修士論文 ASTRO-H 搭載用硬 X 線撮像検出器 アクティブシールド機能

修士論文
ASTRO-H 搭載用硬 X 線撮像検出器
アクティブシールド機能の最適化
東京大学理学系研究科物理学専攻
学籍番号 35-096071
鳥井俊輔
2011 年 1 月提出
概要
次期 X 線衛星 ASTRO-H に搭載される硬 X 線撮像検出器 (Hard X-ray Imager:HXI) は、硬 X 線望
遠鏡 (Hard X-ray Telescope: HXT) を組み合わせることで、10-80 keV の帯域でこれまでよりも 2 桁高
い感度の実現を目標としている。感度の向上は、集光と撮像により、目標とする天体の信号から、検出器視
野中の宇宙 X 線背景放射や検出器由来のバックグラウンド信号を効率よく除去することで達成される。し
かしそれには、現在稼働中の「すざく」硬 X 線検出器 (HXD) に匹敵する、低い検出器バックグラウンドが
前提となる。HXI では大型の半導体撮像検出器を、9 ユニットの BGO シンチレータ製アクティブシール
ドで囲む設計である。システムをコンパクトに実現するために、BGO の読み出しは光電子増倍管ではなく
半導体素子の APD を用いるなど、主検出部、シールド部ともに新しい技術が適用される。そこで我々は、
現在開発中である HXI エンジニアリングモデルに先駆けて、HXI を模した半導体撮像検出器、BGO シン
チレータを APD 素子で読み出すアクティブシールド、これらの信号を処理する読み出し系を初めて構築し
た。まず５ユニットで半導体撮像検出器の下半分を囲む実験を行い、宇宙線由来のイベント、137 Cs 線源か
らのコンプトン散乱イベントの除去を実証した。これらの実験から、アクティブシールドとしての最適な反
同時計数のゲート幅を実験で示す手法を提示した。
目次
1
Introduction
6
2
シールドの概念と必要性
8
宇宙空間におけるバックグラウンド源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.1 荷電粒子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.2 検出器自体の内在バックグラウンド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.3 中性子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.4 光子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1
2.2
バックグラウンド除去のためのシールド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2.1 パッシブシールド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2.2 アクティブシールド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.3
研究の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
実験セットアップ
11
3.1
実験の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2
主検出部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2.1 CdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2.2 ASIC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.2.3 高電圧源 Keithley 237 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.2.4 SpaceWire Digital I/O Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3
3.3
シールド部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3.1 BGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3.2 APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3.3 CSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.3.4 16ch Shaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.3.5 8 ch ADCBox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.4
イベントデータ取得の流れ
17
各部の性能評価
21
センサー系の性能評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.1.1 VATA のパラメータに伴うスペクトル及び波形の変化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.1.2 ゲイン較正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
4
4.1
4.2
シールド系の性能評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 APD の性能評価
5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.2.2 BGO の性能評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
4.2.3 APD と BGO の組み合わせ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
アクティブシールド実験
29
1
5.1
シールドの立ち上げ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.2
環境バックグラウンドの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.3
137
Cs の照射実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.3.1 セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.3.2 反同時計数のデータ解析
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
5.3.3 CdTe 検出器によるスペクトル解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5.4
ゲート幅とコインシデンスイベントの回収率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
6
まとめ
43
A
シールドがハイレート時の測定
44
A.1
22
44
A.2
241
Na 照射実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
Am、
Cs 同時照射実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
B
テストパルス入力によるアクティブシールド機能の確認
53
C
グラウンド配線
56
図目次
1.1
HXI 用結晶シンチレータのジオメトリ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1
BGO シンチレータ (青色、水色) と CdTe 素子 (灰色) のジオメトリ。(a)、(b) は断面の側面
図と正面図で、断面の位置は (c) に示す。(d) は底の結晶を上から見た形状。 . . . . . . . . .
3.2
6
12
CdTe 素子からの信号を読み出し、BGO シンチレータの信号からヒットパターンを生成して
タグ付けするためのエレクトロニクスのブロック図。黒は信号の流れ、赤は電源の供給、青
は高電圧の供給を表している。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.3
組上げ時の検出器の外観 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.4
CdTe 素子から信号を読み出す ASIC のアナログ回路のプロック図。 . . . . . . . . . . . . .
14
3.5
Front End Card(FEC) の写真。青で囲まれた部分が CdTe で、赤で囲まれた部分が ASIC。
15
3.6
DIO Board の UserFPGA によるデータ取得のブロック図。小さい文字は、FPGA 内で使用
されている信号の名前。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7
ヒットパターン信号がラッチされるまでのタイミングチャート。赤は各 Shaper 出力に対す
る閾値、青は信号切り替わりの起点となる箇所を示し、順に番号を振った。 . . . . . . . . . .
4.1
137
ifp を変化させたときの波形。線源は
137
22
Cs を用いている。(a)ifp=6、(b)ifp=7 で ifss=3 に
固定している。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3
20
Cs の崩壊系列 [8]。崩壊によるガンマ線のラインがほぼ１本だけなので、キャリブレー
ションソースとしてよく用いられる。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
18
22
ifss を変化させたときの波形。線源は 137 Cs を用いている。(a)ifss=0、(b)ifss=3、(c)ifss=7
で 、ifp=7 に固定している。この図の (b) は、図 4.2(b) と同一である。 . . . . . . . . . . .
2
23
4.4
(a)(b) それぞれ
22
Na、133 Ba の崩壊系列 [8]。22 Na は、電子捕獲もしくは β + 崩壊により、
511 keV の対消滅線を 180 度反対向きに放射する。133 Ba は、複雑な崩壊系列をもち、特に
300 keV 付近にラインが多く立つため、中程度のエネルギー帯域を較正するのに役立つ。 . .
4.5
CdTe 検出器の 15 ch 出力の ADC Channel と Energy の関係をそれぞれ (a) 直線、(b) 二次
曲線でフィットしたもの。データとモデルの比を下方に示した。
4.6
. . . . . . . . . . . . . . .
133
Ba、22 Na、137 Cs。(b) で、750 keV 以上に見えるピーク
は、ADC のダイナミックレンジの限界によるものである。 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 個の BGO に
137
は、環境放射能の
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
Cs 線源を当てて得たスペクトル。Cs ピークの２倍あたりに見えるピーク
40
K で、全スペクトルの 3700 ADC Channel 付近に見えるピークはテス
トパルス。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1
25
９個の APD の高電圧とゲインの関係。(a),(b),(c) はそれぞれ 20 ℃、5 ℃、-20 ℃での測定
結果。ゲイン 50 のところに赤で線を引いた。
4.8
25
ADC Channel をエネルギーに直して、使用可能なチャンネルの出力を足し合わせたスペク
トル。(a)(b)(c) は、それぞれ
4.7
24
27
アクティブシールド実験の検出器部の写真。(a) はアクティブシールドの Side BGO の 1 つ
(Comp.G) を取り外して断面をみたもので、(b) は Side4 つと Bottom1 つを組み上げたもの
を真上からみた図。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
5.2
アクティブシールドの各コンポーネントの
5.3
アクティブシールド各コンポーネントのバックグラウンドスペクトル。全スペクトルに
Cs スペクトル。 . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
30
K
のラインが見えている。横軸はエネルギーに較正してある。 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
29
31
各コンポーネント別の、CdTe で信号を受けてから BGO の信号をラッチするまでにかかっ
た時間。51 µs 付近の鋭いピークは、ゲートの時間内に BGO の信号が来なかったイベントを
表す。160 ns ごとにビンまとめされている。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5
32
CdTe のバックグラウンドスペクトル。(A) 全イベントのスペクトル、(B) アンチコインシ
デンススペクトル、(C) コインシデンススペクトル。700 keV 付近の構造は、ADC のダイ
ナミックレンジの限界によるもの。下段は、(C) を (A) で割った比のスペクトルである。64
keV ごとにビンニングされている。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
33
(a) 線源のコリメーターを鉛で組んだ。(b)CdTe 検出器とアライメントが合うように調整し
た。アルファベットは Side のコンポーネントの位置関係を示している。(c) は、(b) を正面
から見たときの模式図。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7
アクティブシールドで測定される、鉛のコリメータを通して照射した
137
Cs の線源スペクト
ル。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.8
137
34
34
Cs 照射実験におけるアクティブシールド各コンポーネント別の、CdTe で信号を受けてか
ら BGO の信号をラッチするまでにかかった時間のヒストグラム。160 ns ごとにビンまとめ
されている。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9
137
35
Cs の CdTe 検出器におけるスペクトル。(A) トータルのスペクトル、(B) アクシデンタ
ルコインシデンスを補正したアンチスペクトル、(C)BGO とのコインシデンススペクトル、
(D) アクシデンタルコインシデンスを補正したコインシデンススペクトル。(B) は、(A)-(D)
で作られる。8 keV ごとにビンニングされている。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
37
5.10
各々のコンポーネントごとに作成したコインシデンススペクトル。ただし、他の結晶と同時
であるイベントは露には排除していないので、コンポーネント間には重複するイベントがあ
る。アクシデンタルコインシデンスは補正済み。16 keV ごとにビンニングしている。 . . . .
38
5.11
BGO の光電吸収およびコンプトン散乱の反応断面積 [10]。 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
5.12
137
Cs のイベントのコインシデンス比を、ゲート幅を変えながら、5000 nsec のときの値で規
格化した値をプロットした。見やすさのため、(a)0-256 keV、(b)192-448 keV の２つのエネ
ルギーバンドに分け、比較のため 192-256 keV を両方の図に同じ色で示した。 . . . . . . . .
5.13
40
バックグラウンドイベントのコインシデンス比を、ゲート幅を変えながら、5000 nsec のとき
の値で規格化した値をプロットした。見やすさのため、256-512 keV を 20 ns、512-768 keV
を 40 ns 正方向にずらして描いている。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1
41
(a) 線源を設置したときの写真、(b) 真正面から検出器を見たときの結晶、線源、CdTe 検出
器のジオメトリ。
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
44
A.2
各コンポーネントの BGO における
Na のスペクトル。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
A.3
22
Na の CdTe 検出器でのスペクトル。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
A.4
22
Na を照射しながら各コンポーネント別の、CdTe でトリガーを受けてから BGO の信号を
ラッチするまでにかかった時間。160 ns ごとにビンまとめされている。 . . . . . . . . . . . .
A.5
46
BGO 信号がパイルアップしているときにヒットパターン信号がラッチされなくなる場合の
タイミングチャート。赤はトリガーを出すために超えなくてはならない閾値で、青は次の
イベントを待つ状態に戻るために下回らなくてはならない閾値。Hit pattern latcher、Hit
pattern trigger の点線は、信号がパイルアップしていないときの信号の移り変わりを示す。
また、信号の切り替わりの起点となるアナログ出力に丸をつけ、番号を振った。 . . . . . . .
A.6
ヒットパターン信号が到来するまでに要した時間のヒストグラムからアクシデンタルコイン
シデンスの割合を見積もる手法の模式図。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.7
47
48
各コンポーネントごとに、CdTe 検出器とコインシデンスイベントだけを切り出し、アクシデ
ンタルコインシデンスレートを (a) カウントレート、(b) ラッチタイミングのヒストグラムか
ら補正したスペクトル。16 keV ごとにビンニングされている。 . . . . . . . . . . . . . . . .
49
A.8
241
50
A.9
Comp.H と Comp.I における、ゲートが開いてからヒットパターン信号をラッチするまでに
Am、
137
Cs を同時に CdTe 検出器に照射したときの配置。 . . . . . . . . . . . . . . . . .
要した時間のヒストグラム。160 ns でビンまとめされている。この実験からヒットパターン
信号に遅延を与えているため、ピークが今までより 8 µs ほど正方向にシフトしている。 . . .
A.10
241
Am、
137
51
Cs 同時照射実験における、Comp.H と Comp.I とのコインシデンススペクト
ルから、カウントレートとタイミングのヒストグラムから見積もられる 2 通りのアクシデ
ンタルコインシデンス補正を行い、それぞれの図の下に、全スペクトルとの比をとった。8
keV ごとにビンまとめされている。(a)Comp.H 面積補正 (b)Comp.H カウントレート補正
(c)Comp.I 面積補正 (d)Comp.I カウントレート補正。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.1
52
ASIC に任意のタイミングでトリガーを送り、それと同期したテストパルスを CSA に入力し
たときの、Comp.F における、ゲート、テストパルス、APD Shaper、ヒットパターン信号
の波形。括弧内は縦軸 1 あたりの電圧値。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
53
B.2
(a) エネルギーごとに、ゲートを開いてからヒットパターン信号をラッチするまでにかかった
時間をヒストした。(b) テストパルスの入力に対して、コインシデンスのタグ付けに成功した
ものの割合を、横軸エネルギーで示した点が赤で、誤差関数でフィットした結果が緑である。
(c) ヒットパターン信号を出すまでに要した時間の平均値と、それに標準偏差の 3 倍の値を足
したものと引いたものを横軸エネルギーで示した。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
本実験でのグラウンディングを含めた配線図。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
1.1
ASTRO-H 搭載機器の基本性能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.1
Si、Ge、CdTe 半導体の各種性質。ϵ とは、正孔対を一つ作るのに必要なエネルギーの平均値。 11
3.2
代表的な結晶シンチレータの性質。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.1
10 分間の測定から算出した vth=4, 5, 6 のときのトリガーレート。 . . . . . . . . . . . . . .
23
4.2
較正に用いた線源とライン。
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
4.3
各 APD のゲインが 50 となる高電圧 (V)。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
C.1
表目次
4.4
各 BGO において
137
Cs の 662 keV 光子の光電吸収ピークに対応する ADC Channel とエ
ネルギー分解能。ノイズの寄 与を除いた、結晶の発光量に由来するエネルギー分解能も併記
する。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
各 BGO における
137
Cs がピーク値をとる ADC Channel とエネルギー分解能。ノイズに
よる寄与を除いた結晶の発光量に由来するエネルギー分解能も併記している。 . . . . . . . .
5.1
22
Na と
137
28
28
Cs のラインのエネルギーを用いて求めた、エネルギーと ADC Channel の関係。
1、2 行目が ADC Channel = A × Energy + B の較正直線で、3 行目は較正直線から求め
た 200 keV の ADC Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
5.3
5.4
30
アクティブシールド 5 ユニット動作時の各コンポーネントのバックグラウンドカウントレー
ト (Hz)。ただし、ノイズによるトリガーイベントも含まれている。 . . . . . . . . . . . . . .
31
各コンポーネントの 4 µs 以内での同時イベント数。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
アクティブシールドの各コンポーネントにおける
137
Cs の照射実験におけるカウントレート
(Hz)。合計で 18.7 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
5.5
BGO のカウントレートに占める、観測された真の同時イベントの割合 . . . . . . . . . . . .
36
5.6
137
Cs で、BGO 信号のラッチまでに要した時間のヒストグラムをガウシアンとコンスタント
成分の和でフィットしたときのパラメータ。4000 ns 以上に漏れ出す割合も示してある。合
計で、1.09% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
A.1
22
Na 実験における各コンポーネントのカウントレート。合計で、160 kHz。 . . . . . . . . .
44
A.2
22
Na 実験における各コンポーネントので推定されるアクシデンタルコインシデンスイベント
の比率。カウントレートのみからとラッチタイミングのヒストグラムに見えるピークから推
定した 2 通りが示されている。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
A.3
241
Am、137 Cs 同時照射実験における Comp.H と Comp.I のカウントレート。 . . . . . . . .
50
A.4
241
Am、137 Cs 同時照射実験で、カウントレートとタイミングのヒストグラムから見積もられ
るアクシデンタルコインシデンスの割合。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
51
1 Introduction
X 線宇宙物理学は、銀河団の高温プラズマや、ブラックホール近傍の質量降着など、宇宙の高エネルギー現
象に迫る上で欠かせない学問であり、1962 年のジャコーニらによるロケット実験で、太陽系外からの X 線が
発見されたことを皮切りに、飛翔体を用いた宇宙 X 線の観測が行われてきた。日本はその黎明期から目覚ま
しい貢献をし、国産第一号の 1979 年「はくちょう」衛星から、
「てんま」
、
「ぎんが」
、
「あすか」
、
「すざく」と世
代を重ね、6 代目となる ASTRO-H 衛星の打ち上げを 2013 年度に予定している。エネルギー帯域は 0.3-600
keV と、2005 年度に打ち上げられた「すざく」衛星とほぼ同じであるが、搭載される検出器には大幅な改良が
加えられ、エネルギー分解能や感度の大幅は向上が期待されている。ASTRO-H は４つの検出器、SXS(Soft
X-ray Spectrometer : X 線カロリメータ)、SXI(Soft X-ray Imager : 軟 X 線撮像検出器)、HXI(Hard X-ray
Imager : 硬 X 線撮像検出器)、SGD(Soft Gamma-ray Detector : 軟ガンマ線検出器) を搭載する予定であ
る。これらに加え、SXS と SXI とに組み合わせる反射集光系として SXT(Soft X-ray Telescope:軟 X 線望遠
鏡) が 2 台、また HXI に対する同様な光学系として HXT(Hard X-ray Telescope:硬 X 線望遠鏡) が 2 台搭載
される。これらの装置の諸元を表 1.1 にまとめる。
表 1.1 ASTRO-H 搭載機器の基本性能
エネルギー帯域 (keV)
2
有効面積 (cm )
エネルギー分解能
視野 (arcmin)
SXT-S+SXS
SXT-I+SXI
HXT+HXI
SGD
0.3–10
0.5–12
5–80
40–600
210 (@6 keV)
360 (@6 keV)
300 (@30 keV)
75 (@100 keV)
7 eV
150 eV
2 keV
2 keV (@40 keV)
3 (@6 keV)
35 (@6 keV)
9 (@30 keV)
33 (<150 keV)
<10 deg (>150 keV)
角分解能 (arcmin)
< 1.7 (HPD)
図 1.1
< 1.7 (HPD)
< 1.7 (HPD)
8 deg (@100 keV)
HXI 用結晶シンチレータのジオメトリ
本論文で対象とする HXI は、5-80 keV の領域を担当する撮像分光検出器で、HXT を用いて集光させるこ
とにより、該当帯域で「すざく」HXD(Hard X-ray Detectro:硬 X 線検出器) の感度を 2 桁以上も改善するこ
とが期待されている。HXT と HXI の組み合わせは、同型のものが 2 台搭載されるので、以下はその 1 台に
限って紹介する。HXI の主検出部は、4 層の両面 Si ストリップ検出器と、1 層の両面 CdTe ストリップ検出
器を重ねたもので、入射 X 線の 3 次元反応 (おもに光電吸収) 位置と、エネルギーとを計測する。
6
HXI では、主検出部の回りに、9 枚の BGO 結晶シンチレータを図 1.1 のように配置し、バックグラウンド
低減のためのアクティブシールドを構成している。「すざく」HXD では、アクティブシールドに用いる BGO
結晶シンチレータを光電子増倍管で読み出していたが、今回は新たにアバランシェフォトダイオード (APD)
が利用可能となり、よりコンパクトなアクティブシールドが構築できると期待される。現在は、エンジニアリ
ングモデルの製造に向け、各種の要素技術の検証および設計の詳細が鋭意進められている段階である。
7
2 シールドの概念と必要性
宇宙空間では地上とは異なったバックグラウンド環境が広がっており、十分にそのことを理解した上で検出
器を設計しなければならない。地上での環境放射能が、主に核ガンマ線と宇宙線起源の µ 粒子であるのに対
し、宇宙空間では、高エネルギー陽子、中性子、宇宙 X 線背景光子などが高いレートで飛び交っており、軌道
上の検出器は観測したい天体以外のイベントを必ず拾ってしまう。S/N 比を向上させることは、天体物理とい
うサイエンスを探求する上で不可欠な要素であり、何らかの手段でこれらのバックグラウンドを除去すること
が求められる。まず、宇宙空間でのバックグラウンドの種類を述べ、そのシールド法を記す。
2.1 宇宙空間におけるバックグラウンド源
2.1.1 荷電粒子
宇宙空間を飛来する放射線を一次宇宙線と呼び、それらが大気に突入することで生じた放射を二次宇宙線
と呼ぶ。一次宇宙線は狭義には荷電粒子であり、その大部分を陽子が占める。地球は磁気圏に守られており、
エネルギーが低い荷電粒子は侵入できないが、数 GeV を超えるエネルギーのものは磁気圏を抜け衛星軌道上
に到達できる。その中で、検出器を貫くものは、直接に電磁相互作用をすることで、大きなエネルギーデポ
ジットをし、また様々な二次放射を引き起こす。したがって、放射線に感度を持つシールド (後に説明するア
クティブシールド) で検出器を囲い、タイミング情報を用いて VETO することで効率よく取り除くことがで
きる。ただし、荷電粒子が、検出器としての感度を持たない部分 (筐体など) に当たって生じた二次的な放射
のみが入射する場合はその除去は難しい。
ASTRO-H が打ち上げられる予定の低高度衛星軌道上には、南大西洋地磁気異常帯 (South Atlantic
Anomaly) と呼ばれる領域があり、地磁気により 100 MeV 程度の陽子が大量にトラップされている。ここで
はカウントレートが桁違いに高く、検出器を故障させることもあるので、特に高電圧などはオフにしておくな
どの措置がとられる。
2.1.2 検出器自体の内在バックグラウンド
外来放射能だけでなく、検出器の内在バックグラウンドも重要で、これは 2 成分に大別できる。その一つ
は、検出器材料に含まれる自然放射能である。これを減らすには、主たる自然放射能であるカリウム (40 K) を
含む物質を排除し、またウラントリウム系列の物質の混入しうる素材を用いないなど、慎重な素材選定が求め
られる。
もう一つは、前述の SAA を通過する際になど、検出器が ∼100 MeV の陽子を浴びて放射化することであ
る。特に重元素を用いている素材は放射化の影響を受けやすく、例えば、「すざく」HXD に搭載された GSO
シンチレータでは、その構成元素である Gd(Z=64) の放射化がバックグラウンドに寄与する割合は大きい。
また、HXI の主検出部に用いられる Cd(Z=48) も放射化が起こった場合、バックグラウンドに与える影響は
無視できないことが既にわかっている。アクティブシールドにはまず、パッシプシールドとしても効果のある
厚さを持たせ、主検出器に到達する陽子を減らすことも求められる。また、シールド自身が強力な放射能を持
たないように、陽子との反応断面積の大きな素材 (NaI、CsI のヨウ素など) は、避ける方が良い。
8
2.1.3 中性子
二次宇宙線には様々な粒子が存在するが、
「すざく」打ち上げ後に HXD で無視できないバックグラウンド
源として認識されたのが中性子である [1]。中性子は電荷を持たないため、強い相互作用でしか反応しない。
具体的には、中性子が検出器に含まれる原子核で散乱されるさい、原子核に反跳エネルギーを与えることで
バックグラウンドとなり、とくに Si など、軽い原子核で問題となる。バックグラウンドの高い検出器では、通
常この成分は無視できるが、電磁相互作用を利用したバックグラウンド除去が高度になるにつれ、この中性子
成分が目立ってくる。アクティブシールドには原子番号の大きな物質が用いられることが多いため、中性子を
シールドすることは容易ではない。
2.1.4 光子
観測対象以外の X 線やガンマ線もバックグラウンドととして無視できない。宇宙空間では、分解された天
体が露に見えないところも含め、あらゆる方角から X 線が観測されることが知られており、宇宙 X 線背景放
射 (CXB) と呼ばれている。半世紀に渡る宇宙 X 線の研究の一大テーマは、この CXB を個々の点源 (おもに
遠方の活動銀河核) に分解する作業であった。1999 年に打ち上げられた Chandra 衛星の高い角度分解能によ
り、この作業はほぼ完了したと言える。しかし、これを撮像観測で全て除去するためには秒角の結像性能が必
要であり、HXT をはじめとしてこれは容易ではない。CXB は極めて一様なので、視野内に含まれる分は阻
止できず、観測データから後に差し引くしかない。よって視野を必要以上に大きくしないことが大切である。
視野外から検出器に突入する CXB は、シールドにより防ぐことができる。さらに、一次宇宙線が大気や衛星
本体と衝突して作り出す二次ガンマ線も要注意で、エネルギーが高い分、CXB に対する以上にシールドが必
要になる。
2.2 バックグラウンド除去のためのシールド
バックグラウンドを除去するには、§ 2.1 で少し触れたように、パッシブシールドとアクティブシールドと
いう 2 通りの考え方がある。
2.2.1 パッシブシールド
パッシブシールドは、タングステンや鉛などの原子番号の大きい物質で検出器を囲い、遮蔽効果のみに頼る
シールドのことをいう。地上実験でも、強度の小さい放射線を測定するとき、環境放射能を防ぐために鉛ブ
ロックで検出器と測定対象を囲うのが一般的である。地上の環境放射能はあまりエネルギーの高くないガンマ
線が大半であるため、この方法は有効である。しかし、宇宙空間では高エネルギーの荷電粒子のレートが高い
ため、例えば 1 GeV の陽子を完全に止めるにはおよそ 500 g/cm2 の物質が必要で、HXI でそれを囲むと容
易に 100 kg を超過する。衛星の設計は、重量に対してシビアであるため、パッシブシールドのみによるバッ
クグラウンド削減は非現実的である。
2.2.2 アクティブシールド
パッシブシールドと対をなす思想としてアクティブシールドという概念がある。アクティブシールドでは、
検出器を囲う物体として、シンチレータなどのそれ自体が検出器である素材を用い、反同時計測によってバッ
クグラウンドイベントを落とす考え方である。アクティブシールドは放射線を止める必要がないため、シール
9
ドを圧倒的に薄くすることができる。荷電粒子イベントに対しては、厚み ∼1 cm と比較的軽量なプラスチッ
クシンチレータで 1 MeV 程度のエネルギーデポジットが得られるので、きわめて効果的にシールドできる。
ただし、ガンマ線に対してはほぼ無力なので、大きな原子番号をもつ無機シンチレータを用いる必要がある。
さらに、HXI や SGD の場合は、放射化の原因となる 100 MeV の陽子を遮蔽するパッシブシールドとしての
役割を持たせるためにも、4 cm 厚の BGO 結晶を用いることが有用である。この場合、アクティブシールド
にパッシブシールドとしての側面も持たせている。
2.3 研究の目的
HXI では、集光撮像能力を持たない「すざく」HXD に比べ、HXT のおかげで S/N 比は大きく向上し、ま
た天体の周辺をバックグラウンドとして差し引くことが可能となった。しかし、微弱な天体を長時間にわたり
観測した場合、その究極の検出感度を決めるのは検出器由来のバックグラウンドである。視野内の CXB は防
ぎようがないので、他のバックグラウンド成分を CXB より低くすることが目標となる。
HXI では、両面ストリップ型の半導体を主検出部に用い、アクティブシールドを構成する結晶シンチレー
タの読み出しに、光電子増倍管ではなく APD を用い、さらに結晶間にすき間のある構造に変わっている。こ
のコンフィギュレーションで、視野外からのバックグラウンドを、
「すざく」HXD と同程度に除去できること
が求められる。
そこで、HXI の形状を模擬したジオメトリを実際に組み、反同時計測の実験を通して、HXI のアクティブ
シールド機能を設計する上での指針を得ることを本論文の目的とする。
10
3 実験セットアップ
3.1 実験の概要
我々は、図 3.1 に示すように、CdTe イメージング素子の周囲を、9 個の BGO シンチレータのアクティブ
シールドで囲んだ検出器と、図 3.2 のような読み出しエレクトロニクス系を立ち上げた。主検出部とシールド
部の組み上げ時の外観を図 3.3 に示す。BGO の大きさ、厚さ、すき間やセンサー部の検出器の数や有効面積
はことなるものの、検出器、通信規格などの道具立てはほぼ同じものを使用している。信号読み出しのエレク
トロニクス部も一部を除いて実際に HXI に用いられるものとなるべく近い構成をとっている。本論文は、9
個の BGO シンチレータのうち最も重要な下部の 5 個を用いた実験を行っている。しかし、最終的には 9 個で
の実験を目指しているため、本章では 9 個分の準備状況を説明することとする。
3.2 主検出部
3.2.1 CdTe
ここで用いる CdTe 素子は、共同研究を行っている JAXA 高橋研究室とアクロラド社による 10 年来の研
究開発の賜物であり [2]、同様の素子が満を持して ASTRO-H の HXI と SGD に搭載される。CdTe は、Si や
Ge などの他の半導体素子と比べバンドギャップが大きいため、熱励起により発生するリーク電流が小さく、
室温でも使用可能である。また、表 3.1 に示すように、CdTe を構成する Cd と Te は原子番号が Si や Ge よ
りも大きいので、同じ大きさでも、より高エネルギーの放射線計測が可能である。ただし、CdTe ではキャリ
アの移動度や寿命が小さいため、反応位置により収集できる電荷量が異なることにより、スペクトルのピーク
が低エネルギー側にテールを引きやすくなる。また、バイアス印加時にポラリゼーションという現象が発生
し、電荷収集効率や有効面積の低下を招くなどの問題があるため、使用には注意が必要である。
表 3.1
素子名
Si
Ge
CdTe
Si、Ge、CdTe 半導体の各種性質。ϵ とは、正孔対を一つ作るのに必要なエネルギーの平均値。
原子番号
密度
バンドギャップ
14
32
48/52
(g/cm3 )
2.33
5.33
5.85
(eV)
1.12
0.72
1.4
ϵ
(eV)
3.61
2.98
4.43
比抵抗
(Ω cm)
103
102
109
(µτ )e
(cm2 V−1 )
0.42
0.22
∼ 2 × 10− 3
(µτ )h
(cm2 V−1 )
0.72
0.84
∼ 1 × 10− 4
HXI には、32 × 32 × 0.5 mm3 で両面が 128 個のストリップに分割された Si 素子が 4 枚、同じ形状の
CdTe 素子が 1 枚搭載され、これらで 5-80 keV の帯域をカバーできる。この状況を再現するため、13.35 ×
13.35 × 0.5 mm3 で 8 × 8 にピクセル化された試作段階の CdTe 素子を 1 枚、主検出部に用いた。
3.2.2 ASIC
Si や CdTe からの電荷信号を処理するために、その出力は CSA(Charge Sensitive Amplifier:電荷有感型ア
ンプ) で電圧信号に変換されなければならないが、そのチャンネル数が膨大である HXI や SGD では、一つ一
つのチャンネルに対して CSA や Shaper などの箱を用意することは現実的ではないため、アナログ ASIC で
11
(a)
(b)
103
72
3
4
13.35
26
20
21.5
6
0.5
11
13.35
89
27.4
180
20
143
80
143
(a)断面
80
(d)
160
(c)
(b)断面
80
89
図 3.1 BGO シンチレータ (青色、水色) と CdTe 素子 (灰色) のジオメトリ。(a)、(b) は断面の側面図と
正面図で、断面の位置は (c) に示す。(d) は底の結晶を上から見た形状。
12
Thermostatic Chamber
CSA
Power Supply
4ch CSA
(CP5005)
BGO
APD
2chHV
(CP6671PPR/AC)
4ch CSA
(CP5005H)
16ch shaper
(CP4030)
ADCBox
Power Supply
Front-end Card (FEC)
8ch ADCBox
CdTe
ASIC
Interface
Card
(IFC)
SpW
LVDS
Hit-pattern
signal
SpaceWire
Router
SpW
SpW
SpaceWire
HV
Keithley 237
FEC
Power Supply
Digital I/O Board 2
(DIO)
SpaceWire
GigabitEther
TCP/IP
DIO
Power Supply
PC
図 3.2 CdTe 素子からの信号を読み出し、BGO シンチレータの信号からヒットパターンを生成してタグ
付けするためのエレクトロニクスのブロック図。黒は信号の流れ、赤は電源の供給、青は高電圧の供給を
表している。
その処理を行う。
HXI では、高橋研究室と IDEAS 社の協力により製作された VATA461 という型の ASIC が用いられる [3]。
これは、図 3.4 に示したアナログ処理系を 32 ch 収納しており、1 ch あたり 1 mW という非常に低電力で稼
働する。入力された電荷信号は、初段の CSA で電圧に変換された後、TA というトリガー生成部と、VA と
いう波高測定部に分岐する。TA と VA 部の Shaper のピーキングタイムは、それぞれ 0.6 µs と 3-5 µs であ
る。そのため、それぞれ Fast Shaper、Slow Shaper と呼ばれる。Fast Shaper の出力が閾値を超えると、ト
リガー信号が出力され、ホールド信号が VA に送られると、その瞬間での Slow Shpaer の出力がホールドさ
れたのち、ADC 出力される。ADC はウィルキンソン型であるため、変換に 100 µs 程度の時間を要する。ク
ロックは後に説明する DIO Board の UserFPGA から供給される。
本実験では、VA32TA6 という VATA461 の一つ前のバージョンを用いた。消費電力や出力ビット数などの
細かな違いをのぞき、仕様はほぼ同じである。CdTe 素子と ASIC を載せた基板は Front End Card(FEC) と
呼ばれ、図 3.5 のような配置になっており、高電圧入力端子や後段の Interface Card(IFC) につなぐための
13
図 3.3
図 3.4
組上げ時の検出器の外観
CdTe 素子から信号を読み出す ASIC のアナログ回路のプロック図。
14
図 3.5
Front End Card(FEC) の写真。青で囲まれた部分が CdTe で、赤で囲まれた部分が ASIC。
ケーブル端子がついている。
3.2.3 高電圧源 Keithley 237
半導体素子を放射線検出器として用いるとき、逆バイアスをかけて空乏層を広げて有感層を作る必要があ
る。本研究では、半導体検出器に標準的に用いられる高圧源として Keithley237 を用いることで、1000 V ま
での高圧をかけながら nA オーダーのリーク電流を測定できる。HXI では、衛星搭載用に開発される小型高
電圧源 (CAEN 社) が用いられる
3.2.4 SpaceWire Digital I/O Board
従来では衛星ごとに一品ものになりがちだった内部での通信規格に対し、衛星間で共通のものを導入す
ることで、開発のための労力を削減しようという目的で開発されたのが SpaceWire という規格である [4]。
ASTRO-H では、日本の衛星として初めて本格的に SpaceWire を用いる。
本実験で用いる SpaceWire Digital I/O Board (DIO Board) は、地上での試験を目的にシマフジ電機が
JAXA と共同で開発した、SpaceWire 通信でデータ取得を行う基板で、SpaceWire 通信のための SpaceWire
FPGA と用途に応じて書き換える UserFPGA の、2 つの FPGA を搭載する。SpaceWire では、LVDS(Low
voltage differential signaling) という、差動方式のデジタル信号の規格を用いており、外来ノイズに強く、ま
たレベル差が 350 mV しかないため、省電力でもある。
我々のセットアップでは、先端の ASIC からの ADC 出力などは、いったん IFC で LVDS に変換されてか
ら、DIO Board で処理される。また、DIO Board は LVCMOS 入出力 8 ch、LVDS 差動入力 16 ch、LVDS
差動出力 32 ch を搭載しており、後述の 8 ch ADCBox から送られてくる計 9 ch のヒットパターン信号を受
け入れるのに十分な Digital I/O を有している。実験で用いたクロック数は 50 MHz である。
本研究では、もう 1 つの SpaceWire 関連機器として、SpaceWire GigabitEther を用いる。これは、
SpaceWire 通信を用いて取得されたデータを TCP/IP でネットワークに配信する、または、TCP/IP 経由
で送られてきた命令を SpaceWire に変換して DIO Board などの機器に伝達する役割をもつ。SpaceWire
GigabitEther に指定された 1 つの IP アドレスで、DIO Board と 2 つの 8 ch ADCBox という計 3 つのノー
ドを扱うために、SpaceWire Router を用いている。
15
3.3 シールド部
3.3.1 BGO
シールド部の主体は、BGO(Bi4 Ge3 O12 ) シンチレータで、その基礎的な情報を表 3.2 に記載する。本実験
で使用する BGO は図 3.1 に示したように、全部で 4 種類 9 個あり、開口部に 72 × 180 × 20 mm3 の直方体
結晶を 4 つ、検出器のサイド側に (72+89)/2 × 160 × 20 mm3 と (72+89)/2 × 89 × 20 mm3 の台形結晶
が 2 つずつ、底部に 80 × 80 × 20 mm3 の結晶を用いた。
表 3.2 代表的な結晶シンチレータの性質。
実効原子番号
密度 (g/cm3 )
発光量 (photon/1MeV)
蛍光減衰時間 (µs)
NaI(Tl)
50
3.67
38000
0.23
CsI(Tl)
54
4.51
65000
0.68,3.34
BGO
74
7.13
8200
0.3
GSO
59
6.71
9000
0.056,0.4
BGO シンチレータは、NaI や CsI といった他の結晶シンチレータと比較して実効原子番号、密度が大きい
ので、アクティブシールドとしても、パッシブシールドとしても高い阻止能をもつ。また、軌道上で放射化
しにくいという長所がある。BGO は、「すざく」HXD での使用実績にもとづき、ASTRO-H 搭載の HXI、
SGD のシールドにも用いられる。ただし、他の結晶シンチレータと比較すると発光量が少ないため (表 3.2)、
いかに光子を効率よく集めるかが、アクティブシールドとしての Lower Threshold を下げるうえで重要とな
る [5][6]。
3.3.2 APD
シンチレータで発生した可視光光子を読み出す手段として、光電子増倍管が古くから用いられてきたが、
HXI や SGD では APD を用いた読み出しが採用されている。APD は、1 cm x 1 cm と非常に軽量かつ小型
であり、機械的に壊れにくく、光電子増倍管の高圧には 1000 V 程度が要求されるのに対して、APD は 400
V 程度で十分である、温度と高圧が一定ならゲインも安定しやすい、量子効率が 80% と高い、などの利点を
もつ。とりわけ小型であることより、HXI と SGD のアクティブシールドで、バックグラウンドの混入を避け
るためのすき間の少ない構造が実現可能となった。しかし、光電子増倍管の増幅率が 100 万から 1000 万倍ほ
どであるのに対して、APD は 50-100 倍であることから、読み出し時のノイズによってエネルギー分解能や
Lower Threshold が影響を受けてしまうため、回路設計に注意が必要である。本実験では、浜松ホトニクス社
製の Si APD S8864-1010 という型番の APD を用いた。
3.3.3 CSA
APD で生じた電荷信号が CSA(Charge Sensitive Amplifier) に収集され電圧信号に変換されて初めて、入
射した放射線の強度を測定することができる。本実験では、9 ch の APD 出力を 3 つの 4 ch CSA で受ける。
いずれも Clear Pulse 社製で、型番は CP5005 のものが 2 つと CP5005H のものが 1 つであり、時定数は 50
µs、帰還部分のコンデンサの容量が 1 pF と 0.5 pF と異なるためゲインが違うが、それ以外はほぼ同等の回
路構成である。
16
HXI では、CSA 出力 (時定数 10 µs) を積分回路に通し、その出力をデジタルフィルターにかける仕様であ
るが、本実験では簡単のため、CSA 出力を Shaper に通している。デジタルフィルターまたは Shaper を通す
と、もとの CSA 出力の時定数の影響が小さくなるため、HXI で使用される CSA と異なる時定数の CSA を
用いる影響は小さいと考えられる。
CSA の同軸信号線を通じて、APD に正の高電圧約 400V が印加され、信号の交流成分がカップリングコン
デンサを通して CSA に入力される。APD からは負の電荷パルスが読み出され、CSA からは極性の反転した
正の電圧パルス信号が出力される。
3.3.4 16ch Shaper
CSA の出力は、立ち上がりが急速で、減衰の時定数が 50 µs と長く、またゲインが固定されているため、信
号のパイルアップの解消やダイナミックレンジの調整を兼ねて、Shaper で波形整形を行っている。1 次微分
(または 2 次微分) と 4 次積分の回路を 16 系統持っている、Clear Pulse 社製の CP4030 という型番の Shaper
を用いた。Shaping Time は 2 µs で、Peaking Time は 4 µs である。
3.3.5 8 ch ADCBox
APD と BGO からの 9 ch の出力の波高値を読み取るために、図 3.2 のように、SpaceWireFPGA と
UserFPGA を搭載する 8 ch 入力 ADC モジュールを 2 系統用意した。ダイナミックレンジは −10 V から 10
V で、12 bit のパイプライン ADC が用いられており、出力までに 7 クロック分の遅れが生じる。この ADC
モジュールは、Clear Pulse 社と東京大学の湯浅ら [7] により共同で開発され、単に波高値を記録するだけで
なく、UserFPGA に VHDL コードを用いて回路を実装すれば、コンパレータやデジタルフィルターなどの機
能を持たせることができる。この機能を用いることで、将来的には、前述の Shaper なしの回路構成をする予
定である。消費電力は、8 ch を全て使用した場合 8W であり、ADC チップがその大半を占める。
本実験ではこの ADC モジュールのもつ 8 ch の LVCMOS 出力から、図 3.2 のように、コンパレータ信号
を直接 DIO Board の LVCMOS 入力につなげ、ヒットパターン信号のラッチを行う。コンパレータからのト
リガー幅は FPGA のレジスタにアクセスすることで自由に調節でき、一度トリガーをだすと、トリガー幅の
時間がたち、波高値が設定した値を下回るまでは、次のイベント取得を行わずに不感時間とする仕様である。
本実験での動作クロックは 50 MHz である。
3.4 イベントデータ取得の流れ
§ 3.2 と§ 3.3 の道具立てのもと、図 3.2 に示したようにデータ取得が行われる。センサー部では、まず、
放射線が CdTe 素子に入射し、発生した電荷信号が ADC 機能を備えた ASIC でデジタル波高値に変換さ
れる。この値が、IFC を通して、LVDS で DIO Board に送られる。イベントが一定数 (今は 64) たまると、
SpaceWire を介し、最終的に TCP/IP 化されたパケットとして PC に送られる。
シールド部では、CSA からの正極性パルスが、Shaper により波形整形された後、8 ch ADCBox で ADC
値に変換される。8 ch ADCBox の役割は、ADC 値がある閾値を超えたときにヒットパターン信号のタグを、
CdTe のイベントに付与することであり、8 ch ADCBox の LVCMOS 出力を通じて DIO Board に直接入力
する。このタグづけをもとに、オフライン解析で反同時計数を行う。
以上の機能を実現するため、今回は、DIO Board 内の UserFPGA 内に、図 3.6 のブロック図で示されるロ
ジックを書き込んだ。そのロジック内で、ヒットパターンのトリガーが発生し、ラッチされるまでのタイミン
17
BGO
APD
CSA
ADCBox
Shaper
SpaceWire
UserFPGA
BusIF
VATAModule
APDHitPatRead
BRAM
APDhp(9)
APDLatchCnt(9)
event_aq_trig
TriggerControl
Asic_Trigger
B_ReadDataOutOfRAM
B_AddressOfRAM
APDO(9)
Asic_Hold
DataReadout
TriggerTime
LiveTimeCnt
ADConversion
Adconvin
Adcclk
CdTe
A_WriteDataInOfRAM
A_AddressOfRAM
Adconvdone
Readout_clk
Readout_data
ASIC
図 3.6 DIO Board の UserFPGA によるデータ取得のブロック図。小さい文字は、FPGA 内で使用され
ている信号の名前。
グチャートを図 3.7 に示す。ASIC から渡された情報を処理するために、UserFPGA には VATAModule と
いうモジュールがあり、この大きな塊は、以下のサブモジュールに分けられる。
TriggerControl ASIC の TA から出力されるトリガー (Asic Trigger) を受けてから、指定されたホールド
時間が経過してから ASIC の VA にホールド信号 (Asic Hold) を送り返すためのサブモジュール。
トリガーを受けた時刻 (TriggerTime) とトリガーを待ち始めてから信号がくるまでに経過した時間
(LiveTimeCnt) を DataReadout サブモジュールに、ASIC からトリガーを受けたことを示す信号
(event aq trig) を APDHitPatRead サブモジュールに送る役割も担う。
APDHitPatRead TriggerControl サ ブ モ ジ ュ ー ル か ら 渡 さ れ る ASIC か ら の ト リ ガ ー 信 号 の フ ラ グ
(event aq trig) を受けてゲートを開き、LVCMOS 端子から入力される ADCBox からのヒットパ
ターン信号 (APDO) をラッチするためのサブモジュール。最終的に、ラッチの有無を 9 ch ぶん収め
た信号 (APDhp) と、ゲートを開いてからラッチにいたるまでに要したクロック数を記録した信号
(APDLatchCnt) を DataReadout サブモジュールに送る。この APDLatchCnt は、ASTRO-H では
実装されないが、データ取得後に自由にゲート幅を変えられるという利点があるため、地上実験では組
み込むことが有用だと考えられる。
ADConversion ASIC に、ウィルキンソン型 ADC 用の参照クロック (Adcclk) を送る、また、ADC が終了
した合図である信号 (Adconvdone) を受けるためのサブモジュール。
DataReadout ASIC にデータ読み出し用のクロック (Readout clk) を送り、ADC された波高値などのデー
18
タ (Readout data) を読み出すためのサブモジュール。TriggerControl サブモジュールや APDHitPa-
tRead サブモジュールから受け取る信号も合わせてデータパケットにつめて、BRAM に保存する役割
を果たす。
BRAM DataReadout から読み出されたデータを一時的に蓄えておくためのブロック RAM。実装したコー
ドでは、64 回分のイベントがたまると外部に BusIF を通じて読み出される。
BusIF 外部モジュールとの信号のやりとりを担うモジュール。
このモジュール全体を通じて、SpaceWire FPGA にイベントデータを渡すところまでが行われる。最終的
に、SpaceWire、TCP/IP を通じて PC のメモリにデータが書き込まれていく。これらは、ASTRO-H で用い
られるロジックと基本的には機能は同じであるが、実際には、シールド部の信号に反応して VETO を主検出
部に送り、イベント取得をキャンセルさせる機能、ヒットパターン信号の delay を調節する機能などが加わる。
こうしたイベント処理の流れを、図 3.7 のタイミングチャートに沿って見直すと、次のようになる。まず、
CdTe に放射線が入射すると、ASIC の TA Shaper が立ち上がり、Asic Trigger が DIO Clock に同期して立
ち上がる (図 3.7 のタイミング 1)。次の DIO Clock で、event aq trig が立ち上がり (2)、イベントの readout
が終わるまでは下がらない。これを受けてさらに次の DIO Clock で APD からの出力を受けるフラグとなる
Gate が、設定したクロック数の間だけ開く (3)。この間に、BGO+APD+Shaper の出力が閾値を超えると、
Hit pattern trigger が、ADCBox Clock に同期して立ち上がる (4)。今、DIO Clock と ADCBox Clock の同
期はとっていないため、少なくとも生じうるジッター以上の幅を確保すべきである。Hit pattern trigger が立
ち上がると、APDO 信号が、Gate の値に関係なく、DIO Clock に同期して 2 clock 分立ち上がる (5)。Gate
が立ち上がっている状態で、APDO 信号が立ち上がっている場合、DIO Clock に同期して APDhp が立ち上
がる (6)。イベントの読み出しが終わると立ち下がり、次のイベントに備える状態に戻る。
まだ Gate の幅と Hit pattern trigger の幅には自由度が残るので、適切な値を考察する必要がある。DIO
Board 側で信号がラッチされるので、Gate が立ち上がる前に Hit pattern trigger が下がってしまうと、同時
イベントを取り逃がすことになる。本当の同時イベントの場合、ASIC TA shaper と APD shaper の上がり
始めは同じである。ピーキングタイムは、前者が 0.6 µs、後者が 4 µs であるので、APD shaper に大信号が来
て、CdTe 側に閾値ぎりぎりの小信号が来たとき、Hit pattern trigger は Gate を最大 0.6 µs 先行しうると考
えられる。逆に Hit pattern trigger は、最大で 4 µs、Gate に遅れうる。そこで、余裕をもって Hit pattern
trigger に 1 µs の幅を与えた。Gate の幅は、Gate を立ち上げてから APDhp が立ち上がるまでのクロック数
(APDLatchCnt) をイベントデータパケットに記録しておき、取得後にソフトウェアで変更できるようにした
ため、この値は解析時に決定する。理想的な状況で、APD shaper のピーキングタイムである 4 µs にしてお
けばほぼ全ての同時イベントを回収できるはずである。ただし、回路のノイズなどにより電圧値が揺らぐ場合
はその限りではない。
19
1 2 3 45 6
DIO Clock
ASIC TA
Asic_Trigger
event_aq_trig
Gate
APDO
APDhp
ADCBox Clock
APD shaper out
Hit pattern trigger
図 3.7
ヒットパターン信号がラッチされるまでのタイミングチャート。赤は各 Shaper 出力に対する閾
値、青は信号切り替わりの起点となる箇所を示し、順に番号を振った。
20
4 各部の性能評価
4.1 センサー系の性能評価
主検出器である CdTe ピクセル検出器では、CdTe 素子の 64 ピクセルのうち 32 チャンネルが VA32TA6 で
読み出される。残りのピクセルはガードリングと同じ電極に接続されている。この検出器には実験中に軽微な
損傷を与えてしまったため、スペクトルを読み出せるチャンネルは 20 ほどに限られ、さらに、ゲインが低い、
30 keV 以下のラインを測定できないなどの症状がでている。また、アナログ回路のパラメータも全空間で正
常動作する状態ではない。しかし、その他の面では、CdTe 素子としては問題のない性能を発揮したため、実
験は継続できた。そこで本節では、ほぼ正常に動作するパラメータで、この検出器の基礎評価を行う。
4.1.1 VATA のパラメータに伴うスペクトル及び波形の変化
アナログ ASIC、VA32TA6 には、アナログ回路のパラメータを 変更する機能がついており、ダイナミック
レンジや閾値などを変え、実験の目的に則した仕様に調節できる。 今回の実験で変更するパラメータは主に
ifp, ifss, vth の３つであり、それぞれ、以下の役割を持つ。
• ifp…初段の CSA の帰還抵抗にかかる電流値を変える。時定数やゲインが変化する。
• ifss…VA Shaper(Slow Shaper) の帰還抵抗にかかる電流値を変える。時定数やゲインが変化する。
• vth…TA Shaper(Fast Shaper) の信号を受けるコンパレータの閾値を定める。
まずは、CSA のパラメータである ifp の値を変化させたときの波形を比較した。測定は、恒温槽で 5 ℃ま
で冷やし、Keithley237 を用いて高電圧 400 V を CdTe 素子に印加して行った。 VA32TA6 では、規定され
た Holding Time でサンプルし、これを AD 変換した値のみを出力する。よってアナログ波形は取得できな
いが、かわりに Holding Time を少しずつ長くしながら、多くのイベントを測定すれば、 擬似的に波形を取
得できる。今回は、200 ns のステップで Holding Time を変化させ、137 Cs 線源を照射してスペクトルを取
得した。この線源は、図 4.1 に示すように、崩壊に伴うラインが 662 keV のみである。そのためスペクトル
上には 662 keV の光電吸収ピークと 478 keV のコンプトンエッジ、184 keV の後方散乱ピーク、137 Ba に
よる 31 keV の特性 X 線が見えるだけである。
図 4.2 は、こうして取得した波形で、最も高いエンベロープが 662 keV の光電吸収ピーク、その ∼2/3 の
高さのものが、コンプトンエッジ、低い緑色のトレースが、31 keV の特性 X 線である。このように、ifp=7
のときは Slow Shaper がもつ時定数の 3-5 µs を反映した波形となり、ifp=6 のときは 2 µs 程度で立ち下が
り、4 µs 後にはアンダーシュートを形成している。ifp が 6 より小さいと きも、6 のときのと同様の現象が
発生した。このことは、ifp が 7 以外では初段の CSA が正常に動作していないことを示唆しており、以後の
実験では ifp は 7 に固定した。
次に、Slow shaper のパラメータである ifss の変化による影響を見た。ifp のときと同様に、ifss=0, 3, 7 の
それぞれで取得した波形を図 4.3 に示す。 帰還抵抗に流れる電流は、7→0→3 と大きくなり、ゲインと時定数
もこの順番になる。ifss=3 のときエネルギー分解能が良く、かつ、VA32TA6 の不具合が見られない。また、
デフォルトの設定で
137
Cs の 662 keV がちょうど収まるゲインを得られるので、ifss=3 を採用した。最後に
コンパレータのレベルを指定する vth 決定する。VA32TA6 は１回のイベント取得でおよそ 100 µs の不感
時間を生むので、ノイズや環境放射線によるトリガーレートが十分低くなるよう vth を設定する必要がある。
21
図 4.1
137
Cs の崩壊系列 [8]。崩壊によるガンマ線のラインがほぼ１本だけなので、キャリブレーション
ソースとしてよく用いられる。
137Cs
1000
(b) ifp=7
(a) ifp=6
Count
103
ADC Channel
800
102
600
400
10
200
0
0
4000
8000
12000 16000
Hold Time (ns)
0
4000
8000
12000 16000
Hold Time (ns)
1
図 4.2 ifp を変化させたときの波形。線源は 137 Cs を用いている。(a)ifp=6、(b)ifp=7 で ifss=3 に固定している。
vth は高いほど閾値が高くなる。vth=4 を起点にノイズと環境放射線のトリガーレートを調べた結果が、表
4.1 である。vth=4 で、トリガーレートが 8.9 Hz である。不感時間はおよそ 0.5% なので、大きな問題にはな
らないしかし、電気的なノイズのすそが見えていると考えられること、不要なイベントでデータ量を増やした
くないことから、本実験では安全を見て、vth=6 を採用した。これは、CdTe 素子では 9.7 keV に相当する。
以上より、今後の測定は全て ifp=7, ifss=3, vth=6 で行った。図 4.3(b) を見ると、31 keV のラインが 2
µs で、662 keV のラインが 3-5 µs 付近でピークを迎えていることがわかる。これは、VA および TA のアナ
ログ回路の特性と考えられる。そこで、holding time を 2-4 µs に設定すれば、早くピークに到達する低エネ
ルギーイベントと、立ち上がりの遅い高エネルギーイベントの両方を比較的ピークに近い位置で捉えることが
できる。そこで、本実験では、低エネルギー側を優先した 2µs を holding time として用いた。また、ノイズ
22
137Cs
1000
(a) ifss=0
(b) ifss=3
Count
103
ADC Channel
800
102
600
400
10
200
0
1000
0
4000
(c) ifss=7
8000
12000 16000
Hold Time (ns)
1
ADC Channel
800
600
400
200
0
0
4000
8000
12000 16000
Hold Time (ns)
ifss を変化させたときの波形。線源は 137 Cs を用いている。(a)ifss=0、(b)ifss=3、(c)ifss=7 で 、
ifp=7 に固定している。この図の (b) は、図 4.2(b) と同一である。
図 4.3
表 4.1
10 分間の測定から算出した vth=4, 5, 6 のときのトリガーレート。
vth
4
5
6
7
トリガーレート (Hz)
8.9
0.3
0.1≤
0.1≤
が多いなど正常な動作に問題がありそうな ASIC のチャンネル (0,1,2,5,7,21,22,27,28,29,30,31) のトリガー
機能をオフにした。
4.1.2 ゲイン較正
ASIC の出力データは全て ADC Channel であり、これらは各チャンネルごとでオフセットやゲインが異
なっているため、それぞれ個別に較正が必要である。このため、VA32TA6 にはテストパルス端子を持ってい
るが、本論文で用いた FEC にはテストパルス入力端子の接続を行っていないため、アナログ回路や ADC の
ゲインを連続的に較正することができない。そこで、133 Ba、22 Na、137 Cs のライン を用いてゲインを較
23
(b)
(a)
Na、133 Ba の崩壊系列 [8]。22 Na は、電子捕獲もしくは β + 崩壊により、511
keV の対消滅線を 180 度反対向きに放射する。133 Ba は、複雑な崩壊系列をもち、特に 300 keV 付近に
図 4.4 (a)(b) それぞれ
22
ラインが多く立つため、中程度のエネルギー帯域を較正するのに役立つ。
正し、ADC Channel とエネルギーの変換式を求めた。表 4.2 にこれらの線源から得られるガンマ線のエネル
ギーを、図 4.4(a)(b) にそれぞれ
22
Na と
133
表 4.2
Ba の崩壊系列を示す。
較正に用いた線源とライン。
核種
133
Ba
22
Na
Cs
137
エネルギー (keV)
31
80
356
511
662
CdTe で取得したスペクトルのピークは、前述の通りテールを引いた構造をもつため、ガウシアンでフィッ
トできない。そこで、単純にピークをとる ADC Channel をエネルギーに対応させることにした。まず、ゲイ
ンがリニアであると仮定して較正直線を求めた。この結果を示したのが、図 4.5(a) である。低エネルギー側
でデータがモデルに対して 10-15% ほど超過するなど、系統的なずれが見られる。榎戸らの報告により ASIC
の ADC はもともと非線形であることが知られており [9]、それを追認する形となった。そこで、榎戸らと同
様に二次曲線を用いると、フィットは改善し、ずれは 2% 以内に収まった。これ以降は、この較正曲線を用い
て、ADC Channel をエネルギーに変換したスペクトルを示す。
最後に、この較正曲線を用いて、使用している全チャンネルのシングルイベントを足し合わせた
22
Na および
137
133
Ba、
Cs のスペクトルを図 4.6 に示す。ピクセル間で電荷を分け合ってしまうスプリットイベント
を除くため、二番目に高いエネルギーが 15 keV を超えないという条件を加えている。エネルギー分解能は、
15 keV@662 keV と本来の性能を達成していないが、これは前述の故障による影響の可能性が高い。CdTe 素
子に必ずしも十分なバイアスをかけていないことから、各ラインにはテール構造が顕著である。しかし、400
24
ADC Channel
(a)
ratio
ADC Channel
ratio
800
700
600
500
400
300
200
100
1.2
1.1
1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
700
600
500
400
300
200
100
1.04
1.02
1
0.98
0
(b)
100
200
300
400
500
600
700
Energy (keV)
Energy (keV)
図 4.5 CdTe 検出器の 15 ch 出力の ADC Channel と Energy の関係をそれぞれ (a) 直線、(b) 二次曲線
でフィットしたもの。データとモデルの比を下方に示した。
106
104
(b)22Na
Counts (1/keV)
(a)133Ba
105
105
103
104
104
102
103
103
10
102
102
1
10
0
200
400
600
800
1000
0
200
400
600
800
1000
(c)137Cs
0
200
400
600
800
1000
Energy (keV)
図 4.6 ADC Channel をエネルギーに直して、使用可能なチャンネルの出力を足し合わせたスペクトル。
(a)(b)(c) は、それぞれ 133 Ba、22 Na、137 Cs。(b) で、750 keV 以上に見えるピークは、ADC のダイナ
ミックレンジの限界によるものである。
V 以上のバイアスを印可すると、リーク電流の上昇が著しく逆にエネルギー分解能に悪影響を与えると考えた
ため、400 V で実験を続行した。
4.2 シールド系の性能評価
用意した APD と BGO を本実験で使用するにあたり、その性能を評価し、バイアス電圧などの最適なパラ
メータを実験的に選定した。
4.2.1 APD の性能評価
BGO シンチレータの読み出しに用いる APD は、ゲイン 50-100 で動作させると最良の性能を出すことが
知られているため、ASTRO-H では安全をみてゲイン 50 で動作させる予定であり、本研究でもこのゲインを
採用する。しかし、このゲインを得るのに必要なバイアスは素子ごとに異なるため、それを実測した。ゲイン
は、LED を APD に照射しながらかけるバイアスを上げていき、そのときの電流値を、バイアスが十分に小さ
くまだなだれ増幅のおきていない領域での値で割ることで求められる。この測定にも Keithley237 を用いた。
25
100
50
APD-E
APD-F
APD-L
APD-M
APD-N
APD-O
APD-Q
APD-R
APD-S
Gain
Gain
50
100
APD-E
APD-F
APD-L
APD-M
APD-N
APD-O
APD-Q
APD-R
APD-S
(b) 5 ℃
(a) 20 ℃
10
100
380
400
420
High voltage [V]
380
400
420
High voltage [V]
440
360
380
400
420
High voltage [V]
440
APD_E
APD_F
APD_L
APD_M
APD_N
APD_O
APD_Q
APD_R
APD_S
Gain
50
360
10
10
(c) -20 ℃
360
図 4.7
440
９個の APD の高電圧とゲインの関係。(a),(b),(c) はそれぞれ 20 ℃、5 ℃、-20 ℃での測定結果。
ゲイン 50 のところに赤で線を引いた。
本研究で用いる 9 つの APD について、バイアス-ゲインの関係を温度 20 ℃、5 ℃、-20 ℃で求めたのが図 4.7
で、表 4.3 にそれぞれのゲインが 50 となる電圧をまとめた。
表 4.3 各 APD のゲインが 50 となる高電圧 (V)。
20 ℃
5℃
-20 ℃
必要な高電圧順位
APD-E
420
407
388
1
APD-F
400
387
368
9
APD-L
405
394
374
6
APD-M
406
395
376
5
APD-N
402
391
371
8
APD-O
409
397
378
3
APD-Q
413
402
383
2
APD-R
407
396
377
4
APD-S
404
393
373
7
APD をゲイン 50 付近で動作させるとき、高電圧が 1V 変化すると 2% 程度ゲインが変化してしまうため、
全ての APD を同一のバイアス電圧で動作させることは難しい。いま、用意した 2 系統の高電圧でなるべく
ゲインをそろえようと思うと、特にゲインの低い APD-E と APD-Q を 1 つ目のグループにし、それ以外の
26
Side1
10
10
4
10
4
10
10
10
3
3
test pulse
137
Cs
2
10
10
2
40
10
10
K
10
10
1
0
10
1
500
1000
1500
2000
2500
3000 3500 4000
ADC Channel
Side3
0
1000
1500
2000
2500
Count
3
10
3
10
2
10
2
10
10
10
10
10
1
1500
2000
2500
3000 3500 4000
ADC Channel
0
Top2
Top3
Count
1000
1000
1500
2000
2500
10
3
10
10
2
10
2
10
10
1
0
10
10
10
1000
1500
2000
2500
3000 3500 4000
ADC Channel
図 4.8 9 個の BGO に
環境放射能の
40
0
3000 3500 4000
ADC Channel
500
1000
1500
2000
2500
3000 3500 4000
ADC Channel
500
1000
1500
2000
2500
3000 3500 4000
ADC Channel
3
2
5
4
3
2
10
1
500
2500
4
0
10
10
3
2000
Top4
5
4
4
1500
5
3000 3500 4000
ADC Channel
10
10
1000
1
500
Count
5
10
500
10
1
500
Count
0
0
10
10
10
2
Top1
5
4
4
3
3000 3500 4000
ADC Channel
10
10
4
1
500
Side4
5
10
5
10
Count
10
Count
Side2
5
Count
5
Count
Count
Bottom
1
500
1000
1500
2000
2500
3000 3500 4000
ADC Channel
0
137
Cs 線源を当てて得たスペクトル。Cs ピークの２倍あたりに見えるピークは、
K で、全スペクトルの 3700 ADC Channel 付近に見えるピークはテストパルス。
APD を 2 つ目のグループにして使用することにした。また温度変化に伴うゲインの変化を防ぐため、測定は
いずれも恒温槽の中で、20 ℃にて行った。
4.2.2 BGO の性能評価
BGO シンチレータは、同じ形状のものでも、製造過程の違いにより発光量にばらつきがある場合がある。
それ以上に、同じインゴットから切り出した結晶でも、大きさや形により、APD の集光率が異なる。そこで
事前に、個々の BGO に対し、同じ APD、測定系、温度 (20 ℃) で 137 Cs 線源を照射し、スペクトルを取得
した。CSA はクリアパルス社の 580H 型、波形整形アンプは ORTEC の 571 型を使用し、AMPTEC 社の
ADC、MCA8000 を用いて計測を行った。Shaping Time は、20 ℃で A8664-1010 の APD を BGO と組み
合わせて用いたときに、ゲイン 50 で最良の分解能を与える値として知られる 0.5 µs としている。放射線計測
時には、APD を含めた回路由来のノイズの寄与を知るためにテストパルスを同時に入力した。図 4.8 にその
さい得られたスペクトルを示す。
これらのスペクトルに見える 137 Cs の 662keV のピークを、直線とガウシアンで足し合わせた関数でフィッ
27
トした結果、それぞれの波高値は表 4.4 に示すようになった。得られた光量は、12% の範囲でそろっており、
特に同一形状の BGO ではよく似た光量となっている。Top 3 だけは、他の結晶より 17% ほど低いが、我々
の実験では ADC のパラメータで対応できる範囲であり、大きな問題はない。
表 4.4 各 BGO において
137
Cs の 662 keV 光子の光電吸収ピークに対応する ADC Channel とエネル
ギー分解能。ノイズの寄 与を除いた、結晶の発光量に由来するエネルギー分解能も併記する。
中心値 (ch)
エネルギー分解能 (%)
光子数由来のエネルギー分解能 (%)
中心値の順位
Bottom
870
18.5
12.5
6
Side1
796
18.8
11.8
7
Side2
775
19.8
12.9
8
Side3
978
16.3
11.0
2
Side4
1009
16.2
11.2
1
Top1
920
18.4
12.9
3
Top2
903
18.0
12.3
5
Top3
761
18.6
10.7
9
Top4
913
18.1
12.2
4
図 4.8 で、テストパルスの幅は電気的ノイズで決まり、662 keV ピークの幅は電気的ノイズとシンチレータ
発光量の 2 乗和で決まる。そこで、662 keV ピーク幅の 2 乗からテストパルス幅の 2 乗を引き、シンチレータ
由来のゆらぎを求めたところ、表 4.4 の第 3 桁に示す値を得た。このように、光子数由来のエネルギー分解能
だけを見れば光電子増倍管使用時と大差ないが、ノイズ成分の寄与が大きいことも同時に示している。APD
を用いるときには、このノイズ成分の抑制が重要であり、電磁シールドの使用や低温での動作が望ましい。
4.2.3 APD と BGO の組み合わせ
§ 4.2.1 で求めた APD のバイアス−ゲインの関係と、§ 4.2.2 で求めた BGO の光量をもとに両者の組み
合わせを決めた。そのさい、ゲインの高い BGO にはゲインの低い APD を割りあて、同じバイアス電圧で
9 個の APD を動作させたとき、同じエネルギーのガンマ線に対し、ほぼ同じ波高値が得られるようにした。
組み合わせたものをコンポーネント A,B,C,D,E,F,G,H,I (A-D は Top、E-H は Side、I は Bottom。以降、
Comp.A-I と記す) と呼び、表 4.5 に定義を記載する。
表 4.5
各 BGO における
137
Cs がピーク値をとる ADC Channel とエネルギー分解能。ノイズによる
寄与を除いた結晶の発光量に由来するエネルギー分解能も併記している。
結晶
APD
CSA
HV
Comp.A
Top1
APD-L
5005#1-1
出力 A
Comp.B
Top2
APD-N
5005#1-2
出力 A
Comp.C
Top3
APD-F
5005#1-3
出力 A
Comp.D
Top4
APD-S
5005#1-4
出力 A
Comp.E
Side1
APD-R
5005#2-3
出力 A
Comp.F
Side3
APD-O
5005#2-1
出力 A
Comp.G
Side2
APD-M
5005#2-4
出力 A
Comp.H
Side4
APD-Q
5005H-1
出力 B
Comp.I
Bottom
APD-E
5005H-2
出力 B
実験では、高電圧を 2 系統 (出力 A,B)、CSA を 3 系統 (5005#1,5005#2,5005H) 用いる。§ 4.2.1 で定
めた、より高い高電圧を必要とする 2 つの APD とその他 7 つの APD の組を、Bottom、Side、Top でうま
く切り分けられるよう調整した結果、コンポーネント、CSA、高電圧の組み合わせは、表 4.9 のように決定さ
れた。本研究では、§ 5 で述べるように 5 ℃で実験を行う。そこで、 印可する高電圧は、各コンポーネント
で必要な値の平均として算出し、出力 A では 393 V、出力 B では 405V を用いる。
28
5 アクティブシールド実験
§ 3 での道具立て、および§ 4 での性能評価を元に CdTe 検出器を 5-9 ユニットの BGO アクティブシール
ドで囲む実験を行った。9 ユニットを全て用いたときには、Top 結晶 4 つ、Side 結晶 4 つ、Bottom 結晶 1 つ
という HXI と同様の形態になる。まず、Side 結晶 4 つと Bottom 結晶 1 つの合計 5 ユニットを用い、CdTe
検出器回りが 2π 覆われた実験を行った。実際のジオメトリは、図 5.1 のようになっており、図 3.1 で Top 結
晶 4 つを除いたものである。実験は恒温槽中で行った。その温度は実験を通して、ノイズをできるだけ下げか
つ線源の配置変えが可能な 5 ℃とした。
図 5.1
アクティブシールド実験の検出器部の写真。(a) はアクティブシールドの Side BGO の 1 つ
(Comp.G) を取り外して断面をみたもので、(b) は Side4 つと Bottom1 つを組み上げたものを真上から
みた図。
5.1 シールドの立ち上げ
§ 4 で性能評価を行った APD と BGO に対して、本実験で用いる CSA と Shaper、そして ADC を通した
結果による較正が必要である。今回用いる 8 ch ADCBox ではオフセットに若干ばらつきがあるため、22 Na
と
137
Cs の 2 つの線源を用いた。得られた 137 Cs スペクトルを図 5.2 に示す。これと 22 Na のスペクトルか
ら、511 keV、662 keV、1274 keV のラインを用いてゲイン較正直線を導出した結果を表 5.1 に示す。ゲイン
が大きくばらついているのは、APD のゲインの個性に加えて、用いた CSA のフィードバックキャパシタの
容量が 2 倍異なることによる。
CdTe 検出器のときと同様に、むやみに不感時間や偶発的なコインシデンス (アクシデンタルコインシデン
スという) を増やさないためにも、APD もノイズによる影響を考慮して閾値を定めていく必要がある。実際
の HXI では 100 keV 以下まで lower threshold を下げることが必須とされている。しかし、今回の実験の目
的は反同時計測のシステムを立ち上げ、動作を確認し、その評価の方法を議論することである。このため、外
来ノイズや動作温度の違いに対応して、最適な値を求めた。実験の結果、200 keV を切ると、複数のチャンネ
29
Na と 137 Cs のラインのエネルギーを用いて求めた、エネルギーと ADC Channel の関係。1、
2 行目が ADC Channel = A × Energy + B の較正直線で、3 行目は較正直線から求めた 200 keV の
ADC Channel
表 5.1
22
A
B
200 keV に対応する ADC Channel
Comp.E
0.613
1998
2120
Comp.F
0.495
2001
2100
Comp.G
0.516
1984
2086
Comp.H
0.839
1980
2149
Comp.I
1.073
1960
2175
104
103
102
Counts
10
1
104
2200 2400 2600 2800 3000
103
102
10
1
2000 2200 2400 2600 2800 2000 2200 2400 2600 2800
ADC Channel
図 5.2 アクティブシールドの各コンポーネントの 137 Cs スペクトル。
ルで電気的なノイズによるトリガーが急激に増大することがわかったため、Lower Threshold を 200 keV 相
当に固定することとした。
5.2 環境バックグラウンドの測定
線源によるイベント取得の前に、環境バックグラウンドの取得を行った。このときのアクティブシールドの
カウントレートとスペクトルを、それぞれ表 5.2 と図 5.3 に掲載する。Comp.G はノイズ性能がよくないため
他のコンポーネントより１桁ほど高い (1 kHz 以上) が、アクシデンタルコインシデンスの発生確率は 0.5% 程
度にしかならないと見積もられるため、そのまま用いることにした。この 5 ユニットのアクティブシールドと
30
表 5.2 アクティブシールド 5 ユニット動作時の各コンポーネントのバックグラウンドカウントレート
(Hz)。ただし、ノイズによるトリガーイベントも含まれている。
Comp.E
2.53 × 102
Comp.F
9.24 × 10
105
Comp.G
1.52 × 103
Comp.H
1.66 × 102
Comp.I
3.14 × 102
E
F
H
I
G
4
10
103
Counts
102
10
1
105
0
1000
2000
3000
104
103
102
10
1
0
1000
2000
0
1000
2000
Energy (keV)
図 5.3 アクティブシールド各コンポーネントのバックグラウンドスペクトル。全スペクトルに
40
K のラ
インが見えている。横軸はエネルギーに較正してある。
CdTe 検出器の系を露光時間 86400 s、すなわち 1 日かけてデータ取得を行った結果、CdTe から 960 個のイベ
ントが検出された。カウントレートに直すと 0.01 Hz であるため、今後行う線源を用いた実験では無視する。
アクティブシールドの各コンポーネントごとに、CdTe のトリガーからどれだけ遅れてヒットパターン信号
を送ってきているかを見たのが、図 5.4 である。この図から読み取れることは、ノイズによるカウントレート
の高い Comp.G がアクシデンタルコインシデンスイベントを多く生み出していることと、 Bottom 結晶をも
つコンポーネントである Comp.I が真のコインシデンスイベントを最も多く有していることである。ここで、
偶然の同時であるか、真の同時であるかは、Shaper のピーキングタイムの 4 µs 以内にイベントが到来してい
るかどうかでおおよそ判断される。4 µs 以内であってもアクシデンタルコインシデンスイベントは、それ以
外の時間と同レートで発生しているはずである。図 5.4 の 4-50 µs を参照すると、ピークの高さに比べて十分
31
103 E
F
G
102
Counts
10
1
0
103
H
20
40
60
I
102
10
1
0
20
60 0
40
20
40
60
Elapsed time before latching BGO signals (µs)
図 5.4 各コンポーネント別の、CdTe で信号を受けてから BGO の信号をラッチするまでにかかった時
間。51 µs 付近の鋭いピークは、ゲートの時間内に BGO の信号が来なかったイベントを表す。160 ns ご
とにビンまとめされている。
に無視できるレベルであることがわかる。そこで、4 µs 未満のイベントだけを切り出し*1 、各コンポーネント
ごとにその値を求め表 5.3 にまとめた。
表 5.3
各コンポーネントの 4 µs 以内での同時イベント数。
Comp.E
88
Comp.F
51
Comp.G
126
Comp.H
115
Comp.I
191
5 ユニットの OR で計算されるコインシデンスイベントの総数は 370 であるが、アクティブシールドが複数
反応しているイベントもあるため、のべの合計では 571 となる。平均すると CdTe 検出器とアクティブシー
ルドのコインシデンスイベント発生時には約 1.5 個のコンポーネントが鳴る計算である。すなわち、CdTe 検
出器でアンチコインシデンスを行うとおよそ半分の確率でアクティブシールドが鳴っていることになる。この
ことと、Bottom 結晶を含む Comp.I のカウントレートが他の結晶より高くなっていることは宇宙線イベント
を示唆している。
この実験における CdTe 検出器で得られたスペクトルを図 5.5 に示す。同時にコインシデンスイベントのみ
を集めたコインシデンススペクトルと、全体からコインシデンスイベントを除いたアンチコインシデンススペ
クトルを示した。100 keV 以上では全体におおよそ 60% のイベントがコインシデンスイベントであることが
分かる。特に、400 keV 以上では 80% 程度がコインシデンスイベントとして計上されている。
1 GeV のエネルギーをもつミューオンが入射した場合、0.5mm 厚の CdTe に対するエネルギーデポジット
*1
時間分解能 20 ns より 3980 ns 以下に対応
32
10 -4
Ratio C/A
Count rate (1/keV/s/cm2)
(A)Raw spectrum
(B)Anti-coincident spectrum
10
-5
10
-6
(C)Coincident spectrum
10 -7
1.2
0.8
0.4
0
0
200
400
600
800
1000
Energy (keV)
図 5.5 CdTe のバックグラウンドスペクトル。(A) 全イベントのスペクトル、(B) アンチコインシデンス
スペクトル、(C) コインシデンススペクトル。700 keV 付近の構造は、ADC のダイナミックレンジの限界
によるもの。下段は、(C) を (A) で割った比のスペクトルである。64 keV ごとにビンニングされている。
は、おおよそ 400 keV と見積もられる。200 keV 以下では、同時イベントの占める割合が 50% 以下であるが、
それ以上では 80% 程度まで上昇していることと合致する。地上ではミューオンは、0.01 Hz/cm2 程度到来す
ると知られており、レート的にも矛盾はない。コインシデンスされなかったイベントは、環境放射能のガンマ
線イベントが主たる要因として考えられる。
5.3
137
Cs の照射実験
5.3.1 セットアップ
バックグラウンドのイベントが 0.01 Hz 程度であり、高レートの実験を行う際には問題にならないことがわ
かったので、線源を利用した実験に移る。用いた線源は 137 Cs で、コンプトン散乱イベントを抜き出す、ある
いは落とすことを目的とする。用いている検出部の有効面積が小さいため、なるべく早くイベントをため、か
つ、BGO に信号がかかりすぎないようにするため、図 5.6 のように鉛でコリメートした上で、2.7 MBq の大
強度の線源を照射することにした。
鉛コリメータの使用により、アクシデンタルイベントがいたずらに増加しないというメリットがあるが、用
33
(c)
137
Pb
Cs
Pb
G
F
H
E
F
CdTe
H
I
図 5.6 (a) 線源のコリメーターを鉛で組んだ。(b)CdTe 検出器とアライメントが合うように調整した。
アルファベットは Side のコンポーネントの位置関係を示している。(c) は、(b) を正面から見たときの模
式図。
105
E
F
H
I
G
4
10
103
Counts
102
10
1
105
0
200 400 600 800 1000
104
103
102
10
1
0
200 400 600 800
0
200 400 600 800
Energy (keV)
図 5.7 アクティブシールドで測定される、鉛のコリメータを通して照射した 137 Cs の線源スペクトル。
いた 5 cm 厚の鉛は、662 keV に対してはまだ不十分な厚みであるために、光電吸収されずにコンプトン散
乱し、わずかにエネルギーの減少した光子となって検出器に届くものが無視できない。図 5.7 にこのときに
BGO アクティブシールドに検出されたスペクトルを示し、また、表 5.4 に、そのときのカウントレートを併
記する。Side のユニットである Comp.E-H までは、鉛を無散乱で抜け出せる 662 keV のガンマ線の割合は小
さいので、図 5.2 のものと比べ、ピーク成分が大きく育たず、若干広がった形になる。それに対し、Bottom
結晶を有する Comp.I だけ、CdTe 検出器を通過した直接成分が見えるため、ピークがきれいに見え、カウン
トレートも高くなっている。
34
表 5.4 アクティブシールドの各コンポーネントにおける 137 Cs の照射実験におけるカウントレート (Hz)。
合計で 18.7 kHz
Comp.E
1.29 × 103
105
Comp.F
6.39 × 102
Comp.G
2.82 × 103
E
F
H
I
Comp.H
2.06 × 103
Comp.I
1.19 × 104
G
4
10
103
Counts
102
10
1
105
0
20
40
60
104
103
102
10
1
0
20
40
60 0
20
40
60
Elapsed time before latching BGO signals (µs)
図 5.8
137
Cs 照射実験におけるアクティブシールド各コンポーネント別の、CdTe で信号を受けてから
BGO の信号をラッチするまでにかかった時間のヒストグラム。160 ns ごとにビンまとめされている。
5.3.2 反同時計数のデータ解析
ここで、§ 5.2 と同様に CdTe 検出器のトリガーが発せられてから BGO の信号が来るまでの時間のヒス
トグラムを図 5.8 に示す。各コンポーネントのカウントレートを反映してアクシデンタルコインシデンスイ
ベントが多く拾われていることがわかる。ここでも、まず§ 5.2 と同様にアクティブシールドの Shaper の
Peaking Time である、4 µs 以内の範囲で同時として捉えられているイベントを切り出すことを考える。BGO
の信号を処理している ADC のヒットパターン信号は、1 µs の幅を持っているため、図 5.8 のヒストグラムか
ら 0-4 µs の幅で切り出すことは、BGO のカウントレートあたり、
1+4(µs)
1(s)
= 5 × 10−5 の割合でアクシデン
タルコインシデンスイベントが混入することと等しい。ただし、今回のようにコンプトン散乱などの真にコイ
ンシデンスイベントとなりうる過程が混在しうる場合は、その割合を見積もる必要がある。
本実験では、イベントはある割合でおよそ 4 µs までに存在しているピークを作る成分 (例えばコンプトン
散乱など) とアクシデンタルに全域に発生する成分に分かれる。この比は、BGO のレートだけから見積もる
ことはできず、各結晶にどれだけ鉛の遮蔽を貫通して線源が直接あたるか、 CdTe 検出器とのジオメトリ的に
35
どれだけの散乱成分が入射しうるかなど多くのパラメータに依存する。
そこで、我々の行った実験で、観測された真の同時イベントが全体の BGO のレートに占める割合を求め
る。CdTe での不感時間を除いた測定時間 T(=7167 s)、表 5.4 のアクティブシールド BGO のカウントレー
A
ト R、図 5.8 のヒットパターン待ち時間分布のピークの面積 A を用いて、 RT
を計算した値を表 5.5 にまとめ
た (ここで A は具体的には、図 5.8 のピークを、コンスタント成分とガウシアンの足し合わせでフィットした
ときのガウシアンの面積とした)。この結果から、真のコインシデンスイベントは、アクシデンタルコインシ
デンスイベントの 0.1% 以下にすぎないことがわかる。よって、BGO のレートのほぼ全てがアクシデンタル
コインシデンスに寄与すると考えてよいので、トータルの BGO のカウントレートは 18.7 kHz であることか
ら、アクシデンタルコインシデンスイベントの発生率は 9.35% と計算される。
表 5.5 BGO のカウントレートに占める、観測された真の同時イベントの割合
Comp.E
1.59 × 10−4
Comp.F
1.59 × 10−4
Comp.G
8.16 × 10−5
Comp.H
1.36 × 10−4
Comp.I
2.48 × 10−5
5.3.3 CdTe 検出器によるスペクトル解析
図 5.9 に、本実験における CdTe 検出器で得られたスペクトルを示す。バックグラウンドのデータの時と同
様に、コインシデンススペクトルを重ねた。さらに、アクシデンタルコインシデンスの寄与を除いたコインシ
デンススペクトルと、アンチコインシデンススペクトルも合わせて示した。(C) は、単純にコインシデンスイ
ベントを集めたスペクトルで、本来は同時になり得ない 662 keV のラインを拾っており、光電吸収ピークの
662 keV 付近で (A) の 10% 程度のところにある。そこで、アクシデンタルコインシデンスの寄与 (先ほど見
積もった 9.35%) を引くと (D) のスペクトルが得られる。基本的に 480 keV 以上にはコンプトン成分は存在
しないので、それ以降では、統計の範囲内で (D) と (A) の比が 0 付近に分布している。システマティックに
−0.1 付近に張り付いているのは、アクシデンタルも含めてコインシデンスイベントが一切検出されなかった
エネルギー帯域であったことを示しており、イベント数自体が少ないことが原因と考えられる。
この操作を式で追うために、全スペクトルを ST (E)、アクシデンタルイベントを補正する前のコインシデ
′
ンススペクトルを Sco (E)、補正後のコインシデンスを Sco (E)、補正前のアンチコインシデンススペクトルを
′
Santi (E)、補正後のアンチコインシデンススペクトルを Santi (E)、アクシデンタルコインシデンスのレートを
χ とおくと以下のようになる。
′
′
Sco (E) = ST (E) − (Santi (E) + χST (E)) = ST (E) − Santi (E)
′
′
Santi (E) = ST (E) − (Sco (E) − χST (E)) = ST (E) − Sco (E)
第 1 式は、イベントセレクションの段階でコインシデンスイベントを拾っていないものだけ集めて、アクシ
デンタルコインシデンスで削られた分を加えてやり、補正したコインシデンススペクトルを導くという手順を
示している。第 2 式は、同時イベントだけを切り出して、アクシデンタルコインシデンスで水増しされた分を
引いてやり、補正したアンチコインシデンススペクトルを導くという手順を表している。手順の違いがある
が、これらの式は等価である。
最後に、図 5.9(D)(下段) のコインシデンススペクトルの解釈を述べる。200 keV 付近で突然盛り上がっ
36
104
(A)Raw spectrum
(B)Accidental-corrected anti-coincident spectrum
3
10
Counts
(C)Coincident spectrum
(D)Accidental-corrected coincident spectrum
102
10
Ratio D/A
1
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
0
図 5.9
200
400
600
Energy (keV)
800
1000
137
Cs の CdTe 検出器におけるスペクトル。(A) トータルのスペクトル、(B) アクシデンタルコイ
ンシデンスを補正したアンチスペクトル、(C)BGO とのコインシデンススペクトル、(D) アクシデンタル
コインシデンスを補正したコインシデンススペクトル。(B) は、(A)-(D) で作られる。8 keV ごとにビン
ニングされている。
ている構造は、コンプトン後方散乱による影響による可能性が高いと考えられる。ここで、個々のアクティ
ブシールドのコンポーネントについて CdTe 検出器で得られるコインシデンススペクトルを評価したのが図
5.10 である。BottomBGO(Comp.I) が 180 keV 付近で急に立ち上がっており、ジオメトリ的に CdTe 検出
器を透過した 662 keV が Comp.I で 180 度散乱して CdTe 検出器で光電吸収されたものと考えられる。なお、
Comp.I は、ジオメトリ的に浅い角度のコンプトン散乱しか拾わないので、200 keV 以下でのほとんどのコイ
ンシデンス比を担い、高エネルギーに向けてのコインシデンススペクトルの低下が急になることに反映されて
いる。
図 5.11 において、コインシデンススペクトル比が後方散乱ピーク (180 keV) よりも高エネルギー側で連続
的に高くなっていることは、図 5.11 より、BGO でコンプトン散乱断面積が光電吸収断面積を超過し始める
のが 450 keV 付近であることにより説明される。CdTe 検出器でのエネルギーデポジットが大きいほど BGO
で吸収される確率が高くなるためである。400 keV 付近で、再び下がり始めるのは、BGO の配置的の効果
が考えられる。Side 結晶のうち、CdTe 検出器へ入射する向きからの見込み角が最も小さい上端をもつのは、
Comp.E および Comp.G で、どちらもおよそ 110° (CdTe 検出器へのエネルギーデポジットは 420 keV) 以
37
CompE
CompF
CompG
CompH
CompI
0.25
Ratio to total
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
200
400
600
800
1000
Energy (keV)
図 5.10 各々のコンポーネントごとに作成したコインシデンススペクトル。ただし、他の結晶と同時であ
るイベントは露には排除していないので、コンポーネント間には重複するイベントがある。アクシデンタ
ルコインシデンスは補正済み。16 keV ごとにビンニングしている。
10000
Photo Absorption
Compton
Cross section (cm2/g)
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.0011
10
100
1000
Energy (keV)
図 5.11
BGO の光電吸収およびコンプトン散乱の反応断面積 [10]。
降で立体角が 0 になる。見込み角が最も大きいのが Comp.H の上端で、130° (CdTe 検出器へのエネルギー
デポジットは 451 keV) 以降で立体角が 0 になる。この 2 つが、それぞれ、コインシデンスの比が 420-430
keV 付近で急激に降下し、450 keV 付近でほぼ 0 となっていることに対応していると言える。
今、コインシデンススペクトルの比の値が 300 keV 付近で 0.6 程度である。2 cm 厚の BGO は 300 keV の
光子を 94%、400 keV の光子を 76 % 光電吸収することより、この結果は、3 割程度コインシデンスイベント
をもらしていることを意味する。コンプトン散乱の角度的に、400 keV 付近まではほぼ 2 cm 厚の BGO で囲
われていることは確かめられている。コインシデンスを妨げる要因として、検出器回りに多くのアルミを使用
38
していることが挙げられる。検出器箱は 2 mm 厚のアルミで、300 keV 光子は 5 % 程度コンプトン散乱する
ため、入射角度によっては 10-20% もの散乱が生じてしまう。その他には、鉛の中でコンプトン散乱し、本来
期待しているのとは異なる方角から CdTe に入射し、開口部から飛び去っていく光子などによる漏れも考えら
れるが、詳細な定量化は将来のモンテカルロシミュレーションに譲る。
5.4 ゲート幅とコインシデンスイベントの回収率
今までは簡単のために、ゲート幅を Shaper の Peaking Time である 4 µs、ラッチのタイミングを 0 µs ス
タートとして画一的にコインシデンスイベントを切り出してきたが、このパラメータが、荷電粒子やコンプト
ン散乱などの真のコインシデンスイベントをどれだけの割合で回収できているかはデータに基づく解析が必要
である。そこで、まず 137 Cs の測定結果を用いて、この値を検証する。
表 5.6
137
Cs で、BGO 信号のラッチまでに要した時間のヒストグラムをガウシアンとコンスタント成分
の和でフィットしたときのパラメータ。4000 ns 以上に漏れ出す割合も示してある。合計で、1.09%
中心値 (ns)
標準偏差 (ns)
4000 ns での偏差値
4000 ns 以上に入る割合
Comp.E
2230
557
3.17
0.076%
Comp.F
2327
515
3.25
0.057%
Comp.G
2212
613
2.92
0.18%
Comp.H
2034
627
3.14
0.084%
Comp.I
2421
639
2.47
0.68%
図 5.8 のピークを、ガウシアンとコンスタント成分の和でフィットしたところ、表 5.6 を得た。このモデリ
ングが正しいと仮定すると、コインシデンスイベントのとりこぼしは全コンポーネントで 1.1% と割合は小さ
い。しかし、閾値を超えるのにかかる時間にはエネルギー依存性があると考えられるので、このとりこぼしが
特定のエネルギーに集中している場合は問題である。
そこで、ゲート幅を 100 ns ずつ増加させながら、CdTe 検出器でのエネルギーバンドごとにコインシデン
スイベント回収率の変化をみたのが、図 5.12 である。これにより、コインシデンスイベント回収率のエネル
ギー依存性を見て取ることができる。図 5.12(a) では、0-64 keV、64-128 keV、128-192 keV はほぼ同じ形
状で、192-256 keV だけ立ち上がりが遅く、2.5 µs 付近でほぼ合流し、3 µs 付近で、ほぼコインシデンスイベ
ントの回収が終了している。図 5.12(b) では、192-256 keV、256-320 keV、320-384 keV、384-448 keV の順
番ではっきりと立ち上がりも収束も遅くなっているのが分かる。もっとも遅い 384-448 keV がほぼ 4 µs でコ
インシデンス比の飽和をむかえているため、これまでの実験で適用したきたゲート幅 4 µs は妥当な値であっ
たと言える。
ここで、コインシデンスイベントが、全て 662 keV 光子が CdTe 素子でコンプトン散乱したとすると、
CdTe 素子にデポジットされた分を引いた値が BGO でのデポジットとなる。CdTe 素子でエネルギーデポ
ジットが大きいとき、BGO で小さくなり Lower Threshold 200 keV に近接するため、ヒットパターン信号
の出力が遅くなっていると考えられる。特に 384-448 keV では、BGO に向かう光子のエネルギーが 214-278
keV であるため、214 keV 付近を集めきるためにピーキングタイムの 4 µs に近い値までかかっていることに
なる。図 5.12(a) で、0-192 keV では差が見られず、192-256 keV で立ち上がりに大きな差が出始めるのは、
(662 − 192 =)470 keV 付近は、コンプトン散乱と光電吸収の上下が入れ替わる位置に関係している可能性が
ある。なぜなら、0-192 keV では、立ち上がりから収束までが長く、BGO でのエネルギーデポジットに大き
39
1.2
1
0-64 keV
64-128 keV
128-192 keV
192-256 keV
0.8
Ratio to maixmum coincidence
0.6
0.4
0.2
0
1.2
1
192-256 keV
256-320 keV
320-384 keV
384-448 keV
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Gate width (ns)
図 5.12
137
Cs のイベントのコインシデンス比を、ゲート幅を変えながら、5000 nsec のときの値で規格
化した値をプロットした。見やすさのため、(a)0-256 keV、(b)192-448 keV の２つのエネルギーバンドに
分け、比較のため 192-256 keV を両方の図に同じ色で示した。
40
Ratio to maixmum coincidence
1.2
0-256 keV
256-512 keV
512-768 keV
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1000
3000
2000
4000
5000
Gate width (ns)
図 5.13
バックグラウンドイベントのコインシデンス比を、ゲート幅を変えながら、5000 nsec のときの
値で規格化した値をプロットした。見やすさのため、256-512 keV を 20 ns、512-768 keV を 40 ns 正方
向にずらして描いている。
な幅があることを示唆しているからである。逆に、192-448 keV では、立ち上がりには差があるものの、収束
にかかる時間があまり変わらないのが、BGO でほぼ特定のエネルギーをもつ光電吸収イベントが主流になっ
ていると考えられる。
次に、統計は少ないがバックグラウンド測定のデータから同じ分布を作成し、図 5.13 に示す。明らかに、
137
Cs の時より立ち上がりが早いので、BGO に大信号が生じていると考えられ、宇宙線イベントを捉えてい
るという仮説と矛盾しない。ここでも、4 µs のゲート幅を設定していたことは問題なかったことがわかり、も
う少し短くすることも可能である。256-512 keV が 0 ns 付近で落ち込んでいる以外では、エネルギーバンド
ごとの個性が統計の範囲内でばらついていないため、宇宙線イベントはどのエネルギーバンドでもドミナント
なコインシデンスイベント源として働いている可能性が高い。
HXI のアクティブシールドシステムにおいては、このように、APD の Shaping Time の影響が無視できな
いため、反同時計数のゲート幅は注意深く決定する必要がある。さらに、付録.A に示すように、高いレート
での測定実験から、APD の波形にパイルアップが生じ、アクティブシールドのヒット信号にピーキングタイ
ムの 2 倍、8 µs 程度の不感時間が、一定割合で発生することも分かって来た。今後はこれらの影響も配慮し
て、最適な反同時計数ロジックの設計が必要である。
実際に本実験と同様のことを HXI の EM などに対して行うことを考える。宇宙空間では、コインシデンス
イベントは陽子などの荷電粒子で引き起こされる割合が高いが、地上でその模擬を行うためには、地上で µ 粒
41
子を捉える実験を行うことが有用である。荷電粒子イベントは大信号になりやすく、立ち上がりが早いことが
わかったので、ヒットパターン信号に採用すべき Delay はこの種のイベントをもとに決定すればよい。逆に、
ヒットパターン信号を受け入れるゲート幅は、アクティブシールドに対してエネルギーデポジットの小さいガ
ンマ線実験などをもとに決定すべきである。特に、 Lower Threshold に近いエネルギーの崩壊が複数同時に
起こる、133 Ba などの線源の使用が有効であると考えられる。この Lower Threshold 付近のエネルギーでの、
ヒットパターン信号出力の振る舞いについては、付録.B に譲る。
42
6 まとめ
2014 年に打ち上げの予定される ASTRO-H 衛星に搭載する HXI は、Si と CdTe の両面ストリップ撮像分
光素子を中心におき、これを BGO シンチレータを APD で読み出す 9 個のアクティブシールドで囲む。目標
とする高い感度の実現には、低い検出器バックグラウンドがカギを握る。そこで我々は、HXI のアクティブ
シールドシステムの効果を実証するために、一回り小型の試験的な実験を行い、以下の項目を達成した。
1. HXI を模擬し、CdTe ピクセル検出器を最大 9 個の BGO シンチレータで囲うアクティブシールドシス
テムを設計した。BGO の読み出しは APD を用いる。その Shaping Time は、HXI で予定されている
値よりやや長い Peaking Time 4µs とした。データ通信でも SpaceWire を用いており、システム全体
は HXI を模擬している。
2. CdTe 検出器が信号を受けたのに同期してゲートを開き、BGO シンチレータからのヒット信号をラッ
チする読み出しロジックを立ち上げた。特に、ヒットの有無だけでなく、その時間遅れを各々のチャン
ネル独立に記録できる工夫をした。
3. 上記のように開発したアクティブシールド系を用いて、基礎実験として下部の 5 ユニットを CdTe ピク
セル検出器と組み合わせた。まず、環境バックグラウンドを記録し、宇宙線と思われるイベントの除去
に成功した。次に、137 Cs を鉛でコリメートして CdTe 検出器に照射し、コンプトン散乱によるイベン
トを用いて反同時計数の動作を検証した。
4. 環境バックグラウンドと 137 Cs を用いた実験データから、時間のゲート幅を変化させていったときの、
コインシデンスイベント回収率の変化をみた。この結果から、アクティブシールドでのエネルギーデポ
ジットが小さいほど、ヒットパターン信号の出力されるタイミングが遅く、Lower Threshold に近い場
合では Shaper の Peaking Time とほぼ同程度の時間がかかることが示された。
5. 以上の開発、実験を通して、HXI でのアクティブシールドシステム構築に際して注意すべき点の指針
をまとめた。具体的には、PMT を用いたシールド系と比較して、APD の Shaping Time が長くなる
ことに注意して、ゲート幅の指定、およびアクシデンタルコインシデンスの見積もりをすべきことが分
かった。
今後の課題として、まず、9 個の BGO シンチレータを用いた、全系でのバックグラウンド除去能を実験す
る。また、さらに HXI の仕様に近づけるために、APD の出力をアナログの Shaper に通さず、デジタルフィ
ルターで処理する機能の実装を行う。これらの実験結果を元に反同時計数のロジックパラメータの調整を進
め、2011 年の初夏に予定されるエンジニアリングモデルを用いた、より本格的な試験で確認する。最終的に
は、2012 年に開発される衛星搭載品を用いた詳細な実験を進め、2014 年の打ち上げに備える予定である。
43
A シールドがハイレート時の測定
A.1
137
22
Na 照射実験
Cs ではコンプトン散乱イベントを除去するアンチコインシデンスに主眼を置いたが、コインシデンスイ
ベントをとることに主眼を置いた 22 Na の照射実験も行った。22 Na は、電子捕獲または β − 崩壊で、1274 keV
に加え 511 keV の対消滅線の計 3 つのガンマ線を同時に放出する。そこで、我々は図 A.1 のように、CdTe
に 22 Na の対消滅線の一方が入るとき、必ず Side のシールドである Comp.F の BGO にもう一方が入射する
ように線源を置いた。
図 A.1 (a) 線源を設置したときの写真、(b) 真正面から検出器を見たときの結晶、線源、CdTe 検出器のジオメトリ。
なお、CdTe 検出器のカバーである 2 mm 厚のアルミ箱の上に線源を乗せており、最も浅い角で入射した場
合、実効的に 8 mm の厚みになる。しかし、500 keV 光子に対する光電吸収はほぼ無視でき、コンプトン散乱
も 16 % 程度であるため大きな問題はないと考える。
表 A.1
22
Na 実験における各コンポーネントのカウントレート。合計で、160 kHz。
Comp.E
3.07 × 104
Comp.F
4.44 × 104
Comp.G
3.83 × 104
Comp.H
3.21 × 104
Comp.I
1.51 × 104
この実験での BGO のスペクトルおよびレートを、図 A.2 と表 A.1 まとめておく。注目すべきは、511 keV
と 1274 keV のピークだけでなく、511 + 1274 = 1785 keV のピークも見えていることである。線源と結晶
のジオメトリを考えれば、3 つ中 2 つのガンマ線が Comp.F を筆頭に入射することは十分考えられる。なお、
Comp.H はゲインが高いため 1785 keV のピークが途中で切れてしまっている。一方で、対消滅線は 180 度反
対方向に飛ぶので 1023 keV のラインが立つことはない。また、CdTe での全スペクトルを図 A.3 に示す。図
4.6(b) と同様に、511 keV のピークは見えているが、1274 keV はダイナミックレンジの限界からみることは
44
104
E
F
H
I
G
103
Counts
102
10
1
104
0
500
1000 1500 2000
103
102
10
1
0
500
1000 1500
0
500
1000 1500
Energy (keV)
図 A.2
各コンポーネントの BGO における 22 Na のスペクトル。
できない。
ここで、この CdTe スペクトルから BGO との同時イベントを切り出し、コンポーネントごとの違いを見
ていくために必要な補正を考えたい。使用した線源はおよそ 100 kBq であり、コリメートせず近距離におい
ているため表 A.1 より、BGO レートが 15-44 kHz と非常に高い。1 崩壊当たり 3γ 放出し、立体角を約 2π
覆っていることから 150 kHz でガンマ線が 5 ユニットのアクティブシールドに侵入するため、検出効率によ
るロス、コンプトン散乱によるスプリットイベントを考えると、実測値の 160 kHz は妥当である。このとき、
4 µs での切り出しに対して、160 kHz × (1+4) µs=0.8 とアクシデンタルコインシデンスの確率が極めて高
く見積もられる。しかし、この近似は、出力が 1 より十分小さいときしか成り立たず、アクティブシールドの
レートが高いときに正確な値を求めようとすると、137 Cs の実験では考えなかったコンポーネント間で同時に
起こるアクシデンタルコインシデンスイベント、また、コンポーネント内でのパイルアップの効果を考慮しな
くてはならない。前者を無視した場合に合計のレートを用いるとアクシデンタルを過剰に見積もることにな
る。後者の影響には、切り出すゲート幅に対してアクシデンタルコインシデンスの寄与が線形に上昇しないこ
とが考えられる。
今までの測定と同様に図 A.4 に、ヒットパターン信号の到来までに要した時間のヒストグラムを示した。
Comp.F は線源に対して CdTe と 180 度反対向きに位置しているので、511 keV の対消滅線を同時にとらえ
やすい。これより、真のコインシデンスイベントと見なせるピークが他のコンポーネントより高く、Comp.F
以外では特に差が見られない。また、137 Cs の測定のときでは、ピーク以外の成分はほぼ平らであったヒスト
グラムが指数関数的に減少しており、待ち時間分布としての性質がより鮮明に表れている。なお、全てのコン
ポーネントにおいて、およそ 10 µs 以内の範囲で指数関数的減少から外れる傾向が見られた。これは、イベン
ト同士が無相関であるという原則が破れていることを意味する。
45
10
3
Counts
10 2
10
1
0
200
400
600
800
1000
Energy (keV)
図 A.3
105
22
Na の CdTe 検出器でのスペクトル。
E
F
H
I
G
4
10
103
Counts
102
10
105
0
20
40
60
104
103
102
10
0
20
40
60
20
40
60
Elapsed time before latching BGO signals (µs)
図 A.4
22
Na を照射しながら各コンポーネント別の、CdTe でトリガーを受けてから BGO の信号をラッ
チするまでにかかった時間。160 ns ごとにビンまとめされている。
46
1
23 4
TA Shaper
Gate
Hit pattern latcher
APD Shaper
Hit pattern trigger
Trigger enable
図 A.5 BGO 信号がパイルアップしているときにヒットパターン信号がラッチされなくなる場合のタイ
ミングチャート。赤はトリガーを出すために超えなくてはならない閾値で、青は次のイベントを待つ状態
に戻るために下回らなくてはならない閾値。Hit pattern latcher、Hit pattern trigger の点線は、信号が
パイルアップしていないときの信号の移り変わりを示す。また、信号の切り替わりの起点となるアナログ
出力に丸をつけ、番号を振った。
このような現象が発生する要因として、BGO 信号のパイルアップが考えられる。図 A.5 に、パイルアッ
プ発生によりコインシデンスイベント取得に支障をきたす場合のタイミングチャートを示す。まず、 BGO
に単独で放射線が入射したとする。これが閾値を超えると、Hit pattern trigger が立ち上がり、Hit pattern
trigger の出力を司る Trigger enable が立ち下がる (図 A.5 のタイミング 1)。次に、BGO と CdTe にコイン
シデンスイベントが発生したとする。BGO 信号の APD Shaper 出力が、一度ある値まで立ち下がらないと
次のトリガーを出さないため、このイベントでは Hit pattern trigger を出さない (2)。ここで、CdTe 信号の
TA Shaper 出力が閾値を超えると Gate が立ち上がるが (3)、Hit pattern trigger が立ち上がっていないた
め、Hit pattern latcher(図 3.7 の APDO に対応する) は立ち上がらない (4)。パイルアップがなかった場合
のデジタル信号は点線の通りで、Hit pattern trigger の立ち上がりを見て Hit pattern latcher も立ち上がる。
ゲートが開いてから早くに来るイベントほどこの影響を受けやすく、APD Shaper の Peaking Time が 4 µs
であることを考慮すると、最大で 8 µs 付近までヒットパターン信号を出力できない状況が続きうる。そのた
め、ゲートを開いた時間 (つまり 0 µs) に近いほど、アクシデンタルコインシデンスと真のコインシデンスイ
ベントがともに減少するはずである。
このような問題はあるが、アクシデンタルコインシデンスの割合を正しく見積もりたい。まず、137 Cs の時
47
Seeming-accidental-coincidence base
Seeming-genuine-coincidence peak
Cut out region for coincidence
Estimated accidental coincidence rate =
All events
Elapsed time before latching BGO signals
図 A.6
ヒットパターン信号が到来するまでに要した時間のヒストグラムからアクシデンタルコインシデ
ンスの割合を見積もる手法の模式図。
と同様に、カウントレートから見積もられるアクシデンタルコインシデンスの比率を計算し、その割合を表
A.2 に示した。この値は、パイルアップの効果を全く考慮していないため、正しい補正となることが期待でき
ない。そこで、図 A.4 に見えるピークの面積を計算し、そのベースラインをアクシデンタルコインシデンス
イベントの寄与として見積もる方法を考案した。図 A.6 にその模式図を示す。これらの 2 つの方法で見積も
られた、アクシデンタルコインシデンスのレートを表 A.2 に示した。コンポーネントによっては 50% 近く見
積もりが変わっている。そして、それぞれの補正を用いて、コインシデンススペクトルを、図 A.7 のように作
成した。
表 A.2
22
Na 実験における各コンポーネントので推定されるアクシデンタルコインシデンスイベントの比
率。カウントレートのみからとラッチタイミングのヒストグラムに見えるピークから推定した 2 通りが示
されている。
カウントレート補正
ピーク面積補正
Comp.E
15.3%
10.4%
Comp.F
22.2%
14.8%
Comp.G
19.2%
11.2%
Comp.H
16.1%
9.7%
Comp.I
7.6%
6.2%
図 A.7 の (a) と (b) でどちらでも、340 keV 以下と 511 keV ピーク付近で Comp.F だけ際立ってコイ
ンシデンスのカウントが多くなっている。図 A.1(b) より、CdTe 検出器に 511 keV が入射するとき、必ず
Comp.F にも 511 keV 光子が入射するため、511 keV 光子による光電吸収イベントとコンプトン散乱イベン
トの両方がコインシデンスイベントにになるからである。ここで、異なる補正を施した効果は、Comp.F 以外
のコンポーネントの 511 keV 付近に表れている。Comp.F 以外のコンポーネントでは、CdTe 素子と同時に
511 keV 光子が直接入射することはなく、1274 keV 光子が偶然入射する場合だけなので、コインシデンスイ
48
10 2
CompE
CompF
CompG
CompH
CompI
(a)
(b)
Counts
10
1
0
200
400
600
800
1000 0
200
400
600
800
1000
Energy (keV)
図 A.7
各コンポーネントごとに、CdTe 検出器とコインシデンスイベントだけを切り出し、アクシデンタ
ルコインシデンスレートを (a) カウントレート、(b) ラッチタイミングのヒストグラムから補正したスペク
トル。16 keV ごとにビンニングされている。
ベントとなる確率は比較的低くなるはずである。カウントレートで補正した (a) では、ほとんどのコンポーネ
ントでピークが消えているのに対し、ラッチタイミングのヒストグラムを用いて補正した (b) では、Comp.G
などを筆頭にコインシデンスのピークが多少見えている。
このように、パイルアップが生じるほどシールドのカウントレートが高い実験を行った結果、解析に不定性
が生じ、解釈さえ変わりうる状況を引き起こしている。22 Na は、どのエネルギー帯域でも、真のコインシデ
ンスとなりうるイベントと、アクシデンタルコインシデンスイベントが混在してしまうため、補正の効果を確
認することは困難である。そこで、BGO とコインシデンスし得ないライン (241 Am の 60 keV など) を用い、
アクシデンタルの補正でどれだけそのラインの寄与を減らせるかで、ラッチのタイミング分布とカウントレー
トの 2 つのアプローチのどちらが現実的であるかを次節で議論する。
A.2
241
Am、137 Cs 同時照射実験
パイルアップが生じているときは、カウントレートを用いても正しくアクシデンタルコインシデンスの割合
を見積もれない可能性があることが、22 Na の照射実験により示唆された。そこで、241 Am と 137 Cs を同時に
用い、コインシデンススペクトルから光電吸収のラインを消すために、§ A.1 で議論した 2 通りのどちらが
より適切な補正であるかを議論する。線源の照射位置は、図 A.8 に示す通りで、137 Cs の位置は鉛コリメート
実験のときと同じであるが、BGO をハイレートにするために鉛コリメータは使用していない。
ここでは、簡単のため主検出部から最も近い結晶を含む Comp.H と Bottom 結晶を含む Comp.I に絞って
解析を行う。まず、Comp.H と Comp.I のカウントレートを表 A.3 にまとめる。これより、§ A.1 での実験
と同じぐらいに BGO のレートが高いことがわかる。また、今までの実験と同様にゲートが開いてからヒット
パターン信号をラッチするまでに要した時間のヒストグラムを図 A.9 に示す。やはり、ピークの付近で、ポ
アソン過程から予想される指数関数的な減少から外れている傾向が見られる。
§ A.1 で行ったように、ヒストグラムに見えるピークの面積と、コインシデンスイベントとして切り出した
49
137
Cs
241
Am
CdTe
F
H
I
図 A.8
表 A.3
241
241
Am、137 Cs を同時に CdTe 検出器に照射したときの配置。
Am、137 Cs 同時照射実験における Comp.H と Comp.I のカウントレート。
Comp.H
43.8 kHz
Comp.I
59.5 kHz
面積 (今回はヒットパターン信号に遅延を与えたので、8 µs から 12 µs) との割合をもとに、コインシデンスス
ペクトルから差し引くべきアクシデンタルコインシデンスの割合を見積もった。これを、カウントレートから
見積もられる値と併せて表 A.4 に示す。当然、カウントレート補正は、面積補正よりも高い値を出している。
これらの値をもとに、アクシデンタルコインシデンスの補正を行った結果、得られたコインシデンススペク
トルを図 A.10 に示す。ここで、全体と補正後のコインシデンススペクトルの比だけに着目する。 (a) のピー
ク面積で補正した Comp.H では、入射方向から Comp.H にコンプトン散乱して落とすエネルギーに概ね対応
して有意に正になり、662 keV の光電吸収ピーク付近では統計の範囲で 0 になっている。180 keV 以下では、
フラットに 0.01 程度の成分をもっており、縦軸カウントのコインシデンススペクトルでも 60 keV のピークが
残っている。これは、補正の見積もりに 10 % 程度の系統誤差があれば生じうるため、今回の手法では完全に
除去できなかったと考えられる。それに対して、(b) のカウントレートで補正した場合は、ほぼ全帯域で 0 を
下回っているため、過剰な引き算を行っていたことがわかる。(c) のピーク面積で補正した Comp.I では、後
方散乱ピークの付近だけ上昇し、その他の部分では (a) と同様の傾向である。(b) で見られたように、(d) で
も、後方散乱ピークを除く全域で負の値をとっているため、補正が大きすぎたことがわかる。これらの結果か
ら、カウントレートだけでは明らかに誤った補正を導いてしまうが、ヒットパターンのラッチタイミングのヒ
ストグラムから真のコインシデンスイベントの割合を見積もる方法を用いれば、少なくとも物理的に妥当な結
果が得られることがわかった。
ただし、ASTRO-H 衛星から得られる観測データには、ラッチのタイミングを記録するビットは取り込まれ
る予定がないため、本論文で用いた補正を行うことはできない。そのため、パイルアップ自体を緩和するよう
な措置を施さなければならない。単純な緩和策として、まずは波形処理で整形時間をなるべく短くすることが
50
Comp.H
Comp.I
Counts
105
104
0
10
20
30
40
50
0
10
20
30
40
50
Elapsed time before latching BGO signals (µs)
図 A.9 Comp.H と Comp.I における、ゲートが開いてからヒットパターン信号をラッチするまでに要し
た時間のヒストグラム。160 ns でビンまとめされている。この実験からヒットパターン信号に遅延を与え
ているため、ピークが今までより 8 µs ほど正方向にシフトしている。
表 A.4
241
Am、137 Cs 同時照射実験で、カウントレートとタイミングのヒストグラムから見積もられる
アクシデンタルコインシデンスの割合。
カウントレート補正
面積補正
Comp.H
17.5%
11.4%
Comp.I
23.8%
13.1%
あげられる。もう一つは、今回のミスコインシデンスの要因となっている、固定された幅のヒットパターン信
号を、Shaper 出力が立ち下がるまで延長することである。ただし、これはアクシデンタルコインシデンスを
増大させる意味合いもあるため注意が必要である。
51
Area-based correction
Counts
10
3
(b)
(C)Coincident spectrum
(D)Accidental-corrected coincident spectrum
10 2
1
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
Counts
10
(d)
(c)
10 5
4
10 3
10 2
10
1
Ratio D/A
Comp.I
(B)Accidental-corrected anti-coincident spectrum
10
Ratio D/A
Comp.H
10
4
(A)Raw spectrum
(a)
10 5
Count-rate-based correction
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
0
200
400
600
1000 0
800
200
400
600
800
1000
Energy (keV)
Am、137 Cs 同時照射実験における、Comp.H と Comp.I とのコインシデンススペクトルか
ら、カウントレートとタイミングのヒストグラムから見積もられる 2 通りのアクシデンタルコインシデン
ス補正を行い、それぞれの図の下に、全スペクトルとの比をとった。8 keV ごとにビンまとめされている。
(a)Comp.H 面積補正 (b)Comp.H カウントレート補正 (c)Comp.I 面積補正 (d)Comp.I カウントレート
図 A.10
241
補正。
52
B テストパルス入力によるアクティブシールド機能の確認
実装したロジックが正しく動作していることを確かめるために、ASIC に任意のタイミングでトリガーを送
り、それと同時に CSA にテストパルスを入力する実験を行った。そのときの Comp.F のオシロスコープの波
形を、図 B.1 に示す。図のように APD Shaper 出力が十分 Lower threshold を上回るようにテストパルスの
電圧値を調節すると、ヒットバターン信号は問題なく出力される。しかし、BGO にはエネルギー分解能が、
APD を含めた回路系にはノイズがあるため、Lower threshold の近傍では、振る舞いが変わってくるはずで
ある。
10
8
DIO Gate (2.00V)
Test Pulse (50.0mV)
APD Shaper (200mV)
Hit Pattern Trigger (2.00V)
6
Voltage
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Time (µs)
図 B.1 ASIC に任意のタイミングでトリガーを送り、それと同期したテストパルスを CSA に入力したと
きの、Comp.F における、ゲート、テストパルス、APD Shaper、ヒットパターン信号の波形。括弧内は
縦軸 1 あたりの電圧値。
そこで、テストパルスの電圧を変化させたときに、ヒットパターン信号が、テストパルス入力数に対してど
の程度の割合で、また、どのようなタイミングで出力されるかを実験的に調べることが必要である。§ 5 での
実験と同様に DIO Board のゲートが開いてからヒットパターン信号をラッチするまでに要した時間のヒスト
グラムを、様々なテストパルスの電圧値に対して行った。既知である 8 ch ADCBox の ADC Channel とエネ
ルギーの関係を用い、テストパルスの Shaper 出力をエネルギー換算して示したものが図 B.2(a) である。ど
53
のエネルギーでも、同数のテストパルスを入力しているため、面積の小さくなっているエネルギーの低いイベ
ントは、ミスコインシデンスされる割合が高く、また、ヒットパターン信号は遅れてでやすいことが分かる。
これらの、コインシデンスのタグ付けの成功率とエネルギーの関係、および、閾値を超えるタイミングとエネ
ルギーの関係を図 B.2(a) から数値化し、それぞれ図 B.2(b),(c) に示す。
図 B.2(b) に示した、コインシデンスのタグ付けの成功率とエネルギーの関係を、誤差関数でフィットした
結果、中心値は 183 keV、標準偏差は 34.7 keV であった。これより、ミスコインシデンスを 2.3 % に収め
るためには 252 keV、0.2% に収めるためには 286 keV 以上の入力が必要と計算される。よって、設定した
Lower threshold 近傍のエネルギーをもつイベントに関しては、図 B.2(b) からミスコインシデンスの割合を
見積もった上で本来のコインシデンスの割合が議論されるべきであることがわかる。なお、実際に APD と
BGO による信号を用いると、発生光子数や収集効率などから生じる統計揺らぎにより、さらに標準偏差が大
きくなることが見込まれる。
図 B.2(c) より、エネルギーの低い入力に対して、ヒットパターン信号の出力が遅れるだけでなく、その幅
も広くなる特徴が見られる。これは、Shaper 出力が Peaking Time 付近で平らになるところにノイズが乗
ることで、Lower threshold を超えるイベントが多いことを反映している。200 keV 以上では、4 µs 以内に
99% 以上 (2.33 σ) のイベントが到来しているので (ただし、3 σ は 4 µs からはみ出す@200 keV)、ゲート幅
はピーキングタイムと同程度にしておけば問題ないことがわかる。
以上の 2 つの議論より、ノイズ成分が増大することによる弊害が以下のようにまとめられる。
• Lower Threshold 付近のエネルギーに対して、ミスコインシデンスの割合が高い領域が拡大する。
• Lower Threshold を超えるタイミング分布の幅が拡大する。
前者は Lower Threshold の実質的な上昇、後者はゲート幅を拡大する必要性に伴い、アクシデンタルイベン
トの混入が増大することを意味するため、どちらも感度の悪化につながる。この 2 つの問題点は、ともに、
PMT 使用時より S/N 比が低いことに起因している。そのため、電気ノイズを減らし、BGO での発生光子を
効率よく回収する技術が、ASTRO-H では重要になる [5]。
54
(a)
104
167 keV
202 keV
237 keV
272 keV
377 keV
726 keV
1076 keV
1425 keV
1775 keV
Counts
103
102
10
0
Coincidence proportion
(b)
1
2
3
4
Elapsed time before latching BGO signals (µs)
5
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
200
400
600
Elapsed time before latching BGO signals (µs)
(c)
800
1000
1200
1400
1600
1800
Energy (keV)
5
Mean+3σ
Mean
Mean -3σ
4
3
2
1
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Energy (keV)
図 B.2 (a) エネルギーごとに、ゲートを開いてからヒットパターン信号をラッチするまでにかかった時間
をヒストした。(b) テストパルスの入力に対して、コインシデンスのタグ付けに成功したものの割合を、横
軸エネルギーで示した点が赤で、誤差関数でフィットした結果が緑である。(c) ヒットパターン信号を出す
までに要した時間の平均値と、それに標準偏差の 3 倍の値を足したものと引いたものを横軸エネルギーで
示した。
55
C グラウンド配線
半導体素子を用いた実験で、その性能を最大限発揮するためには、電気ノイズを極力削減するような配線を
心がけなければならない。具体的には、グラウンドループを無くすこと、各シャーシグラウンド間でのイン
ピーダンスを減少させることが望ましいが、後者の実現のために前者が成立しなくなることもあるため、最高
のグラウンディングは実験的に確かめなければわからない。本実験では、試行錯誤の結果、配線を図 C.1 のよ
うに施した。
図 C.1
本実験でのグラウンディングを含めた配線図。
56
謝辞
本研究は、たくさんの人たちに支えられて立ち上げることができました。牧島先生には、物理だけでなく実
験の意義を、根源まで立ち返って考えることの大切さを教えていただきました。指導教官の中澤先生には現場
で具体的かつ有益なアドバイスを何度もいただき、そのおかげで、厳しいスケジュールの中、本論文を完成さ
せることができました。共同実験者である PD の内山さんは、軽率な行動をとりがちな自分に、実験の進め方
や結果の解釈について適切なアドバイスをくれただけでなく、そのすばらしい人柄は、私の研究生活の支えで
もありました。山田さんには、博士論文で忙しい中、実験の進行状況をいつも心配して下さいました。実験で
問題が発生したときに、いかに解決に向けた手順を踏むかを教えて下さり、また、天体解析でも多大な指導を
賜りました。私の修士生活 2 年間は、山田さんなしでは成立し得ませんでした。湯浅さんには、SpaceWire 通
信のためのソフトとハードや 8 ch ADCBox など、実験に不可欠な要素を整備していただきました。BGO と
APD の性能評価、光学接着など、シールド部の立ち上げを主導してくれた笹野君、BGO 支持のためにすば
らしい設計を施してくれた中野君、Geant4 で本実験のジオメトリを再現し、シミュレーションを行ってくれ
た桜井君の 3 人の強力な M1 たちは、研究室の誇りです。宇宙研の渡辺さんには、新しい素子での実験の立ち
上げ時に非常にお世話になりました。また同期の斉藤君には、神のワイヤーボンディングで素子を蘇生しても
らいました。
最後に、日常生活や学会、旅行などで様々な伝説を築いてきたエムニーズの仲間との思い出は色褪せること
はないでしょう。
57
参考文献
[1] 北口貴雄、「すざく」による太陽フレアおよび大気からの高エネルギー中性子の観測」、博士論文、東京大
学、2009
[2] 渡辺伸、「テルル化カドミウム (CdTe) 半導体を用いた硬 X 線・ガンマ線撮像用ピクセル検出器の開発」、
修士学位論文、東京大学、2001.
[3] Ideas, VATA461 Documentation
[4] European Space Agency, ECSS-E50-12A, ”SpaceWire: Links, Nodes, Routers and Networks”, 2003
[5] H.Nishioka, “Studies of APD readout of BGO crystal scintillators for the ASTRO−H mission”,
master thesis, The University of Tokyo, 2010
[6] K.Nakajima, “Mechanical design of the Hard X-ray Imager and the Soft γ-ray Detector onboard the
ASTRO-H observator”, master thesis, The University of Tokyo, 2010
[7] T.Yuasa, “Development of SpaceWire-based waveform-sampling pulse height analyzer and its application to a hard X-ray detector”, master thesis, 2007
[8] Nudat 2.5, http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/
[9] 榎戸輝揚、HXI-SGD 用 ASIC VATA 461 & 450 の動作検証、HXI-SGD チーム内部資料、2010
[10] NIST, XCOM, http://www.nist.gov/pml/data/xcom/index.cfm
58