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

目次
1. 概要、目的
2. 実験装置（岩城）

2-1.検出部
2-2.読み出し部

（岩城）
（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）

全効率(%) (NaI)

PSAの課題

69%
54%
A
32%
B

１MeV
γ線エネルギーが大きいと・・・
通り抜けてしまう。
60mm⇒検出効率が低い
40mm
Scintiを厚くすると・・・
検出効率はよくなるが20mmA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！
Glenn F.Knoll
エネルギー(keV)
Radiation Detectionand Measurementシミュレーション⊿φScintillator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

⊿φ

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
今回はその基礎実験実際にDOIを検出することを目標とする。

DOI (Depth Of Interaction )検出法
Phaseずらし

時定数法

両面読み出し今回はPhaseずらし
時定数法を行う。

２．実験装置
検出部

・・・

読み出し ・・・

シンチレーター
光輸送
ＰＭＴ
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
化学式
密度(g/cm3 )
放射長(mm)減衰時間(ns)
相対蛍光集率⊿E/E(FWHM)@662keVGSO
BGO
NaI（Tｌ）
Bi4Ge3O12
Gd2SiO5(Ce 0.5mol%)
6.71
7.13
3.67
13.8
11.1
26300
230
5920%
約9%

7～12%
約15%

100%
約8%

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
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

852pixel
mm

8pixel52mm

8pixel(49mm)

13 mm
6mm
6mm

8pixel (49mm)

41mm

読み出し回路(DAQ)

1.8V

40.0μs16ch読み出し抵抗分割
64chのAnode信号⇒16chの信号にまとめる
Pleft=20pC30pC

R=100Ω Pright=10pC

3個＝300Ω

6個＝600Ω

X = Pright/(Pright+Pleft)×9= 10/(２0+10)×9= 3(番目)16ch位置解析
・・・

ch1 ch3 ch5ch15

縦比
横(ch3+ch4)+(ch5+ch6)+(ch7+ch8)
X=

3

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

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222Na

137Cs

54Mn

122keV511keV

662keV

835keV

FWHM (%)

57Co

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

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

上段/下段の判別法
下段

上段

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！

137
3×3 on 4×4（コリメート， Cs）

OK!

OK!

3×3 on 4×4（全面照射）
3×3 on 4×4 GSO，137Cs，全面照射

上段

下段

エネルギー分解能（FWHM）@662keV～ 11.1±0.2%（上段、3×3GSO）～ 10.8±0.5%（下段、4×4GSO）

大面積化（7×7 on 8×8）
反射材

上段

反射材

下段

性能評価
7×7 on 8×8 GSO，137Cs，全面照射

上段

下段

エネルギー分解能（FWHM）@662keV

11.0±0.8%（上段、7×7GSO）
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
約5 倍
GSO・・・ 59ns

BGO

GSO

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)

時定数弁別法の読み出し

GSO

BGO
－Fast－Slow

2V5μs－Fast－Slow

1V5μs

ADC値の比較
Cs 全面照射137

GSO（下段）BGO（上段）

GSO（下段）BGO(上段)BGO（上段）

性能評価
GSO（下段）エネルギー分解能(typ.)（FWHM）@662keV

16.6±1.7%（上段、BGO）
11.5±1.3%（下段、GSO）

まとめと課題1.
2.

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)終Thanksto:
窪さん
線源を貸していただいた
SpecialThanks
P6の仲間たち上野さん
宇宙線研究室のみなさんおまけシンチレーター
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…

⇒GSO、BGOPre-Amp & Shaper
Pre-Amp・8ch（二個）
・4ch
C = 270pF
C = 180pF
R = 20kΩ
R = 30kΩ
CR = 5.4μs CR = 4.8μs

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各Scintillatorの吸収係数

GSO

阻止能 1.7cm(@662keV)

BGO

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=0.5cmz=1.0cmz=1.5cmz=2.0cmz=2.5cmz=3.0cmシミュレーション 662keV & 1.0MeV
E=662keV

z=0.6cmz=1.3cm

z=2.6cm

E=1MeVz=0.6cmz=1.3cmz=2.6cm

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２BGO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