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高エネルギー分解能 CdTe 検出器の開発

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. 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. CdTe 検出器の特徴. 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。

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高エネルギー分解能 CdTe 検出器の開発

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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 CdTe検出器の特徴 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)

  3. CdTe検出器で可能な研究 • Axionの探索 • Neutrino-less Double Beta Decayの探索 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。 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。 γ axion 125Te CdTe いずれもエネルギー分解能の向上が必須。

  4. ホールのトラッピング 荷電粒子 • 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。 CdTe ホール 電子 + － 陰極 陽極 + － + －

  5. 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

  6. 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。) DAQ PC コントロール データ取得 セットアップ Bias supply PreAmp FADC • 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 Bias 400V 電気信号 CdTe detector CdTe505050 （特注品） γ (662keV) 137Cs 線源

  7. FADCでとった波形 Drift time FADC counts PreAmpによるダンプ ホールの効果 Pulse height 電子(+ホール)の効果 Time(s) ホールの効果が大きいもの (反応が陽極付近で起きた) 電子の効果が大きいもの (反応が陰極付近で起きた) FADC counts FADC counts ドリフト時間が短い ドリフト時間が長い Time(s) Time(s)

  8. 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。 2.2nF ↓ 22nF Drift time FADC counts 220kΩ ↓ 75kΩ 1μF 10kΩ 22kΩ Time(s) プリアンプ改造後の波形 • 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。）

  9. エネルギーの補正 パルスハイトの分布 エネルギーの分布 100 # of counts • 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。 # of counts 50 ドリフト時間によるエネルギー補正 400 400 Energy(keV) Pulse height (FADC counts) パルスハイトとドリフト時間 エネルギーとドリフト時間 700 1000 Pulse height (FADC counts) Energy(keV) 8 8 Drift time(μs) Drift time(μs) • 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%)

  10. 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 信号用 線源(137Cs) プリアンプ電源 CdTe プリアンプ ハイボル 白金測温計 窒素 チューブ 空気 チューブ

  11. 温度とノイズ 温度とPedestalのMeanの関係 温度とPedestalのRMSの関係 • 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。 Pedestal RMS (FADC counts) Pedestal mean (FADC counts) Temperature(℃) Temperature(℃) 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 Pedestal RMS (FADC counts) Temperature(℃)

  12. 温度とドリフト時間 -90℃ -60℃ -50℃ -70℃ 0℃ -20℃ -40℃ -10℃ -30℃ -80℃ 10℃ 30℃ 20℃ 0℃ (恒温槽での温度制御下) (液体窒素で冷却下) 液体窒素での冷却下 恒温槽による温度制御下 • 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。 FADC counts Mean drift time (s) Temperature (℃) Time (s) 温度による波形の変化 温度と平均ドリフト時間の関係 実際の測定では0℃～10℃で最も分解能が良くなった。

  13. 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。 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

  14. 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

  15. Backup

  16. プリアンプ改造前 パルスハイトの分布 エネルギーの分布 # of counts # of counts ドリフト時間によるエネルギー補正 Pulse height (FADC counts) Energy(keV) エネルギーとドリフト時間 パルスハイトとドリフト時間 Energy(keV) Pulse height (FADC counts) Drift time(μs) Drift time(μs) • 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%)

  17. 素子内部の電場 極板 電圧差400Vの場合 極板 5mm 2.5mm CdTe 5mm CdTe 5mm 極板 極板

  18. 半導体検出器からの信号の式 電子による信号 ホールによる信号 足し合わせた信号

  19. 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。 半導体 陽極2 陰極 CH1(high bias) 陽極1 + － CH2(low bias) CH2-CH1 陽極1 ガード電極 陽極2 陽極の構造 CdTe素子、電極構造の写真 各陽極からの信号

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