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ISS 軌道上 CALET テレメトリデータ模擬

28aTS5. ISS 軌道上 CALET テレメトリデータ模擬. 早大 先進 理工 　早大理工研 A 早大重点領域 B 神奈川 大工 C , JAXA D , 東大宇宙線 研 E 下村健太 , 鳥居祥二 A , 浅岡 陽一 A , 小澤 俊介 B , 笠原克 昌 A , 神尾泰樹 , 仁井田 多絵 , Holger Motz A , 力石和樹 , 田村忠 久 C , 上野 史郎 D , 清水雄 輝 D , 冨 田 洋 D , 赤池 陽水 E , 他 CALET チーム. 内容. 研究概要 CALET テレメトリデータ模擬システム

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ISS 軌道上 CALET テレメトリデータ模擬

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Presentation Transcript

  1. 28aTS5 ISS軌道上CALETテレメトリデータ模擬 早大先進理工　早大理工研A早大重点領域B神奈川大工C, JAXAD, 東大宇宙線研E 下村健太, 鳥居祥二A, 浅岡陽一A, 小澤俊介B, 笠原克昌A, 神尾泰樹, 仁井田多絵, HolgerMotzA, 力石和樹, 田村忠久C, 上野史郎D, 清水雄輝D, 冨田洋D, 赤池陽水E, 他CALETチーム JPS2014年次大会@東海大学

  2. 内容 • 研究概要 • CALETテレメトリデータ模擬システム • システム全体の流れ • ISS軌道上宇宙線流束計算 • 検出器シミュレーション • CALETデータ取得シミュレーション • 模擬データ使用例 • トリガーレート, データ転送レートの導出 • まとめ JPS2014年次大会@東海大学

  3. 研究概要 CALET運用開始に向けた準備事項 実際の形式に基づく 模擬データが必須 • 筑波宇宙センター → 早稲田大学のI/F試験 • Quick Look (QL) モニターの開発 • Level0データ（rawデータ）処理システムの開発 • 軌道上運用計画の最適化 本研究では数種類のシミュレーションを組み合わせ、 現実的なテレメトリ模擬データを作成するシステムを開発した システム概要 • ISS軌道上でCALETに入射する宇宙線を再現する • ISS軌道上での入射宇宙線の決定（ATMNC3） • 検出器シミュレーション（EPICS/Geant4） • 実際の仕様・形式に基づきテレメトリデータを作成する • MDC（Mission Data Controller）のシミュレーション JPS2014年次大会@東海大学

  4. システム全体の流れ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ データ MDC Simulator ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング LDカウンタ処理 テレメトリ出力 トリガー カウンタ 処理 CALイベントデータ出力 ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) 定時データ出力 トリガー判定処理 DB I/F ADCデータ処理 較正データベース (PostgreSQL) Pedestal 差引ゼロサプレス処理 LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン Endian変換処理 JPS2014年次大会@東海大学

  5. システム全体の流れ ISS軌道に沿ったCALET検出器入射粒子のサンプルを行う プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ データ MDC Simulator ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング LDカウンタ処理 テレメトリ出力 トリガー カウンタ 処理 CALイベントデータ出力 ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) 定時データ出力 トリガー判定処理 DB I/F ADCデータ処理 較正データベース (PostgreSQL) Pedestal 差引ゼロサプレス処理 LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン Endian変換処理 JPS2014年次大会@東海大学

  6. 高度400kmにおける宇宙線Fluxの計算 ATMNC3 • 地球磁場や大気の影響を考慮し、1次宇宙線と2次的に生成する粒子を追跡しFluxを計算する • 地球磁場モデル：IGRF2010 • 大気構造モデル：US-standard 1976 • Ref : M. Honda et al., “ New calculation of the atmospheric neutrino flux in a three-dimensional scheme ”,Phys. Rev. Lett. D 70 (2004) 043008. • 追跡粒子がターゲット層を通過した際に次の情報を取得し、1次データを作成 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角 • 高度400kmの球殻を約7000個の等立体角Gridに分割する • 1次データから緯度・経度を基に粒子情報を振り分け、各Grid毎にリスト化する 高度400kmにおける等立体角Grid ー１次宇宙線 ー２次宇宙線 ターゲット層： 高度400km球殻 Ref : I. Gringorten et al., “The division of a circle or spherical surface into equal-area cells or pixels ”,INSTRUMENTATION PAPERS, NO 343(1992) AD-A257 770. JPS2014年次大会@東海大学

  7. ISS軌道上における装置入射宇宙線のサンプル 指数分布 次の粒子入射までの時間間隔Δｔを決定 Δt秒後のISS軌道上の位置を決定 入射粒子をGridの宇宙線データリストからサンプル Probability = 1 – exp(-RΔt) Δt= -ln(1-Probability)/R R:Grid毎のレート Grid上の宇宙線Flux 粒子入射時のISS位置 Δt秒分ISSを移動 ※実際は平均で Δt = 20μsec ある時刻でのISS位置 1〜3繰り返し 緯度・経度・粒子種別・エネルギー・入射天頂角・方位角・入射時刻 のリスト作成 JPS2014年次大会@東海大学

  8. システム全体の流れ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ データ MDC Simulator ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング LDカウンタ処理 テレメトリ出力 トリガー カウンタ 処理 CALイベントデータ出力 ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) 定時データ出力 トリガー判定処理 DB I/F CALET検出器に粒子を 入射し検出器応答を計算 ADCデータ処理 較正データベース (PostgreSQL) Pedestal 差引ゼロサプレス処理 LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン Endian変換処理 JPS2014年次大会@東海大学

  9. 検出器シミュレーション • シミュレーションコード • EPICS ver9.161 (Cosmos ver7.641) • Geant4 ver9.4p01 • 粒子入射条件 ATMNC3計算による入射方向に垂直かつ検出器中心を通る平面上で位置をランダムに1点取得 • 観測データRoot fileの形式にて以下のデータを生成 • 各検出器チャンネル毎のエネルギー損失、入射位置・方向、相互作用位置等 • 軌道上宇宙線データの順番を保持 電子10 GeV入射例 半径：78cm ISS軌道上入射宇宙線データと合わせて、 入射時刻・緯度・経度・各検出器のエネルギー損失 をMDC Simulator へ入力 JPS2014年次大会@東海大学

  10. システム全体の流れ プログラム ATMNC3 宇宙線データ ISS軌道データ データ MDC Simulator ISS軌道上 装置入射 宇宙線データ 軌道上宇宙線 サンプリング LDカウンタ処理 テレメトリ出力 トリガー カウンタ 処理 CALイベントデータ出力 ISS軌道上 宇宙線検出器応答データ 検出器シミュレーション (EPICS/Geant4) 定時データ出力 トリガー判定処理 DB I/F ADCデータ処理 較正データベース (PostgreSQL) Pedestal 差引ゼロサプレス処理 LD・トリガーマスク LDスレッショルド カウンター初期値 テレメトリデータ 較正データ チャンネルアサイン Endian変換処理 JPS2014年次大会@東海大学

  11. MDC：トリガーロジック部 MDC（Mission Data Controller） 検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う • トリガーモード • High Energy Shower Trigger (HE) ・・・10 GeV以上の電子観測 • Low Energy Shower Trigger (LE) ・・・ 1 GeV以上の電子観測 • Single Trigger (Single)　　　　　　　・・・検出器較正用 重イオンモードを含む全6種類のモードから任意の組み合わせを選択、 それぞれのモードについて任意の値でスレッショルドを設定できる HEイベント例(e-:10 GeV) Singleイベント例(p:100GeV) CHD0.7MIP IMC4 7.5MIP IMC 0.7MIP TASC55MIP TASC0.7MIP JPS2014年次大会@東海大学

  12. MDC：データ収集・送出部 • データ送出プロセス MDC（Mission Data Controller） 検出器からの信号を収集し、トリガーシグナルの生成・DAQ（Data AcQuisition）・地上システムへの送出等の役割を担う • Event Buildingタスク • データ生成に必要な情報を集約 • ADCデータ • イベント情報 • デッドタイム • Event Building タスク完了まで(5ms)の間、新規トリガーに対する不感時間 • Event Processタスク • ゼロサプレス処理：信号がペデスタル相当のチャンネルを削除 • データ送出タスク • テレメトリスピードに応じてデータを送出2次バッファ中のデータ(60kbit)を100ms毎に送出 • イベントデータの他、温度・HV等のハウスキーピング項目は定時データにて送出（/1s） データ収集命令 EventBuilding タスク 1次バッファ Event Process タスク 2次バッファ データ送出タスク 上記３つのタスクはパラレル処理 JPS2014年次大会@東海大学

  13. MDCシミュレーション シミュレーションでは以下の流れでトリガー・データ生成を行う 次の粒子へ 次の粒子へ • 設定可能項目 • トリガーモード • トリガースレッショルド • カウンタ初期値 • ADCデータ処理 • ΔE→ ADC値へ変換 • ゼロサプレス処理 • データ出力 • 実際のパケットの形式に忠実に出力 • HKデータ（定時データ）の出力も実装 トリガー判定 CALET入射宇宙線情報 該当トリガーにHitなし カウンタ処理 デッドタイム判定 DeadTime ADCデータ処理 データ収集 データ出力 JPS2014年次大会@東海大学

  14. テレメトリ模擬データ作成例 • ISS軌道情報 • 2011/11/01の軌道1周分 • ATMNC3入力条件 • Primary：p,e+/e-,He • 重イオンはHeに含 • 運用モード • 科学解析用データ取得High Energy Shower Trigger • トリガースレッショルド：電子10 GeV • IMC4 : 7.5 MIP • TASC : 55 MIP 90min 0min JPS2014年次大会@東海大学

  15. トリガーレート・データ転送レート • トリガーレートとデータ転送レートをテレメトリ模擬データから導出 • データはHEトリガーで取得 • トリガーカウンタの数値からトリガーレートを計算 • 100秒間の平均を１秒毎にプロット トリガーレートの時間変化 データ転送レートの時間変化 ートリガーレート ー緯度 ーデータ転送レート ー緯度 JPS2014年次大会@東海大学

  16. まとめ • CALET地上運用システムの開発などに使用する現実的なISS軌道上テレメトリデータ模擬システムを作成した • 高度400kmに入射する粒子情報をATMNC3により計算し、ISS軌道上での装置入射宇宙線をサンプルする • 検出器応答をEPICS/Geant4により求める • 実際の仕様に近いDAQ・データ送出をCALETデータ取得システム（MDC）のシミュレータにて行う • ISS軌道1周分の模擬データを作成し、トリガーレート・データ転送レートを導出した • トリガーレート　　：10〜25Hzの範囲で変動 • データ転送レート：250〜480kbpsの範囲で変動 • 今後の課題 • MDC Simulatorの詳細化 • バッファの実装 • ISS軌道情報（補助データ）の出力など追加 • 模擬データを用いた地上システムの開発 地磁気緯度による影響 JPS2014年次大会@東海大学

  17. End JPS2014年次大会@東海大学

  18. Backup JPS2014年次大会@東海大学

  19. ATMNC3の検証 • AMS-01の観測条件を満たすイベントを選別（実線） 　　　①　地磁気緯度θM毎　　②　天頂角32度以内 • AMS-01の各地磁気緯度における観測結果（丸点） 　　　　　　　　　　　（M.Auiglar, et al. Physics Reports 366(2002） 331-405) JPS2014年次大会@東海大学

  20. 入射天頂角補正による影響 [陽子のみ] • トリガーレートの顕著なピークは入射天頂角補正の影響である • 天頂角90°付近のイベントの重みが大きく何度もサンプルされる • 元サンプルの統計量が小さくなるのを補正するため、この影響が出てくることは避けられない High Energy (HE) Triggerがかかった事象のCos (天頂角)分布 • EPICS (CAD Model) • Geant4 Number of Event (Log) Cos (天頂角)

  21. ランダムサンプリング • ATMNC3計算による全体での経過時間：Tall • Tall = N ÷ SΩ ÷ F = 14.1[ps] • 各Gridでの宇宙線が全てCALETへ入射すると考えた場合の経過時間：T0 • Tall、各GridのSΩGrid及びCALETのSΩCALETの比から、T0 =14.2 [ps] × SΩGrid/SΩCALET = 1.09 [s] • 単位時間あたりにCALETへ入射する粒子の数：λ • 各Gridのイベント数をNGridとして、λ= NGrid/ T0 • 装置に粒子が入射してから、次の粒子が入射するまでの時間間隔がΔTである確率：P（ΔT） • P（ΔT） = 1 – exp(-λΔT)【exponential distribution】 • P(ΔT) を 0〜1 の一様乱数で振り、時間間隔ΔTをΔT = -ln(1-P(ΔT)) / λで決定 JPS2014年次大会@東海大学

  22. トリガーレート・データ転送レート • スレッショルドの値を0.5倍、1.5倍、2倍にした結果と比較 レート平均（ISS１周） トリガーレート データ転送レート ーHE Th:×0.5 ーHE Th:×1 ーHE Th:×1.5 ーHE Th:×2 ー緯度 JPS2014年次大会@東海大学

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