Pixelシンチレーターアレイと フラットパネルPMTを用いた 3次元反応位置検出装置 P6 DOI班 青山　聡 岩城　智 今回僕達は、PixelシンチレーターとフラットパネルPMTを用いて ３次元反応位置検出装置の開発について基礎実験をしました。

目次 1. 概要、目的 （岩城） 2. 実験装置 2-1.検出部 （岩城） 3. 本実験 1.　概要、目的 （岩城） 2.　実験装置 2-1.検出部 　　 （岩城） 2-2.読み出し部 （青山） 3.　本実験 3-1.　位相をずらすことによる三次元位置検出 （青山） 3-3.　時定数の違いによる三次元位置検出 （岩城） 4.まとめと課題 （岩城）

MeVγ線コンプトンカメラにおける PSA（Pixel Scintillator Array） その検出部は、μ-picを用いたTPC部と、それを囲むPixelシンチレーターアレイ、PSAからなっています。 これはコンプトン散乱したγ線に対して、 散乱γ線と反跳電子を同時に捕らえてコンプトン散乱を再構成することにより、 入射ガンマ線の到来方向を決定しようというものです。 そのなかで、PSAは、散乱γ線を捕らえ、役割を持っています。クリック PSA (Pixel Scintillator Array)は、クリック その名の通りピクセル化されたシンチレーターを用いたγ線検出装置です。 検出の仕組みですが、まず、γ線が、Array全体の中のある一つのPixelで光電吸収されます。クリック すると、そのPixelのScintillatorがScintillation光を発します。クリック このScintillation光は、Pixel間に挟まれた反射材によって、他のPixelに広がることなく、そのPixelの真下の読み出し装置、この場合はPMTに入ります。クリック このようにして、γ線が二次元平面上のどのPixelで反応したのかを知ることができます。

PSAの課題 １MeV γ線エネルギーが大きいと・・・ 通り抜けてしまう。 ⇒検出効率が低い Scintiを厚くすると・・・ エネルギー(keV) 全効率(%) (NaI) 32% 54% １MeV 40mm 20mm 69% 60mm Glenn F.Knoll Radiation Detection and Measurement γ線エネルギーが大きいと・・・ 通り抜けてしまう。 ⇒検出効率が低い Scintiを厚くすると・・・ 検出効率はよくなるが Aに入ったのかBに入ったのか 見分けがつかない ⇒Δφの違い！ A γ線のエネルギーが大きくなってMeV程度にと、クリック Scintillatorが薄いと阻止能が足りず、 γ線が貫通してしまいます。 これは、クリック検出効率の低下につながります。 かといって、Scinntilatorを厚くすると、クリック 検出効率はよくなりますが、クリック このように下の方で相互作用したものと、クリック このように上のほうで相互作用したものを見分けることができず、クリック コンプトン点から反応点に対して、クリック ⊿φだけの広がりができてしまいます。 B

シミュレーション ⊿φ ⊿φ 　Scintillatorが厚くなると 　角度分解能が低下 ⇒深さ方向の反応位置 　　(Depth Of Interaction 　　　　　　　　　　　　　,DOI) 　　　　　　　　　が知りたい

目標 最終目標 DOI検出 ⇒γ線到来方向決定精度を損なわず Scintillatorを厚くできる。 ⇒検出効率向上 以上のことから、DOIを検出できるようなPSAを作ることで、 強γ線に対して検出効率を高くすることができるだけでなく、γ線コンプトンカメラとしてのγ線到来方向決定精度も向上することが期待できます。 今回はその基礎実験として、実際にDOIを検出することを目標としました。

DOI (Depth Of Interaction )検出法 Phaseずらし 時定数法 両面読み出し 現在考えられるDOI検出法としては、クリック シンチレーターをずらして二次元で読み取るPhaseずらし法、クリック 異なる蛍光減衰定数を持つシンチレーターを使う時定数法、クリック シンチレーターの上下から読み出す両面読み出し法などがあげられます。 今回はそのうち、クリック Phaseずらしと時定数法について実験を行いました。 今回は Phaseずらし 時定数法 を行う。

２．実験装置 検出部 ・・・ シンチレーター 光輸送 ＰＭＴ 読み出し ・・・ 抵抗チェーン 読み出し回路(ＤＡＱ)

GSO及びBGO Pixelシンチレーター NaI（Tｌ） 化学式 Gd2SiO5 (Ce 0.5mol%) Bi4Ge3O12 密度(g/cm3 ) 6.71 7.13 3.67 放射長(mm) 13.8 11.1 26 減衰時間(ns) 59 300 230 相対蛍光集率 20% 7～12% 100% ⊿E/E(FWHM)@662keV 約9% 約15% 約8% 今回使ったシンチレーターのサイズや特性です。 シンチレーターはGSOのCe0.5mol%とBGOの二種類を使いました。 5.9×5.9×13.0mmと5.9×5.9×11.0mmです。 GSO、BGOは、共に密度が高く、放射線の阻止能に優れています。また、潮解性がなく、扱いやすいという長所があります。 この二つのシンチレーターの違いの一つに、発光減衰時間の違いがあります。表の通り、BGOはGSOに比べて5倍程長い減衰時間を持っています。今回の実験の一つとして、これを利用してDOIの検出を試みました。これについてはまた後ほど詳しく述べます。 今回使ったPixel Scinti.のサイズ GSO:6×6×13(mm3) BGO:6×6×11(mm3)

光輸送 各Pixel間 反射材(３M社製ESR) 厚さ: 65μm 反射率: 98%以上 Scinti-PMT間 反射率: 98%以上 Scinti-PMT間 オプティカルグリス (応用光研製)

マルチアノードＰＭＴ 浜松ホトニクス H8500 Size:52mm×52mm (有感49mm×49mm) 8×8=64ch 1pixel 5.8mm×5.8mm Gain　～106倍　@-800V Anode uniformity 1:1.6 Rise time 0.8ns 8 pixel 52 mm 次にPMTです。 PMTとして浜松ホトニクス社製のH8500を使いました。 これは8×8＝64chのマルチアノードを持ち、52mm×52mmの表面のうち、89％の広い有感領域を持っています。 １pixelは5.8mm×5.8mmです。 ゲインは10^6倍程度、アノードのゲインの一様性は1：2程度です。 裏面はクリック このようになっております。 また、RiseTimeは0.8nsで、シンチレーターの時間特性に対して十分早くなっています。 アノードピッチ :6.08mm（端のみ6.26mm） ダイノード :12段メタルチャンネル 今回使った個体 :AA-0365 アノード一様性 :1：1.6 52mm 8pixel

8pixel (49mm) 8pixel (49mm) 13 mm 6mm 6mm 41 mm 検出部が出来上がるまでの様子です。 64個のPixelシンチレーターを組み合わせて、8×8のPSAを作ります。各Pixel間は、ESRで分けられています。 それをフラットパネルPMTに付けます。PSAとPMT間は、応用光研製Optical Griceを使いました。 そしてこれを抵抗チェーンにガスッとさし、外側を遮光幕で覆えば検出部の完成です。

読み出し回路(DAQ) 1.8V 40.0μs データ読み出し回路、DAQの様子です。 PSAでおこったScintillation光は、MAPMTの光電面で電子に変換され、Dynodeで増幅されて64ch分のAnode信号になります。それを抵抗分割により16chにまとめ、Pre AmpとShaperに通して整形した上で、PHADCに入れます。最終的にPHADCで得た16ch分の波高値が１eventに対するDataとなります。 PHADCに対するGATEは、Pre Ampでの信号を足し合わせたものをDiscriに通し、そこからGate Generatorなどを通してGATEとしました。 GATEを作る時に二つのeventの間隔が短すぎるとGATEが開きっぱなしになってしまうので、それを避けるためにvetoを使って、GATEが開きっぱなしにならないようにした。

16ch読み出し抵抗分割 R=100Ω 64chのAnode信号 ⇒16chの信号にまとめる Pleft= 20pC 30pC Pright= 10pC R=100Ω 読み出し時には、抵抗チェーンを用いて信号をまとめました。 アノードからの信号のうち、X方向の8つを抵抗分割により左右２つの出力にまとめます。 例えば３番目のアノードから0.9nCの信号が出力がされたとします。クリック すると、クリック左側の出力までは３つの抵抗が、右側までは６つの抵抗があるので、 それぞれ電価が分割されクリック左側からはPleft=0.6nC、右側からはPright= 0.3nCの出力が得られます。この二つの出力から、信号の出力があったアノードは、クリック X＝Pright/(Pright+Pleft)×9で3番目のアノードだとわかります。 これにより64ｃｈのアノードからの信号を１６ｃｈの出力で読み出すことができます。 3個＝300Ω 6個＝600Ω 　 X = Pright/(Pright+Pleft)×9 = 10/(２0+10)×9= 3(番目)

16ch位置解析 縦比 横 (ch3+ch4)+(ch5+ch6)+(ch7+ch8) ch1 ch3 ch5 ・・・ ch15 X = 3 OK Y =　ch5/(ch5+ch6) ch2 ch4 ch6 ・・・ ch16

16ch読み出し性能評価 8×8GSO，137Cs，全面照射 再構成図 BGOのエネルギー分解能出す エネルギー分解能　～　10.7±1.1％（FWHM) @662keV　　　　　　　　　　8×8BGOのとき 　～　15.3±1.7％（FWHM）@662keV

性能評価その2 FWHM (%) ダイナミックレンジ 100keV～800keV Energy (keV) 57Co 122keV 22Na 137Cs 662keV 54Mn 835keV FWHM (%) グラフの軸の名前つける ダイナミックレンジ 　　　　100keV～800keV Energy (keV)

4ch読み出し抵抗分割，位置解析 縦比 横比

4ch読み出し性能評価 8×8GSO，137Cs，全面照射 バタフライになってる絵 実験に先立って、BGOのピクセルシンチレーターアレイの性能評価をしました。 図は４ch読み出しで、Csを全面照射したときの二次元ヒストグラムです。 あるピクセルクリックのスペクトルはクリックこのようになっています。 エネルギー分解能は、クリック　いいピクセルで１３％程度、端の方の悪いピクセルで １８％程度でした。 BGOはGSOに比べて蛍光収率が悪いので、エネルギー分解能は多少悪くなってしまいます。 ただし、今回の実験では、エネルギー分解能よりもDOI検出を優先し、 そのままBGOによるPSAを使って実験を進めることにしました。 バタフライ効果 補正 エネルギー分解能 ～ 10.2±1.0％（FWHM）@662keV　　　　　　　　　　8×8BGOのとき ～ 15.1±1.9％（FWHM）@662keV

3.　本実験 3-1.　位相をずらすことによるDOI検出 3-2.　時定数の違いによるDOI検出 OK なんか絵？

二つのシンチレータを，位相をずらして重ねる。 3-1.　PhaseずらしによるDOI検出 二つのシンチレータを，位相をずらして重ねる。 ↓ 上段/下段どちらで光ったかを調べる。 3×3 on 4×4 反射材 OK

光量が最大のPixelと二番目のPixelの 光量比を用いて判別する！ 上段/下段の判別法 上段 下段 OK アノード電極 アノード電極 光量が最大のPixelと二番目のPixelの 光量比を用いて判別する！

3×3 on 4×4（コリメート，137Cs） OK! OK! とりあえずOK ※実験待ち 図は差し替える可能性あり スペクトルもうまくいけばのせる OK!

エネルギー分解能 ～ 11.1±0.2%（上段、3×3GSO） （FWHM）@662keV ～ 10.8±0.5%（下段、4×4GSO） 3×3 on 4×4（全面照射） 上段 3×3 on 4×4 GSO，137Cs，全面照射 下段 ※実験待ち スペクトル？ エネルギー分解能 エネルギー分解能 　　 ～　11.1±0.2%（上段、3×3GSO） （FWHM）@662keV　 ～　10.8±0.5%（下段、4×4GSO）

大面積化（7×7 on 8×8） 反射材 上段 もうちょい改良 反射材 下段

性能評価 上段 下段 7×7 on 8×8 GSO，137Cs，全面照射 ※解析待ち 上段のスペクトル エネルギー分解能等 エネルギー分解能 11.0±0.8%（上段、7×7GSO） （FWHM）@662keV 11.2±1.0%（下段、8×8GSO）

3-2. 時定数の違いによるDOI検出 シンチレーション光の減衰定数 BGO・・・300ns GSO・・・ 59ns この差を用いて 上段(BGO)なのか下段（GSO）なのか判別する (すざく衛星のHXDでは 　バックグラウンド落しとして使われている方法) 約5倍 BGO GSO 次に、GSOとBGOの減衰定数の違いを利用したDOI検出の実験をしました。 先ほども言いましたが、GSOシンチレーターとBGOシンチレーターではシンチレーション光の減衰定数が約６倍違います。 この違いを用いて図のようなシンチレーターアレイにおけるDOI検出を試みました。 上段にBGOを持ってきたのはBGOの上面のESRを剥がしたくなかったからという理由ですが、GSOの方が集光率が良いことと。

時定数弁別法の読み出し －Fast －Slow GSO －Fast －Slow BGO 2V 5μs 1V 5μs 時定数弁別における読み出し回路です。 Anodeからの信号をADCに入れるところまでは今までと同じです。 MAPMTからは64chまとめたDynodeの信号も読み出すことができます。これを時定数5.4μsのPre-Ampに通します。 すると、BGOからの信号は立ち上がり時間300ns（？）の、GSOからの信号は59ns（？）の信号に整形されます。 これらの信号を、Shaping Timeの異なる二つのShaperに入れます。 Shaping Timeが充分長いShaperでは、どちらの信号もきれいに整形され、BGOとGSOで同じPulse HeightのShaper Outが得られます。 一方、Shaping Timeが短いShaperでは、立ち上がりの早い信号はきれいにShapingされますが、立ち上がりの遅い信号は整形されきれず、Shaper Outが低くなります。 この二つのShaperからのPulse Heightを比べることで、BGOからの信号かGSOからの信号かを見分けることができます。

ADC値の比較 GSO（下段） BGO（上段） GSO（下段） BGO(上段) 137Cs 全面照射 これがGSOにBGOを乗せたときのADC値の比較です。 図の横軸が遅いShaperを通した方のADC値、縦軸が早いShaperを通したほうのADC値です。 早いShaperの信号が大きいクリックこちらがGSO それが小さいクリックこちらがBGOだとわかります。 それぞれの領域で二次元ヒストグラムをかきました。クリック どちらにおいても、64ch分離できていることがわかります。 BGO(上段)

性能評価 BGO（上段） GSO（下段） 時定数弁別法によってDOIを検出できることがわかったので、BGOとGSOを重ねたPSAの性能評価をしました。 これが二次元ヒストグラムです。当たり前ですが、Phaseずらしの時とは違い、8×8の64Pixelにきれいに分かれています。 そして、この点のクリックスペクトルがこちらです。クリック 時定数の弁別をかけていない段階ではADC値の高いところにGSOの、低いところにBGOの光電ピークが見えます。 これに時定数による弁別をかけてやるとクリックこのように分けてやることができます。 エネルギー分解能はクリック、上段で14.5～19.5％、下段で10～14.５％程度でした。 エネルギー分解能(typ.) 16.6±1.7%（上段、BGO） （FWHM）@662keV 11.5±1.3%（下段、GSO）

まとめと課題 今回できたこと PhaseずらしによるDOI検出 時定数弁別法によるDOI検出 今後の課題、展望 ・ 光量 ≧GSO(Ce0.5) 減衰定数τ＞60ns or ＜60ns のようなScintiを用いる。 　　(GSO(Ce1.5mol%)τ＝30ns) ・ Phaseずらし＋時定数 　　　 ⇒三段以上のPSA GSO(Ce1.5%mol) GSO(Ce0.5%mol) 今回の実験では、当面の目標であったPhaseずらしによるDOI検出と、時定数弁別法によるDOI検出ができました。 これにより、Phaseずらしでは、従来のγ線到来方向決定の精度を維持したまま、今までより効率よく高強度γ線を捕らえることができるようになったと思われます。 時定数弁別法はBGOの集光率が悪いため、今のままではエネルギー分解能が悪く、精度が落ちてしまいます。 そこで、今後の課題としては、GSO並みかそれ以上の蛍光集率を持ち、GSOとは時定数が異なるようなシンチレーター結晶を用いてPSAを作ることがあげられます。その候補としてはGSOに対するCe濃度を変えたものがあります。 今回用いたものは、Ce0.5molで、時定数は60nsでしたが、Ce濃度を1.5%molまであげると、時定数は30nsになります。 実際にこの二種類のGSOを用いた方法はPETでも開発されているので、天体MeVγ線カメラにも応用できると思われます。 そして最終的にはこの二つの方法を合わせて、3段以上のPSAを作ることもできると思われます。 その際には、今より小さいサイズの結晶を使えば、現在の効率を保ったまま、より細かくDOIを検出するといった使い方も考えられると思います。 もちろん費用対効果を考えなければいけないが・・・

線源を貸していただいた 宇宙線研究室のみなさん Special Thanks: P6の仲間たち 終 Thanks to 窪さん 上野さん 線源を貸していただいた 宇宙線研究室のみなさん Special　Thanks: P6の仲間たち

おまけ

シンチレーター ⇒GSO、BGO γ線検出におけるPSAの素材への要求 1.高い阻止能 2.発光の均一性 3.発光量 4.扱いやすさ（潮解性、壁開性） 5.耐放射線強度 あとは値段etc… 実験に入る前に、今回使った実験装置について説明します。 まず、今回の実験で最も重要と思われるシンチレーターについてです。 PSAでは、γ線に対する高い阻止能、発光が均一で線形であること、発行量が大きいこと、Pixel化しやすく扱いやすいこと、放射線に対して強いことなどが求められます。 さらに、扱う数が多いのでクリック 値段も大事な要素となってきます。 これらの条件から、クリック GSOとBGOが選ばれています。 ⇒GSO、BGO

Pre-Amp & Shaper Pre-Amp Shaper ・16ｃｈ(豊伸 N016) Shaping time 0.5μs 　Gain 　 10倍 ・4ch (豊伸　N012) 　Shaping time 　　 0.15～5μs (可変) 　Gain 　　　?倍 ・8ch（二個） 　C = 270pF 　R = 20kΩ 　CR = 5.4μs ・4ch 　C = 180pF 　R = 30kΩ 　CR = 4.8μs

各Scintillatorの吸収係数 BGO GSO 阻止能　1.7cm(@662keV) 阻止能　1.5cm(@662keV)

シミュレーション補足

シミュレーション1.0MeV z=0.5cm z=1.0cm z=1.5cm z=2.0cm z=2.5cm z=3.0cm

シミュレーション 662keV & 1.0MeV E=662keV z=0.6cm z=1.3cm z=2.6cm E=1MeV

追加実験（Phaseずらし） 一段と二段を直接比較する

バラフライ効果補正法

時定数法追実験1 低エネルギーのγ線をGSOで止めれる。 Geometryによる 影響を調べる。

時定数法追実験２ BGOとGSOの見分けがつきにくい ⇒ ・Dynode信号のPre-Ampの時定数 ・FastとSlowのShaperの組み合わせ