[論文レビュー] Performance of the X-Calibur Hard X-Ray Polarimetry Mission during its 2018/19 Long-Duration Balloon Flight

Q. Abarr, Banafsheh Beheshtipour+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 39被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、2018/19年の南極からの長時間気球飛行中にX-CaliburハードX線偏光計が示した性能評価を提示しており、15–50 keV範囲で降着駆動パulsar GX 301–2の偏光測定に成功したことを示している。このミッションは、ケイ素酸イットリア（Be）散乱素子とCZT検出器を用いた新規焦点型偏光計設計を検証した。わずかな遮断系のしきい値とデッドタイムの問題が見られたが、優れた指向性能と調制性能を達成し、感度が向上したXL-Caliburミッションの実現に向けた道筋を示した。

ABSTRACT

X-Calibur is a balloon-borne telescope that measures the polarization of high-energy X-rays in the 15--50keV energy range. The instrument makes use of the fact that X-rays scatter preferentially perpendicular to the polarization direction. A beryllium scattering element surrounded by pixellated CZT detectors is located at the focal point of the InFOC{\mu}S hard X-ray mirror. The instrument was launched for a long-duration balloon (LDB) flight from McMurdo (Antarctica) on December 29, 2018, and obtained the first constraints of the hard X-ray polarization of an accretion-powered pulsar. Here, we describe the characterization and calibration of the instrument on the ground and its performance during the flight, as well as simulations of particle backgrounds and a comparison to measured rates. The pointing system and polarimeter achieved the excellent projected performance. The energy detection threshold for the anticoincidence system was found to be higher than expected and it exhibited unanticipated dead time. Both issues will be remedied for future flights. Overall, the mission performance was nominal, and results will inform the design of the follow-up mission XL-Calibur, which is scheduled to be launched in summer 2022.

研究の動機と目的

• 飛行前のX-CaliburハードX線偏光計の特性評価とキャリブレーション。
• マクマード、南極からの2018/19年長時間気球飛行中の機器性能の評価。
• 粒子背景をシミュレーションし、測定された率と比較して機器応答を検証。
• とくに遮断系における性能制限を特定し、次世代のXL-Caliburミッションにおける改善に活かす。
• ピクセル化CZT検出器を用いた焦点系光学と組み合わせた高感度ハードX線偏光測定の実現可能性を示す。

提案手法

• X-Calibur機器は、InFOCµSハードX線ミラーの焦点にホウケイ酸ケイ酸（Be）散乱素子を配置し、その周囲にピクセル化CZT検出器を配置して散乱X線を検出する。
• 偏光は、散乱光子の方位角調制により測定され、偏光方向に垂直に散乱する傾向がある。
• CZT検出器のエネルギー応答、検出効率、エネルギー分解能を特徴付けるために、地上でのキャリブレーションおよびビームテストを実施した。
• 72時間の飛行中、リアルタイムテレメトリ、指向系データ、検出器イベントレートを用いて飛行性能を評価した。
• 粒子相互作用をモデル化し、測定率と比較するため、GEANT4を用いた背景シミュレーションを実施した。特に遮断シールドに注目した。
• Swift XRTデータとの共同スペクトルフィッティングを用いて、機器の有効面積と調制因子を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X-Calibur偏光計は、成層圏での長時間気球飛行中にどの程度の性能を示したか？
• RQ2 機器のエネルギー応答および検出効率は、地上キャリブレーションおよびシミュレーションの予測とどの程度一致したか？
• RQ3 主な背景源は何であり、飛行中の測定率とシミュレーション結果はどの程度一致したか？
• RQ4 遮断系のトリガしきい値とデッドタイムが、機器の感度にどの程度の影響を及えたか？
• RQ5 焦点系光学と検出器システムの性能は、GX 301–2のような微弱な源の偏光測定をどの程度可能にしたか？

主な発見

• X-Caliburは、降着駆動パルサーGX 301–2のハードX線偏光を成功裏に測定し、同種の測定としては初の記録を達成した。
• 優れた指向性能と調制性能を達成し、15–50 keV範囲で平均調制因子µ100 = 0.513を達成した。
• 遮断系のエネルギー検出しきい値は予想よりも高く、想定外のデッドタイムを示したが、XL-Caliburではこれを是正する予定である。
• シミュレーションにより、CsI(Na)シールドをBGOシールドに置き換え、低しきい値ASICを採用することで、背景レートを10–25倍低減できると示された。
• CZT検出器のエネルギー分解能は20 keVで3.5 keV FWHM、50 keVで7.4 keV FWHMであり、期待値と整合的であった。
• Swift XRTデータとの共同スペクトルフィッティングにより、X-Caliburの有効面積シミュレーションの正確性が確認され、機器応答モデルの妥当性が検証された。