CsI結晶シンチレータを用いた コンプトンカメラγI（ガンマアイ）の開発

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1 CsI結晶シンチレータを用いた コンプトンカメラγI（ガンマアイ）の開発
茨城大学大学院　理工学研究科 加賀谷　美佳 内田智久E,F　梅原克典A　榎本良治B　片桐秀明A　田中真伸E,F　 中山浩平A　花房龍治D　村石浩C　柳田昭平A　吉田龍生A 茨城大理A　東大宇宙線研B　北里大医衛C 富士電機D　KEK素核研E　Open-ItF

2 研究の背景 研究の目的 福島第一原発の事故による汚染地域のサーベイ 低レベルの汚染地域での測定
核医療施設における汚染状況 核医療の治療への応用 天文分野への応用 研究の目的 低レベルの汚染地域での測定 0.1μSv/h以上のすべての地域での測定可能 角度分解能5度以下の測定を目指す。（最終的には1度） 10m離れた場所から1mのホットスポットが判別できる。

3 コンプトンカメラ－ガンマアイ計画 𝑐𝑜𝑠𝜃=1− 𝑚 𝑒 𝑐 2 𝐸 2 + 𝑚 𝑒 𝑐 2 𝐸 1 +𝐸 2 z E = E1+ E2 y
再構成された画像の例 視野中心 （z軸方向） γ線源 q 入射γ線 エネルギー： E0 =662keV コンプトン散乱 による損失 エネルギー：E1 散乱γ線の 光電吸収 エネルギー：E2 x y z E = E1+ E2 散乱角： CsI(Tl)シンチレータと 光電子増倍管による 2次元アレイカメラ CsI(Tl) シンチレータ 光電子増倍管 蛍光強度∝E1 蛍光強度∝E2 𝑐𝑜𝑠𝜃=1− 𝑚 𝑒 𝑐 2 𝐸 𝑚 𝑒 𝑐 2 𝐸 1 +𝐸 2

4 コンポーネントの最適化 2層のコンプトンカメラ E2=E-E1であるので1層目のエネルギー分解能が数keVならOK。
（ 例えば57Coの14.4keVのガンマ線ではエネルギー分解能2keV を目指す ） 検出部分となる光電子増倍管・CsI結晶シンチレータの組み 合わせを変えて試験 最もエネルギー分解能の高い組み合わせを選択

5 光電子増倍管 評価 H11432-100 PMH8820MOD 光電面のサイズ38mm コッククロフトウォルトン回路付
137Cs PMT MCA 豊伸電子 電源 ±5V NIM アンプ PC CsI結晶 セットアップ H 光電面のサイズ38mm コッククロフトウォルトン回路付 スーパーバイアルカリPMT PMH8820MOD 光電面のサイズ20mm プリアンプ付 HVは外部から接続 ぜ CANGAROO望遠鏡に使用していたPMTがいくつかあったため、我々のコンプトンカメラに使用できるか評価した。 左：H8820MOD 右：H

6 137Cs 662keVで比較 実験条件 3.5cmCsI（応用光研 研磨なし） NIM 200倍 HV 1630V 実験条件
H8820MOD H エネルギー分解能=11.3% （ σ=31.8keV ） エネルギー分解能=7.8% （ σ=21.9keV ） [count] [count] [channel] [channel] 低エネルギー側　用意 実験条件 3.5cmCsI（応用光研　研磨なし） NIM 200倍 HV 1630V 実験条件 3.5cmCsI（応用光研　研磨なし） NIM 150倍 HV 1500V

7 結晶比較 結晶の種類 応用光研3.5cm角CsI 研磨なし 応用光研3.5cm角CsI 研磨あり（ 1面 ）
Belle 3.5cmCsI　　　　　 研磨なし 137Cs PMT MCA 豊伸電子 電源 ±5V NIM アンプ PC CsI結晶 セットアップ

8 137Cs 662keVで比較 エネルギー分解能[ch]=7.6% （ σ=21.4keV ） [count]
[channel] エネルギー分解能[ch]=7.9% （ σ=22.2keV ） エネルギー分解能[ch]=9.2% （ σ=25.9keV ） 応用光研　研磨なし 応用光研　1面研磨 サンゴバン　1面研磨 Belle実験　研磨なし

9 結晶はどれも137Csの662keVで同等の分解能が出ている
コンポーネントの最適化の結果 光電子増倍管としてはH を採用 結晶はどれも137Csの662keVで同等の分解能が出ている エネルギー分解能=30.9% （ σ=4.2keV ） [count] [channel] 32.2keVでσ=4.2keVだから 2度以下を切る十分なエネルギー分解能 今後 オプティカルグリスの種類 反射材の種類 遮光・ノイズ落とし などにより、よりエネルギー分解能の向上を検討

10 2カウンター、4カウンターによる測定 放射線源の角度を変えながら測定
CAMAC を使用して多チャンネル測定 2カウンター、4カウンターによる測定 放射線源の角度を変えながら測定

11 2カウンター測定 セットアップ 放射線源137Cs 電源 PMT2 PMT1 CsI：応用光研1面研磨 CsI：Belle実験 35cm
2カウンター測定　セットアップ 放射線源137Cs 電源 35cm PMT1 CsI：Belle実験 PMT2 CsI：応用光研1面研磨 角度0°～32.5°

12 CAMAC ADC 多チャンネル測定 1カウンターテスト
137Cs 662keVエネルギー分解能=9.3% （ σ=26.3keV ） 32.2keVエネルギー分解能=13.6% （ σ=5.0keV ） [channel] [count] CAMAC ADC による多チャンネル測定 コンプトンイベントを抽出するために 多チャンネルのCAMAC ADCを使用。まずは1chでスペクトルがちゃんととれているか試した。 57Co 14.4keVエネルギー分解能=20.7% （ σ=3.4keV ） [count] [channel] 東大宇宙線研（千葉県柏市の土） [channel] [count] 134Cs:605keV 137Cs:662keV 134Cs:796keV

13 2カウンター測定 セットアップ 概略図 赤：トリガー 黒：シグナル GATE & DELAY GENERATOR
2カウンター測定　セットアップ 概略図 GATE & DELAY GENERATOR （ WIDTH 100μs ） CAMAC ADC DISCRIMINATOR -15mV（ minimum ） ORTECアンプ 20倍（ minimum ） BI PC 線源 プリアンプ 1800V VETO 電源 ±5V PMT1 H CsI PMT2 （ WIDTH 100ns ） CAMAC ADC GATE 赤：トリガー 黒：シグナル

14 137Cs スペクトル 放射線源の設置角度 25° 2カウンター測定 [count] [count] E1[keV] E2[keV]
layer1 layer2 layer1：E1が7keV以上のイベントを抽出。 期待されるエネルギー：72keV layer2：E2が400keV以上のイベントを抽出 期待されるエネルギー：590keV Layer1+layer2:E1+E2=662keVのイベントが抽出できている [count] E1+E2[keV] Layer1 + layer2

15 線源の位置　10° 線源の位置　17.5° 線源の位置　25° 線源の位置　32.5° [count] 10 20 30 40 [degree]

16 コーン解析結果と線源の位置 1層目のPMTから見える写真とコーン解析の結果を重 ねあわせた 放射線源

17 4カウンター測定 セットアップ 放射線源137Cs PMT4 CsI：サンゴバン 電源 PMT2 PMT3 PMT1
4カウンター測定　セットアップ PMT1 CsI：応用光研1面研磨 PMT2 PMT3 PMT4 CsI：サンゴバン 35cm 中心部分から奥の方に2.5cmずれている 放射線源137Cs 電源

18 4カウンター測定 セットアップ 概略図 赤：トリガー 黒：シグナル 電源 ±5V CsI PMT3 線源 PMT1 PMT2
4カウンター測定　セットアップ 概略図 GATE & DELAY GENERATOR （ WIDTH 100μs ） ADC DISCRIMINATOR -15mV（ minimum ） ORTECアンプ 20倍（ minimum ） BI PC 線源 CsI プリアンプ 1800V VETO 電源 ±5V PMT1 H PMT2 PMT3 PMT4 （ WIDTH 100ns ） ADC GATE SUMMING アンプ 赤：トリガー 黒：シグナル

19 137Cs スペクトル 放射線源の設置角度 20° [count] [count] E1[keV] E2[keV] layer1
layer1：E1が7keV以上のイベントを抽出。 期待されるエネルギー：48keV layer2：E2が100keV以上のイベントを抽出 期待されるエネルギー：614keV layer1+layer2:E1+E2=662keVのイベントが抽出できている [count] E1+E2[keV] layer1 + layer2

20 線源の位置と放射線の到来方向 PMTの中心から 20°傾けた PMTから20° （距離12cm）に線源設置 PMTの中心から 30°傾けた

21 コーン解析結果と線源の位置 1層目のPMTから見える写真とコーン解析の結果を重 ねあわせた 放射線源

22 Geant4によるシミュレーション すべての結晶サイズを変化

23 結果：すべての結晶サイズを変更 2D Gaussian fit σ=3.0° σ=2.3° σ＝4.5° 3.5cm角 （11×11）
（21×21） 0.875cm角 （41×41） 2D Gaussian fit Y[cm] Y[cm] Y[cm] σ=3.0° σ=2.3° σ＝4.5° X[cm] X[cm] X[cm] 349/10000 event (3.5%) 105/10000 event (1.1%) 44/10000 event (0.4%)

24 SiTCPボードを用いた多チャンネル データの読み出し

25 SiTCPボードを用いた複数チャンネルデータ 読み出し試験状況
多チャンネルで高速にデータ収集を 行うために、1チップ（FPGA）上にネッ トワーク処理回路を実装することで、 FPGAをイーサネットに接続する技術 データをTransmission Control Protocol (TCP)を用いてイーサネット の転送上限値で転送する事が可能 KEKで製作されたSiTCPボード SiTCPボードを使用するメリット ボード一つで最大16chのデータの読み出しができ、カメラの小型・軽量化が可能 TCP読み出しなので汎用性が高く、また1.25万円/ch と安価 ボードに搭載されたFPGAにより、目的に合わせてトリガーロジックを変更可能 TCPとは インターネットで標準的に利用されるIPの上位プロトコルのことで、接続相手やデータ到着の確認・フロー制御・データの重複や抜けの検出などを行うことでIPの補完の役割を果たし、TCP/IPとして、信頼性の高い通信を実現するもの。 （Wikipedia参照） 簡単に言うと、通信する際の決まりごと（約束）のようなもの？ SiTCPの特徴 ・ハードウエアで処理 TCPに代表されるネットワーク・プロトコルは通常ソフトウエア処理（逐次処理）されるが、これをハードウエア処理（並列処理）させることで高速に処理することが可能になった。 ・高速TCPデータ転送 ハードウエアで並列処理を行っている為に送受信ともに高速で安定したデータ転送をTCPを用いて行う事ができる。 ・小さな回路規模 FPGAに実装することで、回路規模の縮小につながる。 （内田さん資料参照：　

26 SiTCPボードを用いた複数チャンネルデータ 読み出し試験状況
線源 （柏の土） PD 1層目の取得波形 2層目の取得波形 2ch同時読み出し時の取得波形 2ch同時読み出し試験 見たいイベントの複数チャンネルでの波形データの取得に成功！

27 今後の試験 6カウンター測定 X軸、Y軸で到来方向を特定 次回の学会で発表 プロトタイプ1 実験室用小型プロトタイプ製作
1層目 2層目 6カウンター測定 X軸、Y軸で到来方向を特定 次回の学会で発表 X軸 プロトタイプ1 実験室用小型プロトタイプ製作 設計、製作、試験、シミュレーション 1層目 2層目 例：4ピクセル×4ピクセルなど

28 まとめ PMT、CsI結晶シンチレータを接続して1カウンター測定試験 を行った。
1.5インチサイズのPMTと3.5cmCsI結晶シンチレータを用いた セットアップ。 2カウンター、4カウンター測定により、放射線源の到来方向 をσ～5度程度で特定することができた。 シミュレーションにより結晶の配置を最適化を行っている。 SiTCPボードを使った測定を目指す。 ～今後～ プロトタイプ1の製作に向けて試験、シミュレーションを行う。

29 Back Slides

30 結果1：1層目の厚さだけを変えた時 2D Gaussian fit σ＝4.5° σ=4.3° σ=4.1° 一層目： 厚さ3.5cm
（11×11） 3.5cm角 （11×11） 3.5cm角 （11×11） 2D Gaussian fit σ＝4.5° σ=4.3° σ=4.1° 349/10000 event (3.5%) 306/10000 event (3.1%) 249/10000 event (2.5%)

31 コーン解析 ある方向（位置） におけるγ線到来の確率 ⇒dq の関数として、今回は以下の式で計算 第1層 35cm 第2層 31 z y q
再構成領域 y q y q dq q dq q x q x dq ある方向（位置）　におけるγ線到来の確率 　　⇒dq の関数として、今回は以下の式で計算 第1層 コーン解析では、γ線到来の確率を円状に逆投影していく時に、 円の幅をガウシアンでぼかして2Dヒストグラムに逆投影していきます。 ここで、この幅を表すσ_resの値を変えると、 再構成画像の分解能も、実は影響をうけます。 先の村石の報告では、σ_resは、毎回、適当な値を使っていた（汗）ので、 今回、以下のように定義してシミュレーションをやりなおしました。 　「σ_resの定義：原点（第2層の中心）から第1層を見込む角度の半分」 　　(ex)3.5cm角 ⇒ σ_res=arctan(1.75/35)=2.9°） 35cm s res：resolution →ここでは、原点から第1層の結晶を　 　見込む角度の半分と仮定 　（ex) 3.5cm　→　 s res =arctan(1.75/35) 　　　　　　　　　　　　　　 =2.9° 第2層 31 y x

32 プロトタイプ製作 平成24年度 平成25年度 平成26年度 平成27年度 平成28年度 プロトタイプ1 プロトタイプ2a プロトタイプ2b
（設計、製作、試験、フィードバック） シュミレーション、学会発表 プロトタイプ2a （設計、製作、試験、フィードバック） シュミレーション、学会発表、改良 プロトタイプ2b （設計、製作、試験、フィードバック） シュミレーション、長期試験、学会発表、改良 プロトタイプ3 （設計、製作、試験、フィードバック） プロトタイプ4 （設計、製作、試験、フィードバック） LaBr3テスト、総括、製品化検討

33 SiTCPボード BACK SLIDES

34 データ取得方法 上図のように取得するデータ範囲は、Triggerが立ち下がった時にDelayだけさかのぼった後のWindowの範囲である。
このデータ転送範囲（Window）内に取得したい波形が来るように、WindowやDelayの設定値の調整が必要。

35 Trigger の生成方法 γI ではカメラの1層目で取得したデータが、ある閾値（=VTH）を超えた時に2層目のチャンネルを読みだすという仕様にする。 （self trigger） Trigger 生成 入力信号情報 Signal: Pulse Frequency：10kHz High: 325mV Low: 275mV Width: 5μs VTH：300mV Signal Trigger （Signal がVTH を超えたために生成された）

36 生成したTrigger のDelay トリガー信号の生成後、今度は取得したいデータをWindow内に入れるために生成したトリガー信号を遅らせる。　　 　　　　　　　　　　 （前ページの図からもわかるように、このままではWindow内に取得したい信号が入らないため。） Trigger 生成 & Delay Signal Trigger Trigger delay Delay方法 FPGA内でDFFをいくつか用いてdelay time を調整 （詳しくは明日作ります。。。）

37 ・・・ 生成したTrigger のDelay Trigger signal CLK このような論理回路をFPGA内に組むことで、
Q ・・・ CLK このような論理回路をFPGA内に組むことで、 「DFFの個数×CLK 」だけTrigger signal を 遅らせることができる。 フリップフロップ (FlipFlop) ：二進法の基本である1ビットの情報を一時的に“0”または“1”の状態として保持する（記憶する）ことができる論理回路のこと。 今回用いたのはD型（Delay）フリップフロップで、CLOCK（CLK）の立ち上がりのたびに入力で保持されていたデータを出力する働きを持ち、それを利用してTrigger信号をDelayさせた。

38 動作確認 Setup Trigger 生成 & Delay 入力信号情報 Vpp: 300mV Width: 25μs
Signal （⇒ch0） オシロ スコープ ADC SiTCP PD + MCA 線源 Trigger （NIM_OUT⇒） Trigger 生成 & Delay 入力信号情報 Vpp: 300mV Width: 25μs Signal <各パラメータ設定値> Trigger delay：50μs Window size：50μs Delay：15μs VTH：250mV Trigger

39 角度分解能 BACK SLIDES

40 17.5°に設置 角度分解能 Mean=18.6° σ=5.4° 10°に設置 角度分解能 Mean=11.2° σ=1.5° [count] [count] [degree] [degree] 25°に設置 角度分解能 Mean=23.5° σ=3.8° 32.5°に設置 角度分解能 Mean=31.5° σ=5.2° [count] [count] [degree] [degree]

41 20°に設置 角度分解能 Mean=16.8° σ=4.5° 30°に設置 角度分解能 Mean=27.3° σ=5.7°

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