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Xe ガスと GEM を使って高いエネルギーの X 線を捕らえる

1/17. Xe ガスと GEM を使って高いエネルギーの X 線を捕らえる. 2005/11/14 (2005/11/18 修正 ) 織田 勧. 2/17. 動機. 医療用に使われる X 線イメージングをリアルタイムで良い精度でできるとうれしい 結果がすぐ出てほしい 検査がすぐ終わってほしい 小さな癌とかをみつけたい 浴びる放射線量が少なくて済んでほしい GEM+Xe が良いのでは GEM を使えば良い位置分解能が出るはず 原子番号 Z の大きなガス (Xe とか ) だと光と相互作用する確率が大きい

liko
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Xe ガスと GEM を使って高いエネルギーの X 線を捕らえる

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Presentation Transcript

  1. 1/17 XeガスとGEMを使って高いエネルギーのX線を捕らえる 2005/11/14 (2005/11/18 修正) 織田 勧

  2. 2/17 動機 • 医療用に使われるX線イメージングをリアルタイムで良い精度でできるとうれしい • 結果がすぐ出てほしい • 検査がすぐ終わってほしい • 小さな癌とかをみつけたい • 浴びる放射線量が少なくて済んでほしい • GEM+Xeが良いのでは • GEMを使えば良い位置分解能が出るはず • 原子番号Zの大きなガス(Xeとか)だと光と相互作用する確率が大きい • 実用化できれば、医療技術の進歩に貢献できるし、お金がたくさん入ってくる

  3. 3/17 犬塚さん 日本物理学会 年次大会 2004年3月 Xeガスを用いたX線測定 ・ GEM検出器の医療機器（レントゲン写真撮影、放射線治療の 　 ビームモニターなど）への応用　 →100keV程度のγの検出＆２次元イメージング ・ Xe（分子量131.29）を輻射体＆増幅ガスとしたGEM検出器 Ar Xe Absorption length 100m 1m ・ セットアップ： < 10－3Torr 55Fe MFC Xe(90%) MFC CO2(10%) ターボポンプ

  4. 4/17 犬塚さん 日本物理学会 年次大会 2004年3月 増幅率の電圧依存性 VGEM=395V VGEM=400V VGEM=405V VGEM=410V A.Orthen et al. NIM A512 (2003) 476

  5. 5/17 犬塚さんのCNS Annual Report CNS Annual Report 2003 (2004) 67.

  6. 6/17 本当に高いエネルギーのX線を測れるのか? • 検出効率はどれくらいになるか? • 位置分解能はどれくらいになるか? • エネルギー分解能はどれくらいになるか? これを知るためには、 • X線が物質と相互作用する確率はどれくらいか? (入射X線を捕らえられる確率、エスケープピークのできる確率) • 光電効果によって出てくる一次電子の飛程はどれくらいか? • イオン・電子対はどのくらいできるのか? を知る必要がある。

  7. 7/17 減衰係数 m/r • エネルギーが一定の強度I0の光が、密度がrで厚さがd(x=rd)の物質中を通った後に、強度がIになったとすると、その物質の減衰係数m/rは、 と定義される。 • m/rの単位はcm2/gなどで、密度(状態による)で割れば、強度が1/eになる距離(減衰長1/m)がわかる。 • 詳しくは、http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/cover.html等を参照。 • 減衰係数のデータも上記ウェブページより入手できる。

  8. 8/17 Kr(Z=36)とXe(Z=54)の減衰係数 • 今の場合は、たぶんm/renではなくm/rを使えばいいはず(要確認) http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z54.html http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z36.html

  9. 9/17 逆数(l=1/(m/r))で与えられることもあるね http://pdg.lbl.gov/2005/reviews/passagerpp.pdf

  10. 例えば100 keVで、標準状態のキセノンガスの減衰長は m/r = 2.011 cm2/g r = 131.29 g / 22.4 L = 0.00586 g/cm3 1/m = 1/(0.00586 g/cm3)/(2.011 cm2/g) = 85 cm (長い!) だから、メッシュとGEMの距離が10cmだとその領域で光電効果+コンプトン散乱を起こす確率は p=1-exp(-10/85)=11% (小さい) 10/17 M1 L3 L2 L1 K殻吸収端 キセノンの場合

  11. 11/17 K殻吸収端 アルゴンの場合 • 例えば、6.0 keVで、標準状態のアルゴンガスの減衰長は • m/r = 259.3 cm2/g • r = 39.948 g / 22.4 L = 0.00178 g/cm3 • 1/m = 1/(0.00178 g/cm3)/(259.3 cm2/g) = 2.17 cm (短い) • だから、メッシュとGEMの距離が3mmだとその領域で光電効果を起こす確率はp=1-exp(-3/21.7)=13% (小さい) • 減衰係数はエネルギーに大きく依存している • 途中のエネルギーは内挿補間するか、グラフから読み取る • X線がエスケープしてしまうかどうかも似たようにもとめられるはず。パッドの形状とか考慮しないといけないけど。

  12. 12/17 エネルギー損失の式とrange • 電子以外の荷電粒子の物質中でのエネルギー損失はBethe-Blochの式でだいたい計算できる • 低いエネルギーでは良くわからない(bg<0.1) • (陽)電子のエネルギー損失の式はLeoの2章に載っていたはず • いま知りたいのは~100keV以下での電子のエネルギー損失 • 電子が止まるまでに動く長さ(range)を知りたい • Rangeがパッドの大きさより十分小さくて、必要な位置分解能と一緒なら良いのだけど、そうなっているかな?

  13. 13/17 電子のrangeを計算してくれるプログラム • http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/contents.htmlに電子、陽子、アルファ粒子のrangeを計算してくれるプログラムがあります • 電子ならestar • Stopping powerも計算してくれます • グラフでも、テキストでも表示してくれます • 100keVの電子のXeガス(r=0.00549 g/cm3)中でのrangeはR=0.0267 g/cm2だから、距離にしてR/r=4.86cm(長すぎ!全然止まらない!) • 30keVなら、R/r=0.66cm • 10keVなら、R/r=0.11cm • ドリフト電場の影響も結構あるだろうけど。。。

  14. 14/17 どれくらい電子とイオンの対ができるのか? • n=E/w • E : 一次電子のエネルギー • w : mean energy for ion-electron pair production ~25eV • nの揺らぎはÖnだけど、Fano factorも考慮しないといけない • 実際には、5.9keVのX線でイオン電子対がアルゴンの混合ガスで200個あまりできる場合でエネルギー分解能は10%強くらい Principles of operation of multi wire proportional and drift chamber F. Sauli

  15. 15/17 本当に高いエネルギーのX線を測れるのか?たぶんだめ! • ガスだと密度が小さすぎる! • 検出効率は低い(医療用には大きな欠点)高圧ガスまたは液体キセノンで改善できるかな? • Rangeが大きいX線の入射位置は簡単には求まらない • エネルギー分解能はそこまで必要ないかもしれない • Auger効果が起こらなければ、ほぼ必ずエスケープピークになってしまう • GEMでなくても良いのでは。。。 • こんなのが良さそうだと思いました(次ページ)

  16. 16/17 PEM-PET Detector Components • Scintillator Array • 2x2x15mm LYSO • Pitch 2.1mm • 20x15cm 3 2 • PSPMT Array • H8500 PSPMT • 4x3 Array • Resitive Readout R.R. Raylman et al., Development of a Dedicated Positron Emission Tomography System for the Detection and Biopsy of Breast Cancer, IEEE-MIC 2005

  17. 17/17 Xe+GEMの参考文献 • NIM A 419 (1998) 418. • NIM A 433 (1999) 471. • NIM A 443 (2000) 164. • NIM A 454 (2000) 130. • NIM A 471 (2001) 215. • NIM A 478 (2002) 377. • NIM A 481 (2002) 200. • NIM A 493 (2002) 8. • NIM A 504 (2003) 88. • NIM A 512 (2003) 476. • 調べたのは2003年10月なので、その後、新たに論文が出ていることでしょう • http://www.sciencedirect.com/science/journal/01689002

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