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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

CsI 結晶シンチレータを用いたコンプトンカメラ γI （ガンマアイ）の開発

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

2

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。

研究の目的

コンプトンカメラ－ガンマアイ計画

3

再構成された画像の例視野中心（ z 軸方向）

γ 線源

q

q

q

入射 γ 線エネルギー：E0 =662keV

コンプトン散乱による損失エネルギー： E1

散乱 γ 線の光電吸収エネルギー： E2

x

y

z

E = E1+ E2

q 散乱角：

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

CsI(Tl)シンチレータ 光電子増倍管蛍光強度∝ E1

蛍光強度∝ E2

𝑐𝑜𝑠𝜃=1−𝑚𝑒𝑐2

𝐸2+𝑚𝑒𝑐2

𝐸1+𝐸2

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

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PMH8820MOD 光電面のサイズ 20mm プリアンプ付 HV は外部から接続

137Cs

PMT

MCA豊伸電子

電源±5V

NIMアンプ

PC

CsI 結晶

セットアップ

左： H8820MOD右： H11432-100

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。

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

6

[cou

nt]

[channel] [channel][c

ount

]

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 ）

実験条件• 3.5cmCsI （応用光研　研磨なし）• NIM 150 倍• HV 1500V

H11432-100H8820MOD

実験条件• 3.5cmCsI （応用光研　研磨なし）• NIM 200 倍• HV 1630V

137Cs 　 662keV で比較

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

7137Cs

PMT MCA豊伸電子電源±5V

NIMアンプ PC

CsI 結晶

セットアップ

8

137Cs 　 662keV で比較

エネルギー分解能 [ch]=7.6%（ σ=21.4keV ）

[cou

nt]

エネルギー分解能 [ch]=7.8%（ σ=21.9keV ）

[channel] [channel]

[cou

nt]

エネルギー分解能 [ch]=7.9%（ σ=22.2keV ）

[cou

nt]

[channel]

エネルギー分解能 [ch]=9.2%（ σ=25.9keV ）

応用光研　研磨なし

[cou

nt]

[channel]

応用光研　 1 面研磨

サンゴバン　 1 面研磨 Belle 実験　研磨なし

コンポーネントの最適化の結果

9

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

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 ）[c

ount

]

[channel]

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

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

11

放射線源137Cs

電源

35cm 35cm

PMT1CsI ： Belle 実験

PMT2 CsI ：応用光研 1 面研

磨角度 0° ～ 32.5°

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CAMAC ADC 多チャンネル測定　 1 カウンターテスト137Cs662keV 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]

[cou

nt]

57Co14.4keV エネルギー分解能 =20.7%（ σ=3.4keV ）

[cou

nt]

[channel]

東大宇宙線研（千葉県柏市の土）

[channel]

[cou

nt]

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:662keV134Cs:605keV134Cs:796keV

2 カウンター測定　セットアップ 概略図

13

赤：トリガー黒：シグナルGATE & DELAY GENERATOR（ WIDTH 100μs ）

CAMAC ADC

DISCRIMINATOR-

15mV （ minimum ）

ORTEC アンプ20 倍（ minimum ）

BI

PC

線源プリアンプ

1800V

VETO

電源±5V

PMT1H11432-100 CsICsI

プリアンプ1800V

PMT2H11432-100

GATE & DELAY GENERATOR（ WIDTH 100ns ）

CAMAC ADC GATE

14

layer1 layer2

Layer1 + layer2

E1[keV] E2[keV]

E1+E2[keV]

[cou

nt]

[cou

nt]

[cou

nt]

layer1 ： E1 が 7keV 以上のイベントを抽出。期待されるエネルギー： 72keVlayer2 ： 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

2 カウンター測定137CS スペクトル　放射線源の設置角度　 25°

15

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°

0 10 20 30 40[degree]

[cou

nt]

コーン解析結果と線源の位置

16

放射線源

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

4 カウンター測定　セットアップ

17

PMT1CsI ：応用光研 1 面研磨

PMT2CsI ：応用光研1 面研磨

PMT3CsI ：応用光研1 面研磨

PMT4CsI ：サンゴバン

35cm

35cm

中心部分から奥の方に2.5cm ずれている

放射線源137Cs

電源

4 カウンター測定　セットアップ 概略図

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赤：トリガー黒：シグナルGATE & DELAY GENERATOR（ WIDTH 100μs ）

ADC

DISCRIMINATOR-

15mV （ minimum ）

ORTEC アンプ20 倍（ minimum ）

BIPC

線源CsI

プリアンプ1800V

VETO

電源±5V

PMT1H11432-100 CsI

CsI

CsI

プリアンプ1800Vプリアンプ1800Vプリアンプ1800V

PMT2H11432-100

PMT3H11432-100

PMT4H11432-100

GATE & DELAY GENERATOR（ WIDTH 100ns ）

ADC GATE

SUMMING アンプ

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layer1 layer2

layer1 + layer2

E1[keV] E2[keV]

E1+E2[keV]

[cou

nt]

[cou

nt]

[cou

nt]

layer1 ： E1 が 7keV 以上のイベントを抽出。期待されるエネルギー： 48keVlayer2 ： 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

137CS スペクトル　放射線源の設置角度　 20°

線源の位置と放射線の到来方向

20

PMT から 20°（距離 12cm ）に線源設置

PMT から 30°（距離 17.5cm ）に線源設置

PMT の中心から20° 傾けた

PMT の中心から30° 傾けた

コーン解析結果と線源の位置

21

放射線源

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

すべての結晶サイズを変化

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Geant4 によるシミュレーション

3.5cm 角（ 11×11 ） 1.75cm 角（ 21×21 ） 0.875cm 角（ 41×41 ）

349/10000 event(3.5%)

105/10000 event(1.1%)

44/10000 event(0.4%)

σ ＝ 4.5°

2D Gaussian fit

σ=3.0° σ=2.3°

結果：すべての結晶サイズを変更

X[cm] X[cm] X[cm]

Y[cm

]

Y[cm

]

Y[cm

]

24

SiTCP ボードを用いた多チャンネルデータの読み出し

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

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 ボードを用いた複数チャンネルデータ読み出し試験状況

25

1 層目の取得波形2 層目の取得波形

2ch同時読み出し時の取得波形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！

線源（柏の土）PD

2ch同時読み出し試験26

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

今後の試験

27

6 カウンター測定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

X 軸

Y 軸

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 例： 4 ピクセル ×4 ピクセルなど

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

Back Slides

30

結果 1 ： 1 層目の厚さだけを変えた時一層目：厚さ 3.5cm

349/10000 event(3.5%)

306/10000 event(3.1%)

249/10000 event(2.5%)

σ＝ 4.5°2D Gaussian fit

σ=4.3° σ=4.1°

3.5cm 角（ 11×11 ）

一層目：厚さ 2.5cm一層目：厚さ 1.5cm

3.5cm 角（ 11×11 ） 3.5cm 角（ 11×11 ）

31

q

再構成領域

x

y

z

y

x

q q q dq dq

2

resres 21exp

21

q

dW

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

x

y

→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　（ ex) 3.5cm 　→　 res

=arctan(1.75/35)　　　　　　　　　　　　　　 =2.9°

q dq

第 1 層

第 2 層35cm

res ： resolution

コーン解析

31

プロトタイプ製作

32

平成 24 年度 平成 25 年度 平成 26 年度 平成 27 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

平成 28 年度

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

SITCP ボードBACK SLIDES

34

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。

35

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 ）

Signal

Trigger（ Signal が VTH を超えたために生成された）

Trigger 生成入力信号情報Signal: PulseFrequency ：10kHzHigh: 325mVLow: 275mVWidth: 5μsVTH ： 300mV

36

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

Signal

Trigger

Trigger 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。。。）

37

生成した Trigger の Delay

D Q D Q D Q ・・・CLK

Trigger signal

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。

38

Setup

Trigger 生成 & Delay

動作確認

Signal

Trigger

オシロスコープ

ADCSiTCPPD + MCA線源

Signal（⇒ ch0 ）

Trigger（ NIM_OUT⇒）

入力信号情報Vpp: 300mVWidth: 25μs

<各パラメータ設定値 >Trigger delay ： 50μs Window size ： 50μs Delay ： 15μs VTH ： 250mV

角度分解能BACK SLIDES

40

10° に設置角度分解能Mean=11.2°σ=1.5°

17.5° に設置角度分解能Mean=18.6°σ=5.4°

[degree][degree]

[degree] [degree]

[cou

nt]

[cou

nt]

[cou

nt]

[cou

nt]

25° に設置角度分解能Mean=23.5°σ=3.8°

32.5° に設置角度分解能Mean=31.5°σ=5.2°

41

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°

42

0 100 200 300 400 500 600 7000

5

10

15

20

25

30

1 層目のエネルギー E1[keV]

1層目

のエネル

ギー分解

能dE

1[ke

V]