間分析部がそれぞれのイオン種(H+, He++, He+, O+)の飛行時間を正しく 計測できることを確認する。 実験内容 イオン種H+, He+, He++, O+のそれぞれについて粒子エネルギー2keV/q、8keV/qの イオンビームを飛行時間分析部へ照射し、計測を行う。 z ionbeam セクター中心 1 sector 幅2mmのslit φ=22.5deg Foil folder φ electron ion r r

  11. TOF profile 2keV/q H+ He++ simulation experiment Arbitrary unit He+ O+ 0 60 80 100 20 40 120 140 Time-of-flight[ns] O+以外は実験とシミュレーションはよく合っていて、十分分別可能である

  12. TOF profile 8keV/q H+ He++ simulation He+ Arbitrary unit experiment O+ 0 60 80 100 20 40 120 140 Time-of-flight[ns] 実験とシミュレーションはよく合っていて、十分分別可能である

  13. 実験②，③ 目的 本センサーはstart anodeの面積をできるだけ小さくする工夫をしている。イオンビームに 対してφ方向、radial方向それぞれについてセンサーの回転、電極への印加電圧の変更 などを行う。 カウントレートの変化から二次電子の軌道が設計通りに収束していることを確認する。 Φ方向のカウントレートを調べる radial方向のカウントレートを調べる 実験内容③ 実験内容② ジンバルを回転させ、2°ごとにSTART、STOP カウントレートを計測する。 飛行時間分析部内の電極Bの電圧を-4900Vまで 変化させて計測する z ionbeam セクター中心 Foil folder 幅2mm φ=22.5deg φ electron ion r r

  14. 8keV/qのプロトンビームの場合 ①Φ方向へ照射位置を変化させた結果 start count rate stop count rate Arbitrary unit 太線・・・・experiment 細線・・・・simulation -10 -8 -6 -4 -2 0 セクター中心からの角度[deg] 実験とsimulationはよく合っている

  15. 8keV/qのプロトンビームの場合 ②電圧を変えた結果(電子の軌道と到達位置) z B=-3500[V] : simulation B=-4500[V] : simulation r Start MCP Stop MCP φ r 電圧を上げることでstartアノードに来ていた電子がstopアノードへ移動する

  16. 8keV/qのプロトンビームの場合 ②電圧を変えた結果（カウントレート） 太線・・・・experiment 細線・・・・simulation stop count rate Arbitrary unit イオンの量子効率：0.6 電子の量子効率：0.45とする start count rate -4600 -3400 -3600 -3800 -4000 -4200 -4400 電極Ｂの電圧[V] よく合っている

  17. まとめ • 飛行時間分析部に直接イオンビームを照射させることで特性評価を行った. • E/q=2keV/q, 8keV/qの　H+, He++, He+, O+ の各イオン種を十分弁別可能であることが分かった. • 2keV/q, 8keV/qのイオンの飛行時間について、カーボンフォイルの厚みを100Åとしてシミュレーションを行ったとき、2keV/qのO+を除いて実験データとよく合っている. • セクターの端ではstartとstopのカウントレートがともに減少する。これは計算機シミュレーションの結果と一致する. • 飛行時間分析部内の電位配分を変え、カウントレートを計測した。その結果、ε_i=0.6, ε_e=0.45のときの計算機シミュレーションとよく合った。

  18. Future work • １セクターは22.5°の角度幅を持っている。今回はセクター中央に粒子が入射した場合の結果を示したが、実際には他の角度からの入射を考慮する必要がある。実験データは得られており、今後詳細な解析を行う。 • 静電分析部の設計 • 静電分析部＋飛行時間分析部の特性評価試験

  19. 資料

  20. TOF profile 2keV/q(50A) H+ He++ simulation experiment Arbitrary unit He+ O+ 0 60 80 100 20 40 120 140 Time-of-flight[ns]

  21. TOF profile 8keV/q(50A) H+ He++ simulation He+ Arbitrary unit experiment O+ 0 60 80 100 20 40 120 140 Time-of-flight[ns]

  22. Ring currentに関する諸問題 それぞれの過程を理解するために定量的な観測が求められる 生成過程 Ionospheric plasma Ring current O+ Solar wind Plasma sheet Which way? 消失過程 電離圏粒子との電荷交換による中性粒子化 磁気圏外への流出 ピッチ角散乱、波動粒子相互作用による電離圏への落ち込み

  23. 過去の観測 図　　観測位置 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 図 　cluster衛星によって観測した低エネルギーイオン 信号が高エネルギー粒子による背景ノイズに隠れてしまう

  24. ERGミッション ERG mission 特徴 広いエネルギーレンジによる 粒子・電磁場・波動の初の総合観測 太陽活動極大期(2014?)に打ち上げ予定 他衛星(RBSP(NASA), ORBITALS(カナダ))との連携 軌道 近地点高度：250km 遠地点高度：25000km

  25. ERG衛星に搭載予定の粒子観測機器 電子観測器 12eV 0.1eV 5keV 30keV 200keV 2MeV 10eV 20keV 80keV 20MeV ion観測器 0.5eV 10eV 10keV 100eV 25keV 180keV

  26. LEP-iの役割 Ring currentの観測には粒子と電磁波・波動の総合観測が必要. LEP-iはその一端を担う Ring currentに存在するO+の供給源は地球の電離圏とされるため どのようにして加速されるかをみるためには低エネルギーion観測が必要不可欠 高エネルギー粒子に対するノイズ対策を施した小型・高性能な観測器が必要

  27. LEP-iの計測概念 incoming ion 静電分析部 飛行時間分析部(TOF unit) v E/q M/q

  28. 静電分析部の検出原理 球殻状の極板に電圧をかけることで E/q を測定 Energy range:10eV/q　～25keV/q E1<E2<E3 m: 荷電粒子の質量 v : 荷電粒子の速度 E: 荷電粒子のエネルギー q: 電荷 ⊿Φ: 極板間に生じる電位 Rc=(Rinner+Router)/2 Router ΔR=Router - Rinner 軸対称 Rinner 式変形

  29. 飛行時間分析部の検出原理 Time Of Flight法によって飛行時間を測定 start信号,stop信号の検出タイミングの 時間差を計測することでion の飛行時間を測定 静電分析部 を通過したion ionが当たることで 二次電子が発生 carbon foil start stop Foil通過時のタイミング electronの 飛行時間 (te) time ionの飛行時間:ti ti L 距離：L te ⊿t MCP start信号 stop信号 得られたイオンの飛行時間、距離と静電分析部で得られたE/qを用いてm/qがわかる

  30. 8keV/qのプロトンビームの場合 ②電圧を変えた結果（カウントレート） 太線・・・・experiment 細線・・・・simulation ε_i:0.1 ε_i:0.6 Arbitrary unit stop count rate ε_se=0.75ε_iとする start count rate -4600 -3400 -3600 -3800 -4000 -4200 -4400 電極Ｂの電圧[V] イオンの量子効率を0.6としたときによく合っている

  31. ノイズ対策のための工夫① 時間・空間による二重相関を取ること イオンの飛行距離を短くする工夫を凝らす 時間的相関 Start電子が検出されてから150nsec以内にstopMCPに入った粒子をstop信号とする electron H+ O++ ノイズとして除去 time t0 te tH+ To++ 150nsec 空間的相関 セクター構造にする(22.5°分割) [Uchida 2008] modified

  32. ノイズ対策のための工夫② 検出部の面積を小さくすること [mm] CLUSTER/CIS 開発中のLEP-i anodeの形 start anode stop anode [Uchida 2008] modified 10 30 50 70 [mm] 90

  33. 先行研究 静電分析部と飛行時間分析部の設計開発によって、すでに十分な性能を得られている E/q ~10eV/q E/q ~23keV/q 図　静電分析部での粒子軌道

  34. TOF profile simulation E/q～23keV/q E/q～10eV/q H+ He++ He+ O++ O+ それぞれのエネルギーで十分に質量弁別可能である

  35. それぞれのカウントレート

  36. LEP-iの性能 LEP-iの性能 Energy range 10eV/q~25keV/q Time resolution 8sec Angle resolution(azimuth) 22.5° Angle resolution(elevation) 5°(FWHM) Energy resolution 16% (FWHM) G-factor 2.6x10-3 cm2 sr keV/keV/22.5°

  37. angle 1.25deg

  38. angle 3.25deg

  39. angle 5.25deg

  40. angle 7.25deg

  41. angle 9.25deg

  42. angle 11.25deg

  43. B:-3500V

  44. B:-3600V(B-100V)

  45. B:-3700V(B-200V)

  46. B:-3800V(B-300V)

  47. B:-3900V(B-400V)

  48. B:-4000V(B-500V)

  49. B:-4100V(B-600V)

  50. B:-4200V(B-700V)

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