次世代ガンマ線望遠鏡・ガンマカメラ、超広角コンプトンカメラ

概要
私たちは、検出器の中でおこるコンプトン散乱を効率よく利用し、高い感度でガンマ線を観測するための技術として、世界に先駆けて、シリコン (Si) やテルル化カドミウム (CdTe) 半導体撮像素子を用いたSi/CdTeコンプトンカメラ、さらにそれを数十層にわたって積層した半導体コンプトンカメラの開発を行ってきました。それぞれの撮像素子が高いエネルギー分解能を持つ事、半導体撮像素子の特徴である高い位置分解能を持つことから、それらを組み合わせたコンプトンカメラは、ガンマ線の入射方向、エネルギー、強度を精度よく測定することができます。Si/CdTeコンプトンカメラは常温動作が可能なこと、また、高密度実装技術により小型化が可能な事も大きな特徴のガンマ線イメージング検出器（ガンマ線可視化装置）です。衛星に搭載し、宇宙から到来するガンマ線を観測するための次世代型ガンマ線望遠鏡としての用途の他、放射性物質の分布の可視化など、様々な分野への応用が期待されています。

Prototype Si/CdTe半導体コンプトンカメラ（ガンマ線イメージャー）の試作機（BBM 2007年)

最近の発表資料


記者会見資料 (2012.3.29)


「超広角コンプトンカメラ」による放射性物質の可視化に向けた実証試験について
添付資料1
添付資料2

英語版
Visualization of Radioactive Substances with JAXA's 'Ultra-wide-angle Compton Camera'
Attachment-1
Attachment-2

国際会議発表資料 (2012.3.29)


  • High Resolution CdTe detectors and Applications to Gamma-ray Imaging
    ( IEEE, Nucl. Sci. Symposium, Valencia, 2011（招待講演） ) View Graph
  • High Energy and Position Resolution CdTe Diode Double-Sided Strip Detectors
    ( IEEE, Nucl. Sci. Symposium, Valencia, 2011　 ) View Graph
  • in-vivo multi-probe tracker based on astrophysical gamma-ray detector technology
    ( IEEE, Nucl. Sci. Symposium, Valencia, 2011 ) View Graph
  • Recent Advances on CdTe/CdZnTe detectors
    ( International Conference on New Developments In Photodetection,NDIP08, 2008　　（招待講演） ) View Graph

解説


(1) コンプトンカメラ


コンプトン散乱は，数10 keVから数100 keVまでのエネルギー範囲で主要なガンマ線の反応です（入ってきたガンマ線は、まずはコンプトン散乱を起こす）。ガンマ線は ある一定の確率で物質内で反応をおこします。反応を起こさない場合はそのままのエネルギー、到来方向のまま抜けてしまいますが、コンプトン散乱の反応をおこすと、検出器中に入ってきたガンマ線が，検出器中の電子にエネルギーを部分的に渡し，その後検出器から抜けてしまうことが起こります（検出器の中でさらに光電吸収反応を起こして止まる場合もあります）。この電子のエネルギーと、散乱され、エネルギーが低くなった二次ガンマ線が光電吸収反応によって失ったエネルギーとを、それぞれの反応の場所とともに、独立に検出することによって，入射ガンマ線のエネルギーばかりではなく，その到来方向を、コリメータやコーデドマスクを用いることなしに、求めることができます（コンプトン散乱の原理）。この原理を応用したガンマ線検出器がコンプトンカメラあるいは コンプトン望遠鏡です。

Comptonカメラの原理
コンプトンカメラの原理
コンプトン散乱で電子に与えたエネルギーE1，散乱されたガンマ線のエネルギーE2，および，コンプトン散乱を起こした場所と，散乱されたガンマ線が光電吸収された場所を知ることができれば，入射ガンマ線光子の到来方向をθを持つ円錐面に制限することができ，天空上では円環として与えられます． そこで同一のガンマ線源から，複数のガンマ線を検出できれば，それらガンマ線光子の円環が重なりあう交点からガンマ線源の位置を求めることができます。コンプトン散乱の情報を正確に知り、角度分解能の高いコンプトン望遠鏡を開発するためには，構成する検出器が，位置分解能とともに，エネルギー分解能にも優れていることが望まれます．


(2) Si/CdTe (シリコン／カドテル）コンプトンカメラ


Comptonカメラの原理
コンプトンカメラの原理
Si/CdTeコンプトンカメラでは、各層で、検出された位置とエネルギーとから、検出器中で起こるコンプトン散乱を、コンプトン散乱の運動学に従って再構成し、入射してくるガンマ線の方向とエネルギーを決定します。コンプトンカメラにおいて、エネルギー分解能は、入射ガンマ線のエネルギーを高い精度で知るばかりではなく、高い角度分解能を得るために、非常に大切な要素です。

私たちは、数10keVというような低いエネルギーから数100 keVさらには数MeVという高いエネルギーのガンマ線を精度よく観測するためことを目標として開発を行って来ました。Si/CdTeコンプトンカメラでは、新たに開発したエネルギー分解能 1 keV (FWHM) というようなシリコンストリップ検出器を散乱体として用います。そしてテルル化カドミウム(CdTe)という新しいガンマ線に対して吸収効率の大きな半導体を吸収体として用います。このテルル化カドミウム半導体は、本研究室が長年にわたって研究を行って来たもので、ダイオード化することで、高いエネルギー分解能を持たせることに成功したものです。

Si/CdTe半導体コンプトンカメラは、非常にコンパクトでありながら高い検出効率を持ちます。それはシリコンストリップ検出器やテルル化カドミウム検出器を多層化させているからです。そのため、多層のガンマ線イメージセンサーからの沢山の電子信号を処理するために独自の低雑音アナログVLSIや先端実装技術を駆使した設計になっています。

記者発表に用いた資料は こちら

Si/CdTe Compton Camera
Si/CdTeコンプトンカメラによるガンマ線可視化実験 (2007)
SiCdTe_Setup.jpg
Si/CdTeコンプトンカメラの上面から 約6cm離れたところに、133Baと22Naの線源を設置。その方向から飛来するガンマ線を取得し、線源を可視化する。



(3) Si/CdTeコンプトンカメラの応用　-- 次世代ガンマ線カメラ --



宇宙ガンマ線の観測、あるいは地上での非破壊検査や放射線モニターなど、数10 keVから数MeVの エネルギー範囲で、感度の高い検出器が求められています。 私たちが、本研究室の持つ 高いエネルギー分解能をもったCdTe半導体検出器の技術をベースとして、開発したSi/CdTe半導体コンプトンカメラは、「エネルギー分解能が高く、位置分解能も高い半導体イメージングセンサーだけで構成された コンプトン望遠鏡」という、高度に先端的な技術を駆使した「ガンマ線可視化装置」です。

宇宙観測においては、目的に応じて二つの型の望遠鏡を開発しています。一つはASTRO-H衛星用に開発を行っている 視野をしぼった検出器 (Soft Gamma-ray Detector:SGD)、もう一つは、小型衛星を用いた全天ガンマ線 サーベイ(CAST)のための視野の広い検出器です。

Si/CdTe半導体コンプトンカメラは、従来に比べて桁違いに小型な革新的医療機器として、医療分野への応用が考えられます。この技術を使えば、これまで発見しにくかった小さなガンを発見したり、ガンだけに集中してビームをあて、ガンを焼き切る重粒子線治療などの放射線医学を発展させることができます。放射線を吸収した植物内部の栄養素や有害物質を定量的に検査できる装置などへの応用も期待されます（資料はこちらとこちら。

また、屋内外での放射線モニターカメラとしても展開が期待されます。高い角度分解能を持つコンプトンカメラの技術があれば、数m〜数10m先のどこにどれだけ放射線源が存在するかを可視化することができます。また高いエネルギー分解能を持つという事は、ヨウ素やセシウムなどの核種からでてくる固有のガンマ線を識別し、独立にイメージをとれる事を可能とします。

すでに、試作器による80 keVから662 keVにいたるまでの範囲でのイメージング、SPring-8を用いたガンマ線偏光観測の実証、エレクトロニクスを含めた試作器の大気球への実証をすませ、現在はASTRO-H衛星に搭載すべく共同で開発を行っています。

(参考資料）宇宙観測用硬X線、ガンマ線検出器技術の異分野への展開、


本研究室が開発を進めてきた宇宙観測用硬X線、ガンマ線カメラの技術を異分野に展開することとなり、宇宙開発委員会に報告しました。 詳しくはこちら





(4) Si/CdTe半導体コンプトンカメラの要素技術


本研究室は、長年にわたってX線やガンマ線検出技術の研究を進めてきました。 最近ではテルル化カドミウムやシリコンなどの半導体を用いた放射線イメージャーの研究が中心です。 こららの半導体イメージャーや読み出しのアナログLSIなど、開発に十年以上もかけた要素技術を用いることで Si/CdTeコンプトンカメラは実現しているのです。CdTe半導体を用いた微細なピクセル検出器や 両面ストリップ検出器は本研究室がACRORAD社と共同で、世界に先駆けて開発に成功したものです。 半導体多層コンプトンカメラの概念図と多層シリコンストリップ検出器の試作
SGD by Yuriko SGD by Yuriko

新しく開発した両面ストリップシリコン検出器のイメージング性能（金属のマスクを用いたシャドーイメージ）とスペクトル性能
SGD by Yuriko SGD by Yuriko


本研究室は名古屋大学・田島研究室、大阪大学・能町研究室、広島大学深沢研究室他と共同で、様々な試作器の開発を行っています。主に、CdTe検出器はアクロラド社、シリコンストリップ検出器は田島教授、浜松ホトニクス、また、Si/CdTeコンプトンカメラは・田島研究室と三菱重工業名誘、低雑音アナログVLSIはIDEAS社と、そして、Space Wireを用いたデータ収集装置は大阪大学・能町研究室との共同研究によるものです。

ASTRO-H 軟ガンマ線検出器（SGD）への応用

アクティブシールドとファインコリメータにより視野を狭めることで、視野から入ってくるという条件と、コンプトン運動学の条件とが一致することを要求することで、感度をあげる。また、コリメータはコンフュージョンリミットによる低エネルギー側での感度の低下を防ぐのに有効である。SGD by Yuriko
半導体多層コンプトンカメラと井戸型シールドによる高感度 ソフトガンマ線望遠鏡の概念


論文


2011年

  • High-resolution Compton cameras based on Si/CdTe double-sided strip detectors
    ( Hirokazu Odaka, , Yuto Ichinohe, Shin'ichiro Takeda, Taro Fukuyama,Koichi Hagino, Shinya Saito, Tamotsu Sato, Goro Sato, Shin Watanabe, Motohide Kokubun, Tadayuki Takahashi, Mitsutaka Yamaguchi, Takaaki Tanaka, Hiroyasu Tajima, Kazuhiro Nakazawa, Yasushi Fukazawa Nucl. Instr. Meth. A (2011) )

    2010年

    • High-Resolution CdTe Detectors and Application to Gamma-Ray Imaging
      ( T. Takahashi, S. Watanabe, S. Ishikawa, Semiconductor Radiation Detection System, Ed. K. Iniewski, CRC Press, pp.171-192, 2010 )
    • Development of an integrated response generator for Si/CdTe semiconductor Compton cameras ( Hirokazu Odaka, Soichiro Sugimoto, Shin-nosuke Ishikawa, Junichiro Katsuta, Yuu Koseki, Taro Fukuyama, Shinya Saito, Rie Sato, Goro Sato, Shin Watanabe, Motohide Kokubun, Tadayuki Takahashi, Shin’ichiro Takeda, Yasushi Fukazawa, Takaaki Tanaka, Hiroyasu Tajima Nucl. Instr. Meth. A, 624, pp.303-309, (2010) )
    • Polarimetric performance of Si/CdTe semiconductor Compton camera
      ( S. Takeda, H. Odaka, J. Katuta, S,-N, Ishiawa, S.-I, Sugimoto, Y. Koseki, S. Watanabe, G. Sato, M. Kokubun, T. Takahashi, K. Nakazawa, Y. Fukazawa, H. Tajima, H. Toyokawa, NIM A, 622, pp. 619-627, (2010) )
    • CdTe半導体を用いた高エネルギー分解能ガンマ線イメージャーの開発
      ( 渡辺 伸、佐藤 悟朗、高橋忠幸、放射線、36, 2, pp. 59-78、2010 )

    2009年

    2008年

    2007年

    • New CdTe pixel gamma-ray detector with pixelated Al schottky anodes ( Watanabe, S., Ishikawa, S., Takeda, S., Odaka, H., Tanaka, T., Takahashi, T., Nakazawa, K., Yamazato, M., Higa, A., Kaneku, S. JJAP, 46, pp. 6043-6045, 2007 )
    • Development of Double-Sided Silicon Strip Detectors (DSSD) for a Compton Telescope
      ( S. Takeda, S. Watanabe, T. Tanaka, K. Nakazawa, T. Takahashi, Y. Fukazawa, H. Yasuda, H. Tajima, Y. Kuroda, M. Onishi, K. Genba, NIM A, 579, pp. 859-865,2007 )
    • Development of Semiconductor Imaging Detectors for a Si/CdTe Compton Camera
      ( S. Watanabe, S. Takeda, S.N. Ishikawa, H. Odaka, M. Ushio, T. Tanaka, K. Nakazawa, T. Takahashi, H. Tajima, Y. Fukazawa, Y. Kuroda, M. Onishi NIM A, 579, pp. 871-877,2007 )
    • Performance Study of Si/CdTe Semiconductor Compton Telescopes With Monte Carlo Simulation
      ( H. Odaka, S. Takeda, S. Watanabe, S.N. Ishikawa, M. Ushio, T. Tanaka, K. Nakazawa, T. Takahashi , H. Tajima, Y. Fukazawa,. NIM A, 579, pp. 878-885,2007 )

    2006年

    • A Si/CdTe Compton Camera for gamma-ray lens experiment ( Tadayuki Takahash, Experimental Astronomy, Volume 20, pp. 317-331, 2006) [PDF 1.4 MB]
    • Recent results from a Si/CdTe semiconductor Compton telescope
      ( Takaaki Tanaka, Shin Watanabe, Shinichiro Takeda, Kousuke Oonuki, Takefumi Mitani, Kazuhiro Nakazawa, Takeshi Takashima, Tadayuki Takahashi, Hiroyasu Tajima, Naoyuki Sawamoto, Yasushi Fukazawa, Masaharu Nomachi, NIM A, NIM A, 568, pp. 375-381, 2005)
    • Development of CdTe Pixel Detectors for Compton Cameras
      ( Shin Watanabe , Takaaki Tanaka , Kousuke Oonuki , Takefumi Mitani , Shin’ichiro Takeda , Tetsuichi Kishishita , Kazuhiro Nakazawa , Tadayuki Takahashi , Yoshikatsu Kuroda, Mitsunobu Onishi, Nucl. Instr. Meth. A, 567, pp. 150-153, 2006 )
  • Recent results from a Si/CdTe semiconductor Compton telescope
    ( Takaaki Tanaka, Shin Watanabe, Shinichiro Takeda, Kousuke Oonuki, Takefumi Mitani, Kazuhiro Nakazawa, Takeshi Takashima, Tadayuki Takahashi, Hiroyasu Tajima, Naoyuki Sawamoto, Yasushi Fukazawa, Masaharu Nomachi, NIM A, vol.568 p.375-381, 2006 )
  • Development of CdTe Pixel Detectors for Compton Cameras
    ( Shin Watanabe, Takaaki Tanaka, Kousuke Oonuki, Takefumi Mitani, Shin’ichiro Takeda, Tetsuichi Kishishita, Kazuhiro Nakazawa, Tadayuki Takahashi, Yoshikatsu Kuroda, Mitsunobu Onishi, Nucl. Instr. Meth. A, 567, pp.150-153、2006 )
  • CdTe/CdZnTeを用いた硬X線・ガンマ線イメージングセンサー
    ( 高橋忠幸、放射線、32, 1, pp. 11-28、2006 )

    2005年

    • Results of a Si/CdTe Compton telescope,
      ( Kousuke Oonuki, Takaaki Tanaka, Shin Watanabe, Shin'ichiro Takeda, Kazuhiro Nakazawa, Takefumi Mitani, Tadayuki Takahashi, Hiroyasu Tajima, Yasushi Fukazawa, Masaharu Nomachi, HIGH-ENERGY DETECTORS IN ASTRONOMY, SPIE, vol. 5922, pp. 78-88, 2005 [PDF 1.8 MB] )
    • A Si/CdTe Semiconductor Compton Camera
      ( Shin Watanabe, Takaaki Tanaka, Kazuhiro Nakazawa, Takefumi Mitani, Kousuke Oonuki, Tadayuki Takahashi, Takeshi Takashima, Hiroyasu Tajima, Yasushi Fukazawa, Masaharu Nomachi, Shin Kubo, Mitsunobu Onishi, Yoshikatsu Kuroda, IEEE Trans. Nucl. Sci., pp.2045-2051, 2005. [PDF 3.1 MB] )

    2004年

    • Application of CdTe for the NeXT Mission
      ( Tadayuki Takahashi, Kazuhiro Nakazawa, Shin Watanabe, Goro Sato, Takefumi Mitani, Takaaki Tanaka, Kousuke Oonuki, Ken'ichi Tamura, Hiroyasu Tajima, Tuneyoshi Kamae, Greg Madejski, Masaharu Nomachi, Yasushi Fukazawa, Kazuo Makishima, Motohide Kokubun, Yukikatsu Terada, Jun Kataoka, Makoto Tashiro, Nucl. Instr. Meth. A, in press, 2004 [PDF 2.3 MB] )
    • Development of a Si/CdTe semiconductor Compton telescope
      ( Takaaki Tanaka,Takefumi Mitani,Shin Watanabe,Kazuhiro Nakazawa, Kousuke Oonuki, Goro Sato, Tadayuki Takahashi, Ken’ichi Tamura, Hiroyasu Tajima, Hidehito Nakamura, Masaharu Nomachi, Tatsuya Nakamoto, Yasushi Fukazawa Proc. SPIE, vol. 5501, 229-240, 2004 [PDF 1.5 MB] )
    • Wide band X-ray Imager (WXI) and Soft Gamma-ray Detector (SGD) for the NeXT Mission
      ( T. Takahashi, A. Awaki, T. Dotani, Y. Fukazawa, K. Hayashida, T. Kamae, J. Kataoka, N. Kawai, S. Kitamoto, T. Kohmura, M. Kokubun, K. Koyama, K. Makishima, H. Matsumoto, E. Miyata, T. Murakami, K. Nakazawa, M. Nomachi, M. Ozaki, H. Tajima, M. Tashiro, T. Tamagawa, Y. Terada, H. Tsunemi, T.Tsuru, K. Yamaoka, D. Yonetoku, and A.Yoshida, Proc. SPIE, 5488, in press, 2004 [PDF 0.70 MB] )
    • A Prototype Si/CdTe Compton Camera and the Polarization Measurement
      (Takefumi Mitani,Takaaki Tanaka, Kazuhiro Nakazawa, Tadayuki Takahashi, Takeshi Takashima, Hiroyasu Tajima, Hidehito Nakamura, Masaharu Nomachi, Tatsuya Nakamoto, Yasushi Fukazawa, IEEE Trans. Nucl. Sci., pp.2432-2437, 2004 )[PDF (0.3 MB)]
    • X線・γ線による宇宙放射線イメージング　（放射線イメージング技術の最前線　第5回）
      ( 高橋忠幸、Radioisotopes、53, 2, pp. 85-94、2004 )[PDF (2.7 MB)]
    • CdTe/CdZnTe 半導体を用いたガンマ線検出器と宇宙観測への応用
      ( 高橋忠幸、中澤和洋、物理学会誌、1月号、2004 )
    • Hard X-ray and Gamma-Ray Detectors for the NEXT mission
      (Si/CdTe Compton Camera)
      ( Tadayuki Takahashi, Kazuo Makishima, Yasushi Fukazawa, Motohide Kokubun, Kazuhiro Nakazawa, Masaharu Nomachi, Hiroyasu Tajima, Makoto Tashiro, Yukikatsu Terada, New Astronomy Reviews, 48, pp. 309-313, 2004 [PDF 0.52 MB] )

    2002年

    • High resolution CdTe detectors for the next generation multi-Compton gamma-ray telescope
       (CdTe-based Compton Camera)
      ( Tadayuki Takahashi, Kazuhiro Nakazawa, Tuneyoshi Kamae, Hiroyasu Tajima, Yasushi Fukazawa, Masaharu Nomachi, and Motohide Kokubun, SPIE vol 4851, pp. 1228-1235, 2003)[PDF (1.4 MB)]

    2001年

    • Future Hard X-ray and Gamma-ray Observations　
       (Narrow FOV Compton Camera)
      ( T. Takahashi, K. Makishima, T. Kamae, in New Century of X-ray Astronomy, Astronomical Society of Pacific, volume 251, 210-213, 2001 [PDF (0.9 MB)]