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アバランシェフォトダイオードを用いた撮像検出器の開発 斎藤 孝男、片岡 淳、五十川 知子、谷津 陽一、倉本 祐輔、河合 誠之(東工大理) PowerPoint Presentation
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アバランシェフォトダイオードを用いた撮像検出器の開発 斎藤 孝男、片岡 淳、五十川 知子、谷津 陽一、倉本 祐輔、河合 誠之(東工大理)

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アバランシェフォトダイオードを用いた撮像検出器の開発 斎藤 孝男、片岡 淳、五十川 知子、谷津 陽一、倉本 祐輔、河合 誠之(東工大理) - PowerPoint PPT Presentation


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容量 ~ 10 pF. 5cm. 5cm. APD. PMT. 大きさの比較. hν. e -. +. -. なだれ増幅. %. E. 100 50 0. APD. PMT. APD の内部構造. 量子効率. nm. X線光子. NaI. PMT. 硬 X 線ミラー. 撮像検出器. アンガーカメラの原理. 透過型 APD. [ p F]. 20.0. 10.0. 0.0. チャンネル. アバランシェフォトダイオードを用いた撮像検出器の開発 斎藤 孝男、片岡 淳、五十川 知子、谷津 陽一、倉本 祐輔、河合 誠之(東工大理).

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Presentation Transcript
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容量 ~ 10 pF

5cm

5cm

APD

PMT

大きさの比較

e-

+

-

なだれ増幅

%

E

100

50

0

APD

PMT

APDの内部構造

量子効率

nm

X線光子

NaI

PMT

硬X線ミラー

撮像検出器

アンガーカメラの原理

透過型APD

[pF]

20.0

10.0

0.0

チャンネル

アバランシェフォトダイオードを用いた撮像検出器の開発斎藤 孝男、片岡 淳、五十川 知子、谷津 陽一、倉本 祐輔、河合 誠之(東工大理)アバランシェフォトダイオードを用いた撮像検出器の開発斎藤 孝男、片岡 淳、五十川 知子、谷津 陽一、倉本 祐輔、河合 誠之(東工大理)

アバランシェフォトダイオード(APD)とは

 アバランシェフォトダイオードは内部に電荷増幅機能を持つ光検出器である。特徴として、① ノイズの影響を受けにくく、エネルギー閾値及び分解能が良い ② 光電子増倍管(PMT)に比べ量子効率が良い ③ 消費電力、大きさが小さく、衝撃にも磁場にも強いということが挙げられ、宇宙などの過酷な環境下での使用を考えたときには非常に有利であるといえる。そのため、光電子増倍管に代わる新たな光検出器としての可能性をもっている。我々はこのAPDを用いた、撮像検出器の開発を行っている。

アンガーカメラの試作と試験

5mmAPDと5cmCsI(Tl)結晶を用いて、4chおよび5chアンガーカメラを試作し、2003年11月と2004年5月に高エネルギー加速器研究機構(KEK)においてビーム照射試験(70keV)を行った。5chアンガーカメラは4chのものに中心にもう一つAPDを加えたもので、これによる性能の変化を調べた。

結果 射影した位置分解能(FWHM)が、5~15mm(4ch) → 3~11mm(5ch)と、かなり改善されたことがわかる(右図)。

X線偏光の観測

 コンプトン散乱を起こすと、光子の散乱方向に異方性があることが(1)式から分かる。このことを利用し、散乱光子の異方性を位置検出器で検出する偏光計の開発を行った。散乱体に透過型のSi製APDを用いて反跳電子も検出することにより、散乱イベントのみを検出し、バックグラウンドを軽減できるように改良した。

アンガーカメラ

 位置分解能を向上させるためには検出器を小さく、たくさん敷き詰めなければならない。しかし検出器を増やすとその分読み出しに必要な回路が増えてしまう。そのため、回路数を減らすためにγ線カメラとして利用されている「アンガーカメラ」の原理を利用した。 アンガーカメラは一つの大きなシンチレータ結晶を複数のPMT検出器で読み出し、検出器からの信号の重み平均を取ることで位置を算出している。

・・・(1)

偏光ビーム70keV

APD

透過型APD

CsI

偏光観測の原理とKlein-仁科の微分散乱断面積の式

結果 右上図が得られたイメージである。しかし、(1)式より、θの小さなとき、つまり中心付近では異方性が現れにくいのでその部分を取り除いて右下図のようにするとくっきりと表れていることがわかる。

 この透過型APDを用いれば、将来的には硬X線ミラーの焦点面に置くことで、偏光の観測を行うことができると考えられる。

 アンガーカメラの特徴として① 少ない検出器数で高い位置分解    能が期待できる ② 検出器の同時計数を行うことで    個々の検出器からのノイズをほ    ぼ全て落とすことができるといったことが挙げられる。

X線写真

 我々はこのアンガーカメラのPMTをAPDに置き換えることで、小型で高分解能な撮像検出器の開発を目指している。

32ch APD arrayの性能評価

 より良い分解能のために、浜松ホトニクス社と共同で32ch APD arrayを開発し、その性能評価を行った。その結果、増幅率、ダークカレント、容量ともに非常に良く揃った個性を示している。

このAPDの上に1.6mm角CsIシンチレータを下図のように置き、コリメータを通してX線を照射することでデジタルなイメージの取得を行った。それにより、以下のようなデジタルイメージの取得に成功した。

また、取得したスペクトルも分解能、閾値ともに良い性能を示していることが分かる。

1.2

増幅率のばらつき ~3%

55Fe+テストパルスのスペクトル

1.0

分解能@5.9keV6.9~8.7%、閾値 ~0.6keV

32ch APD array

0.8

チャンネル

まとめと今後の課題4ch、5chアンガーカメラを製作し、その性能を調べた。また、透過型APDと組み合わせることでバックグラウンドの少ない偏光計を作ることに成功した。 今後は32ch APDarrayを用いたアンガーカメラの製作を行うとともに、読み出しシステムの効率化(アナログVLSIの利用や、抵抗分割法など)を行う予定である。

[nA]

ダークカレント

ID ~ 1.5 nA

10.0

5.0

57Coのスペクトル

0.0

分解能@122keV12.5~15.2%、閾値 10~20keV

チャンネル