卒業論文発表
アバランシェフォトダイオードを
用いた2次元撮像カメラの開発
河合研究室
齋藤 孝男
目次






アバランシェフォトダイオード(APD)について
シンチレータを用いた撮像の原理
APD 4素子を用いたアンガーカメラ
偏光の観察
32ch APD arrayについて
今後に向けて
APDとは?

APD
内部の高い電場により
信号を増幅できる
フォトダイオード(光検出器)
p+p n
→低エネルギーの
信号もノイズと
分離できる
i
n+
hν
増幅
E
avalanche
APDの特徴
量子効率
%




小型で頑丈
時間分解能速い
赤外線~軟X線にも
感度がある
→広波長で観測可能
量子効率がよい
100
APD
50
PMT
0
200
400
600
800
λ
→光電子増倍管に代わる光検出器
1000
1200
nm
さらなる応用として…

APDでの2次元撮像
APDで行う利点
天体からのX線・g線を観測する場合、人工衛星
への搭載を考えると、小型かつ頑丈であること
が必要
医学用としても小型化することによって、より人
体に密着でき、少ない被爆量で診察できる
シンチレータを用いた撮像の原理

アンガーカメラ
各APDからの信号の重みから位置を出す
→ X or g線でのイメージが得られる
X
線
光
子
APD1
APD2
1
2
×
シンチレータ
APD3
APD4
3
4
実験その1(アンガーカメラのテスト)


5cm角1cm厚 CsI(Tl) + 5mmAPD x 4 の4ch
アンガーカメラを製作
高エネルギー加速器研究機構(KEK)にて
70keV 0.1mmf モノクロ偏光ビームにより、
1cm間隔で 25点スキャンした。
5cm
5mm
実験1セットアップ
Beam
Line
実験1の結果(1)
見事に入射位置を
分解した!
5cm
2次元イメージ
実験1の結果(2)
 5~15mm (FWHM) の
分解能
→間隔が約 4cmである事
を考えると約1/3
検出器の四隅で感度がよい
x軸に射影したもの
実験その2(偏光の観察)

前面にプラスチックシンチレータ (5x5x20mm) +
Pb遮蔽板(2mm厚)を置き、コンプトン散乱させ
て偏光を観察した。
d r02 2 1
= (    2 sin2  cos2 )
d
2 
Klein-仁科の式
→ η=90°に散乱されやすい
θ
偏光ビーム
プラスチック
シンチレータ
(散乱体)
鉛
板
APD
CsI結晶
偏
光
ベ
η ク
ト
ル
実験2の結果
45°回転
Q=0.14
検出器の対角線
方向に偏光が向く
ように回転させて
配置
偏光方向
135°回転
Q=0.23
特定方向にイベント
が偏っている
→偏光が見えた!
実験その3(APD array)

32ch array型 APDを用いて
イメージングを行うために、
まず各チャンネルのAPDの
評価を個別に行う。
array型 APD
1.6x1.6mm
32個
55Feの5.9keV
X線をそれぞ
れのAPDに照射し、そのス
ペクトルを取得した。
32ch preamp
実験3の結果
よくそろったスペクトルが得られた。
今後の課題
APD array



32ch array型 APD
でのイメージを取得
(VA / TA利用など)
中心の分解能改善の
ために5ch アンガー
カメラの作成
イメージと平行した
スペクトルの取得
読み出し
CsI
ライトガイド
VA / TA
コンプトン散乱の微分散乱断面積
d r  1
2
2
= (    2 sin  cos )
d
2 
2 2
0
h 
1


2
h 1  (h / me c )(1  cos )
h
h 
:入射光子エネルギー
:散乱光子エネルギー
APDとは?




光電子増倍管とフォトダイオードの特徴を併せ
持った放射線検出器
小さい
直接入射でもシンチレータをつけてでもX線を読
み出す事が出来る
→幅広い波長域で利用可能
日本の次世代X線天文衛星「NeXT」にAPDの搭
載を検討中
実験1セットアップ
VME ADC1へ
Gateなど
ADC2へ
ADC3へ
光
源
コ
リ
メ
ー
タ
ADC4へ
CsI
+
APD
プ
リ
メ器 波
ア
イ
高
ン アン 弁
プ
ン
別
プ
コインシデンス
回路
結果
結果
コンプトン散乱させると…
入射光子が偏光している場合、
散乱光子はその電場方向と垂直方向に
散乱されやすい
X
or
g
電場方向
e-
特定方向にイベントが偏っている
→偏光が見えた!
45°回転
135°回転
ビームの偏光方向
放射線用撮像検出器の必要性


X線・g線での撮像観測は、高エネルギーの天体
現象を観測する上で重要
→空間構造を把握することにより、より詳しい
物理を解明できる
放射性同位体とともに用いて、人体、特に内部
の構造を調べることができる。
→体内での放射性同位体の動きから、体の
異常を早期に発見できる
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Avalanche Photodiode を用いた2次元イメージング