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
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 9%(FWHM) @662keV 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
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
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
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
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 7mm @662keV(FWHM) エネルギー分解能 9.1% @662keV(FWHM) 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
大型アンガーカメラ 15インチ角 NaI(Tl)+ 2インチ角 PMT (HPK R6236)6 6 41.5 cm Count 位置分解能 10mm @662keV(FWHM) エネルギー分解能 8.5% @662keV(FWHM) 150 100 50 0-15 -10-5 0 5 10 15 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
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
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
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
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) 3.67 0.34 230 1 潮解性強 CsI(Tl) 4.53 0.44 1050 0.85 潮解性弱 GSO 6.71 0.70 ~60 0.18 潮解性無 サイズが小さくなる 高計数に有利
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
Si PIN フォトダイオードアレイ 4.5x4.5mm 2 20 20ch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
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 2.3keV(FWHM) @59.5keV 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 ) 7.5%(FWHM) @662keV 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
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 106-1000V 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 1 2.6 位のばらつきがある 2005/2 hakuba R7600(従来型)
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
H8500+CsI(Tl) アレイ 抵抗チェーン読み出し H8500 + 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)
H8500+GSO アレイ 抵抗チェーン読み出し 8 7 6 5 4 3 2 1 5 Energy resolution 9.8%@662keV(FWHM) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
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
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
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
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%
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
おわり つづいて服部さんの μ-pic のお話
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
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
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,M6-27,2002 50 50 20mm 厚の array 完成! GSO 結晶でも同様に製作
Sensitivity Gap in MeV region kev MeV GeV TeV Sensitivity 1mCrab NeXT (2011) Goal All sky survey EGRET Air Cherenkov GLAST(2007)
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 -15-15 X [cm] 15 15 after α cut incident γ recoiled e - α geo -α kin Y [cm] scattered γ source -15-15 X [cm] 15
Y Position[cm] Y Position[cm] 60 40 20 0-20 -40-60 60 40 20 0-20 -40-60 No kinematical cut -60-40 -20 0 20 40 60 X Position[cm] Kinematical cuts! Resolution [FWHM, deg] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10-60 -40-20 0 20 40 60 X Position[cm] Imaging Performance 2 MEGA(Si+CsI(Tl)) SPD 84 SPD ARM 34 12 MEGA non-tracked ARM Zoglauer et al, 2004 3 MEGA tracked ARM 10 10 Gamma-Ray Energy [kev] Much better SPD than MEGA! First electron-tracking <1MeV! 4
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 3.7 @500keV 2.3 @500keV 散乱 γ Incident Gamma-Energy [kev]
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) 5.7 @500keV 3.3 @500keV 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) 5.3 @300keV, 3.4 @1MeV(RMS) エネルギー分解能 :7.5%@662keV Fidutial, Kinematical カットに依存