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特集論

文

高エネルギー分解能を持つ次世代のガンマ線センサ
The Next Generation Gamma-ray Sensor withHigh Energy Resolution
黒田能克

笹原諫山武志玄蕃松隆
恵

当社は宇宙科学研究所（宇宙科学研究所次世代探査機研究センター高橋研究室）と共に，宇宙において高いエネルギー領域で起こっている様々な現象を精密に観測するために，天文衛星に搭載するガンマ線センサの研究を行っている．
今回，MeV を超える高エネルギーのガンマ線を高い精度で分光することを目的として，化合物半導体テルル化カドミウム（CdTe）を使った 40 段スタック型ガンマ線センサを開発した．本センサによる試験の結果，CdTe を用いたセンサでは世界で初めて，6.1 MeV の高エネルギーガンマ線を FWHM １〜２％の高精度で分光することに成功した．本論
文では，今回開発したセンサの概要及び測定試験結果について紹介する．

1．はじめ

バイアス電圧に宇宙には，高温・高エネルギー現象に由来する X 線・ガン

X線光子読出し部

マ線光子が存在している．宇宙を知るためには，X 線・ガンe-X 線観測は 1960 年代に始まり，現在では非常に高精度な観測が行えるようになってきている．その結果，あらゆる天電気信号＋電極

マ線の観測を行い，この現象を解明する必要がある．
センサ本体

体からの X 線放射が観測され，これまで不可能とされていた

h+電場

半導体現象をとらえることができるようになっている．

−電極

しかし，このような高精度な観測は，エネルギー領域が10 keV 以下の X 線光子に対してのみ行われており，それ以上の高いエネルギーを持つガンマ線と呼ばれる領域では，高図１

半導体センサの検出原理半導体センサの構成と動作原理を示す．

い感度を持つセンサが開発されておらず観測が困難であった．
そこで我々は，宇宙科学研究所（2003 年 10 月１日から宇宙航空研究開発機構

半導体内に X 線光子が入射すると，X 線光子のエネルギーに改称）と共同で，40 段スタックが半導体に吸収され，そのエネルギー量に見合う電子／正孔型ガンマ線センサ（以降，スタック型センサと称する）を開が作られる．バイアス電圧により半導体には＋電極から−電発した．

極の方向に電場が発生しているため，発生した電子／正孔は，2．X 線センサの概要
X 線観測を行うためのセンサには，様々な方式があるが，高精度な観測を行うために，特にエネルギー分解能（注１）が優れている半導体センサによる方式を採用した．
注１：FWHM（Full Width at Half Maximum）が小さいほど，分解能が優れている．

電場に沿って電子は＋電極に，正孔は−電極に引き寄せられる．この時に電子及び正孔の動きによって生じる微小な電流を，読出し部をとおして電気信号として出力することができる．
電気信号の大きさは，センサ内で発生した電子／正孔の数に比例するため，入射した X 線のエネルギーの大きさを電気信号の大きさとして知ることができる．ただし，半導体内で半導体センサは図１に示すとおり半導体に電極を付けたセは，電子や正孔の一部は再結合等により失われてしまうもの

ンサ本体と，これに電場を発生させるためのバイアス電圧，もあり，これは半導体の素材に依存するパラメータである．

並びに X 線光子から変換された電気信号を増幅及び整形してその検出器が，発生した電子／正孔のもつ電気信号をどれだ出力する読出し部から構成される．

け収集しきれるかを電荷収集効率という．
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表１密度（gcm−3）

各種半導体特性比較

CdTe

Si

Ge

5.9

2.3

5.3

48, 5214321.44

特徴

大きいほど，検出効率が高い
原子番号 Z
バンドギャップ （eV）

1.120.67

小さいほど，熱の影響を受けるμe τe（V−1cm2） 〜２×10−30.420.72

小さいほど，電子が電極に引き寄せられにくいμh τh（V−1cm2） 〜1×10−40.220.84

小さいほど，正孔が電極に引き寄せられにくい

100

3．40 段スタック型ガンマ線センサの開発
化合物半導体テルル化カドミウム（CdTe）

従来の半導体センサ本体には，主にシリコン（Si）半導体やゲルマニウム（Ge）半導体が使われている．しかし，これらの半導体でよりエネルギーの高いガンマ線光子を検出し検出効率（％）

CdTe

3．18060Ge40Si

ようとすると，次のような問題がある．
Si 半導体では原子番号が小さいため，入射したガンマ線光20子の多くが全く反応を起こさずにそのまま通り抜けてしま
0い，十分な検出効率（注２）を得ることが難しい．

0.1

0.20.5

次に，Ge 半導体では原子番号が大きいため検出効率が高い．さらに，バンドギャップ（注３）が小さいうえ，電子と正孔

1.0

2.0

5.010.0

厚 さ（mm）

図２の移動度μと寿命τの積μτが大きいことから，電荷収集効

各種半導体センサの検出効率

各種半導体センサの厚さと検出効率の関係を示す．

率が高く，入射した X 線光子のエネルギーをより正確に電気信号に変換できるため，優れたエネルギー分解能を得られる．
しかし，バンドギャップが小さいため，室温では熱による（3）低いエネルギー分解能
Si や Ge 等の従来半導体に比べて，CdTe 半導体のμτ積は小さいため，電荷収集効率は一般に低くなりがちである．

電子／正孔が半導体内に数多く発生してしまうことからリー

これは，エネルギー分解能の劣化の原因となる．

ク電流が大きくなり，液体窒素温度（− 196 ℃）環境でしか3．2 CdTe 半導体の高エネルギー分解能化

センサとして優れた能力を発揮しない．液体窒素冷却の設備は運用上の大きな制約となる．

前項で述べたように，室温でもセンサとして動作するなど，従来半導体よりも優れている点が多い CdTe であるが，主と

注２：センサを通過した X 線のうち，何％の X 線を検出することができたかを表している．
注３：最外殻電子が自由電子になるために必要なエネルギー．

して電荷収集効率の低さの問題から，そのままでは，X 線観

そこで我々は，近年注目されている化合物半導体 CdTe を下の２つの対策を行った．

測におけるエネルギー分解能の要求に対して，満足のいく性能が得られない．そこで我々は，CdTe 半導体に対して，以センサの素材に採用した．CdTe 半導体と従来半導体の特性比較を表１に示す．CdTe 半導体をガンマ線領域のセンサと（1）電極間隔の縮小化
CdTe 半導体素子の厚さを薄くすることにより，半導体して使用する場合，下記に示すような特徴がある．

内で発生した電子／正孔から電極までの距離が短くなり，（1）検出効率が高い

かつ電極間隔も狭くなることから，同じバイアス電圧でも，CdTe 半導体は，Si はもとより Ge と比較しても原子番号が大きいため，図２に示すように非常に優れた検出効率をより大きな電場が得られるようになる．
（2）ダイオード化持っている．図２は 40 keV の X 線光子に対する各半導体

CdTe 半導体の電極材料を選択することにより，電極にの検出効率を厚さの関数として比較したものである．

正孔に対する障壁を生じさせ（ショットキーバリアダイオ

CdTe 半導体は厚さ 0.5 mm もあれば，ほぼ 90 ％の検出効ード化），電極間のリーク電流を大幅に低減した．これに率があるのに対し，Si 半導体では 10 ％，Ge 半導体でもより，さらに高いバイアス電圧を印加できる．

75 ％である．
（2）室温動作が可能
Ge 半導体のバンドギャップは 0.67 eV と小さいため，熱この２つの対策により，μτ積が小さい CdTe でも電子／正孔をより確実に収集できるようになり，数十 keV ク
ラスのＸ線観測に十分なエネルギー分解能を得ることがでの影響を受けやすく，液体窒素温度（− 196 ℃）という極きた．

低温の動作環境が必要となる．それに対し，CdTe 半導体

3．3 センサのスタック（積層）化のバンドギャップは 1.4 eV と比較的大きく，室温動作が可

図３に示すように，光子エネルギーと検出器の厚さと検出能である．

効率との間には相関があり（1），厚みの薄い CdTe センサ単体
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では，ガンマ線（注４）のような X 線を超える高エネルギー領域から放射された中性子を NaCl に衝突させ，中性子と NaCl

では，十分な検出効率が得られない．一方で 3．2 の（1）で分子との相互作用から発生した数 MeV を超える２次ガン示したように，厚い検出器では優れたエネルギー分解能を得マ線を測定した．センサの構成は，バイアス電圧 350 V をることは難しい．そこで，我々は以下に述べるようなスタッ印加したスタック型センサを中心に置き，その周りをシーク型センサを開発した．

ルドで囲んだ．

注４：ガンマ線は，本質的にＸ線と同じ電磁波であり，一般的にエネルギーがＸ線よりも高い．

測定結果を図６に示す．スペクトルから分かるように，
NaCl の構成元素である塩素（Cl）の２次ガンマ線の検出

スタック型センサとは，図４の右側に示してある単体の薄に成功した．全エネルギーピーク（注５） 6.1 MeV のラインにい CdTe センサを，同図の左側に示してあるように，40 枚積

加 え て ， 5 . 6 M e V シ ン グ ル エ ス ケ ー プ ピ ー ク（注 ６） 及 び

み重ねたものである．これにより，高エネルギーに対して，5.1 MeV のダブルエスケープピーク（注７）がみられており，エネルギー分解能を下げることなく高い検出効率を得ること

検出器内でガンマ線が電子・陽電子対生成を起こしているができる．

ことが分かる．また，ポリエチレンに含まれる水素（H ：2.2 MeV）や検出素子自体のカドミウム（Cd ： 559 KeV）

4．実 証 と 成 果の２次ガンマ線もスペクトルから判別することができる．
これにより，世界で初めて６ MeV のガンマ線をスタック（1）スタック型センサの実証
スタック型センサの評価試験は図５に示すようなセット型 CdTe センサで測定することに成功した（2）．しかし，得アップで行った．スタック型センサ，容器に入れた塩化ナ

られたエネルギー分解能は２％であり，目標の１％に届いトリウム（NaCl）及びポリエチレンで囲まれた中性子源ていない．次章に更なる高分解能化のための対策について

カリフォルニウム（252Cf）を直線ライン上に配置した．Cf述べる．
注５：放射線のエネルギーがすべてセンサ内で吸収されたときに検出できるピーク．
注６：放射線によって電子・陽電子対が発生し，そのうち陽電子が再び消滅するときに発生する２つの 511 keV のガンマ線のうち，１つを，センサ外へ逃がしてしまったために，全エネルギーピークより低い位置に現れるピーク．
注７：511 KeV のガンマ線を２つとも，センサ外へ逃がしてしまったために，シングルエスケープピークより低い位置に現れるピーク．

100：５mm

検出効率（％）

50：10 mm20105252

CdTeスタック型センサ

Cf
NaCI

210PMT
200

400

600

800

1 000

エネルギ−（keV）

図３

ポリエチレン

エネルギーと検出効率の関係
半導体センサの厚さ５mm と 10 mm のエネルギーと検出効率の関係を示す．

図５

シールド

セットアップ図
スタック型センサ評価試験のセットアップの構成を示す．
25 000511keV

Cd20 000559keVCount/keV

15 000
10 000
5 000

CI

1 000
500

5.1 MeV

6.1MeV

10 000

5.6 MeV
5 000

900

100
50800
700

102 000

4 000

Energy （keV）

図４60002.2MeV

H
FWHM
47keV
(2.1%)

600
500
400
1 800 2 000 2 200 2 400

スタック型ガンマ線センサ

今回，開発した 40 段スタック型ガンマ線センサの外観を示す．

400 500 600 700

1 000

図６NaCl のスペクトルスタック型センサでの測定結果を示す．
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281
220
200

80

180
160

70

50

カウント

カウント

60

4030
20
100
2 000

2 100

2 200

2 300

2 400

2 500

2 600

140120
10080
60
40200
2 000

2 100

2 200

ADCCH

2 300

2 400

2 500

2 600

ASCCH（b）バイアス電圧：1 000 V（a）バイアス電圧：400 V

図７バイアス電圧によるスペクトル測定結果の比較

5．更なるエネルギー分解能の向上
高分解能化のためには，バイアス電圧を更に高くして，電サの詳細については，別の機会に譲る．
高い検出効率，優れたエネルギー分解能を特徴とする本センサは天文衛星への適用を目的として開発を進めているが，荷収集効率の一層の向上が必要であるが，高電圧化には，リ衛星のみならず，従来型の X 線センサが使われている医療分ーク電流の抑制が必要である．抑制の方法として，当社はガ野，セキュリティー分野及び資源探査分野などさまざまな民ードリング電極（注８）を CdTe 半導体素子に初めて本格的に採生分野で，より短時間に，より精密な測定が可能となり，社用した．CdTe ダイオード検出器のリーク電流のほとんどは，会貢献が期待できる．

検出器の端面を流れるため，ガードリング電極に集中する．

最後に，本開発に当たり多大なご指導，ご助言を頂いた宇

これによって，信号電極にはリーク電流を心配することなく

宙科学研究所の高橋忠幸教授，中澤知洋助手及び渡辺伸氏に高いバイアス電圧が印加できるようになる（3）．

感謝します．

注８：ガードリングとは，信号を取り出す電極の周りを別の電極で囲むことにより，リーク電流を抑制する一般的な手法の一つである．リーク電流とは，半導体素子に入射する X 線とは無関係に流れ続ける電流で，その揺らぎがノイズとなる．

ガードリング付き CdTe 半導体センサを使用して，取得したコバルト 60（60Co ： 1.17 MeV，1.33 MeV）のデータを図７に示す．図７（a）はバイアス電圧 400 V，図７（b）はバイアス電圧 1 000 V を印加したものである．エネルギー分解能（FWHM）は 1.33 MeV において，21 keV から 9.2 keV と劇的に改善され，ガードリング電極の有効性が確かめられた．

6．まとめ

今回，宇宙科学研究所と共同開発した 40 段スタック型ガンマ線センサによって高エネルギー領域における高エネルギ
ー分解能，高検出効率でのガンマ線分光に成功した．本セン
サを次期 X 線天文衛星へ搭載することにより，宇宙での高温・高エネルギー現象をより精密に観測することが可能となる．本センサによって人類が今まで見たことのない，宇宙の新しい側面が浮かび上がってくると予想される．
当社ではＸ線及びガンマ線領域における画像センサについても開発を進め，世界最先端の成果を得ているが，画像セン

参 考 文 献（1）Tadayuki Takahashi (ISAS). et.al., Recent Progress in
CdTe and CdZnTe Detector, IEEE TRANSACTIONS ON
NUCLEAR SCIENCE, VOL.48 NO.4 AUGUST 2001
（2）Shin Watanabe (ISAS) & Yoshikatsu Kuroda (MHI).
et.al., Stacked CdTe Gamma-ray Detector and its
application to a range finder, Symposium on Radiation
Measurements and Applications（3）中澤知洋（ISAS）ほか，CdTe/CdZnTe 半導体を用いた宇宙ガンマ線検出器の現状とその応用，日本電気学会
原子力（放射線）研究会（2002 年９月）
黒田能克

笹原松隆

名古屋誘導推進シス
テム製作所
誘導電子機器技術部
電子機器・ソフト設計課長

名古屋誘導推進シス
テム製作所
誘導電子機器技術部
電子機器・ソフト設
計課主席

諫山武志

玄蕃恵

名古屋誘導推進シス
テム製作所
誘導電子機器技術部
電子機器・ソフト設計課

名古屋誘導推進シス
テム製作所
誘導電子機器技術部
電子機器・ソフト設計課

三菱重工技報 Vol.40 No.5（2003_9）