Transcript 大学規模での衛星開発：アバランシェ・ フォトダイオードの宇宙利用

APD開発の現状：
宇宙利用から高速PETまで
片岡 淳 （東京工業大学）
目次
浜松製 APDについて (おさらい)
大面積APD と 低容量化
宇宙利用と放射線耐性
医療用撮像素子としてのAPD
H18-21 JST要素技術開発プログラム
「サブミリ分解能をもつ拡張型高速PETの要素開発」
代表：片岡、分担：池田(JAXA),石川(浜松ホトニクス)ほか
APD とは？（復習）
内部で信号を G~50 倍に増幅するフォトダイオード
コンパクト、低消費電力、磁場にも強い
500-800 nm の波長域で量子効率 ＞ 80%
→ PMT とPD、両方の特長を兼ね備えた検出器
p+
100
－
e
p n
－
電場
光
n-
n+
＋
＋
量
子
効
50
率
[%]
BGO
GSO
NaI
APD
CsI
20
増幅領域
PMT
0
位置
300
600
900
波長[nm]
1200
浜松 “リバース型APD” の特長
低バイアス/高ゲイン (G= 50 at 300V)
低ダークカレント (10 pA @– 20°)
安定動作 (LHC 実験@CERN)
5x5 mm2 が市販
(S8664-55)
100nA API (beveled edge)
Dark Current
Gain
100
50
10
1nA
+20°
10pA
-20°
API
(beveled edge)
1
0
10x10 mm2
(S8664-1010)
500
1000
Bias (V)
1500
2000
0
500
1000
Bias (V)
1500
2000
APD vs PINフォト/ PMT
APD
662keV
59.5 keV
9.4 %
PMT
6.5%
PIN
フォト
59.5 keV
29.0 %
APD
137Cs
4.9%
Ikagawa+ 2003; 2005, NIM-A Kataoka +2005; NIM-A
APDと同サイズの浜松PDで比較（同じCsI 結晶）
エネルギー分解能で「世界記録」！
12.7 % (API社)
9.4 % (@ 59.5 keV)
7.4 % (@ 122 keV)
8.9 % (API社)
APDの可能性
宇宙・惑星物理
Cute1.7+APD
素粒子・原子核
次期X線天文衛星 NeXT
核医学
PMT
CERN CMS (141,000 APDs!)
511keV
放射線診断カメラ（PET）
APD: 残された問題
基礎特性の評価 (シンチレータ読み出し)
さらなる大面積化
* Ikagawa et al., 2003, 2005, NIM-A
* Yatsu et al., 2006, NIM-A
* Kataoka et al., 2004, SPIE, 2005, NIM-A
* Sato et al., 2006, NIM-A, 556, 535
宇宙利用・加速器まわりでの耐性
宇宙での利用は未経験
増幅率の温度依存
* Kotoku et al., 2005, SPIE, 2006 NIM-A
* Kataoka et al., 2006, NIM-A
多チャンネル読み出しは開発途上
医療利用へは茨の道？
* Kataoka et al., 2007 a,b, in prep
（１）大面積化
「世界最大級」 APDの開発
浜松ホトニクスと協力して、20mm 角サイズAPDを開発
 2inch PMT の集光力に匹敵！
Sato et al. 2006
5×5mm2 10×10mm2
API社16 mmφ
‘03
‘04
考えうる問題点…
10 mm角×4
‘05
19 mm角
‘06
 容量性ノイズの増加
 APD 増幅率の一様性 etc…
浜松20mm角APD の特性
暗電流 @ G=50
APD size
5 mm角
10 mm角
19 mm角
20 mm角
16 mmφ
APD type
Reverse
Reverse
Reverse
Reverse
Beveled-edge
暗電流 (nA,+20℃)
0.70
2.4
8.9
10
367
暗電流 (nA, -20℃)
0.013
0.06
0.18
0.27
?
容量 @ G=50
APD size
5 mm角
10 mm角
19 mm角
20 mm角
16 mmφ
APD type
Reverse
Reverse
Reverse
Reverse
Beveled-edge
容量 (pF)
85
266
876
1052
130
16 mmφAPD (Moszynski et al. 2002) と比較して、単位面積あたり
* 暗電流は < 1/70 、 容量は ~ 4倍
ノイズにどれほど効く？
暗電流 vs 容量性ノイズ
d2noise = 2qe(Ids/M2 + IdbF) ta1 + 4kT(C2tot/M2)(1/t)a2
電流性ノイズ
容量性ノイズ
M: APD の増幅率, F: 増幅にともなう揺らぎ (F>1)
常温では、電流ノイズ、低温では容量ノイズが支配的
低温では、APDの「低容量化」が重要
＋20℃
20mm角
×19mm角
●
整形時定数 [μs]
－20℃
20mm角
×19mm角
●
整形時定数 [μs]
APD増幅率の表面一様性
l=405 nmレーザーによるスキャン (1mm step, 5mmf)
APD表面増幅率のばらつきは…
10mm
10 mm角： ±2%以下
19 mm角： ±5%以下
19mm
Ｘ線、ガンマ線スペクトル測定
20 mm角APD＋CsI(Tl) を用いてスペクトルを取得
エネルギー分解能 : 662 keV (＋20℃) : 5.5%~
122 keV (－20℃) : 8.5%~
エネルギー閾値 : －20℃において ~3 keV を達成！
Sato et al. 2006
20mm角
19mm角
5.5% (FWHM)
5.8% (FWHM)
20mm角
19mm角
8.7% (FWHM)
8.5% (FWHM)
（２）放射線耐性と宇宙
APDの放射線耐性
阪大 RCNPでプロトン照射 (revese-APD, 50/30 MeV)
Low Earth Orbit (高度500km, SAA通過) を想定
最大 24 krad照射 ( > 2-3 年分の被爆量)
55Fe
積分フラックス
（cm2/s）
1000
100
10
SAA
(5.9 keV)
照射前
照射後(24 krad)
ダークカレント、増幅率への影響
24 krad照射することで、ダークは一桁弱増加
増幅率は、照射前後で全く変化なし
降伏電圧の低下は全く見られない
Cute-1.7+APD
による実証へ
Kotoku et al. 2006
照射前
×8krad
●16krad
○24krad
照射前
×8krad
●16krad
○24krad
5週間後
5週間後
S8664-55
(reverse-APD)
Cute-1.7+APD プロジェクト
東工大の学生を主導とした、超小型
「大学衛星」衛星プロジェクト
衛星コンセプト
・10×10×20 cm、3.6 kg, 3 W
工学目標
・民生品、携帯端末（PDA）の宇宙利用
・アマチュア無線帯、民生通信機を用いた
通信技術の確立
理学目標
・ APDの宇宙動作実証
・異常放射線帯（SAA）やオーロラ帯の
低エネルギー(30 keV)荷電粒子探査
10cm
20cm
10cm
APD
1cm
オーロラ帯
SAA
打ち上げ成功！ … しかし、、、
2006.2/22、M-V-8号機「あかり」の
サブペイロードとして打ち上げ成功！
M-V-8号機のサブペイロード
打ち上げの瞬間
(鹿児島内之浦)
 世界中のアマチュア無線家が受信！
 初期運用による動作確認。
PDAの立ち上げも成功！
打ち上げから１ヶ月の間、
順調に運用できていたが・・・
現在はシングルイベントラッチアップ（SEL）
による受信機不調により、復旧作業中。
APD はお預け (来年インドでリベンジ！)
長期展望: NeXT衛星に向けて (1)
NeXT …
日本の次期X線天文衛星
（2012年~、 0.3keV-1MeV ）
高い分光力・感度で
非熱的宇宙の極限を探る
軟γ線検出器（SGD; 10keV-1MeV)
APD
γ線
半導体検出器で
γ線を直接検出
超低BGDを実現
BGOシンチレータ
Siストリップ CdTeピクセル検
出器
検出器
APD＋BGOによる
アクティブシールド
長期展望：NeXT衛星に向けて（２）
薄板BGOシンチレータの読み出し
NeXT用プロトモデルAPD
(直径3mm×11素子）
57Co
122 keV（@ －20℃）
122 keV
40.3 %(FWHM)
300 mm
48mm
BGOシンチレータ
3mm厚
閾値 40 keV
～35keV
受光面積・・BGO面積の約半分 →更なる最適化を検討中
APDのゲイン自動制御
APD のゲインは、温度依存性が大きい： ~-2.5%/℃
→ 増幅領域で、加速電子の平均自由行程が up
各温度に対して、G = 一定 となる HV値が存在する
温度センサー
HV値をリアルタイムで補正
高圧電源
350V
APD
320V
温度センサー
335V
350V
APDゲインの自己補正システム
温度
センサー
1秒おき
1ch
2ch
ＡＰＤ
CSA
整形アンプ
アナログ変換
×120
高圧電源
(DC/DC)
peak
-hold
ＡＤＣ
8bit 信号
8bit-D/A
コンバータ
昇圧
Linux machine
Ｄata
Ｉ/Ｏ
board
Ｖ
Ｍ
Ｅ
バ
ス
“Active”ゲイン制御に成功！
衛星軌道を想定して、90分で 0 ⇔ 20 ℃ の温度変化
結果
温度変化のないときと、同レベルまで制御可能
→ エネルギー分解能 : 6.9 %
(c.f. -20℃固定で 6.3%@ 662 keV)
→ エネルギー閾値 :
(c.f. -20℃固定で 5.1 keV)
5.2 keV
Kataoka et al. 2006
32keV
ＡＰＤ
制御あり
制御なし
662 keV
6.9%(FWHM)
662 keV
恒温槽
（3）医療用撮像素子
2
PET = Positron Emission Tomography
(陽電子断層撮影)
がん細胞は
ブドウ糖が“好物”
対消滅g線を検出
がんの機能画像
検出器
癌
511keV
ブドウ糖と陽電子放出
核種をくっつけて注射
陽電子
体内電子
がん細胞
FDG:フルオロデオキシグルコース
PETの利点
・コリメータが不要
⇒放射線被曝量が少ない
・全身を一度に検査できる
⇒がんの早期発見に有効
従来PETと次世代PET
従来のPETの問題点
①高コスト
・装置費用 >10億円
・検査時間30分
・汎用性が無い
(全身用・頭部用・動物用)
1回の検査費用10万円
次世代PETの目指すもの
低コスト⇒構造の単純化
検査時間短縮⇒高感度検出器
高速データ処理
汎用性⇒拡張型・モバイル化
高分解能⇒検出器の小型化
PET/MRIの実用化
②低分解能
・検出器のサイズ
・陽電子の飛程
・g線の角度揺動
理論上は数百mmで限界
実際は5～10mm
X線CTだと数mm
APDを用いた“PETユニット”
ピクセル
シンチレータ
約5cm
APDアレー
約3cm
LSI回路基板
約3cm
小型でいかなるサイズにも連結！
高感度⇒検査時間短縮
大量生産可能⇒低価格
コンパクト⇒分解能UP
磁場に強い⇒PET/MRI
APD-PET
“お試し” APDカメラ
8x4 ch は実績あり (S8550)
1.6mm角+ 0.7 mmピッチ (最適化？)
 チャンネル数を増やしたい！
既存のLSI (e.g., VA32TA) はダメ
 APDとゲインが合わない
 PET用途には「遅すぎる」
APDもLSIも、両方開発！
Kataoka et al. 2005
開発中：APD array (8x8 ch)
開発中：APD array (16x16 ch)
どちらも 2007/5月に完成予定
開発中：専用LSIの設計・レイアウト
PET用LSIへの要求
 毎秒10億カウント(全身)にも及ぶ
高いカウントレート
 APD 1ch あたりでも 105-6 cts/s
 1チップで最低 8~16ch は欲しい
自分で設計！
15mm×15mm
チップの内部
数万個のスイッチング素子
開発中：APD-PET専用LSI
高速PETの更なる挑戦！
TOF = Time Of Flight = 飛行時間
測定
TAC
到達時間差
位置情報
癌のクリアな画像
100psの時間分解能
⇒3cmの位置情報
癌の発見率の向上
TOF の威力
TOF型PETは、最先端の
研究テーマ
放医研 村山グループ
（澁谷さんほか）による
simulation
400 psec (~12cm相当)
の TOF 情報があるだけで
PET 画像は格段にクリア
TOF情報なし
TOF情報あり
SPICEシミュレーション
511±50 keVに対し、
~ 600 ps のＴＯＦ精度達成
511keV相当
作ってみないと分からないが、600 ps くらいは行けそう！
LSIの第一版は 2007/5月 に完成。
(12月中に回路 fix。 来年 3月に submit予定)
~600ps
まとめ
APD開発の現状について報告した
大面積化 … 一様性と低容量化が今後の鍵
宇宙利用 … 小型衛星による「慣らし運転」
大型衛星へも搭載予定
医療利用 … APD-PET プロジェクトは
順調に進行中！