APD を用いた放射線計測P6 　 γ 班池田英樹中村祥吾

目的

MeV 領域のガンマ線から重要な情報を得られる

• 超新星残骸での元素合成　　　不安定な同位体からの崩壊　→　 MeV ガンマ線　　　元素合成の過程の解明• 宇宙線起源問題　　　高エネルギー陽子の相互作用によって π 中間子が生成　　　 π0 （ 137MeV ）の崩壊により、静止系で約 70MeV のガンマ線が 2 本　　　カットオフの識別　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 陽子由来の γ

電子由来の γ

TeVGeV

フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡20MeV ～ 300GeV観測数　 2000 個

コンプトンガンマ線観測衛星COMPTEL

0.8MeV ～ 30MeV観測数　 30 個

実際の観測LAT

MeV 領域では• 分解能が低い• バックグラウンドに埋もれてしまう

COMPTEL• 散乱の起こる位置• 反跳電子のエネルギー Ke• 散乱ガンマ線の位置とエネルギー Eγ’ を測定

ガンマ線の到来方向が円周でしか分からず、方向特定にガンマ線が複数必要星以外（他の検出器や地球）からのバックグラウンドも観測される

電子飛跡検出型コンプトンカメラElectron Tracking Compton Camera （ ETCC ）

α

到来したガンマ線のエネルギーと方向が分かるバックグラウンドと区別できる

• micro-TPC( ガス ) で反跳電子の　飛跡とエネルギー Ke• シンチレータで散乱ガンマ線の　吸収点とエネルギー Eγ’

を測定micro-TPC

幾何学的に

運動学的に

ETCC の問題点

ETCC では Ke を確実に測定したいが、 電子が TPC 外へ逃げてしまう　　　　　　　 ↓電子の運動量が決まらずガンマ線の到来方向が分からない

TPC

シンチレータ

γ’

γ？

TPC

シンチレータ

プラスチックシンチレータ

γ

APD

プラスチックシンチレータを TPC 内に光電効果の反応断面積は原子番号 Z の 5 乗に比例プラスチックシンチレータ（ C12 、 H1 ）は電子を吸収（電離）ガンマ線を通過ガンマ線はシンチレータ（ Gd64 ）で吸収プラスチックシンチレータの増倍にはスペースの関係からサイズの小さい Avalanche Photodiode を使う

まずは APD の性能を確かめる

Avalanche Photodiode (APD)半導体検出器で電子なだれを発生させる

一次ホール一次電子

γ

p

n

増倍領域二次ホール二次電子

空乏層 バイアス電圧

検出

半導体検出器に逆電圧をかけ空乏層を広げる入射してきた光によって電子・正孔対が生じる

一次電子

　　高い逆電圧をかけていると電子が増倍領域（高い電界）で加速され　　　二次電子・正孔対を生成なだれ増幅を起こし（アバランシェ増幅）、一次電子に比例した数の電子が検出される

実際の APD

• 写真

プリアンプAPD

1cm

1cm

実験装置400V

GAIN 　 20×0.5　　 τ 　　 0.5μs

70μs×11

1.8μs

1pF

1GΩτ 1ms

1.8μs

• Am の線源を照射して、 APD からの信号をプリアンプにバイアス電圧 400V をかけてオシロで観測した時の写真。

100μs

196mV 488mV

100μs1.00μs

実験のセットアップ

Am 線源（ APD の真上に配置）

APD を入れた遮蔽箱

HV （高圧電源）

Cd109 と Am241 のスペクトル

22.2keV、 24.9keV

88.0keV

59.5keV

キャリブレーション及びエネルギー分解能

23.1keV

59.5keV

88.0keV

66.4±7.5(%)

48.1±16.0(%)

52.6±6.9(%)

解析・分解能が非常に悪かった。　　　　　　　　　↓・考えられる原因　・はんだ付けがしっかり行われていなかった　・ケーブルを無駄に長く取ってしまっていた　・グラウンドをしっかり取っていなかった

自作プリアンプについて• 市販の clear pulse 社のプリアンプを壊してしまったので、改めて自作することにした。・使用したオペアンプ :ADA4627-1　低オフセット電圧： 200μV(max) オフセットドリフト： 1μV/ (typ)℃ 　低入力バイアス電流： 5pA(max) 拡張温度範囲： -40℃～ +125℃　電源電圧： ±5V ～ ±15V→ 両電源　 GB 積： 19MHz

・このオペアンプを採用した理由　電源電圧の範囲が使用しているオペアンプ電源に適している。　ノイズが小さい

プリアンプの出力電圧• Ci 、 Cf に溜まる電荷をそれぞれ Qi 、 Qf 、オペアンプのゲインを A とする。

APD に線源を当てた場合• Si の W 値 =3.62eV 　　　　• Am241 59.5keV⇒ の X 線・　 APD の増倍率を 1000 と仮定　　　　　　↓• 発生する一時電子 =1.64×107 ( 個 ) →3.1(pC)

• Cf=10pF とすると、 Cf にかかる電圧 V=Qi/Cf=0.31(V) となり、　　ノイズより十分大きい出力電圧になると考えた。・よって、オペアンプに並列に繋ぐ抵抗 Rf とコンデンサー Cf はこの前使用していた clear pulse 社と同じ時定数 τ=CfRf=1ms に設定するように、

Rf=100MΩ 、 Cf=10pF とした。

APD とプリアンプ

10000pF

100MΩ

10pF

51Ω

300kΩ

300MΩ

10pF

51Ω

0.01μF

0.1μF

+10V

-10V

プリアンプ• 写真 オペアンプ

ピッチ変換基板 BIAS端子INPUT端子

OUTPUT端子

オペアンプ電源電圧

TEST端子

解析• テストパルスをプリアンプに通してみるとちゃんと波形が観測された。

・　しかし、線源を照射した場合は観測できなかった。それは、 Rf の値が大きすぎて出力側に pA 単位の電流としてしか信号が流れなかったというのが考えられる一つの原因である。

まとめ• ETCC を改良するためにプラスチックシンチレータを考え、 APD を使うことにした。• APD を使い放射線測定をした。• ノイズ落としを極力行いながら Am 等の線源を APD に照射して、その信号をプリアンプ、 shaper を通して観測した。• Cd,Am の線源のピークをヒストグラムとして観測して、エネルギー分解能等を求めたが、ノイズのために良い結果が得られなかった。• 次に、新たにプリアンプを、以前使用していた clear pulse 社と同じような性質になるように主に増倍率に気を付けながらオペアンプ、抵抗、コンデンサー等を選び、自作した。• 残念ながら、現時点ではまだ出力信号を観測することが出来ていない。

今後の課題• Cf を 1pF 、 Rf を 1MΩ または 10MΩ に変えてみる。　　　• 分解能の良い信号が見え、　 線形性を確認できたら、　 プラスチックシンチレータにつけてみる

終わり

エネルギー分解能• Cd@23.1keV の場合、　標準偏差 σ=p2=706.8±8.0(ch) より、　半値全幅 =FWHM=2.35σ=1661.0±18.8(ch) よって、エネルギー分解能 =ΔE/E=FWHM/p1=66.4±7.5(%)・ Cd@88.0keV の場合、　分解能 =48.1±16.0(%)・ Am@59.5keV の場合、　分解能 =52.6±6.9(%)・このように、分解能が非常に悪いため、いくつかのピークが一つの大きなピークに乗っかってしまったと考えられる。

ETCC の問題点

•反跳電子を TPC 内で止め、　ガンマ線のみシンチレータに吸収させる

•そこで、 TPC とシンチレータの間に　プラスチックシンチレータを挟む

• ETCC では反跳電子と散乱ガンマ線のエネルギーを区別する必要がある

プラスチックシンチレータの増倍にはスペースの関係からサイズの小さい APD を使う

プラスチックシンチレータ（ C や H ）はガンマ線を通し電子を吸収（電離）ガンマ線はシンチレータ（ Gd64 ）で吸収

プラスチックシンチレータを TPC 内に

光電効果の反応断面積は原子番号 Z の 5 乗に比例

プラスチックシンチレータの増倍にはスペースの関係からサイズの小さい APD を使う

・ Am241 の場合

Am241 の場合は、 59.5keV 以下のピークがたくさん存在し、全て一つの大きなピークの立ち上がりの部分に重なってしまっていると考えられる。そのため、フィッテングの立ち下がりの部分のみ正しいと考えられる。

ピークエネルギー13.9keV---42.0%26.3keV---2.4%

33.2keV---0.13%59.5keV---35.9%

Avalanche Photodiode (APD)半導体検出器で電子なだれを発生させる

一次ホール一次電子

γ

p

n

増倍領域二次ホール二次電子

空乏層 バイアス電圧

検出

半導体検出器に逆電圧をかけ空乏層を広げる入射してきた光によって電子・正孔対が生じる

一次電子

　　高い逆電圧をかけていると電子が増倍領域（高い電界）で加速され　　　二次電子・正孔対を生成なだれ増幅を起こし（アバランシェ増幅）、一次電子に比例した数の電子が検出される

• 先ほどの信号を shaper を通してオシロで観測した時の写真

1.00μs

488mV