2008年度P6発表会

新型半導体検出器MPPCによる放射線測定
2009年3月11日
福間・今野班目次
福 • 実験の目的
間• MPPCとシンチレータ、原理と解説• 測定での困難

今野 • 測定結果と考察• まとめと課題

実験の目的・MPPC(Multi Pixel Photon Counter)
最近になって開発された新しい光検出器
優れたフォトンカウンティング能力
低電圧で動作
コンパクト・LaBr3
最近になって小さくパッケージできるようになったエネルギー分解能の良いシンチレータ⇒どれほどの分解能が出せるか実験①
MPPC (Multi Pixel Photon Counter)＋GSO（Gd2SiO5） （Ce）
•MPPCの最大感度波長400nmに近い光を出す•小型で潮解性がないので扱いやすい様々な線源の放射線を測定し、MPPCの基本的性質や扱いに慣れる

実験②
MPPC (Multi Pixel Photon Counter)＋LaBr3（Ce）•MPPCの最大感度波長400nmに近い光を出す•非常に発光量が大きい•エネルギー分解能が良い

MPPCとLaBr3を組み合わせてガンマ線を測定し、エネルギー分解能を求め、GSO（Ce）とMPPCの組み合わせと比較する。

MPPC (Multi Pixel Photon Counter)• 多数のAPD ピクセルが並列に接続

6.5mm
3mm

• APDはガイガーモード
で動作• 各ピクセルの出力の和で光子数を測定

3mm
6.5mm

アバランシェフォトダイオード（APD）
1ピクセル（APD）の動作原理
動作原理
光 電 流
可視光入射①→電子・正孔対の生成②→電場により加速され、他の束縛電子と激しく衝突③→なだれ増幅④

強い電場

4

N+層
アバランシェ領域

3電子

正孔 2 空乏層
P+層

1
シンチレーション光APD の2 つのモード
1.ノーマルモード
V ¡ ： 逆電圧
• V ¡ ＜ Vbd
Vbd ： ブレイクダウン電圧• ゲイン＜100
C : 各APDピクセルの容量 （～90fF）• 電荷量→ 光子数に比例
2.ガイガーモード• V ¡ ≧ Vbd• ゲイン～106• 電荷量 Q→ C (V ¡ー Vbd)

←光子数に無関係

MPPCの構造
R～200kΩ

出力 ： シグナルの総和
励起ピクセル数Nfired にQ をかけた値

Qtotal = Nfired × Q
Qtotal ∝ Nfired ∝ 入射光子数使用したMPPC
型番の異なる2種類のMPPC（浜松ホトニクス社製）を使用
型番
ピクセル数

ピクセルサイズS10362-33-050C

S10362-33-025C

3600

14400

50μ m×50μ m

25μ m×25μ m

最大感度波長(nm)400

有効受光面サイズ

3mm×3mmブレイクダウン
電圧 (V)
ゲイン

68.79 (at 25℃)

69.07 (at 10℃)

7.48×105 (at 25℃)

2.75×105 (at 10℃)

検出効率（PDE）
検出効率 ＝ 量子効率 × 開口率 × 励起確率
量子効率

1フォトンに対して何％の確率で電子正孔対が出来るか（70％ at 400nm）

開口率
1ピクセル中で受光部の占める割合
励起確率
１電子に対してガイガー放電が起こる確率MPPC1ピクセル
MPPCの受光面の拡大写真

050C
50μm

025C

不感領域25μm

開口率(050C : 61.5％、 025C : 30.8％)

ＭＰＰＣの検出効率
360nm

440nm
（100×100μm）

050C
025C

LaBr3
最大発光
波長

GSO
最大発光
波長

シンチレータの原理

光子シンチレータの特徴
エネルギー
最大発分解能(％) Light output 潮解性
密度 蛍光減衰時間 光波長 *(FWHM
3(g / cm ) (ns)( / MeV )(nm)
＠662keV)

NaI
(Tl)

強3.67

230

415

6-7

39,000なし

GSO(Ce)

LaBr3(Ce)7.135.29

30 60
20440

360

8-93
*PMT測定9,000

63,000
GSOの7倍非常に強使用したシンチレータ
1111 662720ｍｍ単位
3313

ＬａＢｒ3GSO

外側には反射材のテフロンがまいてあるMPPCとシンチレータの取り付け
GSO

GSO
GSO

MPPC

MPPC
MPPC

グリス

•MPPCとシンチレータをテープで巻いて固定•MPPCとシンチレータの接触面にはオプティカルグリ
スを塗る

読み出し回路（自作）
145mm

BIAS

信号

MPPC

箱を閉じて遮蔽(ノイズカット)

145mm

ＭＰＰＣのセットアップ
ステンレスの箱
暗箱

線源（読み出し回路）

シンチレータBIASMPPC
HPK S10362-33-050C or S10362-33-025C

プリアンプ

シェーパー

時定数=2.63μs

時定数=0.5μs
ピーク
ホールドADC

Logic Fan In/Out
out70V
ディスクリ

ゲートジェネレータ

GATE

MPPCからの生信号

60mV
200ns

GSO+050C

線源は137Cs

GSO+MPPC（050C:3600ピクセル）でのスペクトル

18.7%(FWHM)

ピーク位置のずれ
GSO+050C 4回の測定結果@21℃•まずはGSOで測定•全く同じセットアップでも測定する度にピークチャンネ
ルが変化•662keVでのピー
クのずれ
7836±1142（Ch）
σ:14.6%

バイアス電圧の時間変化
Time-Voltage

Peak Channel

BIAS Voltage[V]Time-Channel

Time[min]Time[min]•662keVのピーク位置の時間変化を測定•バイアス電源の電圧値が変動しているためにピーク位置がずれることがわかった

バイアス電源の変更
CLEAR-PULSE社 E6625→E6665へ変更《主な仕様（CLEAR-PULSE社カタログより）》
E6625
出力電圧 ０～２００Ｖ
出力安定度 ±１％以下

E6665
出力電圧 0～＋５００Ｖ
入力電圧変動 ±０.２％以下（ＡＣ１００Ｖ±１０％変動に対して）長時間安定度 ±０.０３％以下

バイアス電源の変更（2）セットアップを変えずに４回測定@22℃•全く同じセットアップ
での測定ではピーク位置はほぼずれなくなった。
•662keVでのピークのずれ
5882±103（Ch）
σ:1.8%
電源変更前 σ:14.6％

GSOを取り付けなおしての測定
測定するごとにGSOをMPPCからはずし、取り付けなおして4回測定•再びピーク位置@22℃のずれがみられた•取り付ける際の位置のずれにより入射光量が変わる。
•662keVでのピー
クのずれ
5136±749（Ch）
σ:14.6%

装着キットの作成できるだけ同じ状態でシンチレー
タとMPPCを取り付けられるようにアクリル板で装着キットを作成
した

10mm

GSO

MPPC

装着キット

GSOを毎回取り付けなおして４回測定（装着キットの効果）テープで取り付け装着キットで取り付け

@22℃

@20℃

137Cs 662keVピークの位置のずれ

5136±749(Ch)5501±201(Ch)σ:14.6%

σ:3.7%

温度によるピーク位置の変化
GSO+050C1℃で-1200Ch（～10％）
ピーク位置のずれは温度によるずれ（～±0.2℃）程度

低温では•キャリアが移動しやすい•ブレイクダウン電圧が小さい•同じ電圧ではゲインが大きい

GSO+MPPC（050C）でのエネルギー較正
@17℃
Ch=(10.6±0.1)×E[keV]+(-38±40)

22Na1275keVでは線形性が成り立たない（光量が多く１ピクセルに２フォトン以上入る）
直線からのずれ:13.3±3.7％

同じ測定を4回行い、平均値をプロットして標準偏差で誤差棒をつけた

直線からの残差

GSO+MPPC（050C）でのエネルギー分解能
Res.[%]=(17.6±1.0)(-0.42±0.06)

×(E/662[keV])

662keVで18.7±1.9％ピクセル数による線形性の比較
シンチレータ：GSO@17℃

050C（3600ピクセル）

025C（14400ピクセル）

1275keVでの直線からのずれ
13.3±3.7％
4.7±2.5％

直線からの残差050C（3600ピクセル）

025C（14400ピクセル）

シンチレータによる線形性の比較
MPPC：050C（3600ピクセル）

GSO

LaBr3

LaBr3では線形性が大きく低下
光量が大きい@17℃

直線からの残差

GSO

LaBr3

シンチレータによる線形性の比較
MPPC：025C（14400ピクセル） @17℃

GSO
LaBr3
1275keVでの直線からのずれ
4.7±2.5％
7.5±3.7％025C（14400ピクセル）ではLaBr3でも線形性が大きく低下することはなかった。

直線からの残差

GSO

LaBr3

ピクセル数による分解能の比較（GSO使用）@17℃662keVにおけるエネルギー分解能（FWHM）

050C：
18.7±1.9％025C：
20.4±1.4％

シンチレータによる分解能の比較（025Cを使用）@17℃

662keVにおけるエネルギー分解能（FWHM）

LaBr3：
8.6±0.3％

GSO：
20.4±1.4％

LaBr3の方が圧倒的に分解能が良かったシンチレータによる分解能の比較（２）303keV356keV

LaBr3では356keVと前のピークが分離

MPPCの型番とシンチの組み合わせによるエネルギー分解能@662keV
MPPC

S10362-33-050C（3600ピクセル）

S10362-33-025C（14400ピクセル）

GSO（Ce）

18.7±1.9％20.4±1.4％

LaBr３（Ce）

9.9±1.5％

8.6±0.3％シンチ

まとめと今後の課題• ピクセル数の大きなMPPC（025C）の方がダイナミックレンジが広く、LaBr３においても線形性がみられた。
• シンチレータにLaBr３を用いるとGSOより格段に分解能が良くなった。
LaBr3+MPPC(025C)で8.6％（FWHM@662keV）• 他の検出器との比較（APD,PMT等）• MPPCの特徴であるフォトンカウンティングによる光量測定（ノイズにまぎれて１フォトンの検出ができない）

以上です。
ありがとうございました。

Back upMPPCのダイナミックレンジ•入射フォトン数と励起ピクセル数（EとChに対応） の線形性が成り立つ範囲•全ピクセル数に対し入射フォトン数が多くなると線形性が低下•１ピクセルに２フォトン以上入ることによる（各ピクセルはフォトン数によらず一定の出力）

P(%)

100

P(%) ：励起ピクセル割合

050C

025C

120

励起ピクセル割合（％）

10080
60
40200010000 20000

30000 40000 50000 60000 70000

入射フォトン数

線形性が成り立つ範囲

050C ＜025C

80000 90000 100000

LaBr3+050C

Ch=(2.4×104±2.5×103)×[1-exp(-(1.2×10-3±1.7×10-4)×E[keV])]LaBr3+MPPC(025C)での測定ごとのピーク位置のずれ

662keVでのピークのずれ
7979±202（Ch）

σ:2.5%

シングルアノード
PMT
浜松ホトニクス社
R6231 で測定.

Saint-Gobain 社製
φ13×13mm3大LaBr3

Energy Resolution
＠662keV（FWHM）：
LaBr3 3.1±0.1 %Decay time： ～25 nsec
Light Output：1.6（参考 GSO(Ce)：0.2）(NaI(Tl)のそれを1とする)※潮解性あり1
Counts (normalized)

13mm

LaBr3(Ce) ～高いエネルギー分解能～
133Ba

356keV

黒 GSO
赤 LaBr3

エネルギー分解能(FWHM) @356keV
LaBr3 4.10±0.03 %303keV

0.5276keV
384keVenergy [keV]

0100

200

300

400

Energy [keV]
LaBr3（写真）とGSO(25×25×13mm3)のエネルギースペクトル比較（133Ba）

500

GSOの室温近傍における蛍光出力の温度依存性

MPPCの利点• 磁場中でも使える（PMTは磁場に弱い）• 低バイアスで動作（APD～50-500V,MPPC～70V）• ゲインが高い(抵抗チェーンが使える)• Timing Resolutionが良い(APD>1000ps,MPPC～50ps)

抵抗分割の仕組み
３A

２A

5個

１A

10個

• 抵抗チェーンの左右に流れる電荷量の比から位置を算出

抵抗チェーン
縦比

横比０(ch3  ch 4)  (ch1  ch 2)
横比 ch1  ch 2  ch3  ch 4

(ch 2  ch 3)  (ch1  ch 4)
縦比 ch1  ch 2  ch3  ch 4