[論文レビュー] Simulation of ASTROD I test mass charging due to solar energetic particles

Lei Liu, Gang Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、GEANT4ツールキットを用いて、ASTROD Iミッションにおける太陽高エネルギー粒子（SEPs）によるテストマスの帯電をシミュレートする。1989年の最大のSEPイベント中、帯電率は64,300 +e/sに達し、加速ノイズを引き起こした。これはASTROD Iの設計予算を上回り、宇宙探査の感度を維持するためには、ノイズを抑制するための連続的放電システムの導入が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

As ASTROD I travels through space, its test mass will accrue charge due to galactic cosmic-rays and solar energetic particles incident on the spacecraft. This test mass charge will result in Coulomb forces between the test mass and the surrounding electrodes. In earlier work using the GEANT4 toolkit, we predicted a net charging rate of nearly 9.0 +e/s from cosmic-ray protons between 0.1 and 1000 GeV at solar maximum, and rising to 26.5 +e/s at solar minimum. Here we use GEANT4 to simulate the charging process due to solar energetic particle events and to estimate the magnitude of acceleration noise due to this charging. The predicted charging rates range from 2840 to 64300 +e/s, at peak intensity, for the 4 largest SEP events in September and October 1989. For the 2 larger events, the acceleration disturbances due to charging exceeds the ASTROD I acceleration noise budget requirement. Continuous discharge should be considered for suppressing this charging noise. The acceleration noise during the 2 small events is well below the design target, although during these events, the net charging rate will be dominated by these solar fluxes.

研究の動機と目的

• 太陽高エネルギー粒子（SEPs）がASTROD I重力波ミッションのテストマス帯電に与える影響を評価すること。
• その結果生じるクーロン力と加速ノイズが、ミッションの感度に与える影響を定量化すること。
• SEP誘発帯電が、正確な測定に必要な加速ノイズ予算を超えるかどうかを評価すること。
• 激しい太陽イベント中、連続的放電機構が帯電ノイズを抑制するために必要かどうかを特定すること。

提案手法

• GEANT4モンテカルロシミュレーションツールキットを用いて、ASTROD Iテストマスにおける粒子相互作用と帯電蓄積をモデル化した。
• 1989年9月および10月の最大4件の太陽イベント中のSEPsによる帯電をシミュレートした。
• ピーク時のSEP強度下で、単位時間あたりの純帯電率（+e/s）を計算した。
• 帯電したテストマスと周囲の電極との間のクーロン力に起因する加速ノイズを推定した。
• シミュレートされたノイズレベルを、ASTROD Iミッションの必要な加速ノイズ予算と比較した。
• シミュレートされたイベント中、SEPsフラックスが銀河宇宙線を上回る支配的要因となる条件を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主な太陽イベント中、ASTROD Iテストマスにおける太陽高エネルギー粒子による帯電率はいかほどか？
• RQ2 テストマス帯電に起因するクーロン力が、ASTROD Iの加速ノイズ予算にどのように影響を与えるか？
• RQ3 シミュレートされた帯電誘発ノイズレベルは、ミッションの必要な感度しきい値を超えるか？
• RQ4 SEPsフラックスが銀河宇宙線を上回り、テストマス帯電に支配的となる条件は何か？
• RQ5 激しいSEPイベント中、帯電ノイズを抑制するために連続的放電が不可欠か？

主な発見

• 1989年で最大の2件のSEPイベントにおいて、ピーク帯電率は64,300 +e/sに達し、ミッションの加速ノイズ予算を著しく上回った。
• 最大の2件のSEPイベントでは、テストマス帯電に起因する加速ノイズが、ASTROD Iの設計要件を上回った。
• 最大4件のSEPイベント中、帯電率は2,840～64,300 +e/sの範囲にあり、ピーク太陽放射強度時に最大値を示した。
• 小さなSEPイベントでも、純帯電率は太陽フラックスに支配的であったが、ノイズは設計しきい値を下回った。
• 本研究は、激しい太陽イベント中、連続的放電システムが帯電ノイズを抑制するために不可欠であることを確認した。
• シミュレーション結果は、宇宙空間における重力波検出の精度を保つために、SEPs誘発帯電を抑制する必要性が極めて重要であることを強調している。