SPECT(Single Photon Emission Computer Tomography ) SPECT FWHM 3 4mm [] MPPC SPECT MPPC LSO 6mm 67.5 photo electron 78% kev γ 4.6 photo electron SPECT

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1 3 SPECT SJ

2 SPECT(Single Photon Emission Computer Tomography ) SPECT FWHM 3 4mm [] MPPC SPECT MPPC LSO 6mm 67.5 photo electron 78% kev γ 4.6 photo electron SPECT 9ch MPPC array mm(sigma)

3 . SPECT Co LSO MPPC LSO MPPC i

4 . SPECT SPECT(Single Photon Emission Computer Tomography ) γ γ. Siemens SymbiaT6 PET(Positoron Emission Tomography ) PET SPECT γ PET PET SPECT PET SPECT PET * SPECT. SPECT γ γ * SPECT PET

5 γ γ FWHM 3 4mm []. [7] SPECT γ γ R s = Ri + R g (.) R s R i R g.3

6 [] R g = d (a + b + c) a (.) d a b c γ (.) d a.3.4 MPPC( 3 ) γ

7 4.4 (.) c PMT MPPC d mm R i MPPC SPECT γ kev MeV γ γ 3

8 . 5. γ I dx I dx d I I = I exp( µd) (.) µ (linear absorption coefficient) µ = µ pe + µ cs + µ pc (.) µ pe,µ cs,µ pc (photoelectric effect) (Compton scattering) (electron pair creation) γ /e (mean range) (.) /µ g/cm µ (mass absorption coefficient).. γ hν hν I I γ I K γ K 8% K X γ K (hν << m e c ) Z K (.3) σ p (K) = σ T 4 Z ( me c hν ) 7 Z 5 (hν) 7/ (.3)

9 6 σ T (Thomson scattering) σ T = 8π 3 r e = cm (.4) r e (.5) 3 Z 5 m e c σ p (K) = σ T 37 4 hν exp πα + α ( ln α) (.5) α = Z/37 σ p (K) γ (m e c = 5keV) (hν) 7/ (hν) ν I << hν << m e c [6] µ pe NZ 5 (hν) 7/ (.6) N cm 3 γ.. γ γ hν γ hν (.7) hν = hν + ( cos θ) hν m e c γ γ θ E (.7) E = hν hν = hν m e c + hν ( cos θ) (.8) (.8) E max γ 8 γ (θ = π)

10 . 7 γ (Compton edge) (.8) hν << m e c E hν >> m e c E hν - [5] dσ dω = r e [ + γ ( cos θ)] γ = hν /mc ( ) + cos θ + γ ( cos θ) + γ ( cos θ) (.9) dω (.) σ C = πr e ( + γ γ [ ( + γ) + γ ] ln ( + γ) + ln ( + γ) γ γ. + 3γ ( + γ) (.) (.9) µ cs hν >> m e c µ cs NZ ( ln γ + ) hν (.) (.) hν γ.mev )..3 (Rayleigh scattering) (.) ( ) 4 ω ω 4 (.) σ R = 8π 3 r e ω

11 8. [5] 4 ω γ kev..4 γ γ hν m e c =.MeV [6] µ pc NZ ( hν mc ) for hν m e c µ pc (.3) NZ ln hν for hν m e c (.3) hν µ pc µ Z Z 5 µ Z Z

12 . 9. γ. γ kev ev γ γ Z eff.. NaI:Tl 3

13 3 NaI:Tl BGO PET [9] NaI:Tl BGO GSO LSO YSO [g/cm 3 ] [cm] [ns] [ ] λ em [nm] (at λ em ) ev.5ev 3 3. Co Co 3. (Electron capture:ec) p + e n + ν e (3.)

14 3. Co Co [4] β +.MeV 57 Co 836keV 57 Fe

15 3 3. LSO LSO Lu SiO 5 : Ce LSO Ce Ce d-4f mm mm mm 3.4 LSO 3.3 SPECT γ LA 6mm 3.5.mm.8mm 4%

16 MPPC mm 6mm 3.5 MPPC * MPPC(Multi-Pixel Photon Counter) 3.6 MPPC(S57-5P)[8] *

17 4 3 MPPC.. 3. (<7 V *3 ) 4. ( 6 ) 5. S57-5P 3.6 SMD(Surface Mount Detector) MPPC SMD (.4mm.9mm.9mm) 3.5. MPPC MPPC p n APD(Avalanche Photo Diode) MPPC Si-PM(Silicon Photomultiplier) APD APD p n E g hν = E g (3.) h ν pn p n *3 S57-5P

18 3.5 MPPC [] 3.8 [] APD APD APD MPPC APD MPPC 3.9 MPPC [] 3. APD []

19 6 3 実験装置 MPPC の受光面を構成する APD はブレイクダウン電圧より数ボルト程度高い逆バイ アスを印加することでガイガーモードで作動する このとき 光子が入射して電子雪崩降 伏が起こったピクセルから ピクセル一つ一つに直列に接続されたクエンチング抵抗へ電 流が流れると電圧降下が起こる その後再充電によって逆バイアスは元に戻り 再びガ イガーモードで動作できるようになる この再充電にかかる時間は数ナノ秒と言われて いる 個々の APD が並列に接続されているため MPPC の出力信号は受光面を構成するピ クセルすべての出力信号の和となる 同時に複数のピクセルが信号を出力した場合に MPPC の出力信号の高さや積分電荷量を測定することで入射光子数を計数できる 3.6 エレクトロニクス ここでは検出器からの信号を扱うための電子回路などについて説明する 3.6. MPPC の読み出し回路 本研究では 9 チャネルの MPPC からの信号を同時に読み出せる回路が必要となる そ こで図 3. のような読み出し回路を用意した これには 9 チャネル分の MPPC それぞ れについてフィルター回路とバイアス調整用の可変抵抗器が実装されている 全体に共通 の HV をかけ MPPC のアノード側にあるローパスフィルターと HV 供給端子の間に可 変抵抗を挟み アノード側の GND からの電位を調整できる 図 3. 使用する MPPC アレイ 図 3. MPPC アレイ用の読み出し回路 3.6. NIM モジュール NIM(Nuclear Instrument Modules) とはアメリカ原子力委員会 (AEC) において 966 年に制定された 放射線測定モジュール標準規格 TID893 に準拠した標準規格をさす

20 3.6 7 NIM NIM NIM.35inch(3.43cm) 8.75inch(.5cm) ±6V,±V,±4V V.8V NIM ASD Buffer(ASD amp.) ASD amp. MPPC NIM ASD Buffer ASDamp. MPPC 3.4 ASDamp. Discriminator Discriminator threshold ADC FAN-IN/OUT FAN-IN/OUT OR 9ch MPPC array Discriminator NIM OR ADC Gate Generator Gate Generator NIM ADC Clock Generator

21 8 4 Clock Generator NIM LED ADC ADC(Analog to Digital Comverter) ADC (CAEN-V79N) VME NIM VME bit ADC 6 4pC NIM 6 AD.8µs 4 4. LSO LSO MPPC 57 Co kev γ 4. MPPC MPPC S57-5P V +.5[V] 4ns ADC Attenuator

22 4. LSO ADC kev γ 67.5 photo electron Direct LSO DATA 5 Entries 4 Mean 534 RMS χ / ndf / 4 Constant 479 ± 5.3 Mean 57 ± 4.9 Sigma ± Channel 4. MPPC 4.3 MPPC LSO mm 6.mm Discriminator

23 4 threshold Attenuator ADC Co-57 DATA Entries Mean 736 RMS χ / ndf 93 / 5 Constant 3595 ± 5. Mean 837 ±.7 Sigma 38 ± Channel photo electron 8%

24 4. MPPC [mm] [p.e.] 4.5 Photo Electron 5 PhotoElectron-FiberLength χ / ndf.7 / 6 p -.76 ±.6 p 5.76 ± Fiber Length [mm] 4.5 σ 5cm 85cm cm. photo electron y 5.8 photo electron 67.5 photo electron /5 LSO MPPC 4. MPPC MPPC MPPC 9 APD G Q (4.) Q = e G (4.)

25 4 e Q ch3hv65.5led DATA Entries Mean RMS Channel 4.7 LED ADC ADC 4.7 5ch photo electron photo electron ADC photo electron d

26 ADC r A G = d r A e (4.) ADC r = fc/adc channel A = 596 (4.) d 4.8 MPPC Gain Gain Gain ch4 3 / ndf χ.775 / 3 p e+5 ±.44e ±.4355 p Bias Voltage [V] 3 ch3 χ / ndf 4.87 / 4 p 3.738e+5 ± p ± Bias Voltage [V] 3 ch χ / ndf.63 / 4 p 3.58e+5 ± p ± Bias Voltage [V] Gain Gain Gain ch5 3 / ndf χ / 3 p 9 3.7e+5 ±.573e ±.5339 p Bias Voltage [V] ch6 3 / ndf χ / p e+5 ± 3.66e ±.447 p Bias Voltage [V] 3 ch χ / ndf / 4 p 3.6e+5 ± p ± Bias Voltage [V] Gain Gain Gain 3 ch7 χ / ndf / 4 p 3.44e+5 ± p ± Bias Voltage [V] 3 ch8 χ / ndf 5.89 / 4 p 3.663e+5 ± p ± Bias Voltage [V] ch9 3 / ndf χ.6596 / p e+5 ±.55e ±.537 p Bias Voltage [V] 4.8 MPPC MPPC mm 6mm 3mm 5 ADC MPPC kev ± 8keV 4.3

27 4 4 検証実験 が検出器面を横切ってゆくのが見て取れる 複数のチャネルで検出されているのは主に線 源パッケージの大きさがコリメータ開口径よりも大きいことによる寄与である また線源 を置かずに計測したのが図 4. であり 多少のばらつきが認められる このバックグラ ウンドイベントを作るのは LSO シンチレータ内部に微量含まれる 76 Lu と 鉛コリメー タを貫通してきた大気放射線であると考えられる 図 4.9 試作した検出器 図 4. 試作検出器での計測 HIT HIT x[mm] x[mm] 図 x[mm] x[mm] HIT y[m m] x[mm] HIT 8 8 y[m m] HIT x[mm] y[m m] HIT y[m m] y[m m] y[m m] HIT HIT y[m m] x[mm] y[m m] x[mm] 線源を移動したときの検出器の応答 マトリクス型検出器と位置分解能 3 3 マトリクスタイプでは位置分解能の評価が難しいと判断し シンチレータを一列 に並べた 9 タイプの検出器を作成し位置分解能を評価した 図 4.9 に対して 水平方 向一列に計 9 つのコリメータホールを選び その中にシンチレータを挿入した 読み出

28 5 HIT y[mm] x[mm] 4 4. MPPC 3 3 MPPC ADC Hit 5 χ / ndf 86.6 / 8 p 33.8 ± χ / ndf 5. / 5 p 4 ± 8.8 p.8 ±.649 p.8 ±.7836 p ± 8.56 Hit [mm] [mm] σ =.mm MPPC LSO SPECT.mm(sigma)

29 6 5 mm(sigma) LSO 76 Lu MBq 5. LSO LSO Lu Y YSO YSO MPPC LSO 3 3

30 Lu LSO LSO Lu SiO 5 : Ce Lu 76 Lu Lu γ 5. Lu 76 Hf γ 88keV kev SPECT Lu γ [] β γ Lu []

31 8 5 LSO 76 Lu g LSO Lu SiO 5 M = 458 g/mol LSO g N LSO N A N LSO = N A M =.34 (5.) N LSO LSO Lu N Lu = N LSO 76 Lu.59% g LSO 76 Lu N N =.59 N Lu = (5.) A τ A = ln τ N = 4.8 Bq/g (5.3) 76 Lu 76 Hf 5.

32 5. 9

33 3 [] MPPC () [] GEM (9) [3] MPPC PET () [4] Ian Rittersdorf Gamma Ray Spectroscopy Nuclear Engineering & Radiological Sciences(7) [5] William.R.Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments Springer-Verlag(993) [6] (978) [7] () [8] HP< [9] HP< [] Table of Radioactive Isotopes<

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