大型で高エネルギー分解能の CdTe半導体検出器の開発

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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 ＠関西高エネ発表会

2 ダブルベータ崩壊 p n W e－ ν ２ν ダブルベータ崩壊 （Ｚ，Ａ）→（Ｚ＋２，Ａ）＋２e－＋２ν
２ν　ダブルベータ崩壊 （Ｚ，Ａ）→（Ｚ＋２，Ａ）＋２e－＋２ν 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 ０ν　ダブルベータ崩壊 p n W e－ （Ｚ，Ａ）→（Ｚ＋２，Ａ）＋２e－（＋０ν） 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

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114Cd、108Cd、120Te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 自然存在比 Q値(MeV) 崩壊形式 130Te 34% 2.53 β－β－ 116Cd 7.5% 2.80 128Te 31% 0.866 106Cd 1.5% 1.75 β+/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
アクロラドより 半導体 バンドギャップ (eV) 電子移動度 (cm2/V/s) ホール移動度 密度 (g/cm3) 電子寿命 （μs） ホール寿命 Ge 0.67 3800 1900 5.33 >1000 1000 Si 1.11 1400 500 2.33 2000 CdTe 1.44 1100 100 5.85 3 2 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 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 14Siや32Geよりも原子番号が大きい（４８Cd５２Te）ので 　　光電吸収断面積が大きい 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

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

6 PC セットアップ CdTe FADC preamp CdTe結晶: （株）アクロラド製 特注品
5mm CdTe セットアップ プリアンプを通し電圧をかける 15mm 10mm CdTe bias supply preamp CdTe 0V-1000V FADC PC CAEN v1724 まず２０℃に設定 PCでデータ取得のコントロール CdTe結晶: （株）アクロラド製 特注品 5mm×5mm×5mm mm×15mm×10mm（極板間） 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

7 CdTe検出器で見た波形 5mm×5mm×5mm CdTe に極板間に750Vかけた時 FADC count ホールのドリフト
ＦＡＤＣで取得 ホールのドリフト 電子のドリフト ドリフト時間 time（μs） 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

8 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 Voltage t(max) pulse height t(pedestal) start end time

9 波高の補正 60CoをCdTe検出器に当てる まっすぐになるよう補正
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 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

10 エネルギー分解能を求める FWHM 1.7% 1333keV γ線 補正
5mm×5mm×5mm CdTe検出器に60Co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 FWHM 4.1% 補正 補正 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
２０℃　１０００Ｖ 補正 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

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

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 RMS time （μs）

14 ノイズからの分解能への影響の評価 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 シミュレーションで 生成したノイズの分布 FADC count （換算値） time （μs） 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 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 151510mm CdTe（FWHM

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） 5mm×5mm×5mm 750V FWHM －１０℃ ０℃ １０℃ ２０℃ Co(1333keV) 1.5% 1.4% 1.6% 1.7% Cs(662keV) 2.1% 2.3% 2.4% 15mm×15mm×10mm 1000V 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% 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(10cm3) でFWHM0.5% 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

18 back up

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

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
5mm×5mm×5mm 750V 20℃ FWHM cdte1 cdte2 cdte3 Co(1333keV) 1.6% 1.7% Cs(662keV) 2.4% 2.3% 15mm×15mm×10mm 1000V 20℃ FWHM cdte1 cdte2 cdte3 Co(1333keV) 4.1% 5.1% Cs(662keV) 7.0% 8.6% 6.6%

21 CdTe 線吸収係数 コンプトン効果 光電吸収 by XCOM
60Co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 60Co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

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

23 研究室で測定したバックグラウンド 15mm×15mm×10mm CdTe検出器で測定した background放射線のスペクトラム
208Tlは放射性核種の中で最も高い単一のγ線を放出する 15mm×15mm×10mm CdTe検出器で測定した background放射線のスペクトラム 40K（1461keV）や208Tl（2615keV）が見える