MPPCアレイによる放射線測定

２００９年度P6シンチ班
青野正裕＆橋本暁弘
２０１０年３月８日

目次• １．Introduction• ２．検出器の原理• ３．実験方法• ４．データ取得と解析• ５．イメージング• ６．まとめ• ７．Appendix

Introduction
電子飛跡検出型コンプトンカメラ
ガス検出器

入射
ガンマ線

散乱
ガンマ線

電子

シンチレータガス検出器：①ガンマ線をコンプトン散乱させる②コンプトン反跳電子の三次元飛跡とエネルギーを測定
シンチレーションカメラ：③散乱γ線の吸収点とエネルギーを測定

γ線の到来方向とエネルギーを1光子ごとに決定

使用用途
ガンマ線天体観測用カメラ： 気球や衛星に搭載して観測
医療用ガンマ線カメラ：
ガンの発見または放射線治療時の治療モニター

位置感度型シンチレーションカメラ
6 mm
13mm

50 mm

8×8 マルチアノード PMT
御社 H8500

8×8
GSOピクセル

8500アノード間隔 = GSOピクセルサイズ

GSO(Ce)シンチレータ6mm角ピクセルを独自の技術でアレイ化

H8500での結果と問題点
各ピクセルは分離されているエネルギー分解能~10.5 % @ 662 keV(FWHM)

今後、コンプトンカメラの大型化・気球搭載をしてゆく上での問題点
・コストが高い：PMTが100個以上必要
・印加電圧が大きい ：消費電力がかかる（気球搭載時には深刻）

MPPC• MPPC（Ｍｕｌｔｉ Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）について– 受光面にAPD（Aｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｉｏｄｅ）が沢山並んだもの– シンチレーターと組み合わせることでガンマ線の検出ができる– 同じく光検出器であるPMT（Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）との比較• 低バイアス電圧（＜１００V）で動作（PMT:１０００V以上）• 磁場内でも使用可能（PMT：使用不可）• 安価になる可能性
6.5mm
3mm
• 同程度のゲイン～１０＾６MPPC

原理• APD（Avalanche Photo Diode）

光 電 流– Avalanche増幅
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④N+層

強い電場

アバランシェ
領域

43電子

正孔

2空乏層
P+層

1シンチレーション光ＭＰＰＣの構造– 単一の光子が入射したＡＰＤの数から総光子数がわかる

ガイガーモードＡＰＤ
ノーマルモード• ブレイクダウン電圧以下の電圧で動作• ゲイン＜１００• APDへ入射した光子数に比例した電荷量の出力

ガイガーモード• ブレイクダウン電圧以上の電圧で動作• ゲイン～１０＾６• APDへ入射した光子数に無関係の、電圧値に依存した決まった電荷量の出力

検出効率（PDE：Photon Detection Efficiency）• 入射したフォトンのうち何％を検出できるかを示す特性• 検出効率 ＝ 量子効率 × 開口率 × 励起確率
参考：検出効率と波長の関係

100pixel量子効率

400pixel
1600pixel1フォトンに対して何％の確率で電子正孔対ができるか（波長に依存する）

励起確率

励起確率＝１電子に対してガイガー放電がおこる確率開口率


1ピクセルの中で受光部の占める割合

シンチレーター– ガンマ線が通過すると可視光を出す• MPPCでガンマ線を検出するために必要
エネルギー
最大発
分解能(％) Light output 潮解性
密度 蛍光減光波長衰時間*(FWHM(g / cm3) (ns)( / MeV )(nm)
＠662keV)

NaI
(Tl)

3.67

230 4156-739,000

GSO
7.13(Ce)30 440608-99,000

LaBr35.29(Ce)

20360

3
*PMT測定MPPCの最大感度は約440nm

強なし

63,000 非常にGSOの7倍

強先行研究（２００８Ｐ６）
3mm 使用したＭＰＰＣ3mm

５．９±０．１５

６．５５±０．１５３．０×３．０←ＭＰＰＣと6mm角LaBr3または３mm角GSOを用いて分解能を測定
単位：ｍｍ

分解能 @662keV
8.6±0.3%(LaBr3)
18.7±1.9%(GSO)

ただし、素子の数は1個⇒位置分解能はない

ＭＰＰＣアレイとは？
– ３mm× ３mmの Single MPPC を複数個並べたもの• 受光面を広くできる• シンチレーターと効率よくカップリング– ２×２ｃｈタイプ（浜松ホトニクス社製S10985シリーズ）• ３ｍｍ×３ｍｍの Single MPPC を正方形状に４つ配置• モノリシック構造• 本実験ではS10985-025Cを使用

6mm6mm今年の目的
新型のＭＰＰＣアレイを使ってガンマ線を計測

２００９Ｐ６6ｍｍ

３ｍｍ

２００８Ｐ６3ｍｍ

・ MPPC の受光面積が4倍・素子の数も 4 倍⇒独立した４信号

MPPCの受光面⇒位置感度あり6ｍｍ３ｍｍ角GSO
６ｍｍ角ＬａＢr3６ｍｍ角GSO６ｍｍ角ＬａＢr3・結晶の光が漏れない
目的１．分解能の向上を確認
目的２．４つに分離されたイメージの取得

実験方法
セットアップ
読み出し回路

シンチレーター（この上に線源を置く）

MPPC

太線：4本
他の線：1本MPPCアレイとシンチレーター
MPPCアレイ（左）と６ｍｍGSO

6.0136.0＊６ｍｍGSOの周りにはテフロンテープ（厚さ０．１ｍｍを2回巻）

8.29.0mm単位
11MPPCアレイ（左）と６ｍｍLaBr3

116.08.29.06.027

MPPCアレイとシンチレーターの間にオプティカルグリス（OKEN6262A）を塗ってから接着（屈折率の違いによる反射・散乱を防ぐ）

読み出し回路

MPPC

シンチレーター

MPPCアレイ

95ｍｍ

７２ｍｍ7.3ｍｍ

生信号• 生信号（プリアンプに通す前の信号）をオシロ
スコープで見た図
133
回路図

例：

Ba＋LaBr3データ取得と解析

MPPCアレイのADCスペクトル
MPPCアレイ
137Cs+LaBr36mm角
LaBr3（全面照射）
Ch1

Ch2Counts

CountsChannelChannel

Ch3Ch4Counts

CountsChannelChannelノイズ対策の重要性
MPPCアレイ6mm角
LaBr3137Cs

Channelの和をとる

エネルギー分解能（FWHM）@662keV

９．９±0.3％
MPPCアレイ＋LaBr3

去年の８．９±0.3％（シングルMPPC＋LaBr3）に及ばない

ノイズ対策の強化• シールド線の長さを短くした• アルミ箱に入れた– 電磁シールド

８５ｃｍ

使用した暗箱３３ｃｍ３０ｃｍ

エネルギー較正（LaBr3）

ChannelEnergy V.S. Channel

Ch=(55.3±1.0)×Energy[keV]+(3266±360)

Energy [keV]エネルギー分解能（ＬａＢｒ３）
Energy Resolution
0.4Res.=(0.08±0.001)
×(Energy/662keV)(-0.74±0.05)

0.3

EnergyResolution

0.2

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05

FWHM＠662keV

去年：8.6±0.3%
今年：7.8±0.1%100200300 400 500 600 700
Energy [keV]800

シンチレータによる分解能の比較＠662keV
137Cs

6mm角
GSO

6mm角
LaBr3

MPPCアレイ

MPPCアレイ

赤：ＧＳＯ
14.6±1.1%
青：LaBr3
7.8±0.1%

シンチレータによる分解能の比較＠356keV
133Ba

LaBr3では303keVと356keVのピークを分離できた
赤：ＧＳＯ
24.1±1.8%
青：LaBr3
11.9±0.2%

エネルギー分解能（ＧＳＯ）
Energy Resolution
0.4

Res.=(0.134±0.012)
×(Energy/662keV)(-0.65±0.09)

0.3

EnergyResolution

0.
2

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05

FWHM@662keV

14.6±1.1%
300

400

500 600 700 800900 1000 1200 1400
Energy [keV]イメージング
ガンマ線源
５ｍｍ

ガンマ線

シンチレーターもアレイ化⇒ガンマ線がどこに入ったかがわかる

ＧＳＯアレイ（３ｍｍ角ＧＳＯ×４）

オプティカルグリスを塗って接着

可視光

ＭＰＰＣアレイ

各ｃｈに来たガンマ線のスペクトルを別々に取得可能

GSOアレイのセットアップ
３ｍｍ角GSOをテフロンテープで仕切る
７ｍｍ
７ｍｍ

反射材はテフロンテープ

MPPCアレイとGSOアレイ
9.0mm
7.0mm

8.2mm

7.0mm

データ解析その1（最大値法）
１０００００行×４列のADCデータ
Max｛１ｃｈ, ２ｃｈ, ３ｃｈ, ４ｃｈ｝＝Nｃｈ （N=1,2,3,4）⇒Nch成分を＋１
つまり各ｃｈで最大だった回数を数えるということすべてのｃｈが等しいとき（すべて０の場合）は無視する

最大値法の解析結果
137Cs＋GSOアレイ(全面照射)

約25000カウントに揃っている（誤差8%）Counts

Ch1

Ch2

Ch3Ch4

最大値法の解析結果（４ｃｈのスペクトル）
スペクトルをとる
分解能（FWHM@662keV）の平均15.3±1.7%
Ch1

137Cs

Ch2
CountsCountsChannelChannel

Ch3CountsCountsChannelChannel

Ch4

データ解析その2（重心法）– 例：１０００００カウントのデータを取得した場合→１０００００行×４列のADCデータ– 列数はｃｈの数– 各ｃｈのADCの値（１ｃｈ, ２ｃｈ, ３ｃｈ, ４ｃｈ）に対して重心座標 ( X, Y ) を次のように定義する Y
ch1 − ch2 + ch3 − ch4X=
ch1 + ch2 + ch3 + ch4ch1 + ch2 − ch3 − ch4Y=
ch1 + ch2 + ch3 + ch4

ｃｈ1 ｃｈ2ｃｈ3 ｃｈ4X

重心法の解析結果（２次元ヒストグラム）
137Cs＋GSOアレイ＋重心法(全面照射)

射影図

重心法の解析結果（４ｃｈのスペクトル）
重心法の図

スペクトルをとる
分解能（FWHM@662keV）の平均15.3±1.7%
Ch1

137Cs

Ch2Counts

CountsChannelChannel

Ch3CountsCountsChannelChannelCh4まとめ・２×２MPPCアレイを使って分解能を測定
LaBr3:7.8±0.1%@662keV（去年は8.6%）
GSO：14.6±1.1%@662keV（去年は3mm角で18・再構成イメージが作れた

課題：MPPCアレイとGSOアレイのアライメントを精密にやればより詳しい位置情報が検出できるかもしれないAppendix
昨年のP6の実験

Gainに温度依存性がある
1℃で-1200Ch（～10％）
ピーク位置のずれは温度によるずれ（～±0.2℃）程度
GSO+050C

Appendix
今回の測定では温度を常にモニターしていたので温度計測の方法について紹介しておく

温度計

回路図

Vout
T =channel×0.42-415

温度計

R=5.1kΩ

Vin=5V