シリコンドリフト検出器とGSOシンチレータを用いたコンプトンカメラ
岩﨑

田原

目次
1. 実験の目的
2. 実験原理
3. 使用装置
4. 前実験
5. 本実験
6. まとめ1. 実験の目的
シンチレータとシリコン検出器で簡単なコンプトンカ
メラを作りガンマ線のイメージングを行う。

２. 実験原理

コンプトン散乱の原理
光子と(自由)電子による弾性散乱
エネルギー保存則＆運動量保存則→𝜃 = cos −1 1 − 𝑚𝑒 𝑐 21𝐸𝛾−

1

𝐸𝑒 +𝐸𝛾𝜃：散乱角
𝐸𝑒 ：反跳電子エネルギー𝐸𝛾 ：散乱ガンマ線エネルギー
𝑚𝑒 𝑐 2 ：電子の静止エネルギー511keV

コンプトンカメラによるγ線到来方向の決定
コンプトンカメラ
前段の検出器(散乱体)でコンプトン散乱を起こさせ、生じた反跳電子を、後段の検出器(吸収体)で散乱ガンマ線を同時に検出するガンマ線検出器

一つのガンマ線からθが決まり、円環上(コンプトンコーン)にγ線の到来方向を限定できる。
３つ以上の円環を重ね合わせて、γ線の到来方向を決定する

3. 使用装置

シリコンドリフト検出器(SDD)• シリコンドリフト検出器とは？
同心円状の電極構造で中央の小さな陰極に効率よく電子を集める。
主な特徴➢ 時間応答がはやい➢ エネルギー分解能が高い➢ 漏れ電流が小さく、冷却が比較的楽(液体窒素不要)➢ 空乏層が短い
Silicon Drift Detectors RAYSPEC• Amptek社製XR-100SDD
PX5がPreamp電圧供給、フィルター回路、Shaperの役割を兼ねる。
シリコンの厚さ 500μm
シリコンの面積 25mm2

シンチレータとその読み出し回路• GSOシンチレータ
6mm角 厚さ13mm 全64ピクセル• マルチアノードPMT
浜松ホトニクスH8500
8×8チャンネルのアノード

ゲイン1.5 × 106• 抵抗チェーン
PMTのアノードを抵抗で繋ぎ、4端から読み出し4. 前実験

4.1. SDDのエネルギー較正
セットアップSDD Preamp

PX5 (Shaper)

PHADC

Level Translator

Gate Generator
start

PCvetoGate Generator (Latch)
測定条件•Preamp電圧 ±8.5V​​•gain5​•Gate幅 10 ㎲stop

RPV130241Amのエネルギースペクトル
241Amの５つのピーク(13.9,17.9,20.8,26.3,59,5keV)をガウシアンでフィッティングした
フィッティング例 Am(13.9keV)

133Baのエネルギースペクトル
CsのKα線(31keV)のフィッティング

エネルギー較正4.2. GSOシンチレータのエネルギー較正
セットアップ
DC電源線源GSO PMT

PreampPHADC

Shaper

PC

sum

HV

Discriminator

Gate Generator
vetostart

Gate Generator (Latch) stop

測定条件
• HV -930V• Preamp 時定数 5 μs
• Preamp 電圧 ±12.0V• Shaper 時定数0.2 μs, ゲイン 0.5倍
• Discriminator スレッショルド電圧 -29.5mV• Gate幅 10 μs

RPV130ガンマ線の入射位置の特定
シンチレータの中心を原点とする平面座標を導入
電荷をPMTの4端から読み出し→電荷の重心を計算
𝑄2y

電荷情報から全電荷𝑄𝑡𝑜𝑡 とガンマ線の入射位置 𝑥𝛾 , 𝑦𝛾 を推定

𝑄0

𝑄0 + 𝑄1 − 𝑄2 − 𝑄3
𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑄0 − 𝑄1 + 𝑄2 − 𝑄3𝑦𝛾 =𝑄𝑡𝑜𝑡
𝑄𝑡𝑜𝑡 = 𝑄0 + 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3𝑥𝛾 =x𝑄3

𝑄1

2次元ヒストグラム
100万回の計測結果を2次元ヒストグラム化(右図は線源22Naの場合)
目測で各ピクセル範囲(矩形)を決定

22Naのエネルギースペクトル
光電ピークをガウシアンでフィッティング→対応するチャンネル数を求めた。

511keV

1275keV

133Baのエネルギースペクトル81keV
356keVエネルギー較正

フィッティングによって求まったパラメータを横軸：チャンネル数、縦軸：エネルギー(keV)としてプロットし、一次関数でフィッティング同様のことを全64ピクセルで行った。

4.3 Coincidence
Coincidence が取れていることを確認するために、22Naのβ+崩壊に伴う消滅放射線(511keV)とγ崩壊で放出されるγ線(1275keV)を利用した
シンチレータとSDDを線源に対して対称におき同時計数を取る→同時計数が取れていれば、1275keVのピークは(偶然同時計数を除き)なくなる

写真添付

同時計数セットアップ
線源

SDD Preamp
PX5 (Shaper)
GSO PMT
DC電源

Preamp

HV

Shaper

PHADC

PC

sum
Delay 500ns
Width 1.0μs

Discriminator

Level Translator

Gate&DelayGate&Delay
Delay THRU
Width 1.0μs

Coincidence

Gate Generator
vetostart

Gate Generator (Latch) stop

RPV130各ゲート出力の関係

黄 Coincidence後のゲート(反転出力)ゲート幅10μs
青 シンチレータ側のゲート1.0μs
緑 SDD側のゲート1.0μs

シンチレータのスペクトル比較
同時計数をとった場合

同時計数をとってない場合

5. 本実験

コンプトン散乱の測定
線源に133Baを用いてコンプトン散乱の測定を行った。
散乱角45°

この上に暗幕を被せて測定を行った

散乱角とエネルギーの対応
線源のエネルギー(keV)81356

散乱角(deg)

反跳電子エネルギー(keV)

30

1.68

45

3.59

60

5.95

30

30.4

4560.36092.0散乱角45°横軸に散乱ガンマ線のエネルギー、縦軸に反跳電子のエネルギーをとり、計測されたエネルギーを2次元ヒストグラム化
直線は左から𝐸𝑒 + 𝐸𝛾 = 81, 276, 303, 356, 384 keV

2次元ヒストグラム考察
コンプトン散乱→エネルギー保存→イベントは直線上に乗る
角度指定したので、理想的にはそのうちの1点にイベントが集中得られた2次元ヒストグラムの特徴• 直線𝐸𝑒 =64keV付近→SDDのsaturation• 和81keVの直線にはコンプトン事象と思しきイベントの集団• 他の直線には(全イベント数が少ないこともあって)どこがコンプトン事象かを特定するのは困難

エネルギーの和とカウント数

横軸に測定された電子、散乱ガンマ線のエネルギーの和、縦軸にそのカウント数を取り、ヒストグラム化→理想的には入射ガンマ線のエネルギーを中心とする分布になる

散乱角の決定2次元ヒストグラムから81keVのガンマ線によるコンプトン事象を取り出し、エネルギーから散乱角𝜃𝑐𝑜𝑚 を決定
同時に、シンチレータのピクセル、SDD、線源の位置関係から幾何学的に散乱角𝜃𝑔𝑒𝑜 を計算
その差をヒストグラムにした
𝐸𝑒 <15keVとなる事象[deg]

𝐸𝑒 <6keVとなる事象[deg]

散乱角が適切に決定できない要因• シンチレータのエネルギーの統計誤差

𝜃 = cos −1 1 − 𝑚𝑒 𝑐 21𝐸𝛾−

1𝐸𝑒 +𝐸𝛾→ 𝛿 (cos 𝜃) = 𝑚𝑒 𝑐 2 −1𝐸𝑒 +𝐸𝛾2 𝛿𝐸𝑒 +1𝐸𝛾2−• 位置分解能の限界
シンチのピクセル、シリコン、線源、いずれも点として扱ったことによる• 電子の束縛エネルギーを無視できない
コンプトン散乱の式は自由電子との作用
実際は原子核の束縛エネルギーが(低エネルギーガンマ線ほど)無視できない• 𝐸𝑒 =7~10keV付近の事象
由来は不明

1𝐸𝑒 +𝐸𝛾2

𝛿𝐸𝛾

まとめ• シリコンの厚さが小さく、高エネルギーのガンマ線の検出効率は低い→81keVの再構成には数倍の測定時間が必要。イベント数が少なかった。
• 個々の事象からの散乱角の決定もうまくできたとは言えない。

ご清聴ありがとうございました