[論文レビュー] Geant4 simulations of soft proton scattering in X-ray optics. A tentative validation using laboratory measurements

V. Fioretti, T. Mineo+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2017

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、250 keVでの実験的測定と照合された、X線光学におけるソフトプロトン散乱のRemizovichモデルのGeant4実装を提示する。単一散乱およびRemizovichモデルが実験的散乱効率を最もよく再現するが、エネルギー損失は依然として低く予測されている。多次散乱はソフトプロトンの集中をモデル化できない。低エネルギー領域（200 keV未満）および小角度領域のデータ制限のため、どのモデルも低エネルギー挙動を完全に捉えていない。

ABSTRACT

Low energy protons (< 300 keV) can enter the field of view of X-ray space telescopes, scatter at small incident angles, and deposit energy on the detector, causing intense background flares at the focal plane or in the most extreme cases, damaging the X-ray detector. A correct modelization of the physics process responsible for the grazing angle scattering processes is mandatory to evaluate the impact of such events on the performance of future X-ray telescopes as the ESA ATHENA mission. For the first time the Remizovich model, in the approximation of no energy losses, is implemented top of the Geant4 release 10.2. Both the new scattering physics and the built-in Coulomb scattering are used to reproduce the latest experimental results on grazing angle proton scattering. At 250 keV multiple scattering delivers large proton angles and it is not consistent with the observation. Among the tested models, the single scattering seems to better reproduce the scattering efficiency at the three energies but energy loss obtained at small scattering angles is significantly lower than the experimental values. In general, the energy losses obtained in the experiment are higher than what obtained by the simulation. The experimental data are not completely representative of the soft proton scattering experienced by current X-ray telescopes because of the lack of measurements at low energies (< 200 keV) and small reflection angles, so we are not able to address any of the tested models as the one that can certainly reproduce the scattering behavior of low energy protons expected for the ATHENA mission. We can, however, discard multiple scattering as the model able to reproduce soft proton funneling, and affirm that Coulomb single scattering can represent, until further measurements, the best approximation of the proton scattered angular distribution at the exit of X-ray optics.

研究の動機と目的

• X線宇宙望遠鏡の背景シミュレーション用途を想定し、Geant4にグレービング角におけるソフトプロトン散乱のRemizovichモデルを実装・検証すること。
• 最近の実験的測定（250 keVでのプロトン散乱）と比較して、Remizovichモデル、単一散乱（SS）および多次散乱（MSC）モデルの性能を評価すること。
• X線ミラー・シェルにおける実験的散乱効率およびエネルギー損失を最もよく再現する物理モデルを特定すること。
• ESAのATHENA計画を含む将来のX線ミッションにおける正確な放射線背景モデルの開発を支援すること。
• 低エネルギー（<200 keV）および小角度領域における現在のモデルおよびデータの限界を特定し、今後の改良に向けた方向性を示すこと。

提案手法

• Boltzmann輸送方程式に拡散近似と連続的減速を適用し、一定のエネルギー損失毎の相互作用を許容する形で、Geant4にRemizovichモデルを実装した。
• 理論的確率分布および独立したレイトラーシングシミュレーションと照合することで、新規モデルの妥当性を検証した。
• 同じ実験設定をシミュレートするために、Remizovichモデルと単一散乱（SS）を多次散乱（MSC）および既存のGeant4物理リスト（opt3/opt4）と比較した。
• ループレベルの並列処理と角度分解能の最適化を実施し、約50％のCPU時間の短縮を達成した。
• X線ミラー・シェルへの入射角が浅い場合のプロトンの方位分布およびエネルギー分布に関する2015ExA….39..343Dの実験データを用いた。
• 250 keVにおける測定値と比較することで、シミュレートされた散乱効率およびエネルギー損失の性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Geant4に実装されたRemizovichモデルは、X線ミラー・シェルにおけるグレービング角でのソフトプロトンの散乱角分布およびエネルギー分布を正確に再現できるか？
• RQ2 Remizovichモデル、単一散乱、多次散乱のシミュレートされた散乱効率は、250 keVにおける実験的測定値とどのように比較されるか？
• RQ3 モデルでシミュレートされたエネルギー損失は、小角度散乱における実験的観測値とどの程度一致するか？
• RQ4 なぜ多次散乱はX線光学におけるソフトプロトンの集中を再現できないのか？その背景モデルへの影響は何か？
• RQ5 低エネルギーおよび小角度領域のデータ不足を踏まえると、現在のモデルはATHENAのような将来的なミッションにおけるソフトプロトン背景シミュレーションに信頼できるか？

主な発見

• Remizovichモデルおよび単一散乱（SS）は250 keVにおける実験的散乱効率と良好な一致を示すが、非常に小さな角度（<1°）ではシミュレーションが効率をわずかに低く予測している。
• 単一散乱は小角度領域で実験的散乱効率に最も近いが、エネルギー損失は測定値の10分の1程度にとどまる。
• 多次散乱（MSC）は観測された角度分布を再現できず、ソフトプロトンの集中をシミュレートできないため、本用途には不適切である。
• 大角度散乱領域では、RemizovichモデルおよびSSモデルの両方が一貫した散乱効率を示した。
• 方位角に集中するFirsovモデル（φ=0）は、散乱分布を10倍以上過大評価しており、本設定には不適切であることが示された。
• 多次散乱においてopt3とopt4の設定間に顕著な差は認められず、両者が同程度の性能を示した。