大型で高エネルギー分解能の CdTe 半導体検出器の開発 ２０１１年３月２５日 京大理 平木貴宏、市川温子、木河達也、 中家剛、南野彰宏、山内隆寛 1 ＠関西高エネ発表会.

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1 大型で高エネルギー分解能の CdTe 半導体検出器の開発 ２０１１年３月２５日 京大理 平木貴宏、市川温子、木河達也、 中家剛、南野彰宏、山内隆寛 1 ＠関西高エネ発表会

2 ダブルベータ崩壊 2 （Ｚ，Ａ） → （Ｚ＋２，Ａ）＋２ e － ＋２ ν p n W e－e－ ν p n W e－e－ ν p n W e－e－ e－e－ n p W （Ｚ，Ａ） → （Ｚ＋２，Ａ）＋２ e － （＋０ ν ） 普通のダブルベータ崩壊は２つの β 崩壊が 同時に起こるような過程 電子２つと反電子ニュートリノ２つが出る 連続的なエネルギースペクトルを持つ もしニュートリノがマヨラナ粒子ならば 右図のようなダイアグラムで崩壊すること が 可能になり電子２つしか出ない ほぼ単一のエネルギースペクトルを持つ 未だ誰も見たことがない ２ ν ダブルベータ崩壊 ０ ν ダブルベータ崩壊

3 CdTe に含まれるダブルベータ崩壊核種 Cd も Te もダブルベータ崩壊を起こす 他にも 114 Cd 、 108 Cd 、 120 Te がある （将来的に） CdTe 検出器で 0νDBD を見たい そのためには大型の CdTe 検出器が必要 3 自然存在比 Q 値 (MeV) 崩壊形式 130 Te34%2.53β－β－β－β－ 116 Cd7.5%2.80β－β－β－β－ 128 Te31%0.866β－β－β－β－ 106 Cd1.5%1.75β+/EC

4 CdTe 検出器とは 化合物の半導体である CdTe （テルル化カドミウム）の結晶を用いた放射線検出器 半導体バンドギャッ プ (eV) 電子移動度 (cm 2 /V/s) ホール移動度 (cm 2 /V/s) 密度 (g/cm 3 ) 電子寿命 （ μs ） ホール寿命 （ μs ） Ge0.67380019005.33>10001000 Si1.1114005002.33>10002000 CdTe1.4411001005.8532 ○ バンドギャップが大きいためリーク電流が小さく常温で使用可能 △ホールの移動度が低い △大型化すると Si や Ge に比べエネルギー分解能は著しく低い 4 ○ 14 Si や 32 Ge よりも原子番号が大きい（ ４８ Cd ５２ Te ）ので 光電吸収断面積が大きい アクロラドより

5 キャリアの再結合 ドリフト中にキャリアが不純物等に再結合される ホールはドリフト速度が遅くこの影響が大きい キャリアの再結合は分解能を 悪化させるため通常は厚さ 2-3mm 以下のものを使うが 高いエネルギーの放射線を 検出しにくい 大型の CdTe 検出器でも高い分解能を得られないか？ 荷電粒子 + + + － － － CdTe ホール 電子 陽極 陰極 5

6 6 bias supply preamp FADC PC CdTe プリアンプを通し電圧をか ける PC でデータ取得のコントロー ル セットアッ プ 0V-1000V CAEN v1724 プリアンプ : （株）クリアパルス製 時定数 600μs gain 約１０倍 Flash ADC: CAEN 社製 sampling rate 100MHz resolution 14 bit CdTe 結晶 : （株）アクロラド製 特注品 5mm×5mm×5mm 15mm×15mm×10mm （極板間） 5mm CdTe 15mm 10mm CdTe まず２０℃に設定

7 CdTe 検出器で見た波形 5mm×5mm×5mm CdTe に極板間に 750V かけた時 電子のドリフト ホールのドリフト time （ μs ） FADC count 電子はすぐにドリフトしきるがホールはドリフトしきるのに数マイクロ秒かかる その間にホールの一部が再結合されてしまう 7 ドリフト時間 ＦＡＤＣで取得

8 startend t(max) t(pedestal) time Voltage 波高とドリフト時間の求め方 波高はペデスタル（信号が来る手前の FADC の値）と max （ FADC の値が最大）の差をとる ドリフト時間は波高の５％と９５％となる高さでの時間の差をとる drift time = endtime - starttime pulse height 8

9 波高の補正 上の図のように、ドリフト時間が長くなると再結合の効果により波高が下がり、 エネルギー分解能が悪くなってしまう 60 Co を CdTe 検出器に当てる そこで、プログラムで波高がまっすぐになるよう補正する 上の図の赤線の間のイベントを 1333keV の γ 線由来だとして多項式で fit し 得られた曲線がまっすぐになるような係数を全 event に掛ける 9 まっすぐになるよう補正

10 エネルギー分解能を求める 10 FWHM 1.7% 補正 1333keV γ 線 5mm×5mm×5mm CdTe 検出器に 60 Co 線源（ 1173keV と 1333keV の γ 線を出す）を当てて データを取得し、上に述べた波高の補正を行いエネルギー分解能を求めると 1333keV の γ 線で FWHM1.7% を得た

11 151510mmCdTe 検出器の分解能 一方、大型の CdTe では同様の方法で補正しエネルギー分解能を求めると FWHM4.1% と 5mm 角に比べてかなり悪い 11 補正 FWHM 4.1%

12 分解能に影響する要因 生成されるキャリアの数のふらつき 再結合されるホールの数のふらつき キャリアの熱励起による内部リーク電流 CdTe 結晶の表面で発生するリーク電流 電子回路（プリアンプなど）で発生するノイズ CdTe にかかる電場の非一様性 CdTe 結晶の非一様性 波高やドリフト時間をプログラムで求める時に発生する 誤差 12

13 ノイズの評価 CdTe 検出器のリーク電流と電子回路由来のノイズを 合わせたノイズの大きさを調べる ペデスタルのふらつきの時間依存性 を測定 時間と分布の RMS の相関を見ると 時間が経つにつれ RMS が大きく なっていく 13 time （ μs ） RMS

14 ノイズからの分解能への影響の評 価 14 モンテカルロシミュレ－ションで上で述べたノイズによ る ふらつきのみが乗った 1333keV γ 線の分布を生成 ノイズが分解能に与える影響を見る time （ μs ） FADC count （換算値） シミュレーションで 生成したノイズの分布 この分布を同様に補正し分解能を求め FWHM1.0% （ 5mm 厚）、 1.7% （ 10mm 厚）を得る

15 分解能を決める要因 15 キャリア統計の寄与は ~0.1% CdTe にかかる電場の非一様性は ~0.2% 他の要因の大きさについては現在 study 中 5mm 角 CdTe （ FWHM 1.7%@1333keV ）だとリーク電流の ノイズが主な原因の１つ 151510mm CdTe （ FWHM 4.1%@1333keV ）だとノイズ以外 の要素の影響が大きい 何が１番効くか現在 study 中

16 温度を変えた時の測定 恒温槽を用い低温での分解能を見る ○ 冷やすとノイズは小さくなる △冷やすとキャリアのドリフト速度が落ちる （２０℃から０℃で１０ % 程度遅くなる） FWHM －１０℃０℃１０℃２０℃ Co(1333keV)1.5%1.4%1.6%1.7% Cs(662keV)2.1% 2.3%2.4% 16 FWHM －１０℃０℃１０℃２０℃ Co(1333keV)4.0%3.9%4.2%4.1% Cs(662keV)5.7%5.8%6.4%6.6% 5mm×5mm×5mm 750V 15mm×15mm×10mm 1000V ０℃あたりが分解能が良い

17 まとめと将来 ドリフト時間から波高に補正をすることにより、 5mm×5mm×5mm の CdTe 検出器で 1333keV の γ 線に対し FWHM1.7% （２０℃）のエネルギー分解能を得た。 15mm×15mm×10mm の CdTe 検出器で 1333keV の γ 線に対し FWHM4.1% （２０℃）のエネルギー分解能 測定条件を最適化したり解析方法を改善して O(10cm 3 ) で FWHM0.5% （ @2.5MeV ）を目指す 上手くいけば更に大型化をしてダブルベータ崩壊の観測 を目指す 17

18 back up 18

19 19 short drift time event long drift time event 波形サンプル

20 CdTe 検出器の個体差 5mm×5mm×5mm と 15mm×15mm×10mm の CdTe は それぞれ３つあり、分解能の個体差を調べる 15mm×15mm×10mm の方は個体差が大きい 20 5mm×5mm×5mm 750V 20 ℃ FWHMcdte1cdte2cdte3 Co(1333keV)1.6%1.7% Cs(662keV)2.4% 2.3% 15mm×15mm×10mm 1000V 20 ℃ FWHMcdte1cdte2cdte3 Co(1333keV)4.1%5.1%4.1% Cs(662keV)7.0%8.6%6.6%

21 CdTe 線吸収係数 21 by XCOM 60 Co の出す γ 線エネルギー（ 1173keV,1333keV ）ではほとんどコンプトン散乱される 60 Co のヒストグラムのピークの多くが複数回散乱されて全てのエネルギーを落としたもの 光電吸収 コンプトン効果

22 MC 手法 ノイズによる揺らぎの peaking time 依存性 を測定 peaking time と drift time の関係は実データ を用いた乱数を使う pulse height に peaking time に依存するノイ ズを与え drift time との 2D plot を作成 pulse height に補正をかけエネルギー分解 能を求める 22

23 研究室で測定したバックグラウ ンド 23 40 K （ 1461keV ）や 208 Tl （ 2615keV ）が見える 15mm×15mm×10mm CdTe 検出器で測定した background 放射線のスペクトラム