P6 卒業発表会(2024/2/27)

コーデットマスク法を⽤いた
ガンマ線検出器の開発
上林暉
久連松良温

⽬次

１

• 原理と解説• 実験•

実験1 - 1MPPC素⼦での実験による回路設計•

実験2 - 重⼼座標のイメージング実験•

実験3 ‒ 位置検出器の動作テスト• 今後の課題•

位置検出器に関する考察•

マスクパターンについて

• まとめ

2

実験⽬的

実験⽬的

3
NASA

MeVγ線領域•••

元素合成
電⼦陽電⼦対消滅線
粒⼦加速…etc.

GeV領域
https://www.universetoday.com/88868/fermigamma-ray-observatory-harvests-cosmicmysteries/

MeV領域
https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/images/epo/gallery/skymaps/

多様な天体現象を探る
新たなプローブ

MPPC(Multi-Pixel Photon Counter)とGSO （Gd₂SiO₅）シンチレータを⽤いて、低エネルギーγ線の到来⽅向を測定するコンパ
クトなサイズの検出器を作成する

4

原理と解説

コーデッドマスク法

5ガンマ線を遮蔽するマスク

検出器に投影されるマスクパターンの像
デコード

ガンマ線の到来⽅向がわかる
位置分解能を持った検出器
NASA Coded Aperture Imaging / Concept (nasa.gov)

今回、放射線に対する安定性と実⽤性の観点から鉛を⽤いたマスクを作成したい

装置概略図

6

ガンマ線
鉛

コーデット
マスク

GSOシンチレータ
反射材(16×16マス)

⿊テープで反射を防⽌アクリル板
(4mm)

シンチレー
ション光

抵抗

電流が抵抗チェーンに流れる増幅回路側へMPPC(25個)• 放射線を吸収して蛍光する蛍光体材料• 発光波⻑の点でMPPCと相性がいい• 潮解性がなく扱いやすい• 発光量の点でGAGGに劣る• フォトンカウンティン
グできる半導体素⼦• 低い動作電圧、持ち運びに適したサイズ• 温度特性や増倍率の点でPMTに劣る使⽤したMPPC：---HAMAMATSU MPPC--- Type No. :S13360-3075CS

増幅回路側へ7

実験1〜1MPPC素⼦での実験による回路設計〜

作成した回路8MPPC側

三次整形増幅アンプ側
三次整形増幅回路

１ピクセルのシンチレータ＋
MPPC

反転増幅回路MCA

CSA(ChargeSensitiveAmplifier)

PZC

倍率:4

倍率:4

倍率:6

倍率:1

(Pole ZeroCancellation)

バイアス調整・オペアンプ：AD817
・MCA(Multi Channel Analyzer)：MCA600(LAN対応) マルチチャンネルアナライザ MCS機能付き
・±12V電源：ケンウッド製 3出⼒電源 PW18-IT
・HV電源：Matsusada P4LE 120-0.6

PCへ実験1の実際の回路基板

9

三次整形増幅アンプ側

MPPC側

三次整形増幅回路
反転増幅回路出⼒

バイアス調整⼊⼒
基盤の裏側

CSA＋PZC

MPPC1ピクセルのGSOシンチレータ

銅膜によるグラウンド

実験1の解析結果

101275keV511keV
662keVCs

FWHM：219keV
エネルギー分解能：19.0％

Na

FWHM：199keV
エネルギー分解能：22.5％1から設計した回路が妥当であることを確認

11

実験2
~重⼼座標のイメージング実験〜

実験2で⽤いるMPPCのマトリクス図12・マトリクスの4端から出⼒される電荷信号の偏りから重⼼位置を求め、そのイメージを作成する
1ch

2ch
電流読み出しACカップリング
直流ノイズをカット

シミュレーションではMPPCを320pFのコンデンサに⾒⽴てた

3ch4ch5Ωの抵抗チェーンで接続

実験2のセットアップ概要
MPPC側
1ch

13

三次整形増幅アンプ側

2ch

3ch

4ch

MPPCのマトリクス

53.2V電源（HV)

前置増幅回路± 12V電源

3次整形増幅
アンプ

4Ch. MCA

PCへ

オシロスコープ・4Ch. MCA：テクノエーピー社製のUSB ‒MCA4 APG7400A
・オシロスコープ：テクトロニクス社製 デジタルオシロスコープ 100MHZ 4CH TBS2104B

実験2の回路基板

14MPPC側

三次整形増幅アンプ側

PZC+CSA

（実験1で設計した回路を４つ作成）

1ch

2ch
OUT
PUT側

MPPC
マトリクス
基盤裏側で抵抗チェーンで接続

3ch
PZC+CSA

素⼦間距離20.0mm

4ch
整形増幅回路INPUT側フェライトコア

実験2の実験概要
1個のMPPCのみに1ピクセルのGSO
シンチレータを置く

15𝑦

Q1

Q2

残りの24個のMPPCを⿊テープで遮光
電荷重⼼座標の定義式−𝑄! + 𝑄" − 𝑄#+𝑄$
𝑥=𝑄%&%'(
𝑄! + 𝑄" − 𝑄# − 𝑄$
𝑦=𝑄%&%'(

重⼼座標をプロットする実験を計25ピクセル分⾏う・線源は137Cs
・4Ch. MCAのリストモードを⽤いる

０Q4Q3０𝑥重⼼座標イメージング結果16変換写像$%

𝑓 𝑥, 𝑦 = / 𝑎! 𝑥 ! + 𝑏! 𝑦 !
!"#$%𝑔 𝑥, 𝑦 = / 𝑐! 𝑥 ! + 𝑑! 𝑦 !
!"#変換写像𝑓, 𝑔を⽤いて再構成

座標変換
𝑋 = 𝑓 𝑥, 𝑦
𝑌 = 𝑔(𝑥, 𝑦)

イメージから抽出した計25個のピークの座標に座標変換を⾏い、こちらが定めたターゲッ
トとなる25個の座標にフィッティングすることで、変換写像の係数を決定

18

実験3〜位置検出器の動作テスト〜

位置検出器の領域決定

17• 下のように検出器のピクセルの領域を分割• 16×16マスのシンチレータを⽤い、アクリル板でシンチレーション
光を拡散させた場合に、各ピクセルがどのように機能するか確認する

5x9に領域分け

⾃作検出器セットアップ

19

ガンマ線
鉛コーデットマスク

シンチレータを安定させるために、外箱の蓋とシンチレータの間にアクリル板を配置

GSOシンチレータ
反射材(16×16マス)

⿊テープで反射を防⽌

アクリル板
(4mm)

シンチレー
ション光

抵抗

電流が抵抗チェーンに流れる増幅回路側へ

MPPC
(25個)

増幅回路側へ

検出装置を横から⾒た写真

実験3のセットアップ概要
直径：2mm

⾃作検出装置鉛のコリメータ

20±12V電源
縦横：100mm

⾃作検出装置HV
外観

⾃作整形増幅アンプへ
アンプ以降のセットアップ
は実験2のものと同様

厚さ：70mm

内部を上から⾒た図

HV、 ± 12V電源へ鉛で作った外壁線源（137Cs)・⾃作整形増幅アンプで使⽤した±12V電源：KIKUSUI社製 PMR18-1.3TR

実験３の結果

21

・コリメータを⽤いて位置検出器の1ピクセルごとにγ線を照射
・各ピクセルの30秒毎の検出イベント数でヒートマップを作成（その際、環境ノイズのデータを差し引いて作成）

1列⽬の結果2列⽬の結果3列⽬の結果4列⽬の結果5列⽬の結果実験３の結果の問題点

22・ピクセルごとの検出イベント数に偏り
1-12-13-1

353.5counts
202counts
531.5counts

原因の考察

・降伏電圧がそれぞれ異なるMPPCに共通のHVをかけてしまっているため、オーバー電圧が⼤きくなるMPPCの検出イベント数が多くなる
・位置検出装置側のピクセルのうち、直下にMPPCを有するもの（奇数⾏）の⽅が、持たないもの（偶数⾏）より検出イベント数が多くなるヒートマップ作成時の修正案

23・ピクセルごとにカウント数を調整
・ヒートマップ上の各ピクセルごとに倍率を決め、そのピクセルのカウント数にかけることで全ピクセルの検出事象数が⼀定に⾒えるように調整
検出器上の𝑖 − 𝑗のピクセルにγ線を照射した時のヒートマップ上の𝑖 − 𝑗のピクセルのカウント数を𝑎!,'として、それら45個の平均値を𝑎()* とする

𝑎!"# ＝（𝑖 − 𝑗のピクセルの倍率）＝∑ !$,&%&!!"#!$,&
各ピクセルにかける倍率のヒートマップ

実験３の修正後の結果

今回⾏った修正⽅法では限界があり、新たな修正⽅法、
ないしは根本的な解決⽅法の模索が必要

24

25

今後の課題
〜位置検出器に関する考察〜

位置検出器に関する考察26

今後⾏うべきこと・コリメータをある⼀定の⻑さごとに細かく動かし、妥当な領域分けを再構成する装置の改善点の提案・使⽤するMPPCは、オーバー電圧の差が少なくなるように選ぶか、それが厳しそうであれば、各MPPCにかけるHVを個々に調整できるように⼯夫する・MPPCの素⼦間にある不感領域を減らすために、MPPCを隙間なく配置する

27

今後の課題
〜マスクパターンについて〜

マスクパターンについて
マスクパターンの決定(Uniformly Redundant Arrays）
マスクパターンに要求されること
1. 検出器上に映るずれた影と光の⽅向とが1：１対応している
2. 信号対雑⾳⽐が最適
Cyclic difference setに基づくマスクパターンがよく合う
今回9×5のピクセル数の検出器に対して、最適なマスクパターンを考える→7×5（twin prime sets)を採⽤
𝐷 = 0,1,3,4,7,9,11,12,13,14,16,17,21,27,28,29,33
引⽤元：Cyclic Difference Sets 著 Leonard D. Baumert

28

7×5のマスクパターン

29

𝐷 = 0,1,3,4,7,9,11,12,13,14,16,17,21,27,28,29,33与えられたDに対して、⼆進列を決定

𝑎" = {1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,1,0}
𝑎! = 1で透明、𝑎! = 0で不透明として7×5のマスクパターンを設計。右図では⿊い部分を透明、⽩い部分を不透明としている
右図のマスクパターンをベーシックパターンとして考える
7×5のベーシックパターンマスクパターンの作成
0 1 2 3 4 5 6 7 8
5 6 7 8 9 10 11 12 13
10 11 12 13 14 15 16 17 1815 16 17 18 19 20 21 22 2320 21 22 23 24 25 26 27 2825 26 27 28 29 30 31 32 33
30 31 32 33 34 0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 85 6 7 8 9 10 11 12 13
10 11 12 13 14 15 16 17 1815 16 17 18 19 20 21 22 23
20 21 22 23 24 25 26 27 28
25 26 27 28 29 30 31 32 33

マスクパターンを作成

切り取られた7×5のパターンがURAのcyclic shiftになるように配置

30

マスクパターンの考察
検出器のピクセル数がより多い場合（例：17×15）よりピクセル数の多いベーシックパターンを考えることができる。

Cyclicにshift

ベーシックパターン31

まとめ32• 9×5ピクセルの位置検出器を作成した→改善の余地あり• マスクパターンの考案を⾏った• 実際のマスク作成、デコードのプログラム作成には⾄らなかった

参考⽂献• NASA Fermi two-year all-sky map
https://www.universetoday.com/88868/fermi-gamma-ray-observatory-harvests-cosmicmysteries/ (2024/02/27)• HEASARC-NASA Gamma-Ray Sky Maps
https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/images/epo/gallery/skymaps/ (2024/02/26)• Hamamatsu Photonics 技術資料/MPPC
https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsuphotonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/mppc_kapd9008j.pdf (2024/02/26)• Analog Devices SPICEシミュレーションモデル/SPICE回路
https://www.analog.com/jp/resources/simulation-models/spice-models.html (2024/02/26)• 株式会社テクノエーピー マルチチャンネルアナライザ USB-MCA4 APG7400A取扱説明書
https://techno-ap.com/img/man_apg7400a_1.3.0_j.pdf (2024/02/26)• NASA Coded aperture camera imaging concept
Coded Aperture Imaging / Concept (nasa.gov) (2024/02/26)• 課題研究P6 Coded Aperture Imaging with Position-Sensitive Photomultiplier tube
http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/gakubu/P6/2001/p6_coded_report.pdf (2024/02/26)• Leonard D. Baumert 『Cyclic difference sets』 Springer 1971年、172ページ• ⽇本アイソトープ協会 『アイソトープ⼿帳』 丸善出版 2002年、164ページ

最後に御清聴ありがとうございました謝辞
本卒業研究にあたり、高田淳史先生には終始的確な助言を頂き、本研究に大きな進展をもたらしてくださいました。
時にその助言によって、私たちの未熟さを自覚させられ落胆することもありましたが、それらは研究生活において重要な要素の１つであり、感謝の思いでいっぱいであります。
塚本博丈さんや穴澤萌衣さんを始め、宇宙線研究室の方々には常に刺激的な議論やサポートをいただきました。特に塚本さんには、TAの業務外のお願いや相談でも積極的にサポートしていただき、楽しく実験生活を送ることができました。本当にありがとうございました。
また、本実験２では、同研究室の小俣雄矢君に朝から重い鉛の移動を手伝っていただきました。ありがとうございました。