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1 シンチレーションカメラ ( MeVγ カメラ散乱 γ 検出部 ) の製作 京都大学宇宙線研究室 M1 西村広展 1 散乱 γ 線カメラ 2 アンガーカメラ 3 ピクセルカメラ

2 1 散乱 γ 線カメラ 二次元位置分解能数 mm エネルギー分解能 Energy band 100keVから2MeV 吸収係数大 大面積 (30cm 30cm) 5 安価 低電力 大強度 シンチレーターの利用 gamma-ray

3 シンチレーター形状光デバイス読み出し回路 アンガー型 PMT PD MultiAnode SingleAnode APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し抵抗分割読み出し ピクセル型 PMT PD MultiAnode PIN PD APD 全 CH 読み出し 抵抗分割読み出し 全 CH 読み出し

4 γ-ray シンチレーターの形状 アンガー型 ピクセルアレイ型 γ-ray 一枚結晶 複数 PMT 光量重心分布で位置を計算 大きな結晶ができれば簡単 ピクセル結晶 光デバイス 一対一対応 位置分解能が良くなる

5 2 アンガーカメラの製作 シンチレーター形状光デバイス読み出し回路 アンガー型 PMT PD MultiAnode SingleAnode APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し抵抗分割読み出し シンチレーター安さ 大きさ 発光量 均一性 NaI(Tl) 厚さ 25mm ピクセル型 PMT PD MultiAnode PIN PD APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し 光デバイス安さ 大きさ 取り扱いやすさ single Anode PMT

6 アンガー型カメラの 製作 4 インチ角 NaI(Tl)+ 3/4 インチ PMT5 5 位置分解能 エネルギー分解能 10cm 有効面積 8cm 8cm MeVγ カメラに組み込み 散乱 γ を捕らえることに成功ただし 有効面積小 (MeVγ カメラの検出効率小 ) 大型化へ

7 大型アンガーカメラ 15インチ角 NaI(Tl)+ 2インチ角 PMT (HPK R6236) cm Count 位置分解能 エネルギー分解能 X-axis [cm] 37 cm 重心計算 30cm 角有効有効面積 ~70%vs 結晶面散乱 γ 検出確認

8 散乱ガンマ線検出部として 実用化 TPC パッケージ 37 cm アンガーカメラ TPC パッケージ 10cm アンガーカメラ 10cmTPC+10cmアンガーカメラ 10cmTPC+30cmアンガーカメラ さらに位置分解能と広面積を求めて ピクセル型へ

9 シンチレーター形状光デバイス読み出し回路 3 ピクセル型シンチレーションカメラ アンガー型 PMT PD MultiAnode SingleAnode APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し抵抗分割読み出し ピクセル型 PMT PD MultiAnode PIN PD APD 全 CH 読み出し 抵抗分割読み出し 全 CH 読み出し

10 ピクセルシンチレーターアレイの 製作 結晶種とピクセルサイズ CsI(Tl) (5~6mm 20mm) GSO (5~6mm 13mm) 51mm 反射材 エネルギー分解能にも強い影響 テフロン ゴアテックス ( ゴアテックス社 ) ESR フィルム (3M 社 ) アレイの組み立て ( 省略 ) 6mm 13GSO ピクセル 8 8 シンチレーター形状光デバイス読み出し回路 アンガー型 ピクセル型 PMT PD PMT PD MultiAnode SingleAnode APD MultiAnode PIN PD APD 全 CH 読み出し 抵抗分割読み出し 全 CH 読み出し 抵抗分割読み出し 全 CH 読み出し 抵抗分割読み出し 全 CH 読み出し

11 結晶種の選択 密度 (g/cm) 吸収係数 (cm -1 ) (@511keV) 減衰時定数 (ns) 光量 v.s.na(tl) NaI(Tl) 潮解性強 CsI(Tl) 潮解性弱 GSO ~ 潮解性無 サイズが小さくなる 高計数に有利

12 ピクセルアレイシンチレータ用 光デバイス 有効面積大かつ小さいピクセル光デバイスアレイ PhotoDiodeArray PIN 型 Si 半導体アレイ シンチレーター形状光デバイス読み出し回路 PMT アンガー型 PD MultiAnode SingleAnode APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し抵抗分割読み出し PD マルチアノードPMT 複数のアノード読み出しを持つPMT HPK FlatPanelPMT (H8500 H9500) PMT ピクセル型 MultiAnode PIN PD APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し

13 Si PIN フォトダイオードアレイ 4.5x4.5mm chアレイ大面積フォトダイオード 10cm 量子効率 [%] 10cm 量子効率 89%@540nm(CsI(Tl)λmax) 有効面積 81% 軽量低電力 信号小振動弱 分解能にノイズの影響が現れる 端子間容量 =10~15pF@70V 暗電流 =0.2~1.1nA@25

14 フォトダイオードアレイの評価 (1 ピクセル毎の読み出し ) X 線直接照射スペクトル エネルギー分解能 25 CsI(Tl) 読出しのエネルギースペクトル (4.5mm 角 20mm ピクセル ) 241 Am 137 Cs ただいま CsI(Tl) シンチレーターアレイ接着中あとは 400ch 読み出し回路のみ

15 フラットパネルPMT 浜松 H8500 50mm z 8 8 マルチアノード z12段 metal channel dynode zゲイン zrise z V time 0.8 ns Photo Cathode Coverage H8500 例えば 10cm角γカメラ 充填率 アノードゲインのUniformity 位のばらつきがある 2005/2 hakuba R7600(従来型)

16 信号読み出し回路 64ch すべて読み出すのは大変 抵抗チェーンで読み出し PMT 裏側 : 抵抗チェーン基板 Y Anode X 位置演算 Dynode

17 H8500+CsI(Tl) アレイ 抵抗チェーン読み出し H CsI(Tl) アレイ ( 6mm 20) (8 8) 137Cs(662keV) の全面照射 実際のサイズに較正 Energy resolution 9.0%@662keV(FWHM)

18 H8500+GSO アレイ 抵抗チェーン読み出し Energy resolution 9.8%@662keV(FWHM)

19 大面積化 FlatPanel H8500+GSOアレイを量産体制に 複数のPMTを抵抗チェーンで結んで読み出す ch 数を減らす 例 :3 つの PMT を結んで 16ch 読み出しに (PMT の裏側 ) あとはガスパッケージへ取付け

20 散乱 γ 線カメラ えりまき FlatPanelPMT+CsI(Tl)Array 8 4 つの PMT の両端読み出し抵抗チェーンをつなげて読み出す 4 つの PMT で 16ch で OK 8 つで 32ch 読み出し TPC パッケージ 15cm 角 10cmガス検出部の側面のうち約 60% をカバー

21 えりまき 上段プラス左側 Cs-137 ~10% 662keV 下段プラス右側 現在 MeVγ カメラに導入中

22 散乱ガンマ線カメラ れい (H8500 +GSO アレイ ) 3 アレイあ エネルギー分解能 ~10%(FWHM)@ 662keV 3 段 PMT を 3 3 あれいに並べる 16cm 角シンチレーションカメラ 有効面積 81%

23 Summary アンガーカメラ 30cm 角アンガーカメラ 30cm 角 TPC に対応可 ( 現在一台 ) エネルギー分解能 :8.5%(FWHM@662keV) 位置分解能 10mm(FWHM) アレイピクセルカメラ FlatPanelPMT H8500+ アレイシンチレーター (6mm ピッチ ) 抵抗チェーン読み出し (VA TA の利用?) CsI(Tl) アレイ 8 台 ( エリマキ ) GSO アレイ 9 台 ( アレイあれい ) エネルギー分解能 10%(FWHM@662keV) 位置分解能 4~6mm(FWHM) GSO アレイで量産開始

24 おわり つづいて服部さんの μ-pic のお話

25 アンガー型 PMT PD MultiAnode SingleAnode APD 全 CH 読み出し抵抗分割読み出し全 CH 読み出し抵抗分割読み出し ピクセル型 PMT PD MultiAnode PIN PD APD 全 CH 読み出し 抵抗分割読み出し 全 CH 読み出し

26 array 型シンチレータの製作 結晶の種類 : CsI(Tl)6 6 20mm 厚浜松ホトニクス社 64 本 (8 8) フラットパネルPMTのアノードピッチ表面状態 :6 面鏡面反射材 :ESR ポリエステル系樹脂を用いた多層膜構造 (65μm 厚 ) 3M 社 レーザー加工により折り目をいれる 充填率向上 84% 98% (Gore-Tex)(ESR) 篠崎製作所

27 放医研方式 アレイシンチレータの組み上げ CsI(Tl) 結晶 ガンマ線入射方向の反対側につける 50mm 50mm Arrayの側面を取り囲む 加工した ESR を結晶と結晶の 間に挟みこんでいくNaoko Inadama et al.ieee NSS & MIC,M6-27, mm 厚の array 完成! GSO 結晶でも同様に製作

28 Sensitivity Gap in MeV region kev MeV GeV TeV Sensitivity 1mCrab NeXT (2011) Goal All sky survey EGRET Air Cherenkov GLAST(2007)

29 Gamma-ray imaging 15 track of recoil e - energy and direction of scattered γ energy of incident γ : known Y [cm] 137 Cs(662keV) image No cut reconstruction Background rejection α geo : measured α α kin : calculated α from energy information α cut α geo ~α kin source X [cm] after α cut incident γ recoiled e - α geo -α kin Y [cm] scattered γ source X [cm] 15

30 Y Position[cm] Y Position[cm] No kinematical cut X Position[cm] Kinematical cuts! Resolution [FWHM, deg] X Position[cm] Imaging Performance 2 MEGA(Si+CsI(Tl)) SPD 84 SPD ARM MEGA non-tracked ARM Zoglauer et al, MEGA tracked ARM Gamma-Ray Energy [kev] Much better SPD than MEGA! First electron-tracking <1MeV! 4

31 Monte Carlo study with Geant4 ~30cm 入射 γ TPC 散乱 γ 反跳 e- ジオメトリ TPC: 30cm 立方, Xe 1.5atm ピクセルシンチ : 2.5cm 厚 CsI(Tl) 側面高さ 15cm 片端読み出し ARM [deg,rms] ARM のシンチカメラエネルギー分解能依存性 エネルギー分解能 11%,9%,7%,5%@662keV 散乱 γ Incident Gamma-Energy [kev]

32 Monte Carlo study with Geant4 ARM のシンチカメラ位置分解能依存性 ARM (RMS,deg) ピクセルサイズ :20,15,10,5,2,1(mm) Incident Gamma-Ray Energy(keV) シンチカメラのエネルギー分解能 位置分解能 共にARMに効いてくる要請値再構成 γ 線のARM 分解能位置分解能 :2.5mm(FWHM) エネルギー分解能 Fidutial, Kinematical カットに依存

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