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APD開発の現状: 宇宙利用から高速PETまで
片岡 淳 (東京工業大学)
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目次 浜松製 APDについて (おさらい) 大面積APD と 低容量化 宇宙利用と放射線耐性 医療用撮像素子としてのAPD
H18-21 JST要素技術開発プログラム 「サブミリ分解能をもつ拡張型高速PETの要素開発」 代表:片岡、分担:池田(JAXA),石川(浜松ホトニクス)ほか
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APD とは?(復習) 内部で信号を G~50 倍に増幅するフォトダイオード コンパクト、低消費電力、磁場にも強い
nm の波長域で量子効率 > 80% → PMT とPD、両方の特長を兼ね備えた検出器 波長[nm] 量子効率[%] 100 50 300 900 600 20 PMT APD 1200 CsI BGO GSO NaI 光 n+ n- n p p+ - + e 電場 増幅領域 位置
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浜松 “リバース型APD” の特長 低バイアス/高ゲイン (G= 50 at 300V) 低ダークカレント (10 pA @– 20°)
安定動作 (LHC 5x5 mm2 が市販 (S ) 10x10 mm2 (S ) Hamamatsu API (beveled edge) Gain Bias (V) 500 1000 1500 2000 1 10 50 100 Dark Current Bias (V) 500 1000 1500 2000 Hamamatsu +20° -20° API (beveled edge) 100nA 1nA 10pA
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APD vs PINフォト/ PMT APD 4.9% 662keV 137Cs APDと同サイズの浜松PDで比較(同じCsI 結晶)
6.5% 662keV 137Cs 59.5 keV 9.4 % APD 59.5 keV 29.0 % PIN フォト Ikagawa+ 2003; 2005, NIM-A Kataoka +2005; NIM-A APDと同サイズの浜松PDで比較(同じCsI 結晶) エネルギー分解能で「世界記録」! 12.7 % (API社) 9.4 % 59.5 keV) 7.4 % 122 keV) 8.9 % (API社)
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APDの可能性 宇宙・惑星物理 素粒子・原子核 核医学 Cute1.7+APD 次期X線天文衛星 NeXT
CERN CMS (141,000 APDs!) 放射線診断カメラ(PET) PMT 511keV
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APD: 残された問題 基礎特性の評価 (シンチレータ読み出し) さらなる大面積化 宇宙利用・加速器まわりでの耐性 宇宙での利用は未経験
* Sato et al., 2006, NIM-A, 556, 535 * Ikagawa et al., 2003, 2005, NIM-A * Kataoka et al., 2004, SPIE, 2005, NIM-A * Yatsu et al., 2006, NIM-A 宇宙利用・加速器まわりでの耐性 宇宙での利用は未経験 増幅率の温度依存 * Kotoku et al., 2005, SPIE, NIM-A * Kataoka et al., 2006, NIM-A 多チャンネル読み出しは開発途上 医療利用へは茨の道? * Kataoka et al., 2007 a,b, in prep
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(1)大面積化
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「世界最大級」 APDの開発 浜松ホトニクスと協力して、20mm 角サイズAPDを開発 2inch PMT の集光力に匹敵!
Sato et al. 2006 5×5mm2 10×10mm2 10 mm角×4 19 mm角 API社16 mmφ ‘03 ‘04 ‘05 ‘06 考えうる問題点… 容量性ノイズの増加 APD 増幅率の一様性 etc…
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浜松20mm角APD の特性 暗電流 @ G=50 容量 @ G=50
APD size 5 mm角 10 mm角 19 mm角 20 mm角 16 mmφ APD type Reverse Beveled-edge 暗電流 (nA,+20℃) 0.70 2.4 8.9 10 367 暗電流 (nA, -20℃) 0.013 0.06 0.18 0.27 ? G=50 APD size 5 mm角 10 mm角 19 mm角 20 mm角 16 mmφ APD type Reverse Beveled-edge 容量 (pF) 85 266 876 1052 130 16 mmφAPD (Moszynski et al. 2002) と比較して、単位面積あたり * 暗電流は < 1/70 、 容量は ~ 4倍 ノイズにどれほど効く?
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暗電流 vs 容量性ノイズ d2noise = 2qe(Ids/M2 + IdbF) ta1 + 4kT(C2tot/M2)(1/t)a2
電流性ノイズ 容量性ノイズ M: APD の増幅率, F: 増幅にともなう揺らぎ (F>1) 常温では、電流ノイズ、低温では容量ノイズが支配的 低温では、APDの「低容量化」が重要 +20℃ -20℃ ● 20mm角 ×19mm角 ● 20mm角 ×19mm角 電流ノイズ 容量ノイズ 容量ノイズ 電流ノイズ 整形時定数 [μs] 整形時定数 [μs]
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APD増幅率の表面一様性 l=405 nmレーザーによるスキャン (1mm step, 5mmf)
APD表面増幅率のばらつきは… mm角: ±2%以下 19 mm角: ±5%以下 10mm 19mm
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X線、ガンマ線スペクトル測定 20 mm角APD+CsI(Tl) を用いてスペクトルを取得
エネルギー分解能 : 662 keV (+20℃) : 5.5%~ keV (-20℃) : 8.5%~ エネルギー閾値 : -20℃において ~3 keV を達成! Sato et al. 2006 20mm角 19mm角 5.5% (FWHM) 5.8% (FWHM) 8.7% (FWHM) 8.5% (FWHM)
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(2)放射線耐性と宇宙
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APDの放射線耐性 阪大 RCNPでプロトン照射 (revese-APD, 50/30 MeV)
Low Earth Orbit (高度500km, SAA通過) を想定 最大 24 krad照射 ( > 2-3 年分の被爆量) 55Fe (5.9 keV) 積分フラックス (cm2/s) 10 100 1000 照射前 照射後(24 krad) SAA
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ダークカレント、増幅率への影響 24 krad照射することで、ダークは一桁弱増加 増幅率は、照射前後で全く変化なし Cute-1.7+APD
による実証へ 降伏電圧の低下は全く見られない Kotoku et al. 2006 S (reverse-APD) 照射前 照射前 ×8krad ×8krad ●16krad ●16krad ○24krad ○24krad 5週間後 5週間後
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Cute-1.7+APD プロジェクト 東工大の学生を主導とした、超小型 「大学衛星」衛星プロジェクト 衛星コンセプト
10cm 東工大の学生を主導とした、超小型 「大学衛星」衛星プロジェクト 20cm 10cm 衛星コンセプト ・10×10×20 cm、3.6 kg, 3 W APD 1cm 工学目標 ・民生品、携帯端末(PDA)の宇宙利用 ・アマチュア無線帯、民生通信機を用いた 通信技術の確立 SAA オーロラ帯 理学目標 まず、Cute-1.7プロジェクトですが、東工大工学系を主導とし、2003年に打ち上げに成功した超小型衛星Cute-Iに続く理工系初のプロジェクトとなっています。衛星コンセプトは、サイズがこの写真の通り10×10×20cmで、重量、電力はこのようになっております。このプロジェクトの目標ですが、まず工学系は、携帯端末PDAの宇宙利用などを目標にかかげており、我々理学系の目標は、我が研究室が長年研究開発を行ってきた新しい放射線半導体検出器「APD」アバランシェ・フォトダイオードの初の宇宙動作実証と、このAPDを用いて異常放射線帯やオーロラ帯の今日まで正確な測定が行われたことのない30keV以下の低エネルギー荷電粒子の探査を目標に掲げています。 ・ APDの宇宙動作実証 ・異常放射線帯(SAA)やオーロラ帯の 低エネルギー(30 keV)荷電粒子探査
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打ち上げ成功! … しかし、、、 2006.2/22、M-V-8号機「あかり」の サブペイロードとして打ち上げ成功!
打ち上げ成功! … しかし、、、 2006.2/22、M-V-8号機「あかり」の サブペイロードとして打ち上げ成功! 世界中のアマチュア無線家が受信! 初期運用による動作確認。 PDAの立ち上げも成功! M-V-8号機のサブペイロード 打ち上げの瞬間 (鹿児島内之浦) 現在はシングルイベントラッチアップ(SEL) による受信機不調により、復旧作業中。 APD はお預け (来年インドでリベンジ!) 打ち上げから1ヶ月の間、 順調に運用できていたが・・・ この様な構成をしたCute-1.7は今年の2月22日に、内之浦にてM-V-8号機のサブペイロードとして打ち上げに成功しました。そして、打ち上げ後世界中のアマチュア無線家によってCWの受信が行われ、さらに目標であった初期運用を行うことができ、またPDAの動作を確認することができました。因みに、これからCute-1.7の声を皆さんに聞いて頂きたいと思います。こんな感じでCute-1.7は打ち上げから1ヶ月の間、順調に運用を行うことができたのですが、現在のCute-1.7はシングルイベントラッチアップ(SEL)が原因とされる受信機の不調により、現在復旧作業中となっています。さてここで、この不調の原因と考えられているSELとはどんなものかといいますと、
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長期展望: NeXT衛星に向けて (1) NeXT … 軟γ線検出器(SGD; 10keV-1MeV) 半導体検出器で γ線を直接検出
高い分光力・感度で 非熱的宇宙の極限を探る 軟γ線検出器(SGD; 10keV-1MeV) 半導体検出器で γ線を直接検出 超低BGDを実現 APD γ線 3種類ある検出器のひとつ APD+BGOによる アクティブシールド BGOシンチレータ Siストリップ 検出器 CdTeピクセル検出器
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長期展望:NeXT衛星に向けて(2) 薄板BGOシンチレータの読み出し NeXT用プロトモデルAPD
57Co 122 -20℃) NeXT用プロトモデルAPD (直径3mm×11素子) 122 keV 40.3 %(FWHM) ~35keV 300 mm 48mm 3mm厚 BGOシンチレータ 閾値 40 keV 受光面積・・BGO面積の約半分 →更なる最適化を検討中
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APDのゲイン自動制御 APD のゲインは、温度依存性が大きい: ~-2.5%/℃ 各温度に対して、G = 一定 となる HV値が存在する
→ 増幅領域で、加速電子の平均自由行程が up 各温度に対して、G = 一定 となる HV値が存在する 温度センサー HV値をリアルタイムで補正 APD 温度センサー 高圧電源 350V 320V 335V 350V
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APDゲインの自己補正システム APD 1秒おき peak -hold ADC VMEバス Data I/O board ×120 1ch
温度 センサー 1秒おき 1ch peak -hold ADC 2ch VMEバス APD CSA 整形アンプ Data I/O board アナログ変換 8bit 信号 ×120 高圧電源 (DC/DC) 8bit-D/A コンバータ 昇圧 Linux machine
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“Active”ゲイン制御に成功! 衛星軌道を想定して、90分で 0 ⇔ 20 ℃ の温度変化 結果
衛星軌道を想定して、90分で 0 ⇔ 20 ℃ の温度変化 結果 温度変化のないときと、同レベルまで制御可能 → エネルギー分解能 : % (c.f. -20℃固定で 662 keV) → エネルギー閾値 : keV (c.f. -20℃固定で 5.1 keV) Kataoka et al. 2006 662 keV 6.9%(FWHM) 制御あり 制御なし 662 keV 32keV APD 恒温槽
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(3)医療用撮像素子
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PET = Positron Emission Tomography (陽電子断層撮影)
2 PET = Positron Emission Tomography (陽電子断層撮影) がん細胞は ブドウ糖が“好物” 対消滅g線を検出 がんの機能画像 検出器 癌 511keV 陽電子 体内電子 ブドウ糖と陽電子放出 核種をくっつけて注射 FDG:フルオロデオキシグルコース がん細胞 PETの利点 ・コリメータが不要 ⇒放射線被曝量が少ない ・全身を一度に検査できる ⇒がんの早期発見に有効
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従来PETと次世代PET 従来のPETの問題点 次世代PETの目指すもの 低コスト⇒構造の単純化 検査時間短縮⇒高感度検出器 高速データ処理
②低分解能 ①高コスト ・検出器のサイズ ・陽電子の飛程 ・g線の角度揺動 ・装置費用 >10億円 ・検査時間30分 ・汎用性が無い (全身用・頭部用・動物用) 理論上は数百mmで限界 実際は5~10mm X線CTだと数mm 1回の検査費用10万円 低コスト⇒構造の単純化 検査時間短縮⇒高感度検出器 高速データ処理 汎用性⇒拡張型・モバイル化 高分解能⇒検出器の小型化 PET/MRIの実用化 次世代PETの目指すもの
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APDを用いた“PETユニット” 小型でいかなるサイズにも連結! 高感度⇒検査時間短縮 大量生産可能⇒低価格 APD-PET
ピクセル シンチレータ 約5cm APDアレー 約3cm LSI回路基板 約3cm 小型でいかなるサイズにも連結! 高感度⇒検査時間短縮 大量生産可能⇒低価格 APD-PET コンパクト⇒分解能UP 磁場に強い⇒PET/MRI
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“お試し” APDカメラ 8x4 ch は実績あり (S8550) 既存のLSI (e.g., VA32TA) はダメ
1.6mm角+ 0.7 mmピッチ (最適化?) チャンネル数を増やしたい! 既存のLSI (e.g., VA32TA) はダメ APDとゲインが合わない PET用途には「遅すぎる」 APDもLSIも、両方開発! Kataoka et al. 2005
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開発中:APD array (8x8 ch) Sorry, preliminary!
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開発中:APD array (16x16 ch) Sorry, preliminary! どちらも 2007/5月に完成予定
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開発中:専用LSIの設計・レイアウト PET用LSIへの要求 自分で設計! 毎秒10億カウント(全身)にも及ぶ 高いカウントレート
15mm×15mm チップの内部 数万個のスイッチング素子 毎秒10億カウント(全身)にも及ぶ 高いカウントレート APD 1ch あたりでも cts/s 1チップで最低 8~16ch は欲しい 自分で設計!
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開発中:APD-PET専用LSI Sorry, preliminary!
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高速PETの更なる挑戦! TOF = Time Of Flight = 飛行時間測定 到達時間差 TAC 位置情報 癌の発見率の向上
癌のクリアな画像 100psの時間分解能 ⇒3cmの位置情報 癌の発見率の向上
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TOF の威力 TOF情報なし TOF情報あり TOF型PETは、最先端の 研究テーマ 放医研 村山グループ (澁谷さんほか)による
研究テーマ 放医研 村山グループ (澁谷さんほか)による simulation 400 psec (~12cm相当) の TOF 情報があるだけで PET 画像は格段にクリア
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Sorry, preliminary! SPICEシミュレーション 作ってみないと分からないが、600 ps くらいは行けそう!
511±50 keVに対し、 ~ 600 ps のTOF精度達成 Sorry, preliminary! ~600ps 511keV相当 作ってみないと分からないが、600 ps くらいは行けそう! LSIの第一版は 2007/5月 に完成。 (12月中に回路 fix。 来年 3月に submit予定)
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まとめ APD開発の現状について報告した 大面積化 … 一様性と低容量化が今後の鍵 宇宙利用 … 小型衛星による「慣らし運転」
大型衛星へも搭載予定 医療利用 … APD-PET プロジェクトは 順調に進行中!
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