光の強度を測るⅡ―シリコンフォトダイオード―
加藤昌弘

独立行政法人

産業技術総合研究所〒3058568 茨城県つくば市梅園 111

中央第 2E-mailmasahiro-katou＠aist.go.jp

齋藤則生

独立行政法人

産業技術総合研究所〒3058568 茨城県つくば市梅園 111

中央第 2E-mailnorio.saito＠aist.go.jp

1. はじめに
放射光利用実験で，光の強さ（光子数，光パワーなど）を測るという場合，入射光の強度を測る場合と，研究対象と励起光の反応の結果生じた光の強度を測る場合に分けられるでしょう。今回は検出器シリーズの第 2 回としてシリコンフォトダイオードを取り上げますが，入射光の強度測定を行う場合を想定しています。また10数 eV ～10 keV程度の真空紫外光および軟 X 線を対象とします。
入射光強度を測定するのはなぜでしょうかそれは普遍性のある結果を示すために必要だからではないでしょうか。入射光強度依存性のある信号を用いてなんらかの物理量を測定する場合，私たちはいくつかの測定量と同時に入射光強度を測定し，普遍性のある物理量を得ようとしま

Fig. 1

フォトダイオード（実線）とミラーのドレインカレント（点線）による入射光強度測定の比較1)。

す。したがって，もし入射光強度の測定がうまくいっていないと，導き出したい最終的な物理量が不正確だというこのビームラインで測定された入射光の強度です。実線で示とになりかねません。
放射光利用実験で入射光強度を測定する場合は，あまりしたものは，感度のわかっているシリコンフォトダイオー

多くの時間を費やすわけにはいかないので測定が容易なもドで測定した光子数，点線はミラーからのドレインカレンの，また施設外から持ち込むことが想定されるので，持ちトです。ミラーのドレインカレントと光子数のエネルギー運びに便利なものが良いでしょう。さらに一般的に検出器依存性は大きく異なります。ミラーの反射率などが原因は，エネルギー特性や個体差を持ちますので，光の強さにで，換算係数に大きなエネルギー依存性があるためでしょ対する感度が安定しているものが適しています。シリコンう。この場合，換算係数のエネルギー依存性について，何フォトダイオードは，これまで多くの研究例があり，またらかの方法で情報を得ない限り，ドレインカレントから入安定で，一度校正しておけば，検出される電流値から，容射光強度の絶対値，あるいは異なるエネルギー間で比較で易に入射光強度の絶対値を導くことができます。さらに小きる相対値を導くことはできません。

型であるために持ち運びにも便利ですので，入射光強度測

今回は，「入射光の強度を正確に測る」という立場から，定に用いる検出器として，適していると言えるでしょう。

シリコンフォトダイオードを利用した入射光強度測定につこれに対して，真空紫外～軟 X 線の領域では，金属メいて考えてみたいと思います。まず 2 章では，一般的にッシュからの電流値やミラーのドレインカレント（後置鏡強度測定に用いられているシリコンフォトダイオードの特に光が当たったときに発生する光電子を電流として検出し徴について実際の製品を例に挙げて説明します。3 章ではます）が使われることもありますが，一般的に光子数と検シリコンフォトダイオードの感度を決定する方法を説明し出電流値の換算係数はエネルギー依存性や強度依存性が大ます。そして 4 章では，放射光利用実験で，シリコンフきいので，シリコンフォトダイオードに比べると測定が困ォトダイオードを利用して入射光強度を測る場合の注意点難です。 Fig. 1 に例を示します1) 。これはある放射光施設について考察を行います。

168 ● 放射光 May 2008 Vol.21 No.3
(C) 2008 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

特別企画 ■ 光の強度を測る―シリコンフォトダイオード―

2. シリコンフォトダイオードの特徴

光強度の測定を同時に行うことが困難です。

2） 標準器として使われている。
実際に真空紫外から軟 X 線領域の放射光の入射光強度

IRD 社製のシリコンフォトダイオードは，より上位の測定に用いられている International Radiation Detectors,標準器に対して校正されることで，標準器として使われてInc.（IRD 社）のシリコンフォトダイオードを中心に，シいます。これは，一度校正してしまうとかなりの期間，安リコンフォトダイオードの特徴を説明します。利用情報に定に使うことができるということを意味します。さらに，URL をのせましたので，そちらも参考にしてください。

標準研究所間の比較における仲介検出器としても使われて

株 と OSI Opまた他の主要メーカーとして浜松ホトニクス

おり，輸送に強く信頼性の高い検出器であるといえます。

toelectronics も利用情報に紹介しています。浜松ホトニク
スは，数多くの種類のフォトダイオードを扱っています。

2.1

動作原理

同社の p-i-n 構造（2.1節参照）のフォトダイオードは，よフォトダイオードは， p-n 接合型と p-i-n 構造のものがりエネルギーの高い X 線領域でよく採用されています。

最もよく使われています。 AXUV, SXUV, UVG などはIRD 社では 3 つのシリーズのフォトダイオードが扱われており，それぞれ次のような特徴があります。

p-n 接合型のフォトダイオードですが，p 型半導体と n 型半導体が隣接し，その境界部に電子も正孔もほとんど存在

 AXUV 真空紫外から X 線領域までをカバーするタイしない空乏層が存在する構造を持ちます。 p-i-n 構造のフプです。 0.0124 nm から 1100 nm （ 1.12 eV 100 keV ）ォトダイオードでは，p 型半導体と n 型半導体の間に不純で使えます。シリコンの有感層の厚さが， 10 mm から物濃度が低い真性半導体層（i 層）が挟まれています。

55 mm のものが標準的です。
SXUV金属シリケイドを窓材に用いています。放射線損傷に強い検出器です。

Fig. 3 のようにシリコンフォトダイオードのカソード（n）とアノード（p ）を結線した状態で，空乏層あるいはその近傍に1.12 eV 以上の光が照射されると，電流が発生

 UVG  SiO2 窓 の 厚 さ が 70 150 nm で ， 140 nm か らしま す。この 現象は以下 のようにして 理解されて いま

1100 nm （ 1.12 8.9 eV ）の真空紫外光の検出に適してす2)。模式図を Fig. 4 に示します。半導体の禁制帯幅（シいます。

リコンの場合1.12 eV ）より大きなエネルギーをもつ光子

シリコンフォトダイオードは，光を電流として検出しますが吸収されると，電子正孔対が生成されます。これらがが， AXUV シリーズと UVG シリーズは，理論値に近い内部電場により，電子は p 層の方へ，正孔は n 層の方へ量子効率（検出される電子の数と入射光子数の比）を持つ広がっていきます。その結果，電流が発生します。フォトことも特徴です。フォトダイオードの例として AXUV ダイオードの中の，光の吸収に伴って電流が発生する領域

100 の写真を Fig. 2 に示します。検出部の有効面積は 10を有感層，光が吸収されても電流発生に寄与しない半導体

mm × 10 mm で ， 100 mm2 で す 。 シ リ コ ン フ ォ ト ダ イの領域を不感層といいます。

オードによる入射強度の測定の特徴を，ミラーのドレインカレントや，メッシュからの電流値で入射光強度を測定す，検出電流値を IPD(A) とすると，光のパワーを Prad(W）Prad は次の式で導かれます。

る場合と比較すると次のようなことが言えます。

1） 検出器が入射光をほとんど吸収してしまう。

Prad＝シリコンフォトダイオードの厚さと光のエネルギーに依IPDr(1 )りますが，一般に真空紫外～軟 X 線領域の光をほとんど吸収します。そのため，放射光のサンプルへの照射と入射

Fig. 3Fig. 2シ リ コ ン フ ォ ト ダ イ オ ー ド AXUV シ リ ー ズ （ AXUV 100）。受光面の有感面積は10 mm×10 mm。

ゼロバイアスモードによるフォトダイオードの電流測定。
フォトダイオードにおける p 型半導体と n 型半導体の位置の関係，および検出電流の向きを図中に示す。

放射光 May 2008 Vol.21 No.3 ● 169

の他にも，環境温度光の強度放射線損傷方向依存性
検出器の均一性などのさまざまな要素が影響を与えます。要素によっては大きく寄与するものもあれば，あまり感度に寄与しないものもあります。上に挙げた IRD 社製のフォトダイオードを用いる場合，これらの要素の中で放射光実験をする際に一番気をつけるべきなのはエネルギー依存性です。エネルギー依存性は，既に感度が分かっているシリコンフォトダイオードとの比較，あるいは絶対測定をできる検出器との比較により求めます。感度を決定する方法は 3 章で説明します。
Fig. 4pn 接合型シリコンフォトダイオードに光が吸収されて電流が流れる様子の模式図。

2.2

シリコンフォトダイオードの電流の測定方法

前節に書いたように，p-n 接合型のフォトダイオードは内部電場によって電流が発生するので，逆バイアス電圧をこの式における r ( A / W ) を受光感度あるいは単に感度印加することなく電流を測定することができます。この使（responsivity）と呼びます。式と感度の単位から明らかでい方はゼロバイアスモード，太陽電池モードなどと呼ばれすが，光のパワー［W ］に対してどれだけの電流［A ］がています（Fig. 3 参照）。フォトダイオードから発生する電流れるかを表します。理論的にはシリコンの W 値

流は，フォトダイオード内部の電子正孔対生成の他に，（ Wsi ），つまり一つの電子正孔対を作るのに要する平均フォトダイオード表面から放出される電子によっても電流のエネルギーから求められます。(1)式で Prad(W ) は，入が発生します。そのため，電子正孔対生成と放出電子の－1 ) の場両方の電流を測定するには，シリコンフォトダイオードか合，1 eV＝e×1 V より，次の(2)式で表わされます。ここら得られる正の電流を測定するように注意してください。

射光子エネルギーが Ep ( eV ），入射光子数が n ( sで e は素電荷（1.602×10－19 C）です。

検出器の種類や測定の条件によっては，逆バイアス電圧を印加する測定法が有効です。逆バイアス電圧を加える

Prad＝nEpe(2)と，空乏層が広がり応答速度が上がるという利点があります。一方で逆バイアス電圧を加えない場合は，ノイズが小単色化されていてもエネルギー幅を持つので，厳密には積さいという点で有利です。 p-i-n 構造のフォトダイオード

分の形になりますが，ここでは単純化して書きました。までは，i 層が存在するので十分厚い空乏層を得るためにはた( 1 )式で検出電流値 IPD ( A ) は，検出器に入射した光の逆バイアス電圧を印加して測定を行うことが必要です。

パワーが全て電子正孔対を作るために使われたとすると，

2.3
IPD＝n( Ep/Wsi)e(3)シリコンフォトダイオードの感度に影響を与える要素

この節では，シリコンフォトダイオードの感度に影響をと表すことができます。よって感度は(1), (2), (3)式より，与える要素のうち，光のエネルギー以外のものについて説

r ＝ 1 / WSi となります。シリコンの W 値は通常は 3.65 eV明します。エネルギー依存性も含めてここで取り上げる要が使われているようです。ICRU レポートでは3.68 ±0.02

素は，シリコンフォトダイオードに限らず，金属メッシュeV3)，最近の Scholze らの報告では3.66±0.03 eV です4)。

等の検出器を使う場合においても，一通り押さえておくべ

Wsi＝3.66 ± 0.03 eV を用いると，r＝0.273± 0.02 A /W でき項目です。それぞれの要素についてどの程度まじめに調あると導かれます。

査する必要があるかは，それぞれの要素が測定結果に与え実際のシリコンフォトダイオードの感度は，光が有感層る影響の大きさと入射光強度測定をどの程度の不確かさでに達するまでに検出器の窓や不感層で吸収されることが原測定する必要があるかに依存します。

因で， W 値から導かれる感度よりも小さくなります。光温度依存性の吸収はエネルギーに依存しますし，窓や半導体の厚さ

一般的に半導体は，温度が高くなるほど禁制帯幅が小さは，型式が同じだとしてもフォトダイオードごとに一つ一くなることが知られています。したがって，感度を測定しつ異なります。そのため感度にはエネルギー依存性や個体た温度と異なる環境温度で測定をする場合は注意が必要で差が出てきますので，光強度の絶対値を求める場合は，用す。ORTEC のカタログには，室温で W 値は3.62 eV，80いるフォトダイオードの感度を何らかの方法で知る必要がK で3.72 eV という値が紹介されています5)。また IRD 社あるでしょう。
シリコンフォトダイオードの感度には，光のエネルギー170 ● 放射光 May 2008 Vol.21 No.3の資料では 254 nm （ 4.88 eV ）における感度に 0.03 / Kの 依 存 性 が あ る と 報 告 さ れ て い ま す 。 さ ら に Kjornat-特別企画 ■ 光の強度を測る―シリコンフォトダイオード―

tanawanich らの報告によれば，AXUV については波長に受光面における感度の均一性

より 0.013 0.053 / K ， SXUV については， 0.020 0.084

シリコンフォトダイオードの受光面は一定の大きさを持/ K の依存性があります6)。シリコンフォトダイオードっていますが，縁のほうは中央部分よりも感度が小さいこ（SXUV, AXUV, UVX ）は－200°
Cから70°
C で使用可能でとがあります。放射光施設で入射光強度を測定する場合，すが，270 K 違うと数から20数の違いになります。放

測定する対象の光の大きさは大きくても数 mm 径でしょ

射光施設で入射光強度の測定をする場合，多くの場合は室うから，なるべく中央部分を使って測定するのが良いでし

温での測定だと思いますので，感度は室温で求めれば問題ょう。フォトダイオードの中央がどこか決めるには，例えないと思いますが，特殊な温度条件で測定を行う場合は温ば光軸に対して上下左右にフォトダイオードを動かし，電度依存性に注意する必要があります。

流値を測定して決定する方法があります。

AXUVUVG シリーズでは，SiO2 の吸収が大きいエネ

強度依存性Korde らの研究によると，通常のフォトダイオードでルギーでは均一性が悪くなります。これは SiO2 窓の厚さは500 mA 以上の光電流が流れる場合，感度が低下しますにばらつきがあるためだと考えられています。

が， IRD 社製の UVG 20 であれば 3 mA であっても感度高次光，散乱線の影響の低下は0.02に過ぎません7)。Korde らの論文には，強シリコンフォトダイオードは，可視光にも感度がありま度が強くなってしまった場合に感度が光電流値に対してどすので可視光が入らないようにしなければなりません。まのような挙動を示すかについて議論されているので，興味た，高次光や散乱線にも感度はあります。4 章で示すようのある方は参考にしてください。あまりにも強度特性が気に，AXUV は SXUV に比べて，感度のエネルギー依存性になる検出器であれば，光電流値の変化が小さい条件で測が小さいので，高次光や散乱線を特に強調することが少な定するのが良いでしょう。

いといえます。

500 mA という電流値は，感度を0.273 A /W とすると，偏光の影響

10 keV で お よ そ 1 × 1012 photons / s ， 100 eV で 1 × 1014

シリコンフォトダイオードは，直入射で測定する限り偏photons/s に対応します。真空紫外～軟 X 線領域の放射光光の影響はないと考えられます。ミラーのドレインカレンの入射光強度の測定で 500 mA に達することはあまり無い

トの場合には，偏光の影響を受けるので注意が必要です。

かもしれませんが，高エネルギー大強度の光を扱う場合は注意するべきでしょう。

3. 感度を決定する方法

放射線損傷紫外線真空紫外線による Si 結晶の放射線損傷によっシリコンフォトダイオードで強度測定を行う場合，強度て感度が低下することが知られています。 AXUV シリー測定に用いるフォトダイオードの感度を精度良く決定する

ズは，従来のものよりも放射線損傷に強く， SiO2 吸収線ことが重要です。感度を決定するのに最も手っ取り早い方量が 1 10 MGy まで耐えられます。 SXUV はさらに放射法は， 校正機関に感度測定を依頼することです。 PTB

線損傷に強いシリーズです。IRD 社の資料では，AXUV，（ドイツ物理工学研究所）， NIST （アメリカ国立標準研究SXUV 両シリーズのフォトダイオードに 100 eV の光を所 ）， NMIJ （ 産 業 技術 総 合 研究 所

1016 1018 photons / cm2 照射した場合の結果が報告されてター）などの標準研究所では，シリコンフォトダイオード

計 量 標 準 総合 セ ンいます。結果として， AXUV シリーズには感度低下が認の感度測定に関する研究が行われており実際に校正値を供められますが， SXUV シリーズには変化が見られていま給 し て い ま す 。 例 え ば NMIJ で は ， 軟 X 線 領 域 （ 90 せん。大強度の光を測定する場合や長期間使う場合は，放3900 eV ）について，相対拡張不確かさが 0.7 程度で1，射線損傷の影響に留意して測定する必要があります。また

シリコンフォトダイオードの感度を測定することができま場合によっては，購入時に放射線損傷に強いタイプのものす。
この章では，シリコンフォトダイオードの感度がどのよを検討する必要もあるでしょう。
方向依存性うにして決定されるのかを説明します。代表的な手法としシリコンフォトダイオードの感度を低下させる要因の中て，極低温放射計を使う方法と多段電極型電離箱を使う方には，入射窓による入射光の吸収と表面再結合によるもの法を紹介します。極低温放射計は L1 Standards and Te-がありますが，光軸に対してフォトダイオードの受光面がchnology, Inc. から，レーザ用として販売されています。

傾いていると，これらの要因に影響を与えます。 Si およ利用情報で紹介しましたので御覧ください。

び SiO2 の吸収が大きく感度に影響を与えるエネルギーにおいては，あまりにフォトダイオードが傾いていると問題になります。 Saito らによる研究例8) があるので参考にされると良いでしょう。

1

包含係数 k ＝ 2 を用いて，信頼水準約 95 で評価した値です。
拡張不確かさは，信頼水準に応じて決定される包含係数 k を，標準不確かさに乗ずることで求めることができます。標準不確かさは，標準偏差で表した測定の不確かさです。

放射光 May 2008 Vol.21 No.3 ● 171

Fig. 5

Fig. 7極低温放射計とシリコンフォトダイオード。A液体窒素，
B 液体ヘリウム， C リファレンスブロック， D キャビティ，Eヒーター，F温度センサー。

放射計の感度の例11)

射光が吸収体に吸収されたときの温度上昇 DT から絶対強度を導くためには，放射計の感度 s が必要です。放射光の強度 Prad(W) は，次の式により得ることができます。

DTPrad＝s(4 )感度 s は，放射光が吸収体に当たらない条件でヒーターを用いることで求めます。ヒーターのパワーを Ph ( W ），そのときの温度上昇を DTh とすると，感度 s は次の通りです。
Fig. 6放射計のキャビティの温度変化。 Open  Close はゲートバルブの開閉を示す11)。

s＝DT hPh(5 )3.1 極低温放射計を用いたシリコンフォトダイオードの感度測定911)

強度依存性がありますが，入射光強度が数 mW の条件で測定を行うエネルギーに応じたビームラインに，絶対測は，およそ5.5 mK/mW で測定の標準不確かさはおよそ0.1定を行える検出器である極低温放射計と感度を測定したいです。 Fig. 6 の例では s ＝ 5.490 mK / mW ですので，( 4 )シリコンフォトダイオードをセットアップします。模式図

式より放射光強度 Prad は 7.57 mW であると求めることがs の測定例を Fig. 7 に示します。放射光の感度には小さなを Fig. 5 に示します。極低温放射計で光強度の絶対測定をできます。(4 )式から分かるように，放射計を用いた放射精度良く行うためには，ある程度の光強度が必要です。シ

強度測定の不確かさは，温度上昇をいかに精度良く測定す

リコンフォトダイオードからの電流は，微小電流計で測定るかに依存します。つまりある程度の強度が無いと精度よします。

く測定できません。

極低温放射計は液体ヘリウムで冷却します。吸収体であフォトダイオードの感度 r は， Prad と( 1 )式から導くこるキャビティは，銅でできており，対象とする軟 X 線領とができます。3.0 keV の感度測定についての結果と不確域（90～3900 eV）では X 線をほぼ完全に吸収することがかさを Table 1 にまとめます。

できます。単色化された放射光は，ゲートバルブを開くと8 mm 径のキャビティ内に導入されます。一例として 33.2多段電極型電離箱を用いた方法12,13)

keV の単色光（エネルギー分解能およそ1.5 eV）を測定し多段電極型電離箱は複数の電極を持ちますが，ダブルイた時のキャビティの温度変化を， Fig. 6 に示します。キャオンチェンバーの測定手法14) を利用するため，複数の電ビティのバックグラウンドの温度は約5.915 K で，一回の極の中に同じ長さの電極の組が一組以上含まれます。充填測定時間（ 10 分程度）内での変動は 0.05 mK 以下です。

ガスは希ガスあるいは乾燥空気を用います。例として，軟バル ブ を開 け てか ら およ そ 1 分 で キャ ビ ティ の 温 度がX 線用の多段電極型電離箱の模式図を Fig. 8 に示します。

41.56 mK 上昇し，数分で安定します。光がキャビティに放射光は450 nm 厚ポリイミドフィルターを通って電離箱当たっている状態での温度の変動は0.1 mK 以下です。放に入射されます。6 つの電極のうち最上流と最下流の電極

172 ● 放射光 May 2008 Vol.21 No.3

特別企画 ■ 光の強度を測る―シリコンフォトダイオード―

Table 1

3.0 keV における，極低温放射計を用いたシリコンフォトダイオードの感度測定

放射計の感度

相対標準不確かさ
()

記号値

s

5.490 mK/mW

0.1

シリコンフォトダイオードの電流値

IPD

2.046×10

放射光の温度上昇

DT41.56 mK0.15

シリコンフォトダイオードの感度r0.2706 A/W

0.2

Fig. 8－6A0.1

Fig. 9

真空紫外領域におけるフォトダイオードの感度の例15) 。
型式は UV100である。

Fig. 10軟 X 線領域におけるフォトダイオードの感度の例。がAXUV11)，が SXUV である。エラーバーは感度測定の不確かさ（k＝2）を示す。縦線で Si の K-edge16)を示す。

軟 X 線用多段電極型電離箱11)（Fig. 8 の 1 と 6）は，収集領域を規定するための保護電極として使います。電離箱内で生成された電荷は，2 番目から 5 番目の電極で検出します。通常，4 番目と 5 番目の電極で検出した電流値を使って光強度を求めます。4 番目と5 番目の電極はそれぞれ 50.1 cm で同じ長さです。 4 番目と 5 番目の電極からの電流値をそれぞれ i4，i5 とすると，次の式から光強度を求めることができます。

I0＝24ige(i4－i5)(6)

4. シリコンフォトダイオードを用いて放射光強度を測定する際の注意点
シリコンフォトダイオードを用いて放射光強度測定を行

g は光イオン化量子収率あるいは生成されたイオンの平均う際に必ず問題になるエネルギー特性と，全体的な注意点の電荷数を表します。真空紫外領域では 1 光子吸収で 1について述べます。

個のイオンを生成しますが14) ，軟 X 線領域においてはそ要があります。(6)式が意味しているところは，光吸収断エネルギー特性に関する注意点
Fig. 9 に，シリコンフォトダイオード XUV 100 の真空面積を用いなくても，ガスの密度が分からなくても，光強紫外領域におけるエネルギー特性を示します15) 。 XUV 度の絶対値を求めることができるということです。多段電100は UDT 社製のもの（現在は OSI Optoelectronics から極型電離箱で絶対測定を行うときは，各電極からの電流値入手可能）で， AXUV とほぼ同等のものです。 99.8 eVの印加電圧依存性，ガス圧依存性を測定し，測定に適したの Si の L 吸収端16) はあまり目立ちません。 100 120 eV条件を決定することが重要です。

で感度が落ちていますが，この領域は個体差が現れやすい

うはならないので，g 値をエネルギーの関数として知る必

絶対値の測定の不確かさへの寄与は，電流値の測定の不確かさと g の不確かさが主になります。電離箱による測定

4.1

ところで，このダイオードは長く使っていたために劣化が進んでおり，感度に影響が現れています。の不確かさは，放射計の場合と異なり光の強度にはあまりFig. 10 に，放射計を用いて測定したフォトダイオードの依存しません。よって光の強度が小さい場合は，放射計よ軟 X 線領域における感度を示します。赤が SXUV ，黒がりも小さい不確かさで測定できることがあります。

AXUV11)の感度です。 0.2 の不確かさで感度の測定ができますが，不確かさをエラーバーで示しています。両者の放射光 May 2008 Vol.21 No.3 ● 173

感度曲線の違いは，AXUV は内部量子効率がほぼ100であるのに対し， SXUV は多少ロスがあること，さらに窓金属メッシュ等の光を吸収してしまわない検出器を，シリコンフォトダイオードで校正し，実際の実験の材質が SXUV は金属シリケイド， AXUV は SiO2 であ中は光を吸収してしまわない検出器を使う。

るということに起因しています。



本測定の前後でシリコンフォトダイオードを使って1800 eV 1900 eV を中心に Si の K 吸収端による影響が強度を測定し，実験中の入射光強度を推定する。

はっきりと見られます。 Si K 吸収端以上のエネルギーでなどがあります。ビームラインの特性や，測定時間によっは，光を吸収した Si が蛍光を放出する過程の寄与が大きて使い分けると良いと思います。光を吸収してしまわないくなるため，感度が落ちます。感度が大きく変化している検出器を校正して入射光強度測定に用いる際には，シリコエネルギー領域では光強度は正しく測定できないことがあンフォトダイオードで測定する際の注意点の多くがそのまりますので注意が必要です。さらに図では分かりにくいかま使えます。つまり，感度に影響を与える要因を洗い出もしれませんが，4000 eV 付近になると感度が落ちてきまし，どの程度不確かさに影響を与えるかを見積もり，要求す。これは光のエネルギーが高くなるにつれて透過力が高される測定の不確かさに応じて依存性を調べることが重要くなるのに対し，フォトダイオードの有感層の厚さが限らです。

れているためです。 X 線の場合は，全ての光を吸収できないため，エネルギーが高くなるほど感度が落ちてしまい

5. 終わりにます。 AXUV シリーズには， 425 mm の有感層を持ち 10keV までの X 線を全て吸収するタイプもありますが，ノ安定して強度を測定できる検出器として，シリコンフォイズが大きくなります。そのため，厚さが分かっているフトダイオードの特徴について説明をしました。また，放射ォトダイオードに対して補正を施すほうが現実的には扱い光利用実験で入射光強度を測定する際の注意点を考察しまやすいといわれています。

した。安定性信頼性使いやすさの面から，シリコンフォトダイオードは入射光強度測定をするにあたり非常に有4.2 放射光利用実験でシリコンフォトダイオードを用いる際の注意点用です。感度に関わる要素について理解を深めることで，シリコンフォトダイオードを入射光強度測定に用いる場

しょう。基準標準となる素性の良く知れた検出器を一つ合，フォトダイオードには個体差があるため，用いる検出持っていることは，放射光利用実験を行う上で有益です。

器のエネルギー特性温度特性強度依存性放射線損傷

いくつかの検出器による測定結果間の比較が容易になりまの感度への影響方向依存性受光面における感度の均一す。シリコンフォトダイオードは，素性の知れた基準標性を知る必要があります。知る方法としては準となるべき検出器に最も適している検出器のひとつでは

カタログや文献で，同じ型式の検出器の一般的な特それぞれの実験の条件に適した入射光強度測定ができるでないでしょうか。

徴を把握する。


実際に自分で測定やシミュレーションを行う。



校正機関に校正を依頼する。

謝辞
本解説を書くにあたってデータを提供していただいた，などが考えられます。どの方法を選ぶかは，それぞれの要足立純一氏（高エネ機構），齋藤輝文氏（産総研）に感謝

素が測定に与える影響の大きさと，要求される測定の不確いたします。

かさ次第です。シリコンの吸収の大きなエネルギー領域（感度が大きく変化しているエネルギー領域）を除き20

利用情報程度で測定できればいいのであれば，保証はありません1.

シリコンフォトダイオード

が，カタログ値文献値だけでも大丈夫でしょう。23

International Radiation Detectors (IRD）の不確かさが要求されるのであれば，最低でも感度のエネ

http://www.ird-inc.com/index.html

ルギー依存性は，校正機関，あるいは自前で測定するべき日本の代理店例えばでしょう。

ラドデバイス株式会社

http://www.rad-dvc.co.jp/index.html

次に，シリコンフォトダイオードで，真空紫外～軟 X
線領域の光を測定する場合は，光がほとんどフォトダイ

浜松ホトニクス

オードに吸収されてしまいます。つまり，フォトダイオー

http://jp.hamamatsu.com/

ドで入射光を測定すると，その測定中は，本来の実験のたOSI Optoelectronics
http://www.osioptoelectronics.com/

めに放射光が使えません。現実的には，実際のサンプルを使った実験中の入射光の強さを知りたいことがほとんどだ2.

極低温放射計と思いますので，何らかの方法で対処する必要がありまL1 Standards and Technology, Inc.

す。いくつか考えられる解決案としては

http://www.l-1.biz/

174 ● 放射光 May 2008 Vol.21 No.3

特別企画 ■ 光の強度を測る―シリコンフォトダイオード―

3.

シリコンフォトダイオードの校正
産業技術総合研究所計量標準総合センター

http://www.nmij.jp/

7)
8)
9)
10)

参考文献
1)
2)
3)

4)
5)
6)

J. Adachi: Private communication.
J. H. Moore et al.: Building Scientiˆc Apparatus (AddisonWesley, Reading, MA, 1989).
ICRU, Average Energy Required to Produce an Ion Pair.
ICRU Report 31, International Commission on Radiation
Units and Measurements, Bethesda, MD (1979).
F. Scholze et al.: Nuclear Instruments and Methods in Phys215 (2000).
ics Research A 439, 208ORTEC, http://www.ortec-online.com/.
B. Kjornattanawanich et al.: IEEE Transantions on Electron
223 (2006).
Devices 53, 218

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

R. Korde et al.: Metrologia 40, S145S149 (2003).
T. Saito and H.Onuki, Metrologia 37, 493
496 (2000).
Y. Morishita et al.: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
144147, 10711073 (2005).
M. Kato et al.: AIP Conference Proceeding 879 Synchrotron
Radiation Instrumentation: Ninth International Conference
on Synchrotron Radiation Instrumentation. 11291132,Daegu, Korea, 28 May2 June 2006.
M. Kato et al.: Rad. Phys. Chem., submitted.
T. Saito and H. Onuki: Metrologia 32, 525529 (1995).
N. Saito and I. H. Suzuki: J. Electron Spectrosc. Relat.
103, 3337 (1999).
Phenom. 101J. A. R. Samson: Techniqurs of Vacuum Ultraviolet Spectroscopy (Wiley Interscience, New York, 1967).
T. Saito: Private communication.
B. L. Henke: Atomic Data and Nuclear Data Tables 54, 181
342 (1993).

放射光 May 2008 Vol.21 No.3 ● 175