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] 19 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 25 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。 34 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） 35 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。 37 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
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