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茨城 大学大学院　理工学研究科 加賀谷　美佳 内田智久 E,F 　梅原克典 A 　榎本良治 B 　片桐秀明 A 　田中真伸 E,F

茨城 大学大学院　理工学研究科 加賀谷　美佳 内田智久 E,F 　梅原克典 A 　榎本良治 B 　片桐秀明 A 　田中真伸 E,F 中山浩平 A 花房龍治 D 　村石浩 C 柳田昭平 A 　吉田龍生 A 茨城 大理 A 　東大宇宙線研 B 　北里大医衛 C 富士電機 D KEK 素核研 E Open- It F. CsI 結晶シンチレータを用いた コンプトンカメラ γI （ガンマアイ）の開発. 研究の 背景. 福島第一原発の事故による汚染地域のサーベイ 核 医療施設における汚染状況 核 医療の治療への応用 天文分野への応用. 研究の 目的.

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茨城 大学大学院　理工学研究科 加賀谷　美佳 内田智久 E,F 　梅原克典 A 　榎本良治 B 　片桐秀明 A 　田中真伸 E,F

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  1. 茨城大学大学院　理工学研究科 加賀谷　美佳 内田智久E,F　梅原克典A　榎本良治B　片桐秀明A　田中真伸E,F 中山浩平A花房龍治D　村石浩C柳田昭平A　吉田龍生A 茨城大理A　東大宇宙線研B　北里大医衛C 富士電機DKEK素核研EOpen-ItF CsI結晶シンチレータを用いた コンプトンカメラγI（ガンマアイ）の開発

  2. 研究の背景 • 福島第一原発の事故による汚染地域のサーベイ • 核医療施設における汚染状況 • 核医療の治療への応用 • 天文分野への応用 研究の目的 • 低レベルの汚染地域での測定 • 0.1μSv/h以上のすべての地域での測定可能 • 角度分解能5度以下の測定を目指す。（最終的には1度） • 10m離れた場所から1mのホットスポットが判別できる。

  3. コンプトンカメラ－ガンマアイ計画 z 入射γ線 エネルギー： E0=662keV 散乱角： 再構成された画像の例 q 視野中心 （z軸方向） q γ線源 q q E= E1+E2 CsI(Tl) シンチレータ 光電子増倍管 蛍光強度∝E1 散乱γ線の 光電吸収 エネルギー：E2 コンプトン散乱 による損失 エネルギー：E1 CsI(Tl)シンチレータと 光電子増倍管による 2次元アレイカメラ 蛍光強度∝E2 y x

  4. コンポーネントの最適化 2層のコンプトンカメラ • E2=E-E1であるので1層目のエネルギー分解能が数keVならOK。 （ 例えば57Coの14.4keVのガンマ線ではエネルギー分解能2keVを目指す ） • 検出部分となる光電子増倍管・CsI結晶シンチレータの組み合わせを変えて試験 • 最もエネルギー分解能の高い組み合わせを選択

  5. 光電子増倍管 評価 PMH8820MOD • 光電面のサイズ20mm • プリアンプ付 • HVは外部から接続 H11432-100 • 光電面のサイズ38mm • コッククロフトウォルトン回路付 • スーパーバイアルカリPMT 電源 ±5V PMT NIM アンプ CsI結晶 MCA 豊伸電子 セットアップ 137Cs PC CANGAROO望遠鏡に使用していたPMTがいくつかあったため、我々のコンプトンカメラに使用できるか評価した。 左：H8820MOD 右：H11432-100

  6. 137Cs662keVで比較 H11432-100 H8820MOD エネルギー分解能=11.3% （ σ=31.8keV ） エネルギー分解能=7.8% （ σ=21.9keV ） [count] [count] [channel] [channel] • 実験条件 • 3.5cmCsI（応用光研　研磨なし） • NIM150倍 • HV 1500V • 実験条件 • 3.5cmCsI（応用光研　研磨なし） • NIM200倍 • HV 1630V

  7. 結晶比較 結晶の種類 • 応用光研3.5cm角CsI　研磨なし • 応用光研3.5cm角CsI研磨あり（ 1面 ） • サンゴバン3.5cmCsI　 研磨あり（ 1面 ） • Belle 3.5cmCsI　　　　　 研磨なし MCA 豊伸電子 電源 ±5V PMT NIM アンプ PC CsI結晶 セットアップ 137Cs

  8. 137Cs662keVで比較 エネルギー分解能[ch]=7.8% （ σ=21.9keV ） エネルギー分解能[ch]=7.9% （ σ=22.2keV ） [count] [count] 応用光研　1面研磨 [channel] [channel] 応用光研　研磨なし エネルギー分解能[ch]=9.2% （ σ=25.9keV ） エネルギー分解能[ch]=7.6% （ σ=21.4keV ） [count] [count] サンゴバン1面研磨 Belle実験　研磨なし [channel] [channel]

  9. コンポーネントの最適化の結果 光電子増倍管としてはH11432-100を採用 結晶はどれも137Csの662keVで同等の分解能が出ている [count] エネルギー分解能=30.9% （ σ=4.2keV ） 32.2keVでσ=4.2keVだから 2度以下を切る十分なエネルギー分解能 [channel] 今後 • オプティカルグリスの種類 • 反射材の種類 • 遮光・ノイズ落とし などにより、よりエネルギー分解能の向上を検討

  10. CAMAC を使用して多チャンネル測定 2カウンター、4カウンターによる測定 放射線源の角度を変えながら測定

  11. 2カウンター測定　セットアップ 放射線源137Cs 電源 PMT2 CsI：応用光研1面研磨 PMT1 CsI：Belle実験 角度0°～32.5° 35cm 35cm

  12. CAMAC ADC 多チャンネル測定　1カウンターテスト 137Cs 662keVエネルギー分解能=9.3% （ σ=26.3keV ） 32.2keVエネルギー分解能=13.6% （ σ=5.0keV ） • CAMAC ADC による多チャンネル測定 • コンプトンイベントを抽出するために 多チャンネルのCAMAC ADCを使用。まずは1chでスペクトルがちゃんととれているか試した。 57Co 14.4keVエネルギー分解能=20.7% （ σ=3.4keV ） [count] [count] [channel] [channel] 東大宇宙線研（千葉県柏市の土） 137Cs:662keV [count] 134Cs:605keV 134Cs:796keV [channel]

  13. 2カウンター測定　セットアップ 概略図 電源 ±5V 線源 PMT2 H11432-100 CsI PMT1 H11432-100 CsI プリアンプ 1800V プリアンプ 1800V CAMAC ADC ORTECアンプ 20倍（ minimum ） BI PC CAMAC ADC GATE 赤：トリガー 黒：シグナル DISCRIMINATOR -15mV（ minimum） GATE & DELAY GENERATOR （ WIDTH 100μs ） GATE & DELAY GENERATOR （ WIDTH 100ns ） VETO

  14. 2カウンター測定 137Cs スペクトル　放射線源の設置角度　25° [count] [count] E1[keV] E2[keV] layer2 layer1 layer1：E1が7keV以上のイベントを抽出。 期待されるエネルギー：72keV layer2：E2が400keV以上のイベントを抽出 期待されるエネルギー：590keV Layer1+layer2:E1+E2=662keVのイベントが抽出できている [count] E1+E2[keV] Layer1 + layer2

  15. 線源の位置　10° 線源の位置　17.5° [count] 線源の位置　25° 線源の位置　32.5° 30 0 10 20 40 [degree]

  16. コーン解析結果と線源の位置 • 1層目のPMTから見える写真とコーン解析の結果を重ねあわせた 放射線源

  17. 4カウンター測定　セットアップ 放射線源137Cs PMT4 CsI：サンゴバン 電源 PMT2 CsI：応用光研1面研磨 35cm PMT3 CsI：応用光研1面研磨 PMT1 CsI：応用光研1面研磨 35cm 中心部分から奥の方に2.5cmずれている

  18. 4カウンター測定　セットアップ 概略図 電源 ±5V プリアンプ 1800V CsI PMT3 H11432-100 線源 プリアンプ 1800V PMT2 H11432-100 CsI PMT1 H11432-100 CsI プリアンプ 1800V PMT4 H11432-100 CsI プリアンプ 1800V SUMMING アンプ ORTECアンプ 20倍（ minimum ） BI ADC 赤：トリガー 黒：シグナル PC ADC GATE DISCRIMINATOR -15mV（ minimum） GATE & DELAY GENERATOR （ WIDTH 100μs ） GATE & DELAY GENERATOR （ WIDTH 100ns ） VETO

  19. 137Cs スペクトル　放射線源の設置角度　20° [count] [count] E1[keV] E2[keV] layer2 layer1 layer1：E1が7keV以上のイベントを抽出。 期待されるエネルギー：48keV layer2：E2が100keV以上のイベントを抽出 期待されるエネルギー：614keV layer1+layer2:E1+E2=662keVのイベントが抽出できている [count] E1+E2[keV] layer1 + layer2

  20. 線源の位置と放射線の到来方向 PMTの中心から 20°傾けた PMTから20° （距離12cm）に線源設置 PMTの中心から 30°傾けた PMTから30° （距離17.5cm）に線源設置

  21. コーン解析結果と線源の位置 • 1層目のPMTから見える写真とコーン解析の結果を重ねあわせた 放射線源

  22. Geant4によるシミュレーション すべての結晶サイズを変化

  23. 結果：すべての結晶サイズを変更 3.5cm角 （11×11） 1.75cm角 （21×21） 0.875cm角 （41×41） 2D Gaussian fit Y[cm] Y[cm] Y[cm] σ=3.0° σ=2.3° σ＝4.5° X[cm] X[cm] X[cm] 349/10000 event (3.5%) 105/10000 event (1.1%) 44/10000 event (0.4%)

  24. SiTCPボードを用いた多チャンネルデータの読み出しSiTCPボードを用いた多チャンネルデータの読み出し

  25. SiTCPボードを用いた複数チャンネルデータ読み出し試験状況SiTCPボードを用いた複数チャンネルデータ読み出し試験状況 • SiTCPとは • 多チャンネルで高速にデータ収集を • 行うために、1チップ（FPGA）上にネッ • トワーク処理回路を実装することで、 • FPGAをイーサネットに接続する技術 • データをTransmission Control • Protocol (TCP)を用いてイーサネット • の転送上限値で転送する事が可能 KEKで製作されたSiTCPボード • SiTCPボードを使用するメリット • ボード一つで最大16chのデータの読み出しができ、カメラの小型・軽量化が可能 • TCP読み出しなので汎用性が高く、また1.25万円/chと安価 • ボードに搭載されたFPGAにより、目的に合わせてトリガーロジックを変更可能

  26. SiTCPボードを用いた複数チャンネルデータ読み出し試験状況SiTCPボードを用いた複数チャンネルデータ読み出し試験状況 2層目の取得波形 1層目の取得波形 線源 （柏の土） PD 2ch同時読み出し試験 見たいイベントの複数チャンネルでの波形データの取得に成功！ 2ch同時読み出し時の取得波形

  27. 今後の試験 Y軸 6カウンター測定 X軸、Y軸で到来方向を特定 次回の学会で発表 X軸 1層目 2層目 プロトタイプ1 実験室用小型プロトタイプ製作 設計、製作、試験、シミュレーション 2層目 1層目 例：4ピクセル×4ピクセルなど

  28. まとめ • PMT、CsI結晶シンチレータを接続して1カウンター測定試験を行った。　 • 1.5インチサイズのPMTと3.5cmCsI結晶シンチレータを用いたセットアップ。 • 2カウンター、4カウンター測定により、放射線源の到来方向をσ～5度程度で特定することができた。 • シミュレーションにより結晶の配置を最適化を行っている。 • SiTCPボードを使った測定を目指す。 ～今後～ • プロトタイプ1の製作に向けて試験、シミュレーションを行う。

  29. Back Slides

  30. 結果1：1層目の厚さだけを変えた時 一層目： 厚さ3.5cm 一層目： 厚さ2.5cm 一層目： 厚さ1.5cm 3.5cm角 （11×11） 3.5cm角 （11×11） 3.5cm角 （11×11） 2D Gaussian fit σ＝4.5° σ=4.3° σ=4.1° 349/10000 event (3.5%) 306/10000 event (3.1%) 249/10000 event (2.5%)

  31. コーン解析 z 再構成領域 y y q q q dq dq q x x q dq ある方向（位置）　におけるγ線到来の確率 　　⇒dqの関数として、今回は以下の式で計算 第1層 35cm s res：resolution →ここでは、原点から第1層の結晶を　 　見込む角度の半分と仮定 　（ex) 3.5cm　→　 s res =arctan(1.75/35) =2.9° 第2層 31 y x

  32. プロトタイプ製作 平成24年度 平成25年度 平成26年度 平成27年度 平成28年度 プロトタイプ1 （設計、製作、試験、フィードバック） シュミレーション、学会発表 プロトタイプ2a （設計、製作、試験、フィードバック） シュミレーション、学会発表、改良 プロトタイプ2b （設計、製作、試験、フィードバック） シュミレーション、長期試験、学会発表、改良 プロトタイプ3 （設計、製作、試験、フィードバック） プロトタイプ4 （設計、製作、試験、フィードバック） LaBr3テスト、総括、製品化検討

  33. SiTCPボードBACK SLIDES

  34. データ取得方法 上図のように取得するデータ範囲は、Triggerが立ち下がった時にDelayだけさかのぼった後のWindowの範囲である。 このデータ転送範囲（Window）内に取得したい波形が来るように、WindowやDelayの設定値の調整が必要。

  35. Trigger の生成方法 γI ではカメラの1層目で取得したデータが、ある閾値（=VTH）を超えた時に2層目のチャンネルを読みだすという仕様にする。 （self trigger） Trigger 生成 入力信号情報 Signal: Pulse Frequency：10kHz High: 325mV Low: 275mV Width: 5μs VTH：300mV Signal Trigger （Signal がVTHを超えたために生成された）

  36. 生成したTrigger のDelay トリガー信号の生成後、今度は取得したいデータをWindow内に入れるために生成したトリガー信号を遅らせる。　　 　　　　　　　　　　 （前ページの図からもわかるように、このままではWindow内に取得したい信号が入らないため。） Trigger 生成 & Delay Delay方法 FPGA内でDFFをいくつか用いてdelay time を調整 （詳しくは明日作ります。。。） Signal Trigger Trigger delay

  37. 生成したTrigger のDelay Triggersignal D D D Q Q Q ・・・ CLK このような論理回路をFPGA内に組むことで、 「DFFの個数×CLK 」だけTriggersignal を 遅らせることができる。

  38. 動作確認 ADC SiTCP オシロ スコープ PD + MCA Setup Signal （⇒ch0） 線源 Trigger （NIM_OUT⇒） Trigger 生成 & Delay 入力信号情報 Vpp: 300mV Width: 25μs Signal <各パラメータ設定値> Trigger delay：50μs Window size：50μs Delay：15μs VTH：250mV Trigger

  39. 角度分解能BACK SLIDES

  40. 17.5°に設置 角度分解能 Mean=18.6° σ=5.4° 10°に設置 角度分解能 Mean=11.2° σ=1.5° [count] [count] [degree] [degree] 25°に設置 角度分解能 Mean=23.5° σ=3.8° 32.5°に設置 角度分解能 Mean=31.5° σ=5.2° [count] [count] [degree] [degree]

  41. 20°に設置 角度分解能 Mean=16.8° σ=4.5° 30°に設置 角度分解能 Mean=27.3° σ=5.7°

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