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

卒業論文発表

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 ?

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）

→ 低エネルギーの信号もノイズと分離できる

hν

E

　ｐ＋ｐ　ｎ　　 i 　　　　　　ｎ＋

ＡＰＤ

avalanche

増幅

APD の特徴

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

→光電子増倍管に代わる光検出器

200 400 600 800 1000 1200

λ

100

50

0

%

nm

APD

PMT

量子効率

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・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 線でのイメージが得られる

シンチレータ

APD1 APD2Ｘ線光子

1 2

APD4APD3

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 4c

h 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 70

keV 0.1mm 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

BeamLine

2 次元イメージ

5cm

実験 1 の結果（１）

見事に入射位置を分解した！

x 軸に射影したもの

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

実験 1 の結果（２）

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 (5x5x20

mm) + 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。 　 Klein- 仁科の式 　　　　　　　　　　 → η＝ 90°に散乱されやすい

偏光ビーム

プラスチックシンチレータ( 散乱体 )

鉛板 CsI 結晶

APD

)cossin21

222

220

（＝r

d

d

θ

η

偏光ベクト

ル

特定方向にイベントが偏っている

→偏光が見えた !

45° 回転実験 2 の結果

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 135° 回転

偏光方向

Q ＝ 0.14

Q ＝ 0.23

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。

　　 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。

array 型 APD1.6x1.6mm

32 個

32ch preamp

よくそろったスペクトルが得られた。

実験 3 の結果

今後の課題

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 VA / TA

ライトガイドCsI

APD 　 array

読み出し

)cossin21

222

220

（＝r

d

d

コンプトン散乱の微分散乱断面積

)cos1)(/(1

12

cmhh

h

e

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

光源

コリメータ

プリアン

プメイン

　　アン

プ 波高

　　弁別

器

VME ADC1へ

ADC2へ

ADC3へ

ADC4へ

Gate など

CsI+

APD 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

電場方向

Xor

e-

ビームの偏光方向

45° 回転 135° 回転

特定方向にイベントが偏っている→偏光が見えた !

放射線用撮像検出器の必要性

X 線・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