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放射先議 5 巻第 1 号 ( 1992年)

実験技術
サブナノ秒時間分解能を持つ
アバランシェ型フォトダイオード

X

線検出器の開発岸本俊二
問エホルギ一物理学研究所

IJXQ-t光実験細世

Developmcnto
fanavalanchephotodi剖ie X‑r
aydelectorw
lthsubnanosecondUmer
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hysicsPholonFAnavalanchephOIOdiodc(APD)detectorhasbeendevelopedforX‑raytimingmeasu陀mems. Theperf
OllTl3nCeoftheAPDdetectorw晶 invcslìgated w
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nnuclear 問onance ofPfe削除 obseIVed.

1.はじめにて，放射光パルスを利用した貞空紫外 ・ 可視光領肱射光にはいくつかの特徴があるが.その 一つ

峨での時間分解実験が泊楯的に進められている。

がパルス特性である。すでに解説 " がなされている

X 綿傾i~ においても情舷)~鴨散乱棋による舗はずPF1) ンタではシンク. ルパンチモード述転うなり"の観測など敏射光のパルス特性を活かしように.
時.

ビーム屯疏30mAで.半値幅 (FWHM) が 200

ピコ秒以トのパルス光が得られる。パルスレーた研究が行われつつある。
研究の進展にとって盈要なのは.優れた時間分

このようなサプ解 íì~を持つ検出器である。銭外 . øJ視光領域ではナノ抄の1I.'f間幅を持った強い光を得る手段は肱射

マイクロチャンネルプレート (MCP) 内政型光電光以外にない。 PF リングでは拙近，シングルパン

子増倍官を使えば数十ピコ抄の分解能を仰ることチモードが共同利用実験に挺供されるようになっが可能 2 1 で，実験にしばしは用いられている . しかザーが利用できる領域を除けば.

‑25‑(C) 1992 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)

26500MHzMCAFig.1 Theelectronicsystemfortimingmeasurementswiththeavalanchephotodiodedetector.

しエネルギーが 10keV とか，それ以上の X 線領域

ォトダイオード (APD) はナノ秒の出力応答を示

では検出効率が不足して実用的ではない。 x ・ 7

すとともに内部増幅作用を持つため，一個の光子線領域ではプラスチックシンチレーターを取り付を検出してパルスとして信号を取り出しタイミンけたシンチレーション検出器が使われてきたが，グ検出器として使うことも試みられてきた 4) 。ただ

14.4keV の X 線に対しては 1 ‑2 ナノ秒程度の分し波長の短い側が軟 X 線領域までの光に限られ，解能である九 X 線をシンチレーション光に変換す連続放電を起こす(ブレークダウン)値を上回るる方法では，光電子を増幅して電気信号を取り出ような逆ノ〈イアス電圧を印可し外部回路でクエンす過程に加えてシンチレーション光の発光や光電チングして取り出す方法(ガイガーモード)のも子生成過程の統計的性質によるタイミング検出時のである。一方，のゆらぎ(ジッター)が生じ，また発光効率や減衰たりのエネルギーが大きいので，ブレークダウン時間による制約がある。さらに電子増倍管からの電圧以下の逆バイアス電圧でも後段の増幅回路にノイズの問題もあり実験からの要求を十分に満たよっては十分な波高をもっナノ秒の単一光子ノ守ルすものではなかった。

スが取り出せるはずである。そこで APD を検出素

結局，X 線をより直接的に電気信号として取りX 線を直接入射すれば 1 光子あ子として用いた X 線時間検出器を作製しテストを出す方が有利というわけである。 X 線に対し感度行ってきた。今回，予想通り，があり，かっ高速の電気信号が取り出せるような200 ，立ち上がり時間 1 ナノ秒以下の高速アンプを素子としてフォトダイオードがある。放射光の入組み合わせることで時間検出に適した l 個の X 線射によって半導体内部に電子一正孔対が作られる光子による速いパルスを取り出すことができた。

過程はピコ秒オーダーであり，逆バイアス電圧のこの APD 検出器についてまとめる。

APD と増幅度印加によって作られる高電界中での電子のドリフ

ト速度は 107 cm/ s におよぶのでナノ秒以下の幅の2.

(APD) 検出器パルス信号を取り出し得る。これまでにもシリコン製の PIN フォトダイオードはよく知られており，光子を直接入射する方法ではレーザー光ノ号ルスのアパランシェ型フォトダイオード

図 1 には APD 検出器とその時間スペクトル測定システムを示す。

検出や放射光の分野でもビーム強度モニターとしAPD 素子は市販のもので浜松ホトニスク社製て電流モードで使われてきた。アパランシェ型フS2384 を用いた。この APD の有効領域は直径 3 ミ-26 一

放射光27

第 5 巻第 1 号 (1992年)

リの円形で，厚さ方向の構造は X 線の入射側か器の 14.4keV-X 線による出力信号を示す。 APDら，げ -p 一 π- p+ となっている(図 2) 。ただは常温で作動，ブレークダウン電圧 147V にたいし

し標準品は赤外線検出用に作られているため，表130V の逆ノ〈イアス電圧を印可した。この時 APD面での反射防止膜として Si0 2 薄膜が光子の入射側の増幅度は約 20 倍であった。出力波形は 2 ギガサにコートされている。げ -p 接合音ß および不純物

ンプル/秒のデジタルサンプリングオシロスコープ

濃度の低い π 層はシリコンウエハ上にエピタキシで記録し，立下がり時間は1. 7 ナノ秒，パルス幅ャル成長法で約 30 ミクロンの厚さで形成され，全(FWHM) は 2.4 ナノ秒であった。

体の厚みは約 400 ミクロンである。光子の入射によって電子が励起され電荷キャリアとなる空乏層

3. 放射光ビームによる APD 検出器特性は逆バイアス電圧を十分に印可した時には n+- pA.

時間特性の測定接合部から π 層全域にまで及ぶ。電子は電界によ

図 4 (a) に BL-14A で測定したシンク'ルパンチ運って n+ へとドリフトし接合部で電子増幅を起こす。

転 ('91/6/10) での 14.4keV-X 線の時間スペク

APD 検出器はこの APD 素子と逆バイアス電圧をトルを示す。メインパンチによるピーク (t =0) は安定に印加するための簡単な回路からなり，遮光斜線部を除けば，ガウス分布によるフィッティンのため真空容器をかねたステンレス容器に納めらグでよく近似され，その半値幅は 0.28 ナノ秒であれている。 X 線はベリリウム窓をとおして APD にる。陽電子ビームのパンチ幅(半値幅)そのもの直接入射される。高速アンプの出力はコンスタン

は，ストリーク・カメラによって可視光を観測しトフラクション・ディスクリミネータ (CFD) をた結果 5) から RF 電圧，通してタイミング信号に変換され，時間一波高変換求めた。この値 0.16 ナノ秒をガウス分布を仮定し器 (TAC) のスタートに入力される。ストップにて差し号|くと，検出器および回路系による時間分はリング RF からの 500MHz 信号を 312 分の l に解能は 0.23 ナノ秒という結果を得た。さらに，図分周したものを用いた。

4 (b) は (a) の縦軸を対数表示に変えたものだが，メインピークに続く斜線部の「すそ」が存在する

図 3 に高速アンプによって取りだした APD 検出

三ビーム電流に対応する値を-400)A"'---:.llユ〉
三四M\EE-πpφ

Xrays

5ns/dlv~-30，M'"ー+tructureo
fanavalanche photodiode (APD)Fig.
2 Sdevice(Hamamatsu52384).

Fig.
3 Waveformo
ftheAPDdetectoroutpu
tfromthefastamplifier.Theenergyo
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was 14.4keV and thea
pplie
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30V.

-27 一

放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)

281.
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三 0.6

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23ns.Theshadedareaindicatesatailpa同 after th
epeak.

ものの，バックグラウンドのほとんどない「きれB. 計数特性の測定

いな J スペクトルが得られていることがわかる。

検出効率と計数率の直線性についても調べてみ

APD 検出器は時間スペクトル測定上，ノイズとなた。この場合，同じパンチから来る光子の時間的るアフター・パルス等を生じないためで，Iす重なりを避け，できるかぎり強いビームを得るた

そ」部分を無視すれば 10 ものピーク/バックグラ

めマルチパンチモードで測定を行った。測定系もウンド比が実現されている。

CFD をリーデ、ィングエッジ型のテ守イスクリミネー

7

なお，この運転時には RFKO とスクレーパーをタに変え，その出力パルスを 100MHz スケーラー

用いる方法 6) によってパンチの純化を行った結果，に入力した。入射 X 線のエネルギーは 8.0 ， 14.4

メインピークの前および 10 ナノ秒以上後ろでは，keV とし，スリットにより入射ビームの大きさをその強度の 10- を越えるサテライトピークは観測

1mmx1mm ，金属箔 (Cu， Mo) をフィルターされなかった。またメインパンチの直後でもサテにしてビーム強度を変えながら行った。入射ビー

ライトピーク強度は 10- 以下になっていたことをムの強度は一枚ごとに求めた金属箔の透過率と，他の測定 7) により確認しているので，斜線で示されNaI シンチレーション検出器で測定した減衰後のる「すそ」は，検出器固有のスペクトル波形(応ビーム強度を検出器入射窓での減衰等を考慮し補答関数)の一部で，正して求めた。

64APD の構造によるものと考え検出効率，正確にいうと検出器の有感面積の大られる。すなわち空乏層よりも後ろ側の p+ 層(電界強度ゼ、ロの領域)でエネルギーを失った X 線にきさに依存しない固有効率についての結果は，よって励起された電子が，数はわずかだが拡散し8.0keV に対し 56 %,て空乏層内に入り遅れた信号として検出されるこた。後者の値はシリコン 30μm の吸収に相当し空とによる。

乏層の厚みと対応している。後者は 50μm以上の14 .4keV に対し 7.5% であっ吸収に相当し大きすぎる値だが，入射ビーム強度を求める際の検出器窓材など補正方法の問題と考円δ
円〆】

29

放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)

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APD 検出器のエネルギー分解能についてはまだえている。

図 5 は入射ビーム計数率に対する APD 検出器出十分調べていないが，常温で 14.4keV の X 線に対力の計数率をプロットしたものである。黒丸はし 11 % (FWHM) と比例計数管程度のデータが得8.0keV での結果を示し，臼丸は 14.4keV での結果られている。高速計数用として市販されているシを示す。どちらの場合も観測された最大計数率はンチレーション検出器の不感時聞が 37 ナノ秒 9) で3.8X 10 cps であった。 10 cps までは直線性がほあることを考えると， APD 検出器はノイズも少なぼ保たれていることがわかる。入射ビーム強度をいのでダイナミックレンジのより広い高速カウンさらに増やすと検出器出力の計数率が下降したこターとしての可能性があることがわかる。

77とから，麻癖型の応答特性と考えられ，次のよう4. 核共鳴ブラッグ散乱実験への応用なモデルで表せる 8) 。

APD 検出器は「量子うなり」の高時間分解能測定などに応用され成果をあげている。

m=n ・ exp (‑nτ) ,57F
e203 (α ーヘマタイト)の 777 反射による量n は入射ビー子うなりの観測に，東京大学の菊田教授のグループ

τ は検出器の不感時間である。このが BL-16A のビームと APD 検出器を用いて PF リ式から m の最大値は 1/τe で表されるので，実際ングでは初めて成功した 10) 。それまでプラスチッに観測された値から τ の値を求めると 9.7 ナノ秒とクシンチレーターを取り付けたシンチレーションなる。この値は採用した回路系の性能に依存して検出器を使って観測しようとしていたが，入射おりさらに τ を小さくすることが可能と考えていビーム強度が弱くノイズに信号が埋もれてしまうる。

状態であった。それに対し， APD 検出器は時間分

ここで，m は検出器出力の計数率，ムの計数率，‑29‑

放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)

30

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n14.4‑keVnuclearresonanceo
f67F
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nmeasuredw
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heAPDdetector:(a)therangeof100nsafterthepromptpeakand(b)thefir
st16ns.Thebrokenc
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fnon‑nuclearcomponents , fittedbyt
heGaussiand
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解能が 5 倍ほど優れ，バックグラウンドとなるノル測定時のピーク波形にすそが現れることなど，イズを生じないために，検出効率は約 3% であっ

APD の構造に依存した問題点がある。

うなりのスペクトルが得ら

APD の構造上，空之層を厚くするとキャリアのしかも時間 O 秒の非共鳴線と 2 ナノ秒後に現収集時間が長くなるため時間分解能は悪くなる可れる，うなりの第 1 ピークとをきれいに分離する能性が高い。ただ，これがどの程度になるのかはことができた。

実際に作ってやってみる必要がある。サブナノ秒たにもかかわらず，れ，その後，アンジュレータ・ビームライン AR­

分解能を保ったままどこまで効率が上げられるか

104cps を越える強度の核共など，新しい構造の APD 素子を開発することや他鳴線ビームが得られるようになった。そのビームの材質の APD の特性評価など今後さらに取り組みを使って APD 検出器によって得た量子うなりのスたいと考えている。また検出器の効率が改善されペクトルを図 6 に示す。

れば高計数率に対応する高速カウンターとしてのNE3 が立ち上がり，特性も活かされるので，その観点からの発展も検5.

討している。

まとめ
X 線領域でサブナ最後に，量子うなりの測定に参加させていただ

ノ秒時間分解能を実現できる優れた時間検出器でいた東京大学の菊田教授はじめ研究グループのある。さらに光電子増倍管を使うときによく現れ方々に感謝いたします。また測定時にお世話になるバックグラウンドがほとんどないという利J点もった PF 測定器系のスタッフ，シングルパンチ運転もっている。ただし現状で入手可能な APD 素子で努力していただいている光源系スタッフの方々は，もともと赤外線検出用に設計されたもので，に深く感謝いたします。

以上のように APD 検出器は，ウエハの厚みは数百ミクロンあっても有感層の厚みはその十分のー程度で薄く，効率(検出器の固有効率)があまり大きくない。また時間スペクト-30 一31

雄射光第 5 巷第 1 号(1 992年〉

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バッ クナン バ ー紹介 (1)日本放射光学会第 1 国情習会予構築 (1988 年 11 月〕

放射光を 利用した回折格子分光器 … υ そ の現状と将来
主値目本放射光学会

内容

共憧日本分光学会

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‑3
1‑