放射光第巻第号()

実験技術 ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●PIN フォトダイオードによる X 線強度の測定
張小威1，杉山1KEKPF

弘1，依田芳卓2

，2SPring-8

Measurement of X-ray Intensity Utilizing Photo-Cell
Mode of PIN Photo-Diodes
Zhang XIAOWEI1, Hiroshi SUGIYAMA1 and Yoshitaka YODA2
1KEK
PF, 2SPring-8

A method of measuring intense synchrotron radiation by photo-cell mode of PIN photo-diodes isdescribed. Characteristics of spectral response, dynamic range and sensitivity of the PIN photo-diode arediscussed.

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.

はじめにで，マルチビームや複数結晶を利用する実験が多くなって放射光の利用によって， X 線の強さが劇的に増加してきた。そのため，結晶の隙間に入れるようなコンパクトないる。それにも関わらず，研究者の観測したい信号の強さ検出 器の必要 性も現れた 。今まで我々 は様々な種 類のが光源の強さと反比例して弱くなっていく傾向にある。限

PIN 検出器を部品から組立ててきたが，検出器メーカーられたマシンタイム内に放射光の利用実験をこなすための応用光研が放射光利用に向けて PIN 検出器を製品化すに，迅速かつ簡単に広いダイナミックレンジ（6 桁以上）る運びとなったので，ここで実験技術として，従来の Xにわたり， X 線の散乱強度を測定する場面が多くなって線のフォトンカウンティングの弱点を補うことのでき，実きた。例えば，表面界面の構造解析のために，回折プロ験に使いやすい PIN フォトダイオード X 線検出器の原ファイルをバルクのブラッグ反射とそれに比べて 7 桁程理，検出器の寸法，感度，ダイナミックレンジ，光電電流度弱い表面一原子層の反射強度を測らなければならない。とビーム強度との換算関係とスペクトル特性等を紹介す

X 線フォトンカウンティングは，エネルギー分解能を有る。その主な内容がすでに 96 年の放射光学会で発表した

し， S / N もよく，微弱な信号を捉えるのに適している計ものであることを断っておく。

測手法として，長年にわたって X 線の実験に広く使われョンカウンター等があげられる。しかしながら，ビーム強. PIN ダイオード検出器の利用および他の検出器との比較度が強くかつパルス状の線源である放射光を用いた実験のフォトダイオードの動作原理は，ダイオードの PN 結てきた。このような検出器には比例計数管とシンチレーシ時，幾つかの弱点を呈している。ひとつは広いレンジにわ合部（空乏層）で光励起によって生成された電子とホールたって強度測定するとき，幾度も吸収板を入れたり外したが障壁電位差で引き離され，起電力が生じる現象を利用すりすることで，迅速に実験の測定を行うことができない。

る。光のエネルギー変換を担うこの空乏層の厚さを SSD

一つは，数え落としがあり， 10 万 cps 計数の時でさえ，のように逆バイアスをかけることで厚くすることができる補正を必要とする。実際に報告された例としては， 2 万が， PIN ダイオードのように， P 型と N 型半導体の間にcps 程度の X 線強度に対する補正は数で，3 万 cps を越イントリンシック半導体を挿入することで構造的に厚くすえると，ピーク強度と積分反射強度共に一割程度の補正をることもできる。その構造を Fig. 1 に示す。元々 PIN ダ必要とする1)。また，強くて，指向性のよい放射光のお陰

イオードはダイオードの結合電気容量を減らし，素子の応0801 茨城県つくば市大穂 11高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所（KEKPF） 〒305641171 FAX: 0298
64
2801 E-mail: zhang.xiaowei＠kek.jp
TEL: 0298

――(C) 2001 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

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()間に入れることのできるように素子の部分を小さく薄く設計し，ボディの部分を q20のロッド状に設計した。
フォトダイオードのセンサー応用回路が 2 種類あり，逆バイアスをかける使い方とゼロバイアスの光電池の使い方とがある。広いダイナミックレンジで利用したい時，光電池のように接続するとよい。この光電電流は広いレンジにわたり正確に入射光の強度に比例することが知られている。測定されている電流 i は，第一次近似として，素子の空乏層が X 線に対する吸収率と 1 光子による電子ホール対の生成数（E/W ）に比例して，式(1)で与えられる。

i＝1.6×10－19×N×A×E/W

Figure 1.

(1 )式の中の係数は電子の素電荷量，N は光強度 cps，A はダ

Structure of a PIN diode.

イオードの空乏層が E エネルギーの光子に対する吸収の割合で， E は eV で測れる光子のエネルギー， W は空乏層内で 1 電子とホール対形成するのに必要なエネルギー（室温シリコンの場合3.7 eV）である。

1 X 線光子により空乏層で 2 千個の光電子が毎秒発生すると，電流に換算すると約 0.3 fA になる。毎秒千個の X線光子がダイオードに飛び込むと，光電電流は約 0.3 pAにもなり，それが測定回路全体のノイズレベルより高いときに検出される。シンチレーションカウンターで約 3000

cps ピーク強度の結晶の反射強度曲線の測定例を Fig. 3に示す。その時の X 線波長は0.86 Å である。小さい PIN ダイオードとケスレーの486ピコアンメーターと専用ケーブルを用いて，1 秒間の積算した電荷を計測したものを同じ
Figure 2. Photograph of PIN photodiode x-ray detectors. The left
and the right are assembled from 10 mm and 28 mm square PIN diodes, respectively.

く Fig. 3 に示す。

X 線検出器の感度の議論は結局のところ， 1X 線光子の検出ができるかどうかになり，フォトンカウンティングの計測の方が，明らかに連続光電電流モードに勝る。しかし，実験結果の Fig. 3 を見る限り，両者はほぼ同じ反射答の高速性を図るために発明されたものであるが， X 線プロファイルを与えることがよくわかる。 PIN ダイオー検出器として使うとき， X 線に対する吸収率をあげるこ

ド対 NaI シンチレーションカウンターの線形性は Fig. 4とに役に立っている。詳細は参考文献2,3) を参照いただきに示ししたように，数十 cps 台の検出感度があることがわたい。

かる。むろん，このときは電流モードというより，積算しPIN ダイオードは浜松フォトニクス製で，有感層の厚た電荷を測っているという表現が正しい。

さは 500 mm ，受光面積 28 × 28 mm2 のもの，及び有感層PIN ダイオードのダイナミックレンジに関して，多く100 mm，受光面積10×10 mm2 のものを組み立てた。検出の文献には 6 桁以上と書かれているが，何処まで線形性器の写真を Fig. 2 に示す。有効面積28 mm 四方の素子はが保たれているかについて，我々は関心を持っていたの使いやすい反面，ノイズレベルがわりと高く，価格も 14で，実際に測ることにした。発生装置の直接 X 線ではあ万円くらいと高い。 10 mm 四方の素子はノイズが面積にるが，スリットサイズを変えて，数桁にわたってスリット比例して低くなり，価格も数千円と安くなる。我々は 28サイズと光電電流の線形性を調べ，線形性を有することを×28 mm2 の素子を標準型にして，有感層の有効厚みを更確認できた。線量の低いときの線形性は既に十分にわかっに厚くするために，検出器に組み立てるときに入射窓に対ていたが，mA から mA までの線形性が確認できたことで，して 45 度と成すようにダイオードを固定した。実験の便

PIN ダイオードの X 線強度の応答は少なくとも sub pA

利さを図り，検出器の外寸をよく使われる応用光研製シン

か ら mA ま での 10 桁にわ たる 線形性 があ るこ とが言 え

チレーションカウンタ SP 10 と同じくした。小さい PINる。原理的に半導体の性質が破壊されるまで，光電電流がダイオードの外寸は，チャンネルカットのような結晶の隙光量に性格に比例関係にある。

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放射光

Figure 3. DiŠraction rocking curve measured by a NaI (Tl) scintillation detector and a 10 mm square PIN photodiode.

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Figure 5. Spectral response of a 28 mm square PIN diode. The
photo-current was normalized by incident x-ray of 10000 photon/sec. The solid curve is a ˆtting of the experimental data, the dottedline is a curve calculated by x-ray absorption.

光源の評価を与え，加速器と放射光利用者の両方に役立つ情報を提供する。

PIN ダイオードを使ったフラックスモニターが，イオンチェンバのように利用できる。カプトン膜を散乱体にして，散乱された X 線を小型の PIN ダイオードでモニターする。このモニターは構造がシンプルで，バイアス電圧がいらない。高密度の放射光ビームに対しても，イオンチェFigure 4. Intensity of x-ray diŠraction measured by a NaI (Tl)scintillation detector versus that of a PIN photodiode plotted in theFig. 3. The wavelength of x-ray was 0.086 nm.

ンバのようなイオン再結合による電流の目減りがない。X線アンジュレータビームラインでの実験に向いている。
光電電荷の計測で放射線強度の測定は積分型であるから，数え落としの心配がない。シンチレーションカウン
ターにウィンドウエネルギー識別回路を用いたとき，無修より完全な検出器にするために，検出器の光電電流対正で利用できる上限は 2 万 cps 程度であり，3 万 cps 以上X 線強度とスペクトル特性を調べる必要がある。我々はだと， 10 程度の強度補正が必要とされる。一方， PINNaI シンチレーションカウンターでの 1 万 cps の X 線強ダイオード検出器は 102 cps から 1012 cps を越えるまで補度を基準に，8～21 keV の各光子エネルギーの光電電流を正なしで X 線の強度を測ることができる。このことが放測ってみた。その結果は Fig. 5 に示す。測定された曲線

射光を利用した X 線の回折実験にとって，非常に都合がは，伴氏の報文4) と同じ傾向を示し， 10 keV 付近の光子よい。その反面，電流モードを利用しているため，エネルエネルギーに対して，概ね 5 pA / 10000 cps の換算レートギー分解能がなく，高調波の X 線が混じっているときにである。 15 keV 以下の低エネルギー光子がダイオードの識別できない。また，この測定モードがノイズに弱い。特

空乏層に到達するまで受けた吸収が割と大きいため，単純に 1 万 cps 以下の X 線強度を測定するとき，ケーブルやな計算からずれてくる。吸収係数 A に関して，高エネ研コネクター等に低ノイズのものを必要とする。できれば，の伴氏がもっと精密に議論したことがあり4)，モンデカロ電荷測定した方がよい。

法の計算コード EGS4 の計算と実験結果とは 1 以下の精度で一致する。

PIN ダイオードを使う測定系の構成が簡単で，普通の電離箱とシンチレーションカウンターを使うときのようPIN 検出器は構造が簡単，小型で，特に X 線光学系をに，高電圧モジュール，ピコアンメーター又はアンプとシセッティングする時に便利である。また，検出器を保護すングルチャンネルアナライザーとスケーラーが要らない。

るための吸収板が不要で，分光された強い放射光のビーム

基本的に低ノイズ信号ケーブル一本とピコアンメータ一の強度を，電流毎秒フォトン数の換算係数を介して簡単（またはエレクトロメーター） 1 台で測定できる。光電池に知ることができる。その利用の一例はアンジュレータのモードで使用するとき， PIN ダイオードの時間応答はサスペクトル測定である。詳しいことが文献5)に書かれていブ秒程度であり，高速応答の必要な測定には，逆バイアスるが，絶対値のわかるスペクトル測定が，リングを含めたをかける回路の構成が必要である。

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()まとめらヒントを得れば，光センサたる PIN ダイオードが X 線10 年近い期間中，色々な放射光光源を使い，様々な実域においても，もっと広く活用されるだろう。

験を行ってきた経験から見ると，コンパクトな PIN ダイオード検出器とピコアンメータの組み合わせが非常に使い参考文献

やすい X 線検出器であり，蛍光板と並んで，放射光の X

1)線光学系のセットアップするための必需品だといえる。この検出器のダイナミックレンジは 10 桁以上であり， 102cps 程度の強度変化を捉えることができる。

2)
3)

PIN ダイオードに逆バイアスをかけ，チャージアンプと組み合わせると，エネルギー分解能付きフォトンカウン

4)

ティング検出器にすることも原理的に可能であり，すでに製品として市販されている。元来の特徴たる高速素子としての PIN ダイオードも利用価値があり，筆者らはパルス放射光のタイミングをモニタするために利用したことがあ5)る。その他， X 線を可視光に見立てて，可視光の利用か――

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