2022 Fiscal Year Annual Research Report
重元素ナノ粒子添加ピコ秒シンチレータによる放射光X線時間分解イメージング
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21H03743
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
岸本 俊二 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, シニアフェロー (00195231)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 真伸 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (00222117)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | プラスチックシンチレータ / シリコン・アバランシェフォトダイオード / 高エネルギーX線 / ピコ秒分解能 / 時間分解測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
A-1.ビスマス酸化物の他、ハフニウムおよびジルコニウム酸化物ナノ粒子を添加したプラスチックシンチレータ(PLS。溶媒：スチレンまたはビニルトルエン)製作に適したサブナノ秒オーダー発光の蛍光体を合成し、KEK PFビームラインBL-14AにてX線入射時の発光量・出力波高分布、時間特性（時間分解能 、発光寿命）の測定を行い、発光量が最大となる蛍光体選定やmol濃度などの最適なPLS組成の探索を継続した。サブナノ秒発光寿命で実用的な発光量を示す蛍光体の作製はかなわなかったが、既存の比較的大型の光電子増倍管を有するシンチレーション検出器に適した25mm径かつ検出効率を高めるため5mm厚のプラスチックシンチレータ作製に成功した。今後の製品普及が期待できる。
A-2.シンチレ ーション光のピクセル分離のためのレーザーによる「仕切り」加工を、照射条件の最適化の上でリニアアレイ装着に適した形状で再度試みた(委託)。市販MPPCアレイ（3mm角素子の4x4アレイ）を使って隣接したMPPCピクセルでの「仕切り」によるシンチレーション光収集の強度分布の変化、半値幅100μm程度の仕切り部周辺の収集された光強度分布について60keV、幅30μmビームを使って評価することに成功した。
B.広帯域（GHzまで）・高S/N比（>10）の実現のため、CMOSフロントエンド回路チップ（FGATI）の再設計（シミュレーションによる）・再製作を行った。
C.新型コロナ禍による半導体素子等の入手困難により128chマルチチャンネルスケーリング（MCS）ボードの新規製作は断念した。APDリニアアレイにAのPLS（20wt%Hf-PLS）を装着して真空下で冷却、APDゲインを確保して高エネルギーX線用シンチレーション検出器として作動させる試みを進めた。より大きなゲインを得るために冷却能力を改良中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
128chMCSボードの新規製作を予定していたが、新型コロナ禍により半導体素子等の入手が困難となり製作できなかった。そのため、その分の予算をもとに、フロントエンドASICの設計を見直して広帯域（GHzまで）・高S/N比（>10）の実現に向けて十分に検討を進めて再度試作を行った。シンチレーション光をSi-APDリニアアレイで受光して高速パルス信号を出力させる準備（高APDゲインを得るための冷却ケース製作）もケース設計ミスがあったために遅れたがFY2022内に冷却能力の改良を進めた。FY2023の早期に高エネルギーX線入射による新ASICによるシンチレーション信号の検出を実現させたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
A.重元素酸化物ナノ粒子充填PLSはナノ粒子金属成分ごとの蛍光体濃度の最適化、径25mmなど比較的大きなサイズの試料を作成し製品展開の基礎とする。
B.フロントエンドASIC（FGATI）は、FY2022内に試作したチップを使って十分に冷却してAPDゲインを高めたリニアアレイにより、アレイの上に装着した20wt%Hf-PLS（厚さ1mm)からのシンチレーション光による高速パルス信号検出の試みを前期中に実施する。照射X線エネルギーは60keVを予定している。この結果によりASICの性能を評価し、今後の時間分解リニアアレイ検出器システム製作の基礎データとする。
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| Remarks |
ピクセル検出器用超高速信号処理システムによってX線構造解析、核共鳴散乱実験などに応用可能な実用的な信号処理システムの開発を目指すことを説明するページ。
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