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
1
ダブルベータ崩壊
2ν ダブルベータ崩壊
e-
n
ν
e-
ν
n
(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
W
W
p
p
e-
n
e-
n
(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
W
W
ほぼ単一のエネルギースペクトルを持つ
p
p
未だ誰も見たことがない
2
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
自然存在比 Q値(MeV)
崩壊形式
130Te
34%
2.53
β-β-
116Cd
7.5%
2.80
β-β-
128Te
31%
0.866
β-β-
106Cd
1.5%
1.75
β+/EC
• 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
3
CdTe検出器とは
アクロラドより
半導体 バンドギャップ 電子移動度 ホール移動度
(eV)
(cm2/V/s)
(cm2/V/s)
密度
(g/cm3)
電子寿命
(μs)
ホール寿命
(μs)
Ge
0.67
3800
1900
5.33
>1000
1000
Si
1.11
1400
500
2.33
>1000
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
4
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
荷電粒子
悪化させるため通常は厚さ
CdTe
ホール 電子
2-3mm以下のものを使うが
+-
陰極
+-
高いエネルギーの放射線を
+-
検出しにくい
陽極
• 大型のCdTe検出器でも高い分解能を得られないか?
5
5mm
5mm
5mm
CdTe
セットアップ
プリアンプを通し電圧をかける
0V-1000V
bias
supply
preamp
CdTe
CAEN v1724
FADC
PC
15mm
15mm
10mm
CdTe
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 15mm×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
6
CdTe検出器で見た波形
5mm×5mm×5mm CdTe に極板間に750Vかけた時
FADCで取得
FADC
count
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
7
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
8
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
9
エネルギー分解能を求める
1333keV γ線
FWHM
1.7%
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
10
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
FWHM4.1%と5mm角に比べてかなり悪い
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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
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)
13
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
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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 [email protected])だとリーク電流のノイズ
が主な原因の1つ
• 151510mm CdTe(FWHM [email protected])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
15
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%
2.1%
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
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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% (@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
back up
18
波形サンプル
short drift time event
long drift time event
19
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%
1.7%
Cs(662keV)
2.4%
2.4%
2.3%
15mm×15mm×10mm 1000V 20℃
FWHM
cdte1
cdte2
cdte3
Co(1333keV)
4.1%
5.1%
4.1%
Cs(662keV)
7.0%
8.6%
6.6%
15mm×15mm×10mm の方は個体差が大きい
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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
21
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
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
40K(1461keV)や208Tl(2615keV)が見える
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大型で高エネルギー分解能の