CdTe半導体検出器の大型化の試み-ダブルベータ崩壊探索に向けて-

京大京大理
市川温子
市川
木河達也、平木貴宏

1

CdTe検出器とはテルル化カドミウム(CdTe)を半導体素子として用いた検出器

CdTeの性質
密度(g/cm3)

バンドギャップ

電子易動度 ホール易動度 電子寿命 ホール寿命(cm2/V/s)(cm2/V/s)

(s)

(s)

( V)
(eV)

Ge

5.33

0.673800

1820>10-3

1x10-3

Si

2 33
2.33

1 11
1.11

1900

500>10-33

2x10-33

CdTe 5.85

1.47

1100

50

3x10-62x10-6

CdTe検出器の特徴
電極の接合にオーミック型とショットキー型がある。
長所
 ガンマ線吸収率が高い。(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。
(ホールの易動度が低いため)

23

何故CdTe?
Q値

同位体存在比

130Te

2.5 MeV

34%

116Cd

2.8 MeV

7.5%

106Cd(β+EC)

1 7M V
1.7MeV

1 5%
1.5%

放射線 Vol.36
V l 36 N
No.2(2010)
2(2010)

しかし、ダブルベータ崩壊探索するには、今の大きさ(~2mm厚)、エネルギー分解能(ピークがコンプトン
ギピがプと区別つかない)ではいかんともしがたい。

何故、大きくできないのか？
何故、エネルギー分解能が悪いのか？
-ホ ルのトラッピング- ドリフト中に多くのホールが捕獲-ホールのトラッピングされてしまう。

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。
生成の場所にも依存してしまう
ショットキー接合を用いたダイ
ショットキ
接合を用いたダイオードタイプの検出器が開発されている。
厚さ ~0.5mm~0 5mm
積層して、60Co(1.33MeV)に対して0.45%の分解能が得られている！
大野良一 放射線vol.30,No.1 (2004)より

455mm角素子を試作。
プリアンプ出力波形(137Csγ線源)

FAD
DC counts

0.5mmを積層するのは大変なので、オーミックタ05mmを積層するのは大変なので オ ミックタ
イプで波形情報を使って何とかできないか？

Time(s)6FAD
DC counts

0.5mmを積層するのは大変なので、オーミックタ05mmを積層するのは大変なので オ ミックタ
イプで波形情報を使って何とかできないか？
Drift5mm角素子を試作。
time
プリアンプ出力波形
P l hheight
Pulse
i ht
(137Csγ線源)
ホールの効果電子の効果が大きいもの(反応が陰極付近で起きた)

ドリフト時間が短いTime(s)Time(s)
ホールの効果が大きいもの
ホルの効果が大きいもの(反応が陽極付近で起きた)
FADC coounts

FADC coounts

電子(+ホール)の効果

ドリフト時間が長い

6Time(s)パルスハイトの分布

エネルギーの分布
100# of counnts# off counts

ドリフト時間からパルス イトを補正
ドリフト時間からパルスハイトを補正

50(FWHM:2.0%)

ドリフト時間による補正

Pulsee height (FADDC counts)

400 Pulse height (FADC counts)

400

パルスハイトとドリフト時間
ド

Energy(keV)

エネルギーとドリフト時間
ギ
ド
700
Energy(keeV)

1000

8

Drift time(μs)

87Drift time(μs)

-90℃
-70℃
-60℃
-50℃
0℃ ((液体窒素で冷却下)((恒温槽での温度制御下)))
-20℃
-10℃
-30℃
-80℃
10℃
30℃
20℃
0℃-40℃

Mean drrift time (s)FAADC counts

温度とドリフト時間(5mm角素子)
液体窒素での冷却下恒温槽による温度制御下

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• 0℃~-60℃くらいまで温度が下がるとホールの易動度が下がる。
• -70℃以下ではホールの移動の効果がまともに見えない。

実際の測定では0℃～10℃で最も分解能が良くなった。

89バックグランドの測定
実験室で試してみました

40K

02000

4000

6000 ((keV))

2440

2480

2520

2560

2600(keV)

5mm角素子120時間、宇宙線Veto

10

CUORICINO(CUORE)との関係
130Teと言えば、これですね。
• ボロメータ! 0.3%FWHM@2.6MeV• CUORICINO >3x1024year w/ 11.8kg130Te*y• CUORE 133kG 130Te• 時定数 ~秒 (時間分解能 数十ms)
これに対抗しようと思ったらエネルギー分解能~0.5%程度は欲しい%程度は欲しい
CdTeの時間分解能は、もっと良いのでγ線のコンプトンなどは、かなり除けるのではないだろうか (隣合う素子で t & １個の素子内でも波形か。(隣合う素子でveto情報で)15×15×10(t) mm3 CdTe素子

3素子 137Cs
15x15x10(t)mm
1515 10(t)C @0℃

6.3%(FWHM)

0100 200

300 400 500 600 700 (keV)0515波形補正

05101520253035 (μs)

1020253035 (μs)

3素子 60Co
15x15x10(t)mm
1515 10(t)C @0℃
5.1%(FWHM)

0200 400 600 800 1000 1200 1400 (keV)05波形補正05101520253035 (μs)

101520253035 (μs)

15×15×10(t) mm3 CdTe素子 波形
130Cs

60Co

sec

sec

ホールの吸収の効果が大きいので、解析にもう一工夫要りそう。

15分解能をリミットしているのは？
分解能をパルサーで回路系のノイズを測ってみる。

r.m.s(FADC count)○ : 15x15x10 常温○ : 5mm 常温○ : 15x15x10 0℃○ : 5mm 0℃• (本当は、ドリフト時間ぐらいの間をおいて、ふらつきを取るべ
き 今回は間に合わなかったき。今回は間に合わなかった。
なので、実際は左の表よりもノイズの影響は大きい。)• リーク電流▫ 体積で決まっている場合は5mm角→15x15x10(t)mm3で4 5倍のはず？
4.5倍のはず？
▫ 端の面積で決まっている場合は、1.5倍?
• 表面リーク電流が主？
表面リ ク電流が主？
• 5mm角素子は、常温ではリーク電流のふらつきが分解能を決めている？ -> 素子の縁にガード電素子の縁にガ ド電bias V極をつけることで、改善できるかも。

奥の手
Coplanar grid technique
陽極1半導体陰極
ガード電極+－陽極2陽極
陽極1陽極2陽極の構造

P.N.Luke (IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol.42, No.4, 1995)• 二つの陽極の信号の差分を取れば、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。
• （和をとれば通常の信号が得られる)• CZTでは、137Csで分解能1.3%の実績• 我々は、波形情報を用いることで、さらに上げられる？
• 読み出しをsegment化していくと、COBRA(CZT)と同16
じような実験になってしまう。(迷走中)17まとめ• 目標 数十cm3で分解能0.5%(FWHM@2.5MeV)
で分解能0 5%(FWHM@2 5MeV)• まだまだ、これからです。
▫ ガード電極でリーク電流低減▫ 素子内の非一様性の測定▫ 解析の工夫▫ coplanar grid法• 常温で高分解能なγ線検出器としての応用も考えたい。