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 11 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 14 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 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 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 16 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 20 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 23
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