CosmicRay Recorder · v2 基板

マニュアル

宇宙線検出器をパソコンにつないで、数える・記録する・解析するまでの使い方です。後半の付録には、ファイルの形式、検出器のコマンド、ピン配置、ファームウェアの書き込み方をまとめています。

01このアプリについて

CosmicRay Recorder は、SiPM（シリコン光電子増倍管）を使った宇宙線検出器のデータをブラウザで記録するアプリです。検出器から 1 イベントごとに届く行を受け取り、その場でグラフにし、パソコンのフォルダへ自動で保存します。インストールは要りません。

このマニュアルの画面写真は、デモ（合成データ）で撮ったものです。数値は実際の測定ではありません。写真を押すと大きく開きます。

02ページの開き方

ページをどの方法で開いたかによって、使える機能が変わります。いちばん確実なのは http://localhost で開く方法です。

localhost で開くには、console フォルダで簡単なサーバーを動かして、ブラウザで http://localhost:8000/ を開きます。

# Python が入っていれば追加のインストールは要りません
cd arduino/v2/console
python -m http.server 8000

03機種を選ぶ

最初に開くと、検出器の機種を選ぶ画面が出ます。機種によってデータの形式が違うので、画面も別々です。手元の検出器とケースの形を見比べて選んでください。

• 選んだ機種はブラウザが覚えています。次からは v2 ならすぐ接続の画面、v1 なら v1 のページが開きます。
• 選び直すときは、接続の画面の見出しの横にある 機種を選び直す（下の写真の 7）を押します。v1 のページではロゴの下にあります。index.html?choose を開いても選ぶ画面になります。

04つなぐ

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1. 1USBでつなぐ — ケーブルでつなぐ。いちばん確実
2. 2接続オプション — ボーレート（ふつうは 9600）
3. 3Bluetoothでつなぐ — 無線でつなぐ
4. 4検出器の名前 — Bluetooth の一覧をこの名前で絞り込む
5. 5デモで試す — 検出器なしで全部の機能を試せる
6. 6保存先を先に選ぶ — つなぐ前に保存フォルダを決めておける
7. 7機種を選び直す

USB でつなぐ

1. 検出器を USB ケーブルでパソコンにつなぎます。
2. USBでつなぐ を押し、ブラウザが出す一覧から検出器のポートを選んで 接続 を押します。
3. 上の帯が 接続中 · USB になり、検出器の名前が出れば完了です。宇宙線が届くたびにグラフが伸びていきます。

検出器が書き込み待ち（ブートローダー）で止まっていたときは、自動で通常の起動に戻します。

Bluetooth でつなぐ

1. 検出器の電源を入れます。
2. 検出器の名前 に、検出器の Bluetooth の名前を入れます（最初は CosmicRay）。名前で絞り込むので、教室に何台あっても自分の検出器だけが一覧に出ます。
3. Bluetoothでつなぐ を押し、一覧から選んで ペア設定 を押します。

途中で切れたときは、自動でつなぎ直します。上の帯がコーラル色で点滅し、「◯ 秒後に ◯ 回目の再接続」と数えます。つながり直すと、自動保存は同じファイルに続けて書きます。やめるときは 切断 を押します。

デモで試す

検出器がなくても、合成データで全部の機能を試せます。右の欄で、宇宙線だけの 通常、線源を置いた 線源あり、空気シャワーが続く シャワー を選べ、頻度のつまみや バーストを起こす で動きを変えられます。デモのあいだは上に斜線の帯が出て、保存ファイルの名前に DEMO_ が付き、サーバーへは送れません。

05計測画面の見方

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1. 1接続の状態 — 点はイベントが届くたびに光る
2. 2記録を一時停止 — 届いたイベントを記録しない（検出器は数え続ける）
3. 3切断 — データは画面に残る。もう一度つなぐ で続きから
4. 4オシロスコープ（07）
5. 5解析・マニュアル — 別のタブで開くので計測は止まらない
6. 6詳細設定（08）
7. 7総イベント数・平均カウントレート・経過時間
8. 8エネルギー分布 — 届いたばかりのビンがシアンで光る
9. 9カウントレートの変化 — 最新の点がシアン
10. 10温度・湿度・気圧、外部検出器、平均 ADC、デッドタイム、トリガー
11. 11デモの設定（デモのときだけ）
12. 12保存（06）

いちばん上の数値

• 総イベント数 — 届いたイベントの数。
• 平均カウントレート — 1 秒あたりの数と、その統計誤差（±）。下の図のように、デッドタイムを差し引いたライブタイムで割っています。
• 経過時間 — 検出器の時計で測った時間。

グラフ

• エネルギー分布（ADC ヒストグラム）— 信号の大きさ（0〜4095）ごとの数。ビン幅 と 対数 を切り替えられます。地上の宇宙線（ミューオン）は ADC 1000 あたりに山を作り、低い側には環境のγ線が積み上がります。
• カウントレートの変化 — レートの推移。

どちらも右上の画像のボタンで PNG に保存できます。描き直す間隔は 詳細設定 > 表示 で 1 秒・3 秒・10 秒・手動から選べます。数値や項目の名前の横の ? を押すと、用語の説明が出ます。

記録の中身

下にスクロールすると、届いたデータそのものを見られます。

06保存する

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計測画面の右の欄（狭い画面では右下の 保存 ボタン）にまとまっています。

1. 1保存フォルダを選ぶ — ここから自動保存が始まる
2. 2形式 — .dat・.csv・両方
3. 3メモ — 場所・向き・条件など。ファイルの先頭に # 付きで入る
4. 4ダウンロード — 画面にあるデータをまとめて 1 つのファイルに
5. 5データを消去して最初から — 検出器にも RESET を送り、番号と時間を 0 に。保存済みのファイルは消えない

自動保存（おすすめ）

1. 保存フォルダを選ぶ を押して、保存先のフォルダを選びます。ブラウザが書き込みの許可を聞いてきたら ファイルの編集を許可 を選びます。
2. 届いたデータが <検出器の名前>_<日付>.dat に書き足されていきます。日付が変わると新しいファイルになります。ファイルがとても大きくなったときは _02、_03… に分けます。
3. 欄に、書き込み済みの件数と、まだ書き込んでいない件数が出ます。まだ書き込んでいないデータがあるときにタブを閉じようとすると、ブラウザが確認します。

ファイルの列の並びは 付録 A を見てください。

07オシロスコープ

上の帯の オシロスコープ を押すと、確認のあと画面がオシロスコープの表示に切り替わり、検出器から届く信号の波形（12 µs ごとに 1 点）を表示します。

開いている間は計数が止まります

上の帯に「計数停止中 mm:ss」が出ます。止まっていた時間はデッドタイムに入るので、平均カウントレートは正しいままです。閉じて計数に戻る（または Esc）で戻ります。10 分間操作しないと自動で閉じて計数に戻ります。

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1. 1計数停止中 — 止まっている時間
2. 2閉じて計数に戻る
3. 3トリガー / 連続 — しきい値を超えたときに撮るか、撮り続けるか
4. 4レート上限 — 1 秒に送る波形の数（1〜20）。Bluetooth では低めに
5. 5再アーム（しきい値 −） — 次を撮れる状態に戻す水準は、しきい値からいくつ下か（初期値 5）
6. 6残光 — 前の波形を薄く残す本数
7. 7縦軸を自動で合わせる — 初期値はオフ（写真はオンで撮っています）
8. 8一時停止 / クリア
9. 9.wfm で保存 — 表示中の波形をファイルに
10. 10波形 — いちばん新しいものが濃い線。赤い点線がしきい値で、線（右端のつまみ）をつかんで上下にドラッグすると、離したところが基板に設定されます。↑↓ キーでも動かせます（Shift で 10、PageUp / PageDown で 100）。青緑の点線が再アームの水準で、しきい値と一緒に動きます
11. 11ピーク ADC・t_peak・波形の数・波形/秒・壊れた行

見えているのはアンプの生の信号ではなく、ピークホールド回路の出力です。立ち上がって頂点で止まり、ゆっくり下がってからリセットされる形になります（付録 C の図）。

撮り方（トリガー / 連続）と再アーム

上の画面写真の 3 が トリガー / 連続 の切り替え、5 が 再アーム（しきい値 −） の入力欄です。縦軸を自動で合わせる設定（7）は、初期値ではオフです（縦軸は 0〜4095 のまま）。

• トリガー（初期値）— A0 がしきい値を超えたときだけ波形を撮ります。1 本撮ると、A0 が再アームの水準以下に戻るまで次を撮りません。
• 再アーム — 再アームの水準は「しきい値 − 入力欄の値」です（初期値 5。しきい値が 120 なら 115）。波形の画面に青緑の点線で常に出て、しきい値の線をドラッグすると一緒に動きます。入力欄の値を大きくすると、再アームの線がしきい値から離れます。空欄にして外へ出ると、初期値の 5 に戻ります。
• 連続 — トリガーを待たずに、いちばん新しい 161 点の窓を、レート上限の間隔で撮り続けます。ベースラインやノイズを見るときや、しきい値に届かない小さな信号を探すときに使います。トリガーの縦の点線はなくなり、横軸は「窓の中の時間」になります。

v1 のページのオシロにも、同じ トリガー / 連続 と 再アーム（しきい値 −） があります（v1 の 2 つのファーム、ESP32-S3 版と Arduino Nano 版を、更新したスケッチに書き込み直したとき）。再アームの水準は、v1 でも「しきい値 − 入力欄の値」（初期値 5）で、オシロだけが使います。計数のリセットしきい値（THRESH:信号,リセット）とは別です。v1 のページでも、しきい値の線（右端のつまみ）をつかんで上下にドラッグでき（↑↓ キーでも。Shift で 10、PageUp / PageDown で 100）、再アームの線が一緒に動きます。離したところで SET_THRESH:信号,リセット を 1 回送ります。Arduino Nano 版はこの 2 つの値の形しか受けないので、リセットのしきい値は「信号 − 今の差」で一緒に決めて送ります（差は引く前のまま。信号を下げすぎてリセットが 0 になっても、差は覚えています）。ESP32-S3 版にも同じ形で送ります。

08詳細設定

上の帯の 詳細設定 で右からパネルが開きます。上の目次で節に飛べます。基板の設定は検出器をつないでいるときだけ変えられます。「基板: …」の行は、検出器が今使っている値です。

トリガーとしきい値

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1. 1トリガーモード — Analog / Digital / Dual（下の図）
2. 2信号しきい値（0〜4095）— Analog と Dual で使う
3. 3自動校正 — ノイズを約 1 秒（100 回）測り、その最大値にマージン（初期値 50）を足してしきい値にする。光が入らない状態で
4. 4コンパレータしきい値（PWM duty 0〜255）— Digital と Dual で使う
5. 5Auto PWM — しきい値を掃引し、ノイズの反応が目標（回/秒）以下になるところに合わせる（約 8 秒）。Digital・Dual にしたら一度実行

検出器の機能・音と振動

検出器の機能 — microSD への記録・外部検出器の読み取り・OLED 画面・ブザー・振動モーターを、それぞれスイッチでオン／オフできます。使わない機能を止めると、デッドタイムが減り電池が長持ちします。設定は検出器に保存され、次の起動でも残ります。

音と振動 — 信号が大きいほど高い音・長い振動になります（対数）。最低 / 最高の周波数、音の長さ、振動の最短 / 最長を設定し、鳴らしてみる / 振動させてみる で確かめられます。音は計数を妨げません。振動のテストのあいだ止まった時間はデッドタイムに入ります。

表示・接続

• グラフの更新間隔 — 1 秒 / 3 秒 / 10 秒 / 手動（今すぐ更新）。
• 接続先 — USB の VID:PID、Bluetooth の名前、基板のアドレス。どの基板につながっているかの確認に使います。
• Bluetooth の名前 — 英数字と記号で 1〜19 文字。名前を変えて再起動 で検出器に保存され、再起動後に新しい名前になります。教室で何台も使うときは、1 台ずつ別の名前にしておくと便利です。

09サーバーへの送信

詳細設定 > サーバー送信 から、測定イベントを観測サーバー（cosmicray-server）へリアルタイムに送れます。

送信の手順

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1. 1サーバー URL（例: http://accel-kitchen.com:3000）
2. 2観測局 ID とパスワード — ID がサーバー上の保存先の名前になる。必要なら装置ラベル（1 か所に何台もあるときの区別）と緯度・経度も
3. 3パスワードを保存 — 共用のパソコンでは使わない（下の注意）
4. 4送る量 — 回線が細いときや計数率が高いときは減らす（自動保存は全件のまま）
5. 5ログイン を押してから 送信開始
6. 6状態 — 下の表。その下の行は 送信 / 待ち / 間引き / 破棄 / 拒否 の件数

表示の見方

送られる項目

パスワードの扱い

ふつうはパスワードを保存せず、タブを開いている間だけメモリに持っています（夜通しの測定中に認証が切れても、自動でログインし直せるように）。測定が終わったら ログアウト で消してください。サーバー URL が http:// のときは、パスワードとデータが暗号化されずに送られる旨の注意が出ます。

10解析（プロッター）

上の 解析 で開きます。保存したファイルを読み込むだけなので、検出器は要りません。v2 の .dat / .csv のほか、v1 のページで保存した .dat と、microSD のログ（LOG0001.TXT など）も読めます。ファイルはこのパソコンの中だけで読み、どこにも送りません。

ADC ヒストグラム

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1. 1測定データのファイルを選ぶ
2. 2ビン幅と、ADC の範囲（任意）
3. 3時間の範囲 — 何秒目から何秒目までを使うか
4. 4バックグラウンド — 線源なしで測ったファイル。倍率はライブタイムの比で自動（手で入れても良い）
5. 5バックグラウンドを引く・対数・keV（keV は校正があるとき）
6. 6イベント数・平均・中央値・標準偏差
7. 7グラフ — 黒い棒が差し引いた結果、青い線が測定、赤い点線がバックグラウンド。ドラッグで拡大、ダブルクリックで戻る

天頂角分布

検出器を傾けて、真上（0°）から 15° ずつ向きを変えてカウントレートを測ると、宇宙線（ミューオン）が真上から多く、横からは少なく降ってくることを確かめられます。

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1. 11 角度あたりの測定時間 — 誤差（√N）の計算に使う
2. 2R(θ) — 各角度のカウントレートを入れる。比と誤差は自動で出る
3. 3cosⁿθ でフィット — n と R² が出て、グラフに線が引かれる

エネルギー校正

ADC の値をエネルギー（keV）に直すための式を、線源の既知のγ線から作ります。

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1. 1線源を置いて測ったファイルを読み込む
2. 2線源を選んで 線源のピークを入れる — 表にγ線のエネルギーが入る
3. 3ピークを自動で探す — 候補に ▼ が付く
4. 4ピークをクリック — 選んでいる行の Peak ADC に入る（ガウス近似でビンより細かく）
5. 5選択 — クリックで値を入れる行
6. 6Peak ADC — 手で入れても良い。FWHM と分解能も出る
7. 7校正の式と R² — 1 次は 2 点、2 次は 3 点以上で計算

校正はブラウザに自動で保存され、ADC ヒストグラムのタブで 横軸を keV に すると、ほかの測定データにも使えます。.json に書き出して、別のパソコンに持っていくこともできます。

11困ったとき

アプリ

検出器

12用語集

SiPM

Silicon Photomultiplier（シリコン光電子増倍管）。シンチレーターが出す弱い光を電気の信号に変える素子。

ADC

信号の大きさを数にしたもの。この検出器では 0〜4095（12 ビット）。大きいほどエネルギーが大きい。

ピークホールド

パルスのいちばん高い電圧をしばらく保つ回路。マイコンが落ち着いて読めるようにするため。

コンパレータ

信号がしきい値を超えたかどうかを回路で判定する部品。しきい値は PWM の duty で作る。

Duty

PWM の信号が HIGH になっている時間の割合。0〜255 で表す。平均電圧 ≈ duty × 電源電圧 ÷ 255。

デッドタイム

1 イベントを処理している間など、次の信号を数えられない時間。

ライブタイム

経過時間からデッドタイムを引いた、実際に数えていた時間。カウントレートはこれで割る。

コインシデンス

複数の検出器がほぼ同時（µs 程度）に反応すること。貫いて通る粒子（ミューオンなど）だと確かめるのに使う。

BLE / NUS

Bluetooth Low Energy / Nordic UART Service。無線でシリアル通信のようにやりとりする仕組み。

付録 Aファイルとログの形式

検出器が送る行

イベントのたびに、USB と Bluetooth の両方へ 1 行ずつ送られます。空白区切りです。microSD のログも同じ形です。

### Event Time[us] ADC[0-4095] Deadtime[us] Temp[C] Hum[%] Press[hPa] Dig1 Dig2 Dig3 Ana1 Ana2 Ana3
42 18732450 1940 1203000 24.3 48.2 1013.2 1 0 1 2448 112 2804

このアプリが保存するファイル

上の列の 2 列目に PC_Timestamp（このパソコンの時計、UTC、末尾 Z）を足した形です。そのため 3 列目以降は、検出器の行より 1 つ右にずれます。.dat はタブ区切り、.csv はカンマ区切りです。

# 屋上・水平・晴れ                       ← メモ
# Source: CosmicRay Recorder v2
# Device: CosmicRay
# Trigger mode: ANALOG
# Signal threshold: 120 / 4095
# Event	PC_Timestamp	Time[us]	ADC[0-4095]	Deadtime[us]	Temp[C]	Hum[%]	Press[hPa]	Dig1	Dig2	Dig3	Ana1	Ana2	Ana3
1	2026-10-07-03-12-45.118Z	18732450	1940	1203000	24.3	48.2	1013.2	1	0	1	2448	112	2804

cols = ['Event', 'PC_Timestamp', 'Time_us', 'ADC', 'Deadtime_us', 'Temp_C', 'Hum_pct', 'Press_hPa',
        'Dig1', 'Dig2', 'Dig3', 'Ana1', 'Ana2', 'Ana3']
df = pd.read_csv(path, sep='\t', comment='#', header=None, names=cols)

付録 Bコマンド一覧

このアプリのボタンは、内部で次のコマンドを検出器に送っています。シリアル（9600 bps）か BLE の RX に書き込むと、手で送ることもできます。改行（LF か CR）で確定します。設定は検出器の Preferences に保存され、次の起動でも残ります。

しきい値・トリガー

コンパレータのしきい値（PWM）

オシロスコープ

ブザー

振動モーター

機能のオン / オフ

システム

Bluetooth（Nordic UART Service）

検出器は 20 バイトずつに分けて送り、受け取る側で 1 行につなぎ直します。このアプリのほか、スマホの汎用 BLE ターミナル（iOS: Bluefruit Connect、Android: Serial Bluetooth Terminal / nRF Connect）でも、UART モードで行を見たりコマンドを送ったりできます。

付録 Cハードウェアとピン

v1 からの主な変更

Nano ESP32 のピン

信号の流れ

振動モーターの配線

付録 Dファームウェアの書き込み

用意するもの

• Arduino IDE 2.x（または PlatformIO）
• ESP32 Arduino Core（ボードマネージャで esp32 by Espressif Systems）
• USB Type-C ケーブル

ライブラリ

BLE と Preferences は ESP32 Arduino Core に入っているので、別に入れる必要はありません。

書き込みの手順

1. v2/COSMICRAY_DETECTOR_ESP32-S3-Nano-v2/COSMICRAY_DETECTOR_ESP32-S3-Nano-v2.ino を Arduino IDE で開きます。
2. ツール > ボード で Arduino Nano ESP32 を選び、USB CDC On Boot を Enabled にします。
3. ポートを選びます（Windows は COMxx、Mac は /dev/cu.usbmodem…）。
4. ✓（検証）でコンパイルし、→（書き込み）で書き込みます。
5. シリアルモニタ（9600 baud）に Booting v2... と出れば完了です。

起動の流れ

1. 電源を入れると Booting v2... を送ります。
2. 保存してある設定を読みます（初めてのときは自動校正）。
3. Bluetooth の広告を始めます（名前は最初 CosmicRay）。
4. OLED にオープニング画面を出します。
5. BME280 を探します（0x76 → 0x77）。
6. 計測を始めます。

OLED の表示

Accel Kitchen v2
Cnt:123  T:00:05:42
Rate: 0.41+/-0.04
Thr:30 Duty:7
Temp:24.3C

Cnt は累計のイベント数、T は経過時間、Rate は平均レートと統計誤差、Thr / Duty は信号しきい値と PWM duty、Temp は温度です。

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