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アバランシェフォトダイオードを用いた 2 次元撮像カメラの開発

卒業論文発表. アバランシェフォトダイオードを用いた 2 次元撮像カメラの開発. 河合研究室　　齋藤 孝男. 目次. アバランシェフォトダイオード（ APD ）について シンチレータを用いた撮像の原理 APD 4 素子を用いたアンガーカメラ 偏光の観察 32ch APD array について 今後に向けて. APD とは ?. ＡＰＤ. 内部の高い電場により 信号を増幅できる フォトダイオード（光検出器） →低エネルギーの 信号もノイズと 分離できる. 　ｐ ＋ ｐ　ｎ　　 i 　　　　　　ｎ ＋. hν. 増幅. avalanche. E.

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アバランシェフォトダイオードを用いた 2 次元撮像カメラの開発

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Presentation Transcript

  1. 卒業論文発表 アバランシェフォトダイオードを用いた2次元撮像カメラの開発 河合研究室　　齋藤 孝男

  2. 目次 • アバランシェフォトダイオード（APD）について • シンチレータを用いた撮像の原理 • APD 4素子を用いたアンガーカメラ • 偏光の観察 • 32ch APD arrayについて • 今後に向けて

  3. APDとは? ＡＰＤ • 内部の高い電場により信号を増幅できるフォトダイオード（光検出器） →低エネルギーの信号もノイズと分離できる 　ｐ＋ｐ　ｎ　　 i　　　　　　ｎ＋ hν 増幅 avalanche E

  4. APDの特徴 量子効率 % • 小型で頑丈 • 時間分解能速い • 赤外線～軟X線にも感度がある　　　　→広波長で観測可能 • 量子効率がよい →光電子増倍管に代わる光検出器 100 50 0 APD PMT • 400 600 800 1000 1200λ nm

  5. さらなる応用として… • APDでの2次元撮像 APDで行う利点天体からのX線・g線を観測する場合、人工衛星への搭載を考えると、小型かつ頑丈であることが必要 医学用としても小型化することによって、より人体に密着でき、少ない被爆量で診察できる

  6. シンチレータを用いた撮像の原理 • アンガーカメラ 各APDからの信号の重みから位置を出す →　X or g線でのイメージが得られる 1 2 APD1 APD2 Ｘ線光子 × シンチレータ 3 4 APD4 APD3

  7. 実験その1（アンガーカメラのテスト） • 5cm角1cm厚 CsI(Tl) + 5mmAPD x 4 の4ch アンガーカメラを製作 • 高エネルギー加速器研究機構(KEK)にて 70keV 0.1mmf モノクロ偏光ビームにより、1cm間隔で 25点スキャンした。 5cm 5mm

  8. 実験1セットアップ BeamLine

  9. 実験1の結果（１） 見事に入射位置を分解した！ 5cm 2次元イメージ

  10. 実験1の結果（２） • 5~15mm (FWHM) の　　分解能 　　→間隔が約 4cmである事　　　を考えると約1/3 • 検出器の四隅で感度がよい x軸に射影したもの

  11. 実験その2（偏光の観察） • 前面にプラスチックシンチレータ (5x5x20mm) + Pb遮蔽板(2mm厚)を置き、コンプトン散乱させて偏光を観察した。Klein-仁科の式→η＝90°に散乱されやすい θ 偏光ビーム 偏光ベクトル η プラスチックシンチレータ(散乱体) 鉛板 APD CsI結晶

  12. 45°回転 実験2の結果 Q＝0.14 検出器の対角線方向に偏光が向くように回転させて配置 偏光方向 135°回転 Q＝0.23 特定方向にイベントが偏っている→偏光が見えた!

  13. 実験その3（APD array） • 32ch array型 APDを用いてイメージングを行うために、まず各チャンネルのAPDの評価を個別に行う。 55Feの5.9keV X線をそれぞれのAPDに照射し、そのスペクトルを取得した。 array型 APD1.6x1.6mm 32個 32ch preamp

  14. 実験3の結果 よくそろったスペクトルが得られた。

  15. 今後の課題 APDarray • 32ch array型 APDでのイメージを取得（VA / TA利用など） • 中心の分解能改善のために5ch アンガーカメラの作成 • イメージと平行したスペクトルの取得 読み出し CsI ライトガイド VA / TA

  16. コンプトン散乱の微分散乱断面積 ：入射光子エネルギー ：散乱光子エネルギー

  17. APDとは？ • 光電子増倍管とフォトダイオードの特徴を併せ持った放射線検出器 • 小さい • 直接入射でもシンチレータをつけてでもX線を読み出す事が出来る 　　　→幅広い波長域で利用可能 • 日本の次世代X線天文衛星「NeXT」にAPDの搭載を検討中

  18. 実験1セットアップ VME ADC1へ Gateなど ADC2へ ADC3へ 光源 ADC4へ コリメータ CsI+APD プリアンプ メイン　　アンプ 波高　　弁別器 コインシデンス回路

  19. 結果

  20. 結果

  21. コンプトン散乱させると… 入射光子が偏光している場合、散乱光子はその電場方向と垂直方向に散乱されやすい Xorg 電場方向 e-

  22. 特定方向にイベントが偏っている→偏光が見えた!特定方向にイベントが偏っている→偏光が見えた! 45°回転 135°回転 ビームの偏光方向

  23. 放射線用撮像検出器の必要性 • X線・g線での撮像観測は、高エネルギーの天体現象を観測する上で重要 　　　→空間構造を把握することにより、より詳しい　　　物理を解明できる • 放射性同位体とともに用いて、人体、特に内部の構造を調べることができる。 　　　→体内での放射性同位体の動きから、体の　　　異常を早期に発見できる

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