Astro-E2衛星

Astro-E2衛星の完成予想図 （宇宙科学研究所）

Astro-E2衛星は、2000年に打ち上げロケットの失敗により、軌道投入が果たせなかったAstro-E衛星 の再挑戦のプロジェクトです。2005年の打ち上げをめざして、2003年6月から、第一次噛み合わせ試験 が宇宙科学研究所において行われ、さらに、2004年には総合試験が行われる予定です。本研究室は、この Astro-E2衛星に 搭載される硬X線検出器(HXD)の開発を、主たるアクティビティの一つとしています。 Astro-E2 衛星 Astro-E 衛星からAstro-E2衛星へ Astro-E 衛星 (打ち上げ前に説明のために製作した資料)

HXD ふたたび

ついに組み込まれたHXD-II (2004年7月12日)

HXD

HXD検出器 （宇宙科学研究所、東京大学他）

雑音ガンマ線を、極めて低くおさえる工夫をほどこした、硬X線検出器(HXD)の断面図。

Astro-E2衛星搭載用硬X線検出器(HXD)

0.5から10keVのX線領域では，日本の「あすか」衛星や欧米の「チャンドラ」衛星、「ニュートン」衛星に代表されるように，極めて高い感度で、遠方の暗い天体を観測することができます。それに対して、集光のできないガンマ線領域では、こうした感度を得ることが難しく、なかなか観測が進んできませんでした。特に、硬X線あるいはソフトガンマ線とよばれるエネルギー領域(数 10keVから数MeVのエネルギー範囲)では，コンプトン散乱が支配的な反応になり、散乱された光子が検出器から抜けて出てしまう事がおこるため、まわりからのじゃまな雑音となるガンマ線を遮蔽することも、また、信号となるべき、観測の対象からのガンマ線をとらえることも容易ではありません。

観測器の周囲にはガンマ線の他，陽子や中性子などがいろいろな方向にたくさん飛び回っています。それに対して，観測しようとする天体からのガンマ線の数は非常に少ないので，感度の高い観測を行うためには、雑音ガンマ線(バックグラウンド)が、検出器部分に到達しないように、あるいは、到達したとしても、そのガンマ線が、検出器の視野の外から来たのではないことを知ることができるようにする必要があります。

Ｘ線の領域では，鉛のような原子番号の大きな材質で適当な厚さの遮蔽（シールド）を作ってやることで，比較的簡単にこうした、雑音となるX線を落とす事ができます。このようなシールドをパッシブなシールドと呼びます。ところがガンマ線の領域では，雑音となるガンマ線光子は，シ−ルドでコンプトン散乱された後，抜けてしまう場合が多くなります。都合の悪いことに、全部止めてしまおうとすると，今度は、必要なパッシブシ−ルドの重さが、非常に重くなってしまいます。一方で，重いシ−ルドを作ると，今度は、宇宙線がシ−ルドを構成している物質の原子核と衝突して，核反応を起こし，ガンマ線を何個も放出するような現象がおこって、シールドそのものが、雑音源になってしまいます。このような状況で効率よく雑音ガンマ線を減らすために，このシ−ルド自体も放射線検出器にしてしまう方法がとられることがあります（アクティブなシールド）。シールドを「アクティブ(能動的)」にすることによって、シ−ルドそのものでガンマ線などが反応して，エネルギ−を失った後、検出部に届いたような事象であっても、独立に検出して取り除いてしまおうといわけです。

わたくしたちは、1980年代の後半より、200-300 kgという軽量でありながら、高い感度を持つガンマ線検出器の開発を行ってきました。そして、気球実験や地上での実験を通じて、硬X線から1MeV程度の軟ガンマ線の天体観測をX線と並ぶレベルに押し上げる努力を行ってきました。Astro-E2衛星に搭載される硬Ｘ線検出器(HXD)は、こうした開発に、ASCA衛星のGIS検出器の経験など、日本のX線天文学を支える高い技術力を加えて実現されるものなのです。

HXDには「井戸型フォスウイッチカウンタ」と呼ばれ、バックグラウンドを非常に低くおさえる工夫をした日本独自の検出器が搭載されています。この井戸型フォスウイッチカウンタではシ−ルド部を井戸型に加工し，その中に、さらに小さな検出器を埋め込む構造になっています。小さな検出部が，そのほとんどの立体角をアクティブなシ−ルドによって囲まれるために，従来のものに比べて雑音ガンマ線を除去する性能が圧倒的にすぐれています。ヨウ化ナトリウム結晶にくらべて、ガンマ線の吸収効率の高いBGOシンチレータによって作られた井戸型のアクティブシールドは、検出器の下部方向からやってくる雑音ガンマ線のガンマ線を判定するばかりではなく、コリメータ（筒状の部分）でコンプトン散乱され、僅かなエネルギーをそこで失ってから検出部のGSOシンチレータで残りのエネルギーを失ったようなガンマ線をも判定することができます。これは、従来の金属でできたパッシブなコリメータを使っていた場合には、取り除くことができなかった雑音ガンマ線をとりのぞくことができることを意味します。さらに、HXDでは、、10keVから60keVまでのエネルギー範囲をカバーするために、GSOシンチレータの前に、厚さ2mmのシリコン半導体検出器がおかれています。

HXDは、コンプトン衛星のOSSE検出器や、INTEGRAL衛星に搭載されている検出器に比べて視野角が狭いため、視野角全体からの宇宙X線背景放射や、狙った天体以外の天体からの混入ガンマ線の量を抑えることができるという、大きな特徴を持ちます。また、一本の井戸型フォスウィッチユニットだけでは大きな面積を得る事ができませんが，ユニットを図のように複数本並べる事で，雑音ガンマ線を効率よく取り除くことができるという特徴を維持したまま、面積を広げる事ができました。こうして作られたHXDは、16本の井戸型フォスイッチカウンタと、それを取り囲む25本のシールドシンチレータ(BGO)とからなります。ひとつのユニットの検出部から信号があったとき、周りのユニットに信号がない事を確認することができるので，ひとつだけ動かすよりもさらにバックグラウンドを下げることができます。重さは一ユニットが約５kg，全部で16のユニットとその周りを取り囲む20本のシ−ルドや電子回路をあわせると装置全体では200kgに近い重さとなります。

HXDは、本研究室の他、東京大学、広島大学、埼玉大学、理化学研究所、金沢大学などの研究者、大学院生が、実際の製作に携わっていて、まさに、自らの手で作り上げる最先端の検出器となっています。こうして、心血を注いで作られるHXDは、硬X線、あるいはソフトガンマ線と呼ばれるエネルギー範囲で、これまでになく低雑音・高感度の検出器となることが期待されています。