Transcript PPTX - 研究室

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-ItF
1
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。
2
コンプトンカメラ－ガンマアイ計画
入射γ線
エネルギー：
E0 =662keV
z
再構成された画像の例
散乱角：
q
γ線源
q
視野中心
（z軸方向）
q
q
E = E1+ E2
散乱γ線の
光電吸収
エネルギー：E2
CsI(Tl)
シンチレータ
蛍光強度∝E1
コンプトン散乱
による損失
エネルギー：E1
光電子増倍管
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
𝑚𝑒 𝑐 2
𝑚𝑒 𝑐 2
𝑐𝑜𝑠𝜃 = 1 −
+
𝐸2
𝐸1 + 𝐸2
3
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

4
光電子増倍管 評価
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
セットアップ
電源
±5V
PMT
NIM
アンプ
CsI結晶
137Cs
MCA
豊伸電子
PC
PMH8820MOD



光電面のサイズ20mm
プリアンプ付
HVは外部から接続
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。
5
左：H8820MOD
右：H11432-100
137Cs
662keVで比較
H8820MOD
H11432-100
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 ）
[channel]
実験条件
• 3.5cmCsI（応用光研 研磨なし）
• NIM 200倍
• HV 1630V
[channel]
実験条件
• 3.5cmCsI（応用光研 研磨なし）
• NIM 150倍
6
• HV 1500V
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
セットアップ
電源
±5V
PMT
NIM
アンプ
MCA
豊伸電子
PC
CsI結晶
137Cs
7
137Cs
662keVで比較
エネルギー分解能[ch]=7.8%
（ σ=21.9keV ）
応用光研 研磨なし
[channel]
エネルギー分解能[ch]=7.6%
（ σ=21.4keV ）
エネルギー分解能[ch]=7.9%
（ σ=22.2keV ）
応用光研 1面研磨
[channel]
エネルギー分解能[ch]=9.2%
（ σ=25.9keV ）
8
サンゴバン 1面研磨 [channel]
Belle実験 研磨なし
[channel]
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
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
9
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
10
2カウンター測定 セットアップ
放射線源
137Cs
電源
PMT2
PMT1
CsI：Belle実験
CsI：応用光研1面研磨
角度0°～32.5°
35cm
35cm
11
CAMAC ADC 多チャンネル測定 1カウンターテスト
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。
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 ）
[channel]
57Co
14.4keVエネルギー分解能=20.7%
（ σ=3.4keV ）
東大宇宙線研（千葉県柏市の土）
134Cs:605keV
137Cs:662keV
134Cs:796keV
12
[channel]
[channel]
2カウンター測定 セットアップ 概略図
電源
±5V
線
源
PMT1
H11432-100
CsI
PMT2
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
DISCRIMINATOR
-15mV（ minimum ）
GATE & DELAY
GENERATOR
（ WIDTH 100μs ）
GATE & DELAY
GENERATOR
（ WIDTH 100ns ）
VETO
赤：トリガー
黒：シグナル
13
2カウンター測定
137CS
スペクトル 放射線源の設置角度 25°
layer1
E1[keV]
layer2
E2[keV]
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
Layer1 + layer2 E1+E2[keV]
14
線源の位置 10°
線源の位置 17.5°
線源の位置 25°
線源の位置 32.5°
15
0
10
20
30
40
[degree]
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
16
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
PMT1
CsI：応用光研1
面研磨
PMT3
CsI：応用光研1面
研磨
35cm
17
中心部分から奥の方に
2.5cmずれている
4カウンター測定 セットアップ 概略図
電源
±5V
CsI
線
源
PMT1
H11432-100
CsI
CsI
CsI
プリアンプ
1800V
PMT3
H11432-100
PMT2
H11432-100
PMT4
H11432-100
プリアンプ
1800V
プリアンプ
1800V
プリアンプ
1800V
SUMMING アンプ
ORTECアンプ
20倍
（ minimum ）
BI
ADC
PC
DISCRIMINATOR
-15mV（ minimum ）
GATE & DELAY
GENERATOR
（ WIDTH 100μs ）
GATE & DELAY
GENERATOR
（ WIDTH 100ns ）
VETO
ADC GATE
赤：トリガー
黒：シグナル
18
137CS
スペクトル 放射線源の設置角度 20°
layer1
E1[keV]
layer2
E2[keV]
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
layer1 + layer2
E1+E2[keV]
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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
20
PMTから30°
（距離17.5cm）に線源設置
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
21
Geant4によるシミュレーション
すべての結晶サイズを変化
22
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
σ＝4.5°
349/10000 event X[cm]
(3.5%)
σ=3.0°
105/10000 event X[cm]
(1.1%)
σ=2.3°
44/10000 event X[cm]
(0.4%)
SiTCPボードを用いた多チャンネル
データの読み出し
24
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
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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
線源
（柏の土）
1層目の取得波形
PD
2ch同時読み出し時の取得波形
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！
26
今後の試験
Y軸
6カウンター測定
X軸
X軸、Y軸で到来方向を特定
次回の学会で発表
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
1層目
2層目
例：4ピクセル×4ピクセルなど
27
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。

28
29
結果1：1層目の厚さだけを変えた時
一層目：
厚さ3.5cm
3.5cm角
（11×11）
2D Gaussian fit
σ＝4.5°
349/10000 event
(3.5%)
一層目：
厚さ2.5cm
一層目：
厚さ1.5cm
3.5cm角
（11×11）
σ=4.3°
306/10000 event
(3.1%)
3.5cm角
（11×11）
σ=4.1°
249/10000
event
30
(2.5%)
コーン解析
z
再構成領域
dq
x
dq
第1層
y
q
q
y
q
dq
x
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
 1  dq
W 
exp  
 res 2
 2   res
 res：resolution
1
35cm
第2層
y
x
q
q



2



→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
31
（ex) 3.5cm →  res =arctan(1.75/35)
=2.9° 31
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
32
SITCPボード
BACK SLIDES
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。
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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）
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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
36
生成したTrigger のDelay
Trigger
signal
D
Q
D
Q
D
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Trigger signal を
遅らせることができる。
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動作確認
Setup
線源
Signal
（⇒ch0）
オシロ
スコープ
ADC
SiTCP
PD + MCA
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
38
角度分解能
BACK SLIDES
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°
[degree]
25°に設置
角度分解能
Mean=23.5°
σ=3.8°
[degree]
32.5°に設置
角度分解能
Mean=31.5°
σ=5.2°
[degree]
[degree]
40
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°
41
1層目のエネルギー分解能
dE1[keV]
30
25
20
15
10
5
0
0
200
400
600
1層目のエネルギーE1[keV]
800
42