Experimental Study ofa Si/CdTe Semiconductor
Compton Camera
for the Next Generationof Gamma-ray Astronomy
ISAS/JAXA 高橋研究室
東京大学大学院理学系研究科
武田伸一郎

Sub-MeV/MeV 観測
100 keV -- MeV Band はもっとも挑戦的な帯域
粒子加速による非熱的放射が支配的なエネルギー帯域
星の重力崩壊プロセスを知る手懸かりとなる核ガンマ線
銀河中心方向から来るポジトロン由来の 511 keV 線

感度

しかし、最も観測が遅れた帯域
他の帯域に比べて1-2桁感度がわるい
集光鏡によるイメージングできない( cf. X線帯域 )相互作用がコンプトン散乱に支配( cf. 100 MeV-- GeV 帯域 Fermi )検出効率が稼げない
バックグランドの遮蔽が困難

・・ ・

感度向上の鍵は次世代コンプトンカメラ !

Compton Camera
コンプトン運動学を利用した検出器
D1、D2 によるコンプトン散乱プロセスの追跡
位置と計測エネルギー (X1,E1)と(X2,E2) より、

Ein

θX

1

散乱体

E1

D1

X2
E2

吸収体
D2

光子の到来方向を円環に制限できる。
位置とエネルギーの正確な測定が鍵・ 円環を重ね合わせることで線源の場所がわかる。
・ 特定の方向からくる光子を抜き出すことができる。

→イメージング能力「コンプトン運動学」を用いて、荷電粒子イベント・検出器の放射化によるバックグランドと天体からの信号とを区別できる

Compton Camera の歴史
1970年代に MeV 宇宙望遠鏡として提案( Schonfelder et al 1975 )液体シンチ＋NaI (Tl)
精度の高い追跡( ΔE, ΔX ) が困難
COMPTEL<それでも過去最高感度(1--10MeV)COMPTEL (CGRO衛星)

2.1m

1.5 t

超巨大 ( 1t )、低有効面積 ( 10 -- 20 cm2 )様々な分野で次世代コンプトンカメラの提案( 1990 -- 2000 年 )半導体多重コンプトンカメラの概念（kamae et al 1988）
C­SPRINT（Si/シンチレーター）（フランス／イタリア）
HPGe コンプトンカメラ ( LBL Group/原子核実験 ）ガスコンプトンカメラ ( 京都大学 ）Si/CdTe コンプトンカメラ
我が国の独自技術に基づいた提案 Takahashi, Makishima and Kamae (2000)

それぞれに特徴あり、実際の検出器の開発と実証が要求されていた（ただし、高度な検出器技術・解析技法が必要）

開発のねらい要求されるのは感度の向上のみではない

宇宙観測用次世代コンプトンカメラ
X線観測との連続性から数 10 keV から数 MeV までカバーする(cf. COMPTEL 750 keV 以上)

ΔE/E ~ 2 % ( X線CCD at 6 keV )のエネルギー分解能
角度分解能の理論的な限界まで ( ドップラー限界 )偏光観測が出来る (これまで観測そのものがなされていない)
感度がこれまでの検出器を１桁以上上回る
衛星搭載が容易な動作環境（特に動作温度、読み出し回路、サイズ。。。＆コスト）

本論文

次世代コンプトンカメラ
Si/CdTe Compton Cameraの世界初の開発、実証実験
発表の内容

・コンプトンカメラの開発(第5章)

半導体検出器の基礎開発より始め、世界で初めてSi と CdTe よりなる半導体コンプトンカメラシステムを確立した。
製作したコンプトンカメラにより、初めて天体観測にむけた実証実験が可能となった。

・コンプトンカメラの絶対検出効率 ( 第 6 章 )・コンプトンイメージングの実証 ( 第 7 章 )・偏光測定能力実証 ( 第 8 章 )・軌道上性能シミュレーション ( 第 9 章 )本講演では省略

Si/CdTe Compton Camera
Si と CdTe の半導体検出器の積層構造概念図

・高い位置分解能による正確な反応位置の測定( ΔX : 数100 um -- mm )Silicon・高いエネルギー分解能による正確なエネルギーデポジットの測定(

ΔE ~ 1-- 2 keV for Si
ΔE/E ~1 % for CdTe(

正確なコンプトン散乱プロセスの記録-> 精度のよい再構成Si/CdTe の 組み合わせ
CdTe

効率よくコンプトンイベントを取得
Si ( Z = 14 ) σcomp /σphoto > 1 @ 50 keV
CdTe ( Z = 48,52 ) 高い光子阻止能

Doppler broadening 影響小さい ( 3.4 節)->

高い角度分解能500 keV 以上の帯域で 〜1 (FWHM)

1. コンプトンカメラの開発
Si/CdTe コンプトンカメラ開発の鍵
Floating Read Out

digital isolator

VA

CSA(1) 散乱体の Si 検出器の(両面シリコンストリップ検出器(DSSD) )digital DATA
ShaperADC(a) 高いエネルギー分解能 (ΔE~ 1--2 keV (FWHM))
Nside(b) 低い検出 Threshold ( 数 keV)
DC/DCPside

世の中に存在しない(c) mm レベルの積層の実現
CSAVA

digital isolator
Shaperdigital DATA

ADC

Floating Readout 実証

コンパクトな実装が実現

(修士)

COM2

( 博士1年 )VA64TA
COM1AVA64Tverse)(the re両サイドとも低ノイズかつ高密度実装が可能になる

DC/DC(2) Si と CdTe 検出器を統合、読み出しシステムの構築
Trig

トリガ処理系
Coincidence Mode
Calibration Mode

Compton Camera
103--104 チャンネル

DSSD

CdTe

Analog
ASICs

AnalogASICs

VA64TA

Read Out
CTL
Read Out
CTL

システム制御系
CommandData

Dead Time
計測系

H.V. supply

103--104 チャンネルに及ぶ、半導体検出器からの信号を読み出すシステムを構築し、初めてコンプトンカメラを動作させた。

Si / CdTe コンプトンカメラ ( Takeda et al. SPIE 2007 )4 積層 DSSD ( 2 mm ピッチ )(Takeda et al. SPIE Newsroom)

2.4 mm ピッチ 4層積CdTe Bottom Module
1.4 mm ピクセルサイズ、 厚さ 500 um
ΔE/E < 1 %(Takeda et al. NIM 2007)
ΔE = 1.6 keV (FWHM) @ 60 keV

4 積層DSSD + 32 CdTe Pixels

イメージング実験、偏光測定実験の目的に応じて、検出器構成を合計 2560 ch を 40個のVA64TAで読み出しカスタマイズ。 3 種類のコンプトンカメラを製作した。

コンプトンカメラの性能
・59.5 -- 662 keV の帯域で点線源のイメージングに成功

59.5122keV
356
511 keVradiusradius 1010 deg
deg

2.5 (FWHM)-600-400-2000x [mm]200400DSSD の低い検出 Threshold ~5 keV を達成したことにより初めて実現（世界に例がない）600

高いスペクトル性能を達成
8.0 keV (FWHM) @ 511 keV

ΔE/E~ 1.5 %イメージングによるバックグランド除去能力を実証

より詳細な検出器評価へ

2. 絶対検出効率の評価
絶対検出効率は、検出器の特性として最も重要a) 天体の絶対フラックスからの物理量の決定b) 強度分布の正確な測定など。

絶対検出効率＝F ( 視野（立体角), Dead Time, 較正線源の絶対強度）
特にDead Time補正の「検証」が重要。

数 % の精度で絶対効率を測定できる実験が必須
絶対検出効率の検証→コンプトンカメラの応答の理解が不可欠(光電吸収、コンプトン散乱、蛍光X線 etc. with Geometry)→ Geant4 をベースとしたモンテカルロシミュレーター

実験データとSimulation Output を直接比較し、検証Dead Timeの「検証」
1) Dead Timeを測定
2) 半減期の短い線源 (18F, 6.59 x103 sec) を用意（群馬大学医学部との共同実験）、半減期を測定、上述のDead Timeが正しいことを検証。

deadtime
100120907060504030DSSD BUSY .or. CdTe BUSY

806040201000

6.51 0.05 x103 sec

100

Count rate [count/s]

Dead Time [%]8020

Dead Time 補正後のレート

real

Dead Time

1000

2000

3000

4000
5000
Time [s]

6000

7000

8000

00

半減期を正しく導出できている。
1000

2000

3000

4000
5000
Time [s]

6000

7000

8000

Data Block 2kB/event (Bottom CdTe+DSSD) → Count Rate 500 counts/sec,

高精度 MC Simulatorの構築
物理の結果を出すために必須の道具（Forward Method)
Si半導体, CdTe半導体の検出器応答（半導体内部のキャリア移動等）の組み込みが必要。

(例) CdTe 1 Pixel スペクトル

キャリア移動度、寿命無限大+キャリアのトラップ(μτ積)＋複数ピクセルへの広がり(ChargeSharing)を実際に測定、それを「拡散」の効果とした。隣接したピクセルにthreshold以下のEnergyがDeposit
して検出できなかった効果をモデル化(節6.4, 6.5)

Si と CdTe
両方の検出器応答のモデル化開発したモンテカルロコードの実証

絶対効率の検証 (1)
光電吸収ピークの面積（１層事象を選択）
DSSD

CdTe

DSSD はガウシアンフィット、CdTe は Line Energy

5 keV Window

測定値には使用したRI Source の絶対強度の不定性に基づく 10 % のエラー

実験値とSimulator Output は 10 % の程度で一致する。

開発したモンテカルロコードの実証

絶対効率の検証 (２)コンプトン散乱事象を選択、イメージング後、線源を切り出す。
（線源位置より10 以内にコンプトンリングが通った事象を選択）

Si/CdTeコンプトンカメラの絶対検出効率を10 % レベルで求めることに成功。

開発したモンテカルロコードの実証

角度分解能の再現性Simulation
2.5 (FWHM) @ 511 keV・300 keV 以上でドップラー限界にせまる角度分解能
2.5 (FWHM) @ 511 keV

角度分解能のエネルギー依存性も Simulator でよく再現

3. コンプトンイメージングの実証
非密封線源を用いた実験 (with 群馬大医学部、原研)
点線源だけでなく、これまでコンプトンカメラでは実証されてこなかった、「拡がった構造のイメージング試験」が可能に３種類のターゲットを作成。(131I, 364 keV)

(a)

(b)

(c)

(a) 20 mm ピッチに配列した点線源。径 2 mm(b) 直径 20 mm の真円(c) 逆 ”C” 状。ギャップ 3 mm（注）以下、Deconvolution Algorithm として、List-Mode Maximum Likelihood
Expectation Maximization 法を 採用したときの実験結果をしめす。( 詳細は7.2節 )Grid 状線源の撮像
364 keV

視野 120・配列した点源が正しい位置にイメージングされた。
60 cm 離れた場所で 1 mm 以下の位置決定精度

・広い視野にわたるイメージング能力を実証。

拡がった構造の撮像
角度分解能に優れた Si/CdTe コンプトンカメラにより初めて実証
比較用点線源364 keV真円
364 keV

逆”C”状
364 keV・点線源、真円、逆”C”状、それぞれ真の形状にイメージングされた。
・選択した Deconvolution 法の有用性を確認。
真円が一点に収束すること無く、逆”C”状のギャップと中心が抜けた構造が正しく Deconvolution された。

・拡がった構造をもつ対象のイメージングを実証した。(Takeda et al. IEEE 2008)

4. 偏光測定能力実証
Semiconductor

New !!

Compton Camera && Polarimeter( cf. Traditional
Compton Polarimeter )・散乱光子の精度のよい追跡 (~mm) により、精度よく (~1 ) 偏光方向を測定できる。
(ただし実証が必要、本発表で)・散乱体を取り囲む構造により、高い偏光分解能力と検出効率を実現。
・イメージングによる低バックグランド観測

ガンマ線の追跡精度が悪い

SPring-8、BL08Wビームラインで 100 % 偏光シンクロトロンビームを用いた、偏光測定能力実験を執り行った。

ビームラインセットアップ
Z

SPring-8 BL08W
250 keV ( > 99.99 %)polarization vector

XAlDetector Rotation

Yn1~3 º02~ 170 keV ( 92.5 %)3Y4490 mm

Pb + Sn + Cu
ShieldφpolCompton camera

1522.53054567

polarization vector

174Z

90
180X

2356

θ stage
X-Y stage

・ビームラインからの 250 keV ガンマ線を 90 散乱させて検出器に入射。
・検出器には ~170 keV、92.5 % 偏光のガンマ線が入射する。
・検出器を回転させて、検出器座標で 0 ,15 ,22.5 ,30 ,45 ,90 ,180 の偏光ベクトルをもつ 7 種類のデータを取得。
・トリガーは CdTe Side 検出器から取得。( DSSD--CdTe Side イベントをつかう。)

Azimuth 散乱分布
検出器座標における Azimuth 散乱分布 ( φpol = 0 のデータ )
yx

散乱分布

・ 90 方向と、0, 180 方向の計数の違いが入射光子の偏光によるもの。
・ + 90 と- 90 方向の ~10 ％ の計数の違いが DSSD 周りの passive
material の非一様性によるもの。

Modulation Ratio
シミュレーターで無偏光レスポンスを計算し、検出効率の非対称性を補正した Ntrue (φ)をもとに以下にRを定義する。

R の振幅 (Q) が偏光度に比例し偏光ベクトルの方向が最小値となる。

偏光度と偏光方向・偏光ベクトルの方向は 1 以下の精度で正しく決定された。
・R の振幅 (Q) は 0.830.02 と求まった。

シミュレーションでもとめた、92.5 % 偏光に対して期待される Q = 0.84高い偏光分解能力を達成

0.02(シミュレーションとも一致)

次世代検出器本研究により見えてきた次世代検出器
SGD ( ASTRO-H ) 2013
Gamma-ray

8台配置

DUAL 2015 -- 2020
gamma-ray

Laue lense

Fine collimator

Compton camera

θ
Focal length 92 m

BGO Shield

Compton Camera Array
All sky survey & Focal plane detector

10 cm
1m

コンプトン運動学を用いた極低バックグランド観測
1 mCrab (100 ksec) < 300~keV

ガンマレンズとコンプトンカメラ
全天サーベイ & ポインティングまとめSi / CdTe 半導体コンプトンカメラを世界で初めて開発し天体観測に向けた性能評価をすすめた。
Si と CdTe の詳細な検出器応答のモデル化に成功し高精度のMonte Calro Simulator を構築した。
とくに、従来のコンプトンカメラでは実証されてこなかった広がった構造のイメージングに成功。
コンプトンカメラが高い精度 (~1 ) で偏光方向を決定できることを実証した。
100 kg 級コンプトンカメラが到達する感度は、これまでの如何なる検出器よりも1桁上である。

次世代検出器コンプトンカメラに要求される測定能力を実証した。

Welcome to Matsuyama
春や昔ㅤ十五万石のㅤ城下かな
道後
愛媛大学

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子規記念博物館

松山城
ロープウェイ

坂の上の雲記念館

大街道

JR松山駅

最大の繁華街坊ちゃんや坂の上の雲の舞台
のぼさん、秋山兄弟、大江健三郎
伊丹十三らを輩出

くるりん

銀天街

いよてつ高島屋
子規堂

松山中学跡 (現松山東高校)

映画 「がんばっていきまっしょい」舞台 (主演 田中れな)

ちんちん電車に乗って松山散策はいかがでしょうか
一句できたら投函ポストへ。(佳句には景品があるとかないとか)