Xe ガスと GEM を使って高いエネルギーの X 線を捕らえる

2005/11/14(2005/11/18 修正 )

織田 勧

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動機• 医療用に使われる X 線イメージングをリアルタ

イムで良い精度でできるとうれしい– 結果がすぐ出てほしい– 検査がすぐ終わってほしい– 小さな癌とかをみつけたい– 浴びる放射線量が少なくて済んでほしい

• GEM+Xe が良いのでは– GEM を使えば良い位置分解能が出るはず– 原子番号 Z の大きなガス (Xe とか ) だと光と相互作

用する確率が大きい• 実用化できれば、医療技術の進歩に貢献できる

し、お金がたくさん入ってくる

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Xe ガスを用いた X 線測定・ GEM 検出器の医療機器（レントゲン写真撮影、放射線治療の　 ビームモニターなど）への応用　　　　　　→ 100keV 程度の γ の検出＆２次元イメージング・ Xe （分子量 131.29 ）を輻射体＆増幅ガスとした GEM 検出器　　　　　　　　　　 Ar Xe　　　　　　 Absorption length 100m 1m

・ セットアップ：

ターボポンプ

< 10 － 3Torr55Fe

MFC

MFC

Xe(90%)

CO2(10%)

犬塚さん日本物理学会年次大会2004年 3月

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増幅率の電圧依存性VGEM=395V

VGEM=400V

VGEM=405V

VGEM=410V

A.Orthen et al.NIM A512 (2003) 476

犬塚さん日本物理学会年次大会2004年 3月

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犬塚さんの CNS Annual ReportCNS Annual Report

2003 (2004) 67.

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本当に高いエネルギーの X 線を測れるのか ?• 検出効率はどれくらいになるか ?• 位置分解能はどれくらいになるか ?• エネルギー分解能はどれくらいになるか ?

これを知るためには、• X 線が物質と相互作用する確率はどれくらいか ?

( 入射 X 線を捕らえられる確率、エスケープピークのできる確率 )• 光電効果によって出てくる一次電子の飛程はどれくらいか ?• イオン・電子対はどのくらいできるのか ?を知る必要がある。

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減衰係数 /• エネルギーが一定の強度 I0の光が、密度がで厚さが d(x

=d) の物質中を通った後に、強度が Iになったとすると、その物質の減衰係数 / は、

と定義される。• / の単位は cm2/g などで、密度 ( 状態による ) で割れ

ば、強度が 1/e になる距離 ( 減衰長 1/) がわかる。• 詳しくは、

http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/cover.html等を参照。

• 減衰係数のデータも上記ウェブページより入手できる。

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IIxxII 01

0 ln ,exp

Kr(Z=36) と Xe(Z=54) の減衰係数

• 今の場合は、たぶん /en ではなく / を使えばいいはず ( 要確認 )

http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z54.htmlhttp://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z36.html

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逆数 ()で与えられることもあるね

http://pdg.lbl.gov/2005/reviews/passagerpp.pdf

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キセノンの場合

• 例えば 100 keV で、標準状態のキセノンガスの減衰長は– /= 2.011 cm2/g– = 131.29 g / 22.4 L = 0.00586 g/cm3

– 1/ = 1/(0.00586 g/cm3)/(2.011 cm2/g) = 85 cm ( 長い !)• だから、メッシュと GEM の距離が 10cm だとその領

域で光電効果 + コンプトン散乱を起こす確率はp=1-exp(-10/85)=11% ( 小さい )

M1

L1

L2L3

K 殻吸収端

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アルゴンの場合

• 例えば、 6.0 keV で、標準状態のアルゴンガスの減衰長は– /= 259.3 cm2/g– = 39.948 g / 22.4 L = 0.00178 g/cm3

– 1/ = 1/(0.00178 g/cm3)/(259.3 cm2/g) = 2.17 cm ( 短い )• だから、メッシュと GEM の距離が 3mm だとその領域で

光電効果を起こす確率は p=1-exp(-3/21.7)=13 小小小

• 減衰係数はエネルギーに大きく依存している• 途中のエネルギーは内挿補間するか、グラフから読み取る• X 線がエスケープしてしまうかどうかも似たようにもとめ

られるはず。パッドの形状とか考慮しないといけないけど。

K 殻吸収端11/17

エネルギー損失の式と range• 電子以外の荷電粒子の物質中で

のエネルギー損失は Bethe-Bloch の式でだいたい計算できる

• 低いエネルギーでは良くわからない (<0.1)

• ( 陽 ) 電子のエネルギー損失の式は Leo の 2 章に載っていたはず

• いま知りたいのは ~100keV 以下での電子のエネルギー損失

• 電子が止まるまでに動く長さ (range) を知りたい

• Range がパッドの大きさより十分小さくて、必要な位置分解能と一緒なら良いのだけど、そうなっているかな ?

0

0EdE

dEdxrange

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電子の range を計算してくれるプログラム• http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/contents.htmlに電子、陽子、アルファ粒子の range を計算してくれるプログラムがあります– 電子なら estar– Stopping power も計算し

てくれます– グラフでも、テキストで

も表示してくれます

• 100keV の電子の Xe ガス (=0.00549 g/cm3) 中での rangeは R=0.0267 g/cm2 だから、距離にして R/=4.86cm ( 長すぎ ! 全然止まらない !)

• 30keV なら、 R/=0.66cm• 10keV なら、 R/=0.11cm

• ドリフト電場の影響も結構あるだろうけど。。。

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どれくらい電子とイオンの対ができるのか ?• n=E/w

– E : 一次電子のエネルギー– w : mean energy for ion-ele

ctron pair production ~25eV• n の揺らぎは n だけど、

Fano factor も考慮しないといけない

• 実際には、 5.9keV の X線でイオン電子対がアルゴンの混合ガスで 200 個あまりできる場合でエネルギー分解能は 10% 強くらい

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Principles of operation of multi wire proportional and drift chamber

F. Sauli

本当に高いエネルギーの X 線を測れるのか ? たぶんだめ !• ガスだと密度が小さすぎる !

– 検出効率は低い ( 医療用には大きな欠点 ) 高圧ガスまたは液体キセノンで改善できるかな ?

– Range が大きい X 線の入射位置は簡単には求まらない

• エネルギー分解能はそこまで必要ないかもしれない– Auger 効果が起こらなければ、ほぼ必ずエスケープピークになってしまう

• GEM でなくても良いのでは。。。• こんなのが良さそうだと思いました ( 次ページ )

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PEM-PET Detector Components

PSPMT Array

•H8500 PSPMT

•4x3 Array

•Resitive Readout

Scintillator Array

•2x2x15mm LYSO

•Pitch 2.1mm

•20x15cm

3

2

R.R. Raylman et al., Development of a Dedicated Positron Emission Tomography System for the Detection and Biopsy of Breast Cancer, IEEE-MIC 2005

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Xe+GEM の参考文献• NIM A 419 (1998) 418.• NIM A 433 (1999) 471.• NIM A 443 (2000) 164.• NIM A 454 (2000) 130.• NIM A 471 (2001) 215.• NIM A 478 (2002) 377.• NIM A 481 (2002) 200.• NIM A 493 (2002) 8.• NIM A 504 (2003) 88.• NIM A 512 (2003) 476.

• 調べたのは 2003 年 10 月なので、その後、新たに論文が出ていることでしょう• http://www.sciencedirect.com/science/journal/01689002

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