撚 放射線高速計測システムの耐放射線性能向上のための研究開発

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放射線 高速計測 システ ムの耐放射線性能向上 のための研 究開発

田村 忠 久*鳥 居 祥 二**高 柳 昌 弘***久 保 信****

Researchanddevelopmenttoimproveresistancetoradiationofafastdetectorsystem

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T舳saTAMURA*Sh(瀕iTORI工**MasahiroTAKAYANAGI***ShinKUBO****

1.は じめ に

現在 、 宇宙 や 地球 大気 圏 で起 こる高 ヱネ ル ギー 粒子 に よ る宇 宙線 現 象 の解 明 を 目指 して 、次 世代 の観 測 装置 の 開発 を行 っ てい る。 そ の一 つ は図1に 示す よ うに、 電子 や ガ ンマ線 とい った 宇宙 線 を スペ ース ス テー シ ョンな ど の飛 翔 体 を利 用 して 検 出す る こ とで、 地球 上 で は見 る こ

図1ス ペ ー ス ステ ー シ ョ ンに2.5ト ン の宇 宙線 観 測 装 置 CALETを 搭 載 して 高エネ ル ギー の電子 、ガ ンマ線 原 子核 の 観 測 を行 って 、宇 宙 にお け る高 エネ ル ギー現 象の解 明 を 目指 す 計 画 を提案 してい る。

*助 教 授 物 理 学 教 室

AssociateProfessor,InstituteofPhysics

**教 授 早 稲 田 大 学 理 工 学 総 合 研 究 セ ン タ ー Professor,AdvancedResearchInstitutefor

ScienceandEngineering,WasedaUniversity

*焙 副 主 任 研 究 員 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構(..) JapanAerospaceExplorationAgency

燃 士技 術 部 員 ク リア パ ル ス ㈱ ClearPulseCo.Ltd.

とも実 現 す る こ とも不可 能 な高 い エネ ル ギー ま で超 新星 残骸 な どにお い て粒 子 が加 速 され るメカ ニズ ムや 、 そ う い っ た高 エネ ル ギー の粒 子 が宇 宙空 間 を伝 播 して くる現 象 を解 明 す るの が 目的 で あ る(1×2×3)。も う一 つ は原 子核 も 含 め た宇 宙 を伝播 して きた 宇宙 線 が、 地球 大 気突 入後 に 大 気 と相 互作 用 して 、次 か ら次 に粒 子 を 多重発 生 す る宇 宙線 空 気 シ ャ ワー とよばれ る超 高エ ネル ギー の現 象 を理 解 す る こ とを 目的 としてい る(図2)。 後者 はスイ ス とフ ラ ンスの 国境 に2007年 に完 成 して世 界最 高 エネ ル ギー を達成 す る予 定 の粒 子加 速器(CERN‑LHC)を 利 用 す る ビ ー ム実 験 の計 画 で ある(図3) 。加速 器 で実 現 で き るエネ ル ギー は 宇宙 線 の最 高エ ネル ギー よ りもまだ3桁 も低 い が 、詳 細 な研 究 が可 能 とな る ビー ム実 験 で は前人 未踏 の 領域 であ る。 宇 宙線 空気 シャ ワー現 象 と同 じよ うに相 互

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図2高 エ ネル ギー の宇 宙線(陽 子)が 地 球大気 に突 入 した 場合 に起 こす カ スケー ドシャ ワー現象 の シ ミュ レーシ ョン。

52

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図3ジ ュネー ブ近 郊 のス イス とフラ ンスの 国境 に ある欧州 共 同原子 核研 究所CERNで は 、世界 最高 エネル ギー(7艶V) を実 現す る陽 子陽 子衝 突型加 速 器 田Cの 建 設 が行 わ れて い る。 半径4.3kmの 円周の 地下100mに ビー ムパ イプ が設 置 され る。完 成 は2007年 、本 格的 な実 験 の開始 は2008年 の 予 定 にな ってい る。 写真 はCERNの ホー ムペ ー ジωよ り。

味の あ る高 エネ ル ギー の宇 宙線 ほ ど弓鍍 が 弱 くな るた め に大 面積 の装 置 が必 要 とな り、結 果 と して数 万チ ャ ンネ ル の 読 み 出 し処 理 が要 求 され るか らで あ る。 そ して 、加 速 器 に よ る ビー ム実験 で は粒 子 の衝 突点 か ら最 前方 に飛 び 出 して くる粒 子 を検 出す るた め に、 ビー ムパ イ プ の間 に わず か に存在 す る狭 い スペ ー ス に装置 を置 かな けれ ば な らな いた めで あ る。

光 電子 増倍 管 を読み 出す た め のVLSIを 使 った フロ ン トエ ン ド回路 の開発 は進 んで い る が、次 の 段 階 と して上 述 した よ うなVLSIを 含 め た回 路 の耐放 射 線 性能 を 向上

させ る開発 が必 要 とな ってい る。 既 に開発 したVLSIを 耐 放 射線1生に優 れ た も のに改 良す る こ とが 本研 究 の課 題

で あ る。

作 用 した粒 子 が最 前 方方 向 に散 乱 され て くる場所 に、検 出器 を置 い て研 究 を行 うとい う、加 速 器 実験 で もユ ニ ー クな手 法 で あ る(図4)。 このLHCf実 験 は2006年9月 にCERNのLHC委 員 会 で正 式 実験 と して認 め られ た 。 LHCf実 験 は加 速器 施 設 で行 うた め、 宇 宙空 間 以上 に放 射線 レベ ル の高 い環 境下 に実験 装置 が さ らされ る。

どち らの放 射線 検 出 に も、我 々 は荷 電 粒子 に反 応 して 微 弱 な蛍 光(シ ンチ レー シ ョン光)を 出す シ ンチ レー タ を検 出器 と して 用 い る。 微 弱 な光 を電 気 信 号 に変 えて 増 幅 す るた め の光 電子 増倍 管 は放 射 線損 傷 に強 く、 そ の影 響 を考 え る必 要 は ない。 これ に対 して 、光 電子 増倍 管 の 信 号 を読 み 出す フ ロン トエ ン ド回路 は省 スペ ー ス化 お よ び省 電 力 化 のた めにVLSI化 を行 う必 要 が あ る。VLSIは 半 導体 チ ップで あ るた め 、宇 宙空 間や 加 速器 施 設 で の使 用 は放 射 線 損 傷 に留 意 す る必 要 が 出 て く る。 そ れ で も VLSI化 を行 う理 由は、まず 宇 宙空 間にお け る実 験 で は興

図5シ ンチ レー テ ィ ング ファイバ ー(1㎜ 角)を 横 一列 に 並 べ たシー トの断面 。

2.シ ンチ レー テ ィン グ ファイ バー 検 出器 2.1宇 宙線 観 測 用(CALET)

我 々 の 開発 した放射 線検 出器 は シ ンチ レー テ ィ ング フ ァイ バ ー を採用 して い る⑤。これ は 図5の よ うな 断面 が1 皿 角の フ ァイバ ー で 、 コア材 にシ ンチ レ0タ が用 い られ

て い る。 この フ ァイバ ・一を横 一 列 に並べ てシ ー ト状 に し た もの を 、鉛 やタ ング ステ ン とい った物 質 量 の大 きな板 と交 互 に積 層 した もの が検 出器 とな ってい る。 スペ ー ス ステ ー シ ョンに搭 載す る計画 の 検 出器 の概 念 図(断 面) を図6に 示 した。

検 出器 に入 射 して き た高エ ネ ル ギー の電 子 、ガ ンマ線 、 陽 子、 重粒 子 といっ た粒 子 は、鉛 な どの物 質層 で電 磁相

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図4陽 子は2本 の ビー ムパ イ プの 中を それぞ れ反 対方 向 に回 り、衝突 点付 近 では1本 の ビー ムパイ プ に合流す る。衝 突点 か ら140m離 れた ところに ビー ムパイ プ の分岐 点が あ り、そ の 96mmの 隙 間 に検 出器 を置 くこ とで 、衝 突点 か ら最 前方 に散 乱 して くる中性 の粒 子(ガ ンマ線 中性 子)を 測定す る ことが で き る。

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図6ス ペー ス ステー シ ョン に搭 載 す る計画 のCALETの 検 出器 の概 念 図。 上部 の シンチ レー テ ィ ング フ ァイ バー で で き たイ メー ジ ングカ ロ リメー タ(nvtc)と 、 下部 のBGOシ ン チ レー タを組ん だ全 吸収型 カ ロ リメー タ(TASC)か らな る。

放 射線高速 計測 システム の耐 放射線性 能向上 のため の研 究開発 53

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図7お よそ3cm角 の受光 面 の中 に8×8の マ トリックス状 に 64チ ャンネル 分 のア ノー ドを持 った光 電子 増倍 管(浜 松 ホ ト ニ ク ス)。出力端 子 は この裏側 にある。

互 作用 や 核相 互 作用 を起 こ して 、二次 粒 子 を多 数発 生す る。 この相互 作 用 が繰 り返 され る こ とに よって 、発 生 し た粒 子 群 が あた か もシャ ワー の よ うな形 状 に な るた め、

この現 象 は カ スケー ドシ ャ ワ0と 呼 ばれ て い る。 図2に 示 した大 気 中 での カス ケー ドシ ャ ワー現 象 と同 じもの が

図6に 示 した よ うに検 出器 内で起 こ る。 カ ス ケー ドシ ャ ワー のサ イ ズ は大気 中で は数 ㎞ で あ るが 、検 出器 内で は相 互 作 用 を起 こす 物質(鉛 や タ ングス テ ン)の 密 度 が 高 い た めに数10cmと な る。

シ ン チ レー テ ィ ン グ フ ァイバ ー の シ ー トは フ ァイ バ ー がXY方 向 に直 交 す る よ うに重 ね られ て二 層 で一組 と

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図8電 子 がCALETに 入 射 した とき に取得 され るカス ケー ド シ ャ ワー のXY画 像 を、入 射 エネル ギー が10GeV(上)、100 GeV(下)の 場 合 につ いて シ ミュ レー シ ョン した例 。画像 の上 部 は シン チ レー テ ィ ング フ ァイバ ー に よるイ メー ジ ン グカ ロ リメー タの醐 で ご っ の点 が1㎜ 働 ファイバ ー1本 に対 応 してい る。 下部 は断 面が2.5cm角 のBGOに よる全 吸収型

カ ロ リー メー タの 画像 であ る。

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な って い る。 そ こ をカス ケー ドシ ャ ワー 中の荷 電粒 子 が 通 過 す る とシ ンチ レー シ ョン光 が発 生 し、 そ の光 が フ ァ イバ ー方 向に伝 播 して光電 子 増倍 管(図7)の 受 光面 に 到 達 して電気 信 号 に変 換 され る。 この信 号 を読 み 出す こ とに よっ て粒 子 通過 点 のXY位 置 が求 ま り、 カス ケー ド シ ャ ワー をXY方 向 に投 影 して側 面 か ら捉 え た図8の よ うな画像 が得 られ る。

スペ ー スス テー シ ョンにお い て高 エネ ル ギ0の 宇宙 線 (電子 、 ガ ンマ線 、原 子核)を 観 測 す る計 画 に用 い る検 出器(CALET)は 、図9の 上 部 の よ うに シン チ レーテ ィ ン グ ファイバ ー が1024本 並べ られ た 幅約1mの シ ー トを XYの 各方 向に それ ぞれ18枚 使 用 して、合 計36864本 の

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図10ア ナ ロ グVLSI(VA32HDR14)。 前置 増幅 器、波 形 整 形増 幅 器 、サ ンプル ホー ル ド回路 の組 を32チ ャ ンネル分 、 さ らに サ ンプル ホール ドされ た電 圧 を順 次読 み 出す た め のア ナ げ マノvプ レクサ を内蔵 サ イ ズは4.375×3,330㎜2。

54 神 奈川大 学工学研 究所所報 第29号

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2cm角 と40m角 の タワ ー2本 蒙灘灘 嚢難灘

図11CERN‑LHC加 速器 を用 いた 最前方 散 乱粒子 測 定実験 LHCfに 用 い る検 出器 に400GeVの ガ ンマ線 が入 射 した場 合 の シ ミュ レー シ ョン。タン グステ ン とシ ンチ レー タを積 層 した タ ワー 中でカ スケ ー ドシ ャワー が発生 す る。途 中に挿 入 された シ ンチ レー テ ィ ング フ ァイバ ー シ ー トで カ スケ ー ドシ ャ ワー の断 面画像 を取得す る。

シ ンチー テ ィ ング フ ァイバ ー を用 い る予 定 で あ る。 それ ぞ れ の フ ァイ バ0か らの シ ンチ レー シ ョン光 は 光電 子増 倍 管 に よっ て独 立 に電 気信 号 に変i換され て処 理 され る。

そ の 際 に必要 な信 号 処理 回 路 と して 、前置 増 幅器 と波形 整形 増 幅器 とサ ンプ ル ホー ル ド回 路 を1組 と した もの が 36864チ ャ ンネ ル分 必 要 にな る。 光電 子増 倍 管 か らの ア ナ ログ信 号 を長 く引 き回す と雑 音 の要 因 とな るた め、検 出器 の直 近 で信 号処 理 を行 わ な けれ ばな らない。 そ の た めに32チ ャンネル 分 の信 号 処理 を1チ ップ に内蔵 した 図 10の よ うな アナ ログVLSI(VA32HDR14)を 開発 し、検 出器 の直近 で信 号処 理 を行 うフ ロ ン トエ ン ド回 路 を開発 して い る。

2.2ビ ー ム 実験 用(LHCf)

CERN‑LHCに おい て最 前方 に散 乱 され る中性粒 子(ガ ンマ線 や 中性 子)を 測 定す るLHCf実 験 に も、CALETで

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図12GALET用 に 開発 した フ ロン ドエ ン ド回 路の試 作 機の 籔 両脇 の2枚 の それ ぞれ にアナ ログVLSI(VA32HDR14) とADCが1チ ップずつ マ ウン トされ 、AD変 換 ま でが行 われ る。 中央 の2枚 はデ ジタル 回路 に なって お り、AD変 換 の制 御 及 びバ ス ライ ン との通信 制御 を行 う。

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用 い る検 出器 と同 じ原 理 を利 用 してい る。 このLHCfの 検 出器 は 図11に 示 した よ うに、 そ の断 面 が2cmと4cm

の二 種類 、長 さが30cm弱 の タ ワー状 の構 造 にな って お り、

CALETと 比 べ る と非 常 に小 型 で あ る。粒 子 の位 置 を検 出す るシ ンチ レー テ ィ ン グ フ ァイ バ ー の シー トは幅2

㎝ の もの が8枚 、幅4cmの もの が8枚 で あ るた め、 シ ンチ レーテ ィン グフ ァイバ ー は合 計480本 で あ る。 しか し、検 出器 の設 置 場所 が96皿 幅 と極 端 に狭 い た め 、信 号 読 み 出 しのた めの 回路 はや は り小 型 化 す る必 要 が あ る。

その た め、 当初 はCALET用 に開発 して き たVLSIを 用 いた フ ロ ン トエ ン ド回路 の試 作機 を利 用 した。

3.フ ロン トエ ン ド回路

CALET用 フロ ン トエ ン ド回 路 と して 開発 を した試 作 機 は 、図12の よ うに1本 の光 電 子増 倍 管 に対 して幅 が3 cm弱 の4枚 の 両面 基板 か らな る。光 電 子増 倍 管 の 出力 は 64チ ャ ンネ ル で ある ので 、そ れ を処 理す る32チ ャ ンネ ル の アナ ロ グVLSI(VA32HDR14)が2チ ップ必 要 に な る。VA32HDR14か らア ナ ロ グマル チ プ レクサ に よっ て 読 み 出 され るアナ ログ信 号 は、即 座 に 同 じ基板 上 に マ ウ ン トされ た16bitのADCに よっ てAD変 換 され る。AD 変 換 レー トは最 大250kHzで あ る が、 ノイ ズ等 を考慮 し

て100kHz(1チ ャ ンネル 当 りの変換 時間10μ 秒)で 使 用 して い る。 マ ル チ プ レクサ に よるチ ャ ンネル の切 り替 え とAD変 換 の シー ケ ンス は、 デ ジ タル 回路 を集 結 した 別 の2枚 の基 板 にFPGAを 搭載 して 制御 して い る。図13

は、4枚1組 の フ ロン トエ ン ド回路 の 基板 を光電 子増 倍 管 の 受光 面 と反 対側 の出力 端 子 に取 り付 けた とこ ろで あ

る。

ビー ム実験 に用 い るLHCf用 の フ ロン トエ ン ド回 路 に も、 予備 実験 の段 階 では 、 この フ ロ ン トエ ン ド回 路 の試

図13フ ロン トエ ン ド回 路 の基板 を光 電 子増倍 管 の 出力 に取 り付 けた ところ。反 対側 はデ ジ タル デー タ読み 出 しのた め のバ ス とな って い る。

放射線高 速計測 システ ムの耐放射線性 能 向上 のた めの研 究 開発 55

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図14ビ ー ム実験 用 に新規 に製 作 した フ ロ ン トエ ン ド回路 ユ ニ ッ ト。光 電子増 倍 管8本 分(512チ ャンネ ル)の 読 み 出 しが で き る。 予備 実験 に用 いた もの よ り、高速 化 した のみ な らず 、 さらに小型 化 も行 われ た。

作 機 を用 い た。 これ に よ り、非 常 に コンパ ク トな検 出器 を製 作 す る こ とがで き 、 シ ンチ レーテ ィ ング フ ァイ バ ー と光 電 子増 倍 管 を組 み合 わ せ た高 速 なイ メー ジデー タの 収集 装 置 が完 成 した。

この 予備 実 験 の 結 果 を も とに 、 さ らに改 良 を加 え た LHCfの 本 番 用 の検 出器 の製 作 を行 っ た。 フ ロン トエ ン ド回路 も ビー ム実 験 専用 に使 用 す るた めの もの を新 規 に 製 作 し、 高速化 を施 す と共 に 、で きる限 りの耐放 射 線 性 を考 慮 した 部 品 選 定 を行 っ た。 まず 、高 速 化 の た め に ADCを 高速 な ものに変 更 した。 これ に よって32チ ャン ネル 分 のAD変 換 レー トが それ ま での5倍 の500kHzと な った(最 高 は1MHzで あ るが 、や は りノイ ズ な どを考 慮)。 さ らに、内部 バ ス をパ ラ レル化 して 、AD変 換 され たデ ジタル デ ー タの 吸 い上 げ速 度 の高 速化 を図 った。 ま た 、予備 実 験 用 に利用 した フ ロ ン トエ ン ド回路 は、数cm で は あ るが装 置全 体 の ケ0ス に収 ま らな か った た め、 コ ネ ク タ位 置 の 変更 な どに よっ て、 さ らな る小型 化 を行 っ た。 図14が 完 成 した512チ ャンネ ル分 を読 み 出せ る フ

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図15ビ ー ム実 験用 フロ ン トエ ン ド回路 ユニ ッ トに光 電子 増 倍 管 を取 り付 けてい る とこ ろ。

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図16㈱ 医翻 麟 子伽 加 齢 ㎜C)で

の290MeV/uのCビ ーム照 射 実験 、写真 右 に ビーム 出 口 とな る ビームパ イ プが見 え る。そ の下流 の ビー ムライ ン上 に シンチ

レー テ ィング フ ァイ バー の シー トを設 置 した。

ロン トエ ン ド回路 の ユニ ッ トで あ る。 これ に6本 の光 電 子 増 倍 管 を取 り付 け てい る様 子を 図15に 示 す 。光 電子 増 倍 管 の受 光 面側 には フ ァイバ ー 束 を取 り付 け るた め のア

ダ プ タが取 り付 けて あ る。

4.ビ ーム 実験

4.1HIMACで のCビ ー ム 照射 実験

LHCf実 験 の本番 用 に製作 した シ ンチ レーテ ィン グ フ ァイ バー のシー トを光 電子 増倍 管 に取 り付 け 、そ れ らを 図14、15の フ ロ ン トエ ン ド回 路 ユニ ッ トで 読み 出 す シス テ ムを準 備 した。 このシ ステ ム に よる フ ロン トエ ン ド回 路 の 読み 出 し試 験 と、480チ ャ ンネル につ いて の チ ャ ン

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図17シ ンチ レー テ ィン グフ ァイバー20本 分 の290MeV/u のCビ ー ム照射 に よる発 光 量 に対 応す るADC値 の分 布。横 軸 はADC値 、 縦軸 は頻 度。

56 神 奈川大学 工学研 究所所報 第29号

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図18シ ンチ レー テ ィン グフ ァイバ'一一20チャ ンネル 分(2cm 幅 の1シ ー ト分)に っい て、横 軸 がシ ンチ レーテ ィング フ ァイ バ ーの番 号 で、縦 軸がCビ ーム に よる発光 量 に対応 す るADC 値分 布 の ピー ク 中心値

ネル ご との総合 ゲイ ン(シ ンチ レーテ ィン グフ ァイバ0 の発 光 量 、集 光 効 率 、光電 子増 倍 管 の増 幅率 、VA32HDRl4 内 の増 幅器 の増 幅 率 、ADCま で を全 て込 み に した もの) の測 定 を 目的 と して 、放 射線 医 学総 合研 究 所 の重 粒子 イ オ ン加 速 器(HIMAC)に よ る290MeV/uのC(炭 素)ビ ー ムの 照射 実験 を行 った。 照 射 実験 は2006年 の5月12 日21時 か ら夜 中も連続 して13日20時 ま で行 われ た。

Cビ ー ムが シ ンチ レー テ ィ ング フ ァイバ ー を通過 す る とエ ネル ギー損 失 が起 き、そ れ に対応 した発 光 が 起 こ る。

図17は そ の発 光 量 に対応 したA㏄ 値 の 分布 で あ る。こ

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図19LHCf実 験 の ため のシ ンチ レーテ ィング フ ァイバ ー の シー トを直交す る方向 に2枚 重 ね てホル ダー に 固定 した とこ ろ。上 が4cm角 のタ ワー 、下が2cm角 の タ ワー に対 応す る。

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図20田Cf実 験 用の検 出器 の概 要。 下部 に2cm角 と4cm 角 の タワー状 の検 出器 が あ る。タ ワー は タン グステ ンとプ ラス チ ックシ ンチ レー タを積層 した もので、4箇 所 に シ ンチ レー テ ィン グフ ァイ バー シ ー トが直交 す る よ うに挿入 され て い る。上 部 に はシ ンチ レー シ ョン光検 出の た めの 光 電子 増倍 管 と読 み 出 しの ため のフ ロンエ ン ド回路(FEC)が ある。

の分布 の ピー ク中心 のADC値 を求 め る こ とに よって 、 チ ャンネル ご との総 合 ゲイ ンの ば らつ きを相 対 的 に補 正 す る こ とが で き る。 図18は 、2㎜ 角 タ ワー の検 出器 に 用 い られ るシ ンチ レー テ ィ ング フ ァイ バ ー20本(1シ ー ト分)に つ い て 、 ピー クの 中心値 を求 めた結果 で あ る。

ゲ イ ンが 高い チ ャ ンネル が1チ ャンネ ル あ るが 、そ れ 以 外 は2割 程 度 の ば らっ き に収 ま って い る。 その他 のチ ャ ンネ ル につ い て も解 析 中で あ る。

4.2CERN‑SPSで の ビー ム実 験

HIMACに お い て ビー ム実 験 を行 って 、 シ ンチ レー テ ィ ング ファイバ ー 検 出器 用 のデ ー タ収 集 シ ステ ムの 動作 を確 認す る と ともに 、基 礎的 な デー タを取 得す る こ とが で きた。 続 い て この シ ンチ レー テ ィ ン グ フ ァイ バ ー を LHCf実 験 用 の検 出器 に組 み込 む た め に、図19の よ うに、

2枚 の シー トが4㎝ 角 タ ワー と2cm角 タ ワー の位 置 で 直交 す る よ うにホ ル ダー に 固定 した。これ が 図20に 示 し た よ うに タ ワー の4箇 所 に挿 入 され て い る。

実 際 に組 み あが っ た検 出器 が 図21で あ る。下部 に あ る 検 出器 タ ワー の プ ラスチ ック シ ンチ レー タ とシ ンチ レー テ ィ ング フ ァイ バ ー シー トを上部 の光電 子増 倍 管 に光 学

放射線 高速計測 シス テムの耐放射線 性能 向上 の ための研 究 開発 57

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図21完 成 したLHCf実 験 用検 出器 下 部 の検 出器 タ ワー の プ ラ スチ ック シ ンチ レー タ とシ ンチ レー テ ィ ン グフ ァイ バ ー シー トは、オ プテ ィカル ファイバ ー に よって上 部の 光電 子増倍 管 へ と接 続 され てい る。

的 に接 続 す る た め に1㎜ 径 の オ プ テ ィ カ ル フ ァ イ バ ー (ク リア フ ァイ バ ー)を 使 用 し て い る。 検 出 器 の 寸 法 は 高 さ620㎜ 、幅92㎜ 、奥 行 き280㎜ と 非 常 に コ ン パ ク トに ま と ま り、 総 重 量 は15kgで あ る。

こ の 検 出器 の 性 能 試 験 を 行 うた め に 、CERN‑SPS加 速 器 を 用 い て 、 電 子100,200GeV/c、 陽 子150,350GeV/c、

μ粒 子150GeV/cの ビー ム を 照 射 す る 予 備 実 験 を2006年 8月28日8時 〜9月4日8時 の マ シ ン タ イ ム で 行 っ た 。

図22は 検 出 器 をT2‑H4ビ ー ム ライ ン の ビー ム パ イ プ の

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図22LHCf実 験 用 の 検 出器 の 性 能 試 験 を 行 うた め に 、 CERN‑SPS加 速 器 を用 い た予 備 実 験 を行 った。 電 子(200 GeV/c)、 陽 子(350GeV/c)、 μ粒子(150Geへ ηc)ビ ーム を照 射 す るた めの ビー ムパイ プの 後方 に検 出器 が設 置 され て い る。

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図23電 子 ビーム が起 こす カス ケー ドシ ャワー の画像 をシ ン チ レーテ ィ ング ファイバ ー検 出器 に よって とらえ た例 。 上の4 cm角 タ ワー へ の入射 で、 前2箇 所 のXYシ ー トで のシ ャ ワー 中心 が捉 え られ て い る(後 ろ2箇 所 のXYシ ー トは省 略)。

磯

後方 に設置 して い る とこ ろで あ る。 総 取得 デ ー タは350 万 イベ ン トで 、現 在解 析 を進 めて い る とこ ろで あ る。 図 23は4cm角 の タワー に2QOGeV/cの 電子 ビー ム を入 射 した場 合に、4箇 所 の シ ンチ レー テ ィ ング フ ァイ バ ー検 出器 の うち、 前2箇 所 まで で カス ケー ドシ ャ ワ0が 発 生 して、 そ の画像 デ ー タ を捉 え てい る例 で あ る。 画 像 デー タ はXYへ 投影 した もの が得 られ るの で、図23で はXY 方 向そ れ ぞれ の輝 度 を加 えた もの をそ の交 点 の輝 度 とす る こ とで2次 元 的 に表現 してい る

5.新 チ ップ

ここま で に述べ た フ ロ ン トエ ン ド回 路 の開発 は第 一段 階 が ほぼ完 了 した。この 回路 に用 い たVLSIは0.8ｵmプ ロセ スで製 造 され た もので あ る。 これ を0.35ｵmプ ロセ ス の もの に改 良す る こ とで放 射 線 損傷 を受 ける確 率 が下 が る。 さ らな る本 格 的 な耐放 射線 性能 の 向上 に は、VLSI の基 板 と して 埋 め込 み酸 化膜 の上 に超 薄膜 シ リコ ンを形 成 して回 路素 子 を作 る薄 膜SOI(SiliconOnInsulator)技 術 を用 い た もの を採 用す る こ とが 挙 げ られ る。 これ に よ って基 板 の厚 み方 向で の放射 線 損 傷 の確 率が劇 的 に下 が る。 但 し、 この 薄膜SOI技 術 を取 り入 れ るた め の 開発費 用 は本 研 究 の予算 を上 回 るた め、 これ は 次段 階以 降 の 開 発 へ見 送 る こ と とす る。

耐放 射線 性 の 改 良の第 一 段 階 としてまず は0.35ｵmプ ロセ ス を採 用 したチ ップ の製作 を行 うこ とに した。VLSI の製 造 を行 って い るII)EAS社(ノ ル ウェー)に お い て、

我 々 の 開 発 し た フ ロ ン ト エ ン ド 回 路 用VLSI (VA32mR14)に つい て も0.35μmプ ロセ ス に合 わせ た 改造 を行 ってUA32HDR14.2を 製造 した。 これ まで の

58 神奈川大 学工学研 究所所報 第29号

VLSIチ ップ の 開発 は イ タ リア との共 同研 究 で 行 っ てい る。VA32HDR14は 入 力 電荷 と して正負 の両極 に対 応 す る が、我 々 は光 電子 増 倍管 か らの信 号 が負 電荷 で あ るた め に、負 入 力 に対 して ダイナ ミック レン ジを最 適化 して あ る。 これ に対 して 、今 回 のUA32HDR14.2の 開発 は、

イ タ リアの シエ ナ 大学 で 開発 してい るシ リコン検 出器 に 合 わ せ て、 正入 力 に対 して ダイ ナ ミック レンジ を最 適 化 した もの とな って い るた め、 負入 力 に対 す るダイ ナ ミッ ク レンジが若 干 落 ち てい る。 しか し、今 回 の 目的 は0.35 μmプ ロセ ス のチ ップの耐 放 射線 性能 を調 べ る こ とであ るの で 、ダ イナ ミック レン ジの最 適 化 に関 しては 、今 回 のチ ップの性 能 試 験後 に、次 段 階 の開発 にお いて考 え る こ とに した。

現在 、放射 線 医 学総 合研 究 所 の重粒 子 イ オ ン ビー ム加 速 器(HIMAC)を 用 い て6MeV/uのHeビ ー ム を VA32HDRI4お よびVA32HDR14.2に 照 射す る実験 の 準 備 を進 めて い る。 こ のVA32HDR14.2もVA32HDRI4用

の フ ロン トエ ン ド回路 基板 に取 り付 け る。 ビー ム照 射 実 験 の た めの マ シ ンタイ ム は2007年2月7日 、13目 の2

回分 が承 認 され て い る。 この 照射 実験 に よって 、 トー タ ル ドー ズの影 響 やSEU(SingleEventUpset)な どにつ い

て調 べ る予 定で あ る。

HIMACで の ビー ム 実験 前 にVA32HDRI42に つ いて は ノイ ズ な どの基 本性 能 の試 験 を行 う。0.35,umプ ロセ ス に変 更す るこ とで ノイ ズ特 性 も向上す る こ とが 期待 され る。

6.今 後 の発 展 性

本研 究 で行 うVLSIの035μmプ ロセ ス の採 用や 、 そ の次 の段 階 で計 画 して い るVLSI基 板 の薄 膜SOI技 術 は 耐放 射 線 性 の向 上 のみ な らず 、 ノイ ズ特1生の向 上や 、高 速化 、低 消費 電 力化 、 高集 積化 が 見込 め る。 スペ ー ス で の宇 宙 線観 測 と最高 エネ ル ギー を達 成す る加 速器 で の ビ ー ム実 験 の ため に我 々 が開 発 して い る検 出器 は、プ ラス チ ック シ ンチ レー タ の数nsと い う短 時 間の 蛍光 を高速 な光検 出 素子 で あ る光電 子 増倍 管 で読 み 出す が 、現在 の VLSIで は増幅 、波 形 整 形な どの処 理 に数 μsの 時間 が か か る。 新 た なVLSIの 開発 は 、 さ らな る高速 処理 の 可能 性 を開 くこ とに な る。 また低 消 費 電 力化 は特 に スペ ー ス にお け る実 験 の熱 設 計 を容易 な もの と して くれ るの で、

非 常 に重要 な要素 とな る。

この よ うに本研 究 の放 射線 粒 子検 出器 の読 み 出 しシ ス テ ムの 耐放 射線 性 を含 めた性 能 の 向上 は、 将 来 の大型 予 算 に よる本 格 的 な開発 につ なが るもの とな る。 この よ う な 開発 にお い て は、高 速 かっ 高精 度 な 回路 技術 につ いて

の豊 富 な知 識 と経 験 が重 要 で あ る。 ク リアパル ス(株) はJAXA(宇 宙航 空研 究 開発 機 構)やKEK(高 エ ネル ギ ー加 速器 研 究 機構)な どで放 射線 計 測 技術 にっ い て の実 績 を積 ん で来 た貴 重 な企 業 で あ り、既 に我 々 の これ まで のVLSI開 発 で も フ ロン トエ ン ド基 板 の設 計製 作 な どを 担 当 して い る。 スペ ー スステ ー シ ョンで の宇 宙線観 測 計 画 の 実 現 に 向 け て は 、 こ の 計 画 の メ ンバ ー で も あ る JAXAの 宇 宙環 境利用 研 究セ ンタ0の 高柳 氏 の協 力 を得 な が ら、JAXAが 公募 す る予 定 の次 期 搭載 機 器 に応募 す る準 備 を整 えてい る。 またCERN‑LHCに お け る加 速 器 実験 につ いて 、文科 省 の科 研費(基 盤B)の 助 成 を2006 年 度 か ら3年 間受 ける こ とに なっ たが 、 これ を も とに し

て さ らに大 型科 研 費 に応募 して い く予 定 で あ る。 本格 的 な 開発段 階 で の導 入 を予 定 して い るVLSIの 薄膜SOI技 術 な どにつ い て は、 そ の技術 力 を持 つ 三菱 重 工業(株)

の担 当者 と連絡 を取 って お り、 いつ で も検 討 を進 め られ るよ うに準 備 して い る。

現 在 開発 してい る放 射線 粒 子検 出器 は 、 コンパ ク トか つ多 チ ャ ンネル の 高速 デ ー タ収集 が可能 なの で、 い ろい ろ な分 野 での精 密 な測 定 を可 能 にす る。 医療分 野 で は例 え ば、 陽電子 ・電 子 トモ グ ラフ ィ(PET:PositronElectron Tomography、 ポ ジ トロンCT)に 利用 す れ ば 、 よ り多 く

のチ ャンネル を高速 に読 み 出す こ とで 、い っ そ う精 度 の 高いX線 断 層撮 影 画像 が得 られ る と期待 され る。ま た放 射 線 測 定 を利 用 した電 気泳 動 法 に よ るDNA分 析 な どに も応 用 可能 で 、多 チ ャ ンネ ル化 に よ る精 度 の 向上 と、デ ー タ収集 の高速 化 が期待 で き る。 そ の他 に も原 子力 施設 な どの放 射線 モ ニ ター や 、放 射線 計 測 を利 用 した 地質 調 査 や 資源 探査 へ の利 用 も考 え られ る。

参 考 文 献

(1)鳥 居 祥 二,槙 野 文 命,"宇 宙 ス テ ー シ ョ ン か ら の 宇 宙 線 観 測",日 本 物 理 学 会 誌,52‑1,(2001‑1),p.8.

(2)S.Torii,etal.,"TheCALET,CALorimetricElectron Telescope,onISS/JEM",NuclearPhysicsB,134{2004),p.23.

(3)S.Torii,etal,"T'heCALET,CALorimetricElectron Telescope,MissionfortheInternationalSpaceStation", NuclearPhysicsB,113(2003),p.103.

(4)http://wwwcern.ch

(5)田 村 忠 久 他,"宇 宙 環 境 下 に お け る シ ン チ フ ァ イ バ ー 検 出 器 の 実 証 化 研 究",工 学 研 究 所 所 報,28号(2005

‑11) ,p.49.