高エネルギー分解能CdTe検出器の開発

日本物理学会第 65回年次大会＠岡山大学2010年 3月 23日京大理，東大理 A

木河達也，市川温子，中家剛，横山将志 A

1

CdTe検出器とはCdTeを半導体素子として用いた半導体検出器

CdTeの性質

長所 放射線→電気信号への変換効率がよい。 (半導体検出器としての性質 ) 放射線吸収率が高い。 (原子番号と密度が高いため ) 常温で使うことができる。 (バンドギャップが大きいため )

短所 半導体検出器としてはエネルギー分解能が低い。

(バンドギャップが大きいため、ホールの易動度が低いため )

CdTe検出器の特徴

半導体 バンドギャップ(eV)

電子易動度(cm2/V/s)

ホール易動度(cm2/V/s)

密度(g/cm3)

Ge 0.67 3800 1900 5.33

Si 1.11 1400 500 2.33

CdTe 1.47 1100 100 5.85

2

CdTe検出器で可能な研究 Neutrino-less Double

Beta Decayの探索 Axionの探索

)2(e2)-Z(A,NZ)(A,Ne efi

CdTe自身がダブルベータ崩壊核。β+崩壊なので陽電子が電子と対消滅して出た 2γとのコインシデンスをとることでバックグラウンドを除去できる。

いずれもエネルギー分解能の向上が必須。

125Te CdTe

γ

axion

125Teから放出された axionを CdTe検出器で resonant absorptionにより、吸収する。 125Teが放出する γは non-resonant shieldで除去する。

3

電子の易動度は十分に高いので、どこで電子・ホール対生成が起きてもほぼすべての電子は陽極までドリフトする。

ホールの易動度は低いので、電子・ホール対生成が起きた場所が陰極から遠いと、ドリフト中に多くのホールが捕獲されてしまう。

信号の大きさが、生成された電子・ホール対の数だけでなく、生成の場所にも依存してしまうので、エネルギー分解能が悪くなる。

陽極陰極

ホールのトラッピング荷電粒子

+++

－－－

CdTe

ホール電子

4

CdTe検出器の大型化 CdTe検出器は一部で市販されているが、ホールのトラッピングを少なくするために小型化したもの (厚さ ~2mmまで )しかない。

小型の CdTe検出器では十分な efficiencyが得られない。 小型の CdTe検出器で、エネルギーの高い粒子を検出しようとすると、検出器内で止まらないものが多くなる。→エネルギーが正確に測れない。

大型の CdTe検出器でホールのトラッピングの影響を補う技術が必要。

電子のエネルギーと CdTe内での飛程の関係5

解決策 信号の立ち上がり時の波形を見れば、反応が起きた場所がわかるかもしれない。 反応が起きた場所がわかれば信号の大きさに補正をかけることができる。

反応が起きた場所に依存しない高エネルギー分解能の CdTe検出器ができる。　　　　加えて反応が起きた場所の情報も得られる。

CdTe検出器からの信号を PreAmpを通して FADCで読み出し、ホールのドリフト時間を求め、パルスハイトに補正を試みた。(立ち上がり時の波形をみたいのでMain Ampには通さない。 )

セットアップ

CdTe検出器 (CdTe505050)クリアパルス社製，特注品，オーミック型素子のサイズ :5mm×5mm×5mm

PreAmp(580K)クリアパルス社製，電荷有感型時定数 :60μs， gain:約 11倍

Flash ADC(V1724)CAEN社製， sampling rate:100MHz dynamic range:-2V~2V， resolution:14bit

CdTe505050（特注品）

Bias supply PreAmp FADC

CdTe detector

137Cs

γ (662keV)

400V

線源

電気信号

DAQPC

Bias

コントロールデータ取得

6

FADCでとった波形

Time(s)

FA

DC

cou

nts

電子 (+ホール )の効果

ホールの効果 PreAmpによるダンプ

Drifttime

Pulse height

電子の効果が大きいもの(反応が陰極付近で起きた )

ホールの効果が大きいもの(反応が陽極付近で起きた )

Time(s)

FA

DC

cou

nts

Time(s)

FA

DC

cou

nts

7ドリフト時間が短い ドリフト時間が長い

プリアンプの改造 プリアンプによるダンプの効果が大きい。 プリアンプを改造し時定数を 60μsから 600μsにのばした。

10kΩ

22kΩ

1μF

220kΩ↓

75kΩ

2.2nF↓

22nF

PreAmpによるダンプによる効果が小さくなっている。 ホール収集後もわずかに電圧が上がり続けている。→ホールのトラップ後に一部でデトラッピングが起きているのではないか。（今まではプリアンプのダンプのせいで見えなかった。）

Time(s)F

AD

C c

oun

ts

プリアンプ改造後の波形

Drifttime

8

エネルギーの補正

ドリフト時間によるエネルギー補正

Drift time(μs) Drift time(μs)

# of

cou

nts

# of

cou

nts

パルスハイトの分布

Pulse height (FADC counts) Energy(keV)

En

ergy

(keV

)

パルスハイトとドリフト時間

エネルギーの分布

エネルギーとドリフト時間

ドリフト時間が長くなるとパルスハイトが小さくなり、それが原因でエネルギーの分解能が悪くなっていることがわかる。

補正により光電効果によるピークがきれいに見えるようになる。(FWHM:2.0%)

700

8

400

100

1000

8

400

50

ドリフト時間からパルスハイトに補正をかけてエネルギーを算出した。

Pu

lse

hei

ght

(FA

DC

cou

nts

)

9

低温、高温での測定 冷却することによって、ノイズが減り、分解能がさらに良くなるかもしれない。

各温度での CdTe検出器の振る舞いを知りたい。

液体窒素で冷やすことで -90℃から 0℃までの温度でのデータをとった。

恒温槽で 0℃から 30℃までの温度でのデータをとった。

液体窒素

CdTe

チューブチューブ

白金測温計

プリアンプ電源信号用

ハイボル

線源 (137Cs)プリアンプ

窒素空気

10

温度とノイズ

全体での低周波のノイズは pedestalの補正をすれば測定には影響を与えない。 2μs間で見える高周波のノイズは測定に効いてくる。 温度を下げればノイズは小さくなる。

Temperature(℃)

Temperature(℃)

Temperature(℃)

Ped

esta

l mea

n (

FA

DC

cou

nts

)

Ped

esta

l RM

S (

FA

DC

cou

nts

)

Ped

esta

l RM

S (

FA

DC

cou

nts

)

温度と PedestalのMeanの関係 温度と Pedestalの RMSの関係

温度と 2μs間での Pedestalの RMSの関係液体窒素での冷却下恒温槽による温度制御下

11

温度とドリフト時間

波形をみると液体窒素での冷却の測定での 0℃~-60℃くらいまで温度が下がるとホールの易動度が下がっていることがわかる。

-70℃以下ではホールの移動の効果がまともに見えない。 恒温槽での 0℃~30℃までの測定では波形を見ても、ホールの移動度の変化はわからない。

-30℃~0℃では温度が上がると平均ドリフト時間が上がっていることがわかる。 (-40℃以下はホールの移動の効果が小さくドリフト時間が正確に出せない。 )

0℃~30℃では温度とドリフト時間に明確な相関が見られない。

温度と平均ドリフト時間の関係Temperature (℃)

Mea

n d

rift

tim

e (s

)

0℃-10℃-20℃-30℃-40℃-50℃-60℃-70℃-80℃-90℃

液体窒素での冷却下恒温槽による温度制御下

(液体窒素で冷却下 )0℃10℃20℃30℃(恒温槽での温度制御下 )

Time (s)

FA

DC

cou

nts

温度による波形の変化

実際の測定では 0℃～ 10℃で最も分解能が良くなった。12

エネルギー分解能 半導体検出器のエネルギー分解能はキャリア統計による効果、電荷収集の効果、電子回路雑音による効果から影響を受ける。

2222EXDT WWWW

響電子回路雑音による影電荷収集の影響

影響キャリアの統計によるトータルの分解能

:

:

:

:

E

X

D

T

W

W

W

W

EFWD 22 )35.2(放射線エネルギーバンドギャップファノ因子

:

:

:

E

F

)keV(2.13

)keV(23.5

keV)(28.1

)kev(3.14

X

E

D

T

W

W

W

W エネルギー分布より導出

計算式より導出

テストパルス入力により導出

依然として電荷収集による影響が大きい13

まとめ 現在のセットアップ、解析方法だと 0℃～ 10℃で最も分解能が良くなった。

ドリフト時間からパルスハイトに補正をすることにより、 5mm角の CdTe検出器で 662keVの γ線に対しFWHM2.0%のエネルギー分解能を得ることに成功した。

10mm角の CdTe検出器の製作について業者と調整中。 Monte Carloシミュレーションにより、 CdTe素子内での電子、ホールの振る舞いを理解し、 CdTe素子の形状を最適化。

CdZnTeで Coplanar grid techniqueによって達成されているFWHM： 1.6%のエネルギー分解能を超えることを目標にさらなる分解能の向上を目指す。

今後の予定

14

Backup

15

プリアンプ改造前

補正により光電効果によるピークがきれいに見えるようになるがエネルギー分解能は PreAmpの改造後と比べると低い。 (FWHM:2.7%)

Drift time(μs) Drift time(μs)

# of

cou

nts

# of

cou

nts

パルスハイトの分布

Pulse height (FADC counts)

Pu

lse

hei

ght

(FA

DC

cou

nts

)

Energy(keV)

En

ergy

(keV

)

パルスハイトとドリフト時間

エネルギーの分布

エネルギーとドリフト時間

ドリフト時間によるエネルギー補正

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素子内部の電場

5mm

5mm

5mm

極板

極板

極板

CdTe

CdTe

極板

2.5mm

電圧差 400Vの場合

17

半導体検出器からの信号の式電子による信号

d

NextQ

td

NeVtQ

e

ee

0

2

)(

)(

h

hh

hh

V

xdd

d

NeVtQ

t

d

NeVtQ

)(exp1)(

exp1)(

0

2

2

h

h

h

he

V

xdd

d

Vx

d

NetQ

t

d

Vx

d

NetQ

tt

d

NeVtQ

)(exp1)(

exp1)(

exp1)(

00

0

2

印加電圧ホールの寿命

陽極からの距離電離が起きた場所半導体の厚さホールの易動度電子の易動度電離後の経過時間電離された対の数

:

)(:

:

:

:

:

:

0

V

x

d

t

N

h

e

ホールによる信号

足し合わせた信号

tV

xdd

V

xddt

V

dx

V

dxt

h

he

e

)(

)(

0

0

00

0

tV

dx

V

dxt

e

e

0

00

tV

xdd

V

xddt

h

h

)(

)(0

0

0

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Coplanar grid technique 半導体素子の陽極側に電圧の異なる 2つの電極を配置する。 ホールのドリフトや陽極付近に来るまでの電子のドリフトによる効果は両方の陽極に同じようにあらわれる。

陽極付近から電圧が高い方の陽極までのドリフトによる効果は 2つの電極で異なる。

一方の陽極からの信号から他方の陽極の信号を引けばホールの影響を受けない電子の数だけに比例した情報が得られる。

CH1(high bias)

CH2(low bias)

CH2-CH1

+ － 陽極 1

陽極 2陰極

各陽極からの信号陽極の構造

陽極 1

陽極 2

ガード電極

CdTe素子、電極構造の写真

半導体

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