エネルギーを測るⅠ―半導体検出器（高純度ゲルマニウム検出器
シリコンドリフト検出器)―
伊藤真義

財 高輝度光科学研究センター
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111E-mailmito＠spring8.or.jp

谷田肇

財 高輝度光科学研究センター
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111E-mailtanida＠spring8.or.jp

1. はじめに章では蛍光 XAFS 測定や X 線回折実験での使用法である
エネルギー選別した計数について解説します。なお，放射半導体検出器は，SSD (Solid State Detector) と呼ば光実験の場合，高エネルギーといっても100 keV 程度であれ，放射線を電気的なパルス信号に変換し計数するパルス

り，一般に放射線計測では低エネルギーとされている領域型検出器です。発生したパルスの波高は入射した放射線のですが，この解説ではシリコンの吸収係数が減少する 20

エネルギーに比例するので， X 線エネルギーを測定する～ 30 keV を境として，それ以下を低エネルギー，それ以検出器として広く使われ，多くの放射線計測の教科書に解上を高エネルギーと呼ぶことにします。

説があります1)。ほとんどの硬 X 線ビームラインには半導

2. 半導体検出器の動作原理と特性体検出器があるのではないでしょうか。
放射光実験において X 線の光子エネルギーを測定する
主な方法としては，他にも結晶分光法があります。そのエ

2.1

ネルギー分解能は DE / E ＜ 10－3 であり，放射光の圧倒的な強度は測定効率の低さをカバーすることができます。放動作の原理

半導体検出器は， X 線を電気的なパルス信号に変換し計測します。その過程は次のようになります。

射光実験での最も重要なパラメーターである入射 X 線の1)

X 線が半導体結晶内にて光電吸収やコンプトン散

エネルギーも，較正されたモノクロメーターの回折角から乱を起こすことにより，二次電子や散乱 X 線を生成求めるのが一般的です。では，半導体検出器の利点は何で（散乱した X 線は 1 を繰り返す）

しょうか

SSD の利点は，検出効率が高く，比較的高2)生成された電子は，電離作用によって多数の電子計数率（＜103～106 cps）で，各元素の特性 X 線を分離で正孔対を生成きる程度のエネルギー分解能で広いエネルギー範囲（＞1（高いエネルギーをもつ電子は 2 を繰り返す）

keV）を一度に測定でき，比較的小型で取り扱いが簡便な（特性 X 線や制動放射を発生させた場合は 1 へ）

ことです。

3)

蛍 光 X 線 分析のよう に広いエネ ルギー領域 のエネル

電子正孔は，結晶にかけられた電場によって電極へ移動し，パルスシグナルを発生する

ギースペクトルの高計数率の測定が必要な場合や，コンプ一対の電子正孔対を生成するのに必要な平均エネルギーは

トン散乱実験のように高い統計精度でのエネルギープロフ

e 値1 と呼ばれ，ゲルマニウムでは 2.96 eV です。エネル

ァイルの取得が必要な実験においても強力な検出器です。

ギー E を持つ X 線は， E / e 個の電子正孔対を生成し，X 線回折実験における検出器として使用すれば回折 X 線

1.602×10－19 E /e(C) の電荷信号を生じさせます。この電のエネルギーのみを，蛍光 XAFS 実験では測定対象元素

荷信号を波高分析することで X 線のエネルギー測定が可の蛍光 X 線のみを選別した測定を可能とし S /N の高い実能になります。

験が可能です。試料に対するビームの位置を確認するため

動作原理的は前号で紹介されたフォトダイオードと同じに試料や試料ホルダーからの蛍光 X 線を確認したり，実です（前号2.1）。異なる点は，光子数測定のための検出器

験中のモニターとして使用したりと，便利な検出器です。

では，多数の光子によって生成された電気シグナルの積分

今回は，「回折散乱した硬 X 線のエネルギー測定」を念頭に解説していきます。2, 3 章では半導体検出器の動作原理と特性を， 5 章ではエネルギースペクトルの測定， 61ガス検出器の W 値に相当。 Ge: 2.96 eV, Si: 3.76 eV, CdTe:
4.27 eV, (W 値) He: 41.3 eV, Ar: 26.4 eV, Air: 34.0 eV

放射光 July 2008 Vol.21 No.4 ● 221(C) 2008 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

を電流として計測するのに対し，エネルギー計測用の検出器では，一つの光子が生成したパルスシグナルを個々に計測する点にあります。前号では PIN フォトダイオードを
フォトンフラックス測定用として紹介していますが，同じ
く PIN フォトダイオードを用いたエネルギー計測用検出器もあります。

2.2

エネルギー分解能

検出器のエネルギー分解能は，信号のピークの半値全幅（FWHM）として定義されます。この幅は，電子正孔対生成の統計誤差（ss），電子雑音（sn），電荷収集のばらつき（sc），温度変化によるばらつき（sd）などが原因であり，(FWHM)2＝ss2＋sn2＋s2c＋sd2(1)と表せます1)。
電子正孔対の生成数は統計的誤差（ss）をもちます。エネルギー E を持つ X 線は， E / e 個の電子正 孔対を生成し，このときの ss は，

ss＝2.355 FeE(2)となります。e 値の小さい半導体のほうがより多くの電子正孔対を生成できるので，統計的誤差が減少しエネルギー

Fig. 1(a) Si(Li)SSD と(b) Ge
SSD の検出効率2)分解能が向上します。F は Fano factor2 といわれる調整係数で，半導体検出器の場合 0.1 程度3 であり， 2.355 は標準偏差を FWHM に変換する係数です。電子雑音（ sn ）は

2.3

検出効率

結晶表面などにおける漏洩電流などに起因し，検出器の静検出効率は， Fig. 1 に示すように，低エネルギー側では電容量とともに増大します。一般に素子の面積が小さいほX 線の検出器入射窓や半導体素子の不感部での吸収のたうが，静電容量が小さくなるのでエネルギー分解能は向上

めに減少し，高エネルギー側では X 線が素子を透過するします。結晶内での電荷収集のばらつき（sc）は，結晶内ため減少します。入射窓には，多くの場合ベリリウムが使における電荷の生成位置によって異なるもので，印加電用されています。有機膜の窓や，窓なしで真空チャンバー

圧，結晶内の不純物や欠陥などに影響されます。温度変化

内に直接設置するタイプもあります。高エネルギー側でによるばらつき（sd）は，素子の温度変化による e 値の変は，半導体素子の原子番号 Z が大きく，サイズが大きい化や，電子回路系の温度依存性などから生じます。sn, sc,

ほうが検出効率は向上します。Si では20 keV，Ge では80

sd がエネルギーに依存しないとすると，エネルギー分解

keV 以上で検出効率の低下が顕著になります。また，素能は，以下の関係を満たします。

子を構成する元素の吸収端では一部がエスケープピーク（ 2.4 参照）となるためにピーク効率の変化が現れます。

(FWHM)2＝a＋bE(3)

Ge では K 吸収端である 11.1 keV において約 20 の全吸収ピーク効率の低下が現れます。実際の検出効率曲線は，

ここで a は個々の検出器に固有の，b は半導体元素種に固X 線入射の方向や位置によっても変化します。

有の定数です。

2.42半導体検出器の個々の電離過程は独立な統計事象ではなく電子正孔対の生成数はポアソン分布に従いませんので，このような調整計数が必要となります。電離の事象がポアソン分布に従う
場合， F ＝ 1 となり，シンチレーション検出器などがその例です。
3 理論，実験の多くの報告がありますが，F 値は0.05～0.2程度で一致しておらず，正確な値はまだ分かっていません。

222 ● 放射光 July 2008 Vol.21 No.4

エネルギースペクトル

エネルギー E の X 線が検出器に入射したときに観測されるエネルギースペクトルは，E にのみピークが形成されるのではなく，実際には複雑なスペクトルになります。入
射した X 線のエネルギーが全て結晶内に吸収されずにその一部が検出器外に放出されたり，電子回路系の応答による影響を受けたりするからです。このエネルギースペクト

特別企画 ■ エネルギーを測る―半導体検出器（高純度ゲルマニウム検出器シリコンドリフト検出器)―

せ，非弾性散乱します。反跳電子の受け取るエネルギーは，前方散乱（散乱角 0 度）の場合 0 となり，後方散乱（散乱角180度）の場合に

Eemax＝E－E/(1＋2E/mc2)(4)と最大になります。検出器中で X 線はあらゆる方向に散Fig. 2半導体検出器のエネルギースペクトルの模式図

乱しますので 0 ～ Eemax までの連続したエネルギーが電子に与えられます。コンプトン散乱 X 線が検出器外へ散逸
すると，電子に与えられたエネルギーのみを検出器が計測

ルを模式的に表すと Fig. 2 のようになります。以下で，そするので図に示したような連続分布が低エネルギー側に現れぞれのピークについて解説します。

れるわけです。式(4 )は静止した電子との散乱によるもの
ですが，実際には電子は運動していますので，ドップラー

2.4.1

全吸収ピーク効果により散乱 X 線や反跳電子のエネルギー分布はひろ

多くの場合，二次的に生成された電子や X 線は，すぐがります。このため Eemax においてもコンプトン連続のプにその付近で吸収され全てのエネルギーを半導体素子に与ロファイルは急なエッジではなく，なだらかに減少します。

えます。検出器は入射した X 線のエネルギーに比例する

コンプトン連続は，低エネルギー X 線の測定ではほと

パルス波高を観測し，エネルギースペクトルには全吸収んど観測されませんが，高エネルギー X 線の測定では現ピーク（光電ピークとも呼ばれる）を生成します。スペク

れます。これは，コンプトン散乱断面積が大きくなり，まトルの解析では主としてこのピークを扱います。

た，コンプトン散乱 X 線のエネルギーも高くなるためです。検出器素子が薄い場合には更に顕著になります。

2.4.2

エスケープピーク

半導体素子に入射した X 線が光電吸収されると，空孔

2.4.4

サムピーク

を埋める際にオージェ電子か蛍光 X 線を放出します。こ2 つ以上の X 線がほぼ同時に検出器に入射した場合，のとき発生した蛍光 X 線が検出器の外に散逸してしまう

検出器はそれを分離できずにひとつの X 線から発生した

場合，検出器が観測するエネルギーは入射エネルギー E

ものとして計測してしまいます。スペクトルには同時にそから蛍光 X 線のエネルギー Ex を差し引いたものとなり，れらの X 線エネルギーの和に相当する位置にピークを形E Ex の位置にピークを形成します。このピークをエス成します。これをサムピーク，もしくはパイルアップと呼ケープピークと呼びます。 Fig. 2 には一本のエスケープ

びます。サムピークは 2E だけでなく，エスケープやコン

ピークしか描いていませんが，実際には Ka1, 2, Kb, L など

プトン連続を経由した後のエネルギーの和になりますの素子を構成する元素の複数の蛍光 X 線に対応するエスで，多くのピークが形成されます。

ケープピークが現れます。
エ スケープピ ークの大き さは検出す る X 線 のエネル

サムピークは入射フォトン数の自乗に比例して発生します。サムピークが観測される状態では，検出器の数え落し

ギーに依存します。半導体素子の K 吸収端の直上のエネが発生しています。定量解析を行うときは補正が必要です

ルギーでは，光電吸収断面積が大きく光電吸収が素子の表（6.2参照）。

面付近で起きやすくなるために，エスケープピークも大きくなります。高エネルギーになると素子内部での吸収やコ

2.4.5

その他

ンプトン散乱による吸収が多くなるので，エスケープピー

検出器素子の周りには，窓材，電極，コールドヘッド，

クは目立たなくなります。ゲルマニウム検出器では，シリ真空容器等の構造物があります。これらから散乱されたコン検出器に比べエスケープピークが顕著に現れます。シ

X 線が計測される場合があります（Fig. 2 中 back scatter-

リコンより蛍光収率が高い，光電吸収断面積が大きい，入ing など）。特に，高エネルギーの X 線を低エネルギー用

射 X 線の平均透過距離が短い，蛍光 X 線エネルギーが高の検出器で計測する場合には，入射 X 線が素子を通り抜いためです。

ける確率が大きいので注意が必要です。
以上の現象は，複合的に起こります。例えば，光電吸収

2.4.3

コンプトン連続で蛍光 X 線が逃げ，さらに光電子が特性 X 線を励起しそ素子に入射した X 線がコンプトン散乱し，散乱 X 線がれも逃げた場合， E 2Ex にピークが現れます。また，増散逸した場合，低エネルギー領域になだらかなピークを形

幅器など計測回路の設定が適正でない場合や，電気的なノ成します。これをコンプトン連続と呼びます。コンプトン

イズを拾っている場合にもおかしなピークが現れます。プ

散乱では， X 線はエネルギーの一部を電子に与え反跳さロファイルの解析では，検出器，測定回路系の設定を正し

放射光 July 2008 Vol.21 No.4 ● 223

く行った上で，更に検出器内の振る舞いを考慮することがは熱雑音を避けるために素子とともに冷却されています。

必要です。

一般には，検出器自身やプリアンプの調整は，メーカー出
荷時に素子と前置増幅器のフィッティング調整がなされて

3. 半導体検出器の構造と選定います。

Ge 検出器の選定では，計測において何を優先するかで化合物半導体を含め多種の半導体が存在しますが，半導素子の形状や前置アンプのタイプを選択します。エネル

体検出器の素子として実用化され入手が容易なものは，

ギー分解能か高エネルギーの検出効率かで素子サイズを，

Si, Ge, CdTe, HgI2 など数種類に絞られます。ここでは高スループット5 かダイナミックレンジかで前置アンプのタ

純度ゲルマニウム検出器と，シリコンドリフト検出器につイプを選択します。検出器の選択には SEIKO EG&G 社

いて説明します。

の Web サイト「最適な Ge 検出器の選び方｣5)が参考にな
ります。

3.1

高純度ゲルマニウム検出器 HPGeSSD1,3)

ゲルマニウムは他の半導体に比べバンドギャップが狭い

3.2

シリコンドリフト検出器 SDD6)

ため，GeSSD は他の半導体検出器よりも高いエネルギー

シリコンドリフト検出器（ SDD ）は， 1 Mcps （＝ 106

分解能をもちます。反面，そのバンドギャップの狭さからcps）という高計数率測定が可能であり，それでいてエネ

室温では熱励起による雑音が多く発生するので，冷却を必

ルギー分解能は液体窒素冷却の Si (Li ) 検出器と同等かや要とします。

や劣る程度，ペルチェ冷凍機を使用し室温動作が可能で小検出器素子の p ＋電極はホウ素イオン注入にて作製され型のため，非常に注目されています。この特徴は検出器素ており，電極の厚さは～0.3 mm です。他方，n＋電極はリ子の特殊な電極構造によって実現されています。一方，そチウムの拡散により作製され，厚さは0.5～0.8 mm です。

れを維持したまま広い受光面積の素子を作製することは困

これらの電極部分は，信号を感じない不感部分となります。

難です。 SDD 素子のモジュールはドイツの KETEK 社が

X 線の電極での吸収が小さい p＋電極側が入射側になりま製造販売しており，それを使用した完成品が多くのメーす。この結晶に逆バイアスをかけることで，自由電荷のほカーから発売されています。

SDD の構造（Fig. 4）は，高純度 n 型シリコンに， X 線

とんど存在しない空乏層を作ります。この空乏層が，実効的な検出部となります。結晶の全域を空乏層にするには，の入射部となる広い均質な p 電極（Fig. 4 下面）と，その不純物濃度が 1010 / cm3 以下の高純度な結晶が必要となり背面の中央に n 電極を，それを同心円状に多くの p 型ドます。

リフト電極が取り囲む構造になっています。素子に両面かX 線測定用の HPGe 検出器素子の形状は，プレナ型もらバイアスを掛けることにより，素子両面から電場の谷がしくは半同軸型が使用されます（ Fig. 3）。素子の厚さは 5

図中素子内部の矢印の幹の部分に向かい発生します。ま～10 mm 程度です。Ge 結晶は，真空クライオスタット内

た，同心円状に配置されたドリフト電極によって，電場のに置かれ，通常液体窒素を用いて冷却します。液体窒素を

谷はアノードに向かって深くなります。 X 線により生成

用いず電気式冷却装置を用いて冷却する検出器4)もありまされた電荷信号は，素子内矢印の電荷の谷に沿ってアノーす。

ドへとドリフトします。このような構造により，電荷容量

ほとんどの検出器は電荷有感型の前置増幅器（プリアンプ）を備えています。その目的は，検出器素子からの微弱は小さくなり，また，漏洩電流を低く抑えることができる
ため，低雑音で高速な信号を得ることができます。

な信号を主増幅器（スペクトロスコピーアンプ）へ損失なく信号を伝達するために，信号を増幅し，インピーダンス整合を行うことです。多くの場合前置増幅器の初段 FET4

Fig. 4
Fig. 34

ゲルマニウム検出器素子の断面図

Field eŠect transistor電界効果トランジスタ

224 ● 放射光 July 2008 Vol.21 No.45シリコンドリフト検出器素子の断面図6)。 X 線により生成された電荷は，素子内矢印の電荷の谷に沿って中心部のアノードへと集められる。

実際に処理できる計数特別企画 ■ エネルギーを測る―半導体検出器（高純度ゲルマニウム検出器シリコンドリフト検出器)―

高スループットであるという SDD の性能を活かすために大きな漏れ電流が流れ，前置増幅器を損傷するので行っには，高スループットの信号処理系が必要になります。アてはいけません。液体窒素を入れ（または冷凍機の電源をナログ処理系では残念ながらその性能を活かしきれないの入れ），マニュアルで指定された時間待ってください。再で，デジタル信号処理システムの利用が望ましいでしょう。

冷却するときは室温に完全に上がるまで待ってから行うよ
うにします。

3.3

どれを使う？

多くの場合， HPGe SSD が適しています。他の検出器

4.3

バイアス電圧の印加に較べ，エネルギー分解能が高く，高エネルギーまで検出

バイアス電圧の印加は，プリアンプの出力をオシロス

効率を落とすことなく測定でき，大面積の素子の作製が可コープで確認しながら行います。印加電圧は急激に上げず能なため測定の立体角を稼ぐことができ，比較的高い計数に徐々に行います。急激に印加すると，前置増幅器を損傷効率での測定が可能だからです。さらに計数を向上させるする場合があります。正常な出力信号が確認されないとき

場合には，多素子化することで立体角を稼ぎ，計数回路を

は，印加を直ちに中止して原因を確認します。液体窒素が並列に用意し使用することで対応できます。

Ge 検出器の短所としては，素子の冷却装置を必要とす

なくなり素子温度が上昇すると bias shutdown 信号を発生させ，高圧電源出力を停止させることができます。ただし，るため大型となり取り扱いが煩雑であること，無視できな

shutdown 信号で電源が切れるからといって必ずしも検出

い大きさのエスケープピークが発生し，吸収端前後で計数器にダメージをまったく与えないわけではありませんの

効率が不連続であることがあげられます。

で，使用中は液体窒素の補充を常に気にかけてください。

窒素冷却を必要としない小型の検出器としては，低エネ
ルギーでは Si ドリフト検出器や Si PIN フォトダイオー
ド検出器が，高エネルギーでは， CdTe 検出器， HgI2 検

4.4

検出器の劣化

放射光実験では，高計数率で使用する場合が多いために出器などが選択肢にあがります。液体窒素冷却が不要であ劣化や損傷に気を付ける必要があります。大強度 X 線をるという点は，安全であり，取り扱いを簡便にします。長

入射すると，素子や前置増幅器の回路にパルスが連続的にいアーム上や，多数の機器で混雑している試料周りへの設

入り，直流電流が流れるのと同様なショート状態になり破置も容易になります。素子の冷却時間をほとんど必要とし壊されることがあります。また，半導体検出器は長期間使ないので，使いたいときにすぐに使用できるのも大きな利用していると劣化します。キャンベラ社は，GeSSD をで点です。

きるだけ常時冷却するように推奨しています。室温ではわ

ゲルマニウムのエスケープピークや K 吸収端前後でのずかですが n＋電極のリチウムが拡散し不感層が増え検出効率の不連続を避けるには，シリコンの検出器を選択（ 0.19 ± 0.07 mm /年），冷却－昇温を繰り返すことによりすることになります。十分な X 線強度があり，できるだ

機械的な劣化を引き起こすため，常時冷却した検出器の寿け高スループットの検出器が必要であれば Si ドリフト検命は，そうでないものより明らかに長くなるとのことです。

出器がよいでしょう。

5. エネルギースペクトル測定
4. 検出器の取り扱い
5.1
4.1

設置

計測回路

エネルギースペクトルを測定するときは，プリアンプの原則として SSD 本体はステージや遮蔽体等から絶縁し出力をスペクトロスコピーアンプ（ AMP ）で増幅したあて設置します。接地しているとグランドループが発生し，と，マルチチャンネルアナライザー（MCA ）に蓄積しま

ノイズの影響を受ける場合があります。信号ケーブルも同す（Fig. 5）。

様で，コネクタがステージ等に接地しないようにします。

AMP で は ， 増 幅 率 （ Gain ） や ， 整 形 時 間 （ Shaping

ケーブルはできるだけ短く，またモーター類のノイズを多time）のほかに，波形整形におけるオーバーシュート，ア

く発生しそうなケーブルからは離しておくことが望ましい

ンダーシュートを補正するために，Pole zero の調整が必です。信号ケーブルのインピーダンスは，ナノ秒オーダー

要です。AMP 出力をオシロスコープで確認しながら調整の高速計測が必要でない場合にはそれほど気にしなくても計測できますが，できるだけ整合性をとるようにしてください。シグナル出力は 93 Q であり，RG 62 ケーブル等を使用します。

4.2

冷却

検出器が冷却されていない状態で高電圧をかけると結晶

Fig. 5エネルギースペクトル測定時の計測回路の構成例

放射光 July 2008 Vol.21 No.4 ● 225

Fig. 6

三角縁神獣鏡の蛍光 X 線スペクトル11)

してください。 Shaping time の設定値は，計数率とエネネルギーの相対的な X 線強度変化を測定するので，あまルギー分解能を天秤に掛けることになりますので，実験のり問題とはなりません。

要求に従って設定してください。
近年，デジタルベースの計測システムが普及し始めてい5.3

スペクトル測定の実際

ます7) 。プリアンプからの出力を高速 ADC でデジタル変エネルギースペクトルの例として，青銅鏡の蛍光 X 線

換し，その後の処理を DSP マイクロプロセッサーでリア

分析測定のスペクトル11) を Fig. 6 に示します。入射 X 線

ルタイムに行う形式のシステムです。アナログのシステム

エネルギーは 70 keV ，検出器は HPGe SSD （ 100 mm2, tに比べ高い計数を得ることができ，波形整形に使用するフ＝ 10 mm ）を使用しています。青銅鏡の主成分は銅（～ィルターを検出器にあわせて最適化可能です。また，調整75），錫（～20），鉛（～5）です。スペクトルには，を ソ フ ト ウ ェ ア 上 か ら 行 え る の で ， Amp gain や SCA

 やサムピーク◯
 などが確認できます。
エスケープピーク◯

window の設定などがとても容易になりました。デジタル

15 keV 以下では，コンプトン連続が現れています。 30

計測システムの性能は，搭載する ADC / DSP チップの性

keV 以上の領域のなだらかな分布はパイルアップの影響

能と， DSP マイクロプロセッサー上のプログラムにかかを受けています。 2.4 節で説明しました検出器の応答関数ってきます。安価なものや，メーカー初期の製品では，チはこのように現れます。

ップの性能やソフトウェアの最適化に問題のある製品もあ

組成の定量評価には，試料の内部吸収を考慮することがりましたが，現在では十分実用されています。ADC/DSP

不可欠ですが，この例では表面の錆の厚みの評価ができな

チップは今なお高速高性能なものに進化しているので，ソいため，定量的な評価は行っていません。

フトウェアのブラッシュアップとともに，今後，更なる性能の向上が期待できます。

5.4

ゲインシフト

検出器自体やアンプなど電子回路は温度変化や長時間動

5.2エネルギー校正と検出効率の補正作においてゲインシフトが起こります。例えばプリアンプ

半導体検出器の場合，パルス波高はエネルギーによく比の温度安定性は＜0.005/°
C程度，また，長時間安定性は例するので一次式で十分実用的ですが，2 次以上の多項式＜0.01 over 24 h 程度です。小さいように感じますが，を用いることもあります。較正係数は，入射 X 線や蛍光回路が 10度発熱した場合，そのずれは 2000 ch において 1

X 線ピークやチェッキングソース（55Fe, 57Co, 133Ba など）

ch のずれに相当し無視することはできません。特にプロの既知のエネルギーの測定ピークから容易に求められます。

ファイルの比較で差分をとる場合は大きく影響します。

検出効率曲線の測定は，較正用のチェッキングソースな

Fig. 7 は磁気コンプトン散乱測定の例です。この実験でどを使用し実験的に求められます。効率曲線は検出器に入は，試料にかける磁場を反転し，エネルギープロファイル

射する X 線の位置や方向に依存するので，実際の測定とを 2 本計測し（ I＋, I－ ），この差分から磁気コンプトンプ

同じ条件で行うようにします。また，EGS8)や MCNP9)なロファイル（I＋I－）を求めます。エネルギープロファイ

どシミュレーションコードを使って求める場合もありま

ルの強度変化は約 0.4 ，ピークフィットで求めた 500 chす10)。検出効率曲線は，蛍光 X 線分析などで検量線6 を求でのゲインシフトは 0.01 ch 以下で， I＋, I－ はほとんど重める場合はそれに検出効率が含まれますので必要ありませ

なってみえます。しかし，その差分（図中○）は，鉛の蛍

んし，XAFS，回折などでは，一連の実験において特定エ光 X 線ピーク（500 ch, 75 keV）を見ればわかるようにゲ
インシフトによる大きな微分成分が現れてしまいます。こ6

組成，量のわかっている標準試料と，それに対する測定データと関係を示したグラフ。関係式には散乱断面積や試料内部での自己吸収のほか検出効率が含まれている。

226 ● 放射光 July 2008 Vol.21 No.4の測定では，短時間での測定を繰り返し時間的な変動を平均化することでゲインシフトを打ち消しています（図中●）。

X 線を入射していないときと入射中では回路を流れる特別企画 ■ エネルギーを測る―半導体検出器（高純度ゲルマニウム検出器シリコンドリフト検出器)―

Fig. 8Fig. 7エネルギー選別計数時の計測回路の構成例

Ni の磁気コンプトンプロファイル。 I＋ ―， I－ ―がエネル
ギープロファイルで， , はその差分 I＋ I－ （磁気コンプトンプロファイル）。 I＋ ， I－ 双方 2 時間連続の測定の差分ではゲインシフトによりその微分成分が現れるが，60 秒の測定の繰り返しでは，ゲインシフトは平均化される。

電流が変わり，回路からの発熱により温度が変化しますの

Fig. 9K2MoO4 の X 線吸収スペクトル14)

で，検出器測定装置の温度が十分に安定してから測定を開始するようにします。ハードウェアによるゲインシフト
は，装置の温度を安定化させることで軽減できますが，完

計数率測定で数え落し補正後（赤）の XAFS スペクトル

全に避けることは困難です。ゲインシフトの補正は，測定を示しています。高計数率の測定では，数え落としにより後にソフトウェアで行うのが一般的です。Gain Stabilizer

計数に大きな変化が起こり，補正が必要なことがわかると機構を有する MCA システムも存在します。

思います。数え落としをどの程度しているかの判断は，ス
ペクトロスコピーアンプで処理された後のパルスの計測や，

6. エネルギー選別計数

MCA 上での観測では正確な判断はできません。
補正は，実験的に求めた補正曲線を使用します。増幅器

6.1

計測回路

以外に前置増幅器も数え落としをしている可能性があるたある任意のエネルギー領域のイベント数をカウントする

め，イオンチェンバー（ IC ）の値も使用します。補正曲場合，検出器のプリアンプからの出力を，AMP で増幅し線は，入射 X 線の強度をアルミや銅の板などの吸収体をシングルチャンネルアナライザー（ SCA ）でエネルギー

用いて段階的に減らし，IC, CRM (ICR), SCA (MCA) のを選別し，カウンターで数えます（ Fig. 8 ）。また， MCA

値を計測し，それらの相関プロットをフィッティングし取は調整時やモニターとして使用します。 SCA のカウント得します（ Fig. 10 ）。フィットする理論式は，真の計数率

数のみを見ていると計数率が少ないと勘違いしがちですを n，記録された計数率を m，装置の不感時間を t として，が，実際には，検出器は散乱 X 線や共存元素からの蛍光X 線も検出しているので注意してください。
放射光実験では Shaping time は最小値を選び計数率優
先の設定にする場合が多いです。 Gain 調整は，高計数測

麻痺型

m＝n exp (－nt)

非麻痺型

m＝n/(1＋nt)

nt≪1 での近似

m＝n(1－nt)(5 )定で数え落しの補正が必要な場合は，サムピークが見えるように設定するのがよいでしょう。また，その補正のためなどを用います。放射光はパルス光なのでバンチ構造が絡に AMP から，プリアンプのカウント数（ORTEC 社の場

んでくるために理論式15) は非常に複雑になるのですが，合 CRM 出力， Canberra 社の場合 ICR 出力からのカウン

上記式で十分実用的です。理論式による違いが現れるようト数）も計測します。

な高計数率の測定では，補正後の値の誤差が大きくなるの

6.2

数え落とし補正1,1214)

高計数率で測定をすると，検出器は数え落しをします。
数え落とし補正は，ピーク強度とその誤差に大きな影響をで，そのような測定は行わないようにします。数え落とし
補正後の値の統計誤差は，その平方根ではなく，測定カウント数の統計誤差が伝播したものです。

与えます。Fig. 9 は蛍光 XAFS 測定での，低計数率での測補正曲線は，機器の設定値やバンチモードなど実験の条定（青）と，高計数率測定で数え落し補正なし（緑），高件により変化するので，その都度，補正曲線を測定する必放射光 July 2008 Vol.21 No.4 ● 227

50年になります。エネルギー分解能は Ge，Si 検出器は理論的な分解能にほぼ達しており，非常に完成された検出器の一つでしょう。これ以上の高分解能を期待するのは難し
いですが，SDD のような高計数率化や，電子冷却による小 型化 ，化合 物半 導体検 出器16) な ど発展 し続 けてい ます。さらに，デジタル信号処理技術による低ノイズ化や高計数率化，ソフトウェアの高度化で更に使いやすいものになることが期待されます。

8. 利用情報1.

高純度ゲルマニウム検出器

Ortec http://www.ortec-online.com/detectors/photon/detectors.htm株セイコーイージーアンドジー

http://speed.sii.co.jp/pub/segg/hp/prod_detail.
jsp?mcatID＝328
Canberra
http://www.canberra.com/products/449.asp
http;//www.canberrajp/
2.
Fig. 10

シリコンドリフト検出器

BrukerAXS（型番XFlash series）

入射 X 線強度( I0 )と( a )プリアンプ出力（ ICR ），および(b ) SCA 出力の相関図14) 。これよりプリアンプ，アンプの不感時間，tICR;＝0.32 msec, tAMP＝1.26 msec が求まる。
Canberra Ge-SSD GL0055P, Canberra Fast Spectroscopy
Amp 2024 (Shaping time 0.25 msec), ORTEC SCA 550A,
ORTEC Counter 974を使用。

http://www.bruker-axs.de/index.php）
KETEKhttp://www.ketek.net/
株セイコーイージーアンドジー

http://speed.sii.co.jp/pub/segg/hp/prod_detail.
jsp?mcatID＝328&sbIcatID＝459#CatDetail など

要があります。間違った補正をおこなってもプロファイル

参考文献

を見ただけでは気づきにくいので補正を行う際は，十分注意してください。

6.3

1)

数え落としとバンチ構造

放射光はパルス光です。パルス間隔は，マルチバンチ運
転では数 nsec のオーダーですが，シングルバンチ運転ではパルス間隔が msec のオーダーになります。半導体検出器と計数回路系が 1 パルスの処理に必要な時間は 1 msec
前後ですから，これと同程度か長い間隔です。このような条件では，数え落しは検出器系の不感時間の影響のみでな
く，入射 X 線の時間構造も影響されます。パルス間隔≫t

2)
3)
4)
5)
6)
7)

と近似すると，不感時間は検出機器の不感時間 t ではなく
パルス間隔の1/2程度になります。SPring-8 のセベラルバ
ンチ運転では，不感時間は倍以上になってしまう場合があ

8)
9)
10)

りますので半導体検出器で高計数率測定を行う実験では，できるだけ均等なバンチモードを利用することが望ましいのです。

7. おわりに
半導体検出器の開発は 1960 年頃に始まり，その歴史は

228 ● 放射光 July 2008 Vol.21 No.4

11)
12)
13)
14)
15)
16)

GLENN F. KNOLL 放射線計測ハンドブック 第 3 版，
ISBN 13  978 4526047206 ，日刊工業新聞社（ 2001.3 )
野口正安，富永 洋放射線応用計測―基礎から応用まで，
ISBN13978
452605374, 日刊工業新聞社（2004.12）など
http://www.ortec-online.com/detectors/photon/a5_2.htm
J. Ebertha, J. Simpsonb: Progress in Particle and Nuclear
337 (2008).
Physics 60, 283
Ortec:X-COOLER II; Canberra: CryoJT など
http:// speed.sii.co.jp / pub/ segg / hp / prod _ detail.jsp?mcatID＝328&sbIcatID＝457&prodID＝1321#ProductDetail
P. Lechner, et al.: NIM A 458, 281287 (2001).
XIA: DXPXMAP, http://www.xia.com/
Canberra: DSA series など
EGS4: http://rcwww.kek.jp/egsconf/index.html
MCNP5: http://mcnp-green.lanl.gov/
C. M. Salgado et al.: Appl. Rad. Isotopes 64, 700705(2006).
樋口隆康ら泉屋博古館紀要 24, (2008).
M. Nomura: J. Synchrotron Rad. 5, 851
853 (1998); idem,
4 (1998).
KEK Report 98
http://pfwww.kek.jp/nomura/pfxafs/
http://bl01b1.spring8.or.jp/
C. COUSINS: J. Appl. Cryst. 27, 159
163 (1994).
Alan Owens, A. Peacock: NIM A 531, 18
37 (2004).