ETCCによる
MeVγ線の到来方向の決定
2020年2月13日
津田雅弥
吉田有良
松村駿

目次
1. 実験の意義と目的
2. 検出原理
3. 前実験（エネルギー較正）4. 本実験（測定データ、解析）
5. まとめ1. 実験の意義と目的

なぜETCCを開発するのか？
MeVガンマ線を放射する宇宙現象● ガンマ線バースト● ブラックホールの質量降着円盤● シンクロトロン放射● 太陽フレア

従来のMeVガンマ線観測方法• コーデッドマスク法 -> バックグラウンドの排除困難• コンプトン法 -> 到来方向の一意な特定困難

コーデッドマスク法の概念図

以上の問題点を解決できる測定器= ETCC(Electron Tracking Compton Camera)

コンプトン法の概念図

2. 検出原理

ETCCの全体像
ガス容器に入射したγ線がコンプトン散乱を起こしてできた反跳電子をと散乱γ線を検出する。
➢TPC(Time Projection Chamber)

𝐾𝑒 、𝑒:
Ԧ 反跳電子のエネルギー、方向➢

シンチレータ検出器

𝐸𝛾 、𝑔:
Ԧ 散乱ガンマ線のエネルギー、方向得られる物理量
𝐸0 、 𝑠:Ԧ 入射ガンマ線のエネルギー、到来方向関係式(運動量保存則、エネルギー保存則)
𝐸0 = 𝐸𝛾 + 𝐸𝑒
𝐸𝛾𝑠Ԧ = 𝐸 +𝐾𝑔+Ԧ𝛾𝑒

𝐾𝑒 +(𝐾𝑒 +2𝑚𝑒 𝑐 2 )𝑒Ԧ𝐸𝛾 +𝐾𝑒ETCCの全体イメージ図
出典：http://openit.kek.jp/project/upic/public

TPCの構成● GEM
二枚の銅膜の間に電位差を作り出すことで電子を増幅(～10)● μ-PIC
比例計数管の輪切り構造

右図: TPC概念図
下図: μ-PICとGEMの写真

アノードとカソードの間に電位差を作り出し電子を増幅(～103 )● 充填ガス
1気圧 Ar(95％) CF4 (3％) isoC4 H10 (2%)✓ 反跳電子が作り出す電子雲をμ-PICにドリフトすることで二次元飛跡とエネルギーを得る✓ ドリフト速度と時間からz座標を得る→ 𝑒=(x,Ԧy, z), 𝐾𝑒 を検出(反跳電子の検出)シンチレータ検出器の構成● GSO無機シンチレータ
早い減衰時間(30～60ns)、エネルギー分解能 9%@662KeV
8×8の64ピクセルアレイ, 1ピクセルあたり6.1mm角● PMT(光電子増倍管)
8×8マルチアノード、増幅率1.5 × 106

図. 右がGSOシンチ、左がPMT(浜松ホトニクス製H8500)。

64ピクセルの信号を抵抗でチェーン状につなぎ、4本のアウトプットから電荷を読み出す。(𝑄1 ～ 𝑄4 )𝐸𝛾 ∝ 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4
𝑋=

𝑄1 + 𝑄2 − 𝑄3 − 𝑄4
𝑄1 − 𝑄2 + 𝑄3 − 𝑄4
,𝑌 =𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4
𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4

(X,Yは重心演算)

3. 前実験シンチレータのエネルギー較正
線源からシンチレータで直接ガンマ線のエネルギーを測定する実験を行った。(測定数100万回、線源Cs, Na, Ba)
4端から読み出されたデータから重心演算でHIT散布図を作成し、各ピクセルの範囲を長方形で決定した。（目視）137Csの時の64ピクセルのエネルギースペクトル

137Csのエネルギースペクトルの例
137Cs Spectrum Pixel No.1

シンチレータ64ピクセルのエネルギー較正エネルギー較正直線の例
Energy Calibration Pixel No.1

TPC内電子雲のエネルギースペクトル(Cathode)CountsCounts133Baの場合

Channels

241Amの場合

Channels

μ-pic Cathode エネルギー較正
KeV
31KeV

13.95KeV
8KeV

Channels

荷電粒子の飛跡とドリフト速度の決定
TPCを直線的に突き抜けているミューオンの飛跡

下図: 飛跡の始点と終点のカウント数

clock(10 ns刻み)(画像は横向きにしてあり、横軸がclock, 縦軸がcount)𝑡𝑒𝑛𝑑𝑡𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡∆𝒕𝑣𝑑𝑟𝑖𝑓𝑡 ==Strip(0.8mm刻み)

𝐿𝑡𝑒𝑛𝑑 −𝑡𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡
5.35𝑐𝑚629.2−552.0 ∗10𝑛𝑠= 6.9307 cm/μs

4. 本実験（データの測定と解析）

3. データ転送システム
MemoryBoard

Iwaki
CathodeTPCPCIwaki
AnodeVeto Stop
Clear or Transfer
Trigger5μs

シンチレータsumData exist

Gate & Delay

RPV-130(Digital I/O)
Gate & Delay
VetoVeto

Gate & Delay

Discriminator×4

Shaper Amp×4

Peak Hold
ADCoutGate

データ転送システム(簡略図)
TPC

Iwaki
CathodeMemoryBoard

Iwaki
AnodePC
シンチレータsum

Discriminator
Gate×4

Peak HoldADC※ Iwaki Board: μ-picの情報を電荷情報と位置情報に直す読み出しボード

データ収集プロセス
シンチレータ Hit

シンチVeto: シンチのHit禁止
5μs
Trigger : TPCのトリガーをかける

TPC
Process: データのフォーマット書き換え中

Data Exist（あり） : TPCにデータがある
TPCにデータありTransferメモリーボードにデータ送信
Data Exist（なし）
TPCにデータなし

Clear: TPCのデータ削除

10μsセットアップ(実際の写真)

左図のように線源Csを原点からずらして行った。
シンチレータ～TPCの下面の距離は約2cm

電子の判別(エネルギー損失率)
荷電粒子のエネルギー（横軸）と飛程（縦軸）の関係性
Csを置いたとき

バックグラウンド

測定数は両方2500000回

電子の判別(エネルギー損失率)
荷電粒子のエネルギー（横軸）と飛程（縦軸）の関係性
Csを置いたとき

バックグラウンド電子の可能性が高い？

測定数は両方2500000回

事象の識別方法
Fiducial cut: TPCの有感領域を出ていく電子や有感領域外から入ってくる電子を除外➢ 4つの側面からそれぞれ内側に4mmを削る(x,y座標)➢ 飛跡のclockが𝑡𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 ~(𝑡𝑒𝑛𝑑 +30)に収まらないものをカット（z座標）dE/dX cut: 荷電粒子のエネルギー損失率を利用し、電子と思われる粒子だけを抽出
1➢ 下図においては、𝑡𝑟𝑎𝑐𝑘 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 = 𝐾𝑒 + 50の直線を引き、その下部の事象だけを抽出した。
2

𝐸𝛾 , 𝐾𝑒𝐸𝛾 と𝐾𝑒 の関係性

コンプトン事象？

𝐸𝛾 + 𝐾𝑒 = 662𝐾𝑒𝑉

Fiducial cut のみ

Fiducial cut + dE/dX cut
測定数は7000000回に増やした。

電子の飛跡コンプトン散乱として想定している飛跡が見えず一見、鉛直方向に飛んでいるような飛跡が多く見えた。

観測された典型的なカット後の電子飛跡

電子の飛跡散乱点
真の飛跡

これが本当にコンプトン散乱だと仮定すると、左図の飛跡は電子が最後に落とすエネルギーによって見える飛跡だと考えられる。

観測された典型的なカット後の電子飛跡
Arガス中のエネルギー損失
出典: 高橋 慶在 「電子飛跡検出型MeVγ線コンプトンカメラに用いるガス組成最適化と高圧化」

5. まとめ考察と課題できたこと●

TPCとシンチレータ検出器を単独で動かし、エネルギーと位置を測定することができた。

●

TPCとシンチレータ検出器を組み合わせて、ETCCとしてデータを取得できた。

●

ETCCにおける検出において、エネルギー損失と飛程の関係から、電子の可能性が高い粒子を判別できた。

考察と課題できなかったことと、その原因●

データの数が少なすぎて、物理的に有意な値が得られているのかどうかわからなかった。

➢

シンチレータのエネルギー較正で座標を絞りすぎた。

➢

シンチレータ検出器の面積が小さすぎた。

●

電子の散乱点と反跳方向が適切に決定できなかった。

➢

TPCのスレッショルドが高すぎて、適切な飛跡が得られなかった。

ご清聴ありがとうございました

図：最初から最後までメモ帳でプログラミングした吉田君の画像

参考資料

KeV-Count岩城ボードDAC値の決定法
Counts

DAC値
Meanの値をDAC値として採用

アノード

アノードの各Stripに対するHIT数のカウント。100～110のstripのHITが極端に少ないことがわかる。

TPCのセットアップ
Drift Top

-2600VGEM Top-1000V

GEM Bottom-700V

μ-PIC Cathode 0V
μ-PIC Anode330V

シンチレータのセットアップ

Outputs

ガンマ線

GSO
シンチPMT

𝑄1 ～ 𝑄4Pre
Amp

sum=σ 𝑄𝑖

-900V
±12V

22Naの各ピクセルのエネルギースペクトル133Baの各ピクセルのエネルギースペクトルエネルギー較正
実験セットアップ
τ= 0.2μs,
Gain = 1

線源

GSO

P
M
T×4
Pre Amp×4Shaper
Amp

sum

Threshold = 20mv

PC

Gate

Width: 10us
Delay: THRU

Discriminator

PHADC(0x150000)

Gate & Delay
Generator
Veto

Gate & Delay
Generator(Latch)

Stop

RPV-130

エネルギー較正
プログラム実行内容
PHADCデータ読み込み↓
Sumの(X,Y)計算↓(X,Y)とピーク値のファイル書き出し↓
ピークホールドリセット↓
Veto信号の解除※PHADCのペデスタルについては1000回平均をとってマイナスしている×1000000到来方向の決定（仮）到来γ線のTPC上面射影

コンプトン散乱点と電子の反跳方向の決定
入射γ線

コンプトン散乱点:
吸収点からXY平面距離（左図の∆𝐿）が最も短い飛跡点
5mm

飛跡

反跳方向:
散乱点から5mm以内の3次元距離が最も長い飛跡点の方向

散乱γ線

μ-pic

∆𝐿
シンチレータ検出器