アバランシェフォトダイオードを用いた 2 次元撮像カメラの開発
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アバランシェフォトダイオードを用いた 2 次元撮像カメラの開発
河合研究室 齋藤 孝男
卒業論文発表
目次
アバランシェフォトダイオード( APD )について
シンチレータを用いた撮像の原理 APD 4 素子を用いたアンガーカメラ 偏光の観察 32ch APD array について 今後に向けて
APD とは ?
内部の高い電場により信号を増幅できるフォトダイオード(光検出器)
→ 低エネルギーの信号もノイズと分離できる
hν
E
p+p n i n+
APD
avalanche
増幅
APD の特徴
小型で頑丈 時間分解能速い 赤外線~軟 X 線にも
感度がある →広波長で観測可能
量子効率がよい
→光電子増倍管に代わる光検出器
200 400 600 800 1000 1200
λ
100
50
0
%
nm
APD
PMT
量子効率
さらなる応用として…
APD での 2 次元撮像 APD で行う利点
天体からの X 線・線を観測する場合、人工衛星への搭載を考えると、小型かつ頑丈であることが必要
医学用としても小型化することによって、より人体に密着でき、少ない被爆量で診察できる
シンチレータを用いた撮像の原理
アンガーカメラ 各 APD からの信号の重みから位置を出す → X or 線でのイメージが得られる
シンチレータ
APD1 APD2X線光子
1 2
APD4APD3
3 4
×
実験その 1 (アンガーカメラのテスト) 5cm 角 1cm 厚 CsI(Tl) + 5mmAPD x 4 の 4c
h アンガーカメラを製作 高エネルギー加速器研究機構 (KEK) にて 70
keV 0.1mm モノクロ偏光ビームにより、1cm 間隔で 25 点スキャンした。
5cm
5mm
実験 1 セットアップ
BeamLine
2 次元イメージ
5cm
実験 1 の結果(1)
見事に入射位置を分解した!
x 軸に射影したもの
5~15mm (FWHM) の 分解能 →間隔が約 4cm である事 を考えると約 1/3検出器の四隅で感度がよい
実験 1 の結果(2)
実験その 2 (偏光の観察) 前面にプラスチックシンチレータ (5x5x20
mm) + Pb 遮蔽板 (2mm 厚 ) を置き、コンプトン散乱させて偏光を観察した。 Klein- 仁科の式 → η= 90°に散乱されやすい
偏光ビーム
プラスチックシンチレータ( 散乱体 )
鉛板 CsI 結晶
APD
)cossin21
222
220
(=r
d
d
θ
η
偏光ベクト
ル
特定方向にイベントが偏っている
→偏光が見えた !
45° 回転実験 2 の結果
検出器の対角線方向に偏光が向くように回転させて配置 135° 回転
偏光方向
Q = 0.14
Q = 0.23
実験その 3 ( APD array )
32ch array 型 APD を用いてイメージングを行うために、まず各チャンネルの APD の評価を個別に行う。
55Fe の 5.9keV X 線をそれぞれの APD に照射し、そのスペクトルを取得した。
array 型 APD1.6x1.6mm
32 個
32ch preamp
よくそろったスペクトルが得られた。
実験 3 の結果
今後の課題
32ch array 型 APD でのイメージを取得( VA / TA 利用など)
中心の分解能改善のために 5ch アンガーカメラの作成
イメージと平行したスペクトルの取得 VA / TA
ライトガイドCsI
APD array
読み出し
)cossin21
222
220
(=r
d
d
コンプトン散乱の微分散乱断面積
)cos1)(/(1
12
cmhh
h
e
h h
:入射光子エネルギー:散乱光子エネルギー
APD とは?
光電子増倍管とフォトダイオードの特徴を併せ持った放射線検出器
小さい 直接入射でもシンチレータをつけてでも X 線
を読み出す事が出来る →幅広い波長域で利用可能 日本の次世代 X 線天文衛星「 NeXT 」に
APD の搭載を検討中
実験 1 セットアップ
光源
コリメータ
プリアン
プメイン
アン
プ 波高
弁別
器
VME ADC1へ
ADC2へ
ADC3へ
ADC4へ
Gate など
CsI+
APD コインシデンス回路
結果
結果
コンプトン散乱させると…
入射光子が偏光している場合、散乱光子はその電場方向と垂直方向に散乱されやすい
電場方向
Xor
e-
ビームの偏光方向
45° 回転 135° 回転
特定方向にイベントが偏っている→偏光が見えた !
放射線用撮像検出器の必要性
X 線・線での撮像観測は、高エネルギーの天体現象を観測する上で重要
→空間構造を把握することにより、より詳しい 物理を解明できる
放射性同位体とともに用いて、人体、特に内部の構造を調べることができる。
→体内での放射性同位体の動きから、体の 異常を早期に発見できる
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