「検出器シリーズ」を振り返って
田中義人

独立行政法人理化学研究所

播磨研究所放射光科学総合研究センター

E-mail: yotanaka＠riken.jp

岸本俊二

高エネルギー加速器機構物質構造科学研究所
E-mail: syunji.kishimoto＠kek.jp

1. はじめにいうことを強く意識した執筆をお願いしました。それ故，著者の方々にはずいぶんご負担をお掛けしたケースもあっ放射光学会誌では，第 21 巻 2 号（ 2008 年 3 月発行）にたと存じます。また，現在開発が進められている最新の検始まり前号まで，合計 12 回にわたり，特別企画「検出器出器状況についても，紙面の関係で詳細とまではいきませシリーズ」として用途別に検出器について解説を連載してんでしたが，なるべく触れて頂きました。放射光分野では，きました（Table）。放射光実験分野において，その光源性X 線自由電子レーザーなど，より高性能の光源開発が進能や実験手法に適した検出器を選定して，正しく使用するめられています。これらに対応できる検出器が必要なことことはたいへん重要です。この観点から，本企画では著者は言うまでもありません。新しい検出器を要求する際にもの方々に，何を知りたいときに，どんな動作原理の検出器現存の検出器について良く知り，そして適切に利用していを，どのように使用して，どんなデータが得られるのかとるかを確かめ，何が本当に必要なのかを考える際にも，本企画がその一助になればと思います。
さて，本シリーズでは用途別に検出器を紹介してきましTable

たが，一つの用途に対しても複数回設定したものもあり，回

タイトル

著者
（敬称略）

1

光の強度を測る（電離箱とフィルム）

成山展照（JASRI）

2

光の強度を測る
（シリコンフォトダイオード）

加藤昌弘
（産総研）
齋藤則生
（産総研）

3

エネルギーを測る
（半導体検出器）

伊藤真義（JASRI）
谷田肇（JASRI）

エネルギーを測る
（極低温検出器）

浮辺雅宏
（産総研）
大久保雅隆
（産総研）
北島義典
（KEK）

もと，これらの用語を利用することによって，検出器につ光の数を測る（APD 検出器とシンチレーション検出器）

岸本俊二（KEK）

ばというのが目的です。また，用語をイメージしやすくす

6

タイミングを測る
（MCP 検出器）

足立純一
（KEK）
彦坂泰正
（分子研）

7

タイミングを測る
（ストリークカメラと高速フォトダイオード

田中義人
（理研）
足立伸一
（KEK)

8

イメージを写す（CCD 検出器）

上杉健太朗（JASRI）
竹内晃久（JASRI）
星野真人（JASRI）

9

イメージを写す（イメージングプレート）

山本雅貴
（理研）

10

イメージを写す（最新の 2 次元検出器）

豊川秀訓（JASRI）
兵藤一行
（KEK）

11

信号を処理する（アナログ回路系）

工藤統吾（JASRI）

12

信号を処理する（デジタル回路系）

田中真伸（KEK）

45

各回で原則 2 種類の検出器を取り上げました。これらの検出器を比較する際に，その検出器の性能として，感度，ダイナミックレンジ，空間時間エネルギー分解能などの言葉が登場しました。これらのパラメータについて，第2 章で簡単に整理してみることにします。一つのパラメータについてもいろいろな評価方法があることなどの理解のいてのコミュニケーションが少しでもよりスムーズになれるために，これまで登場してきた検出器の典型的な数値も96 ● 放射光 March 2010 Vol.23 No.2

掲載したいと思います。もちろん，検出器の性能は，これらのパラメータだけで選択できるものではなく，その形や使い勝手など，様々な要素があって，トータルで選択されるものですので，あくまでも例示させていただく程度にとどめます。
また，本シリーズでは，質問を受け付けてきました。回
答は，本シリーズの執筆者に作成してもらいました。その中で，特に参考になると思われるものについての質問，回答を第 3 章に掲載します。

2. 検出器の特性を現すパラメータ
本シリーズに頻出した検出器の特性を現す用語として，感度（検出効率），ダイナミックレンジ，計数率，空間分特別企画 ■ 「検出器シリーズ」を振り返って解能，エネルギー分解能，時間分解能を取り上げ，これら2.5

時間分解能によって表される性能について簡単に整理してみます。詳極短パルス放射光に対し，その持続時間が短く検出でき細については，カッコに書いてある「検出器シリーズ」のればできるほど，放射光の時間構造が正確にわかることに回数に該当する記事をご覧ください。

なります。一方，タイミング精度は，立ち上がり時間，立ち下がり時間で決まります。パルス持続時間幅で比較する

2.1

感度，検出効率などと，ストリークカメラが最速で，半値全幅が 1 ps 以下＠2

光のパワーを P (W ），検出電流値を I (A ) としたときのkeV です（第 7 回）。 MCP には立ち上がりがサブナノ秒

感度 r ( A / W ) は I ( A )/ P ( W ) で与えられ，シリコンフォのものがあり，100 ps数百 ps でのタイミング測定が可能

トダイオードの場合は，0.27 A /W ＠3.0 keV（第 2 回）でです（第 6 回）。また，ショットキー型フォトディテクタ

す。イオンチャンバー（電離箱）の場合は，透過型である

では，立ち上がりおよび立ち下がりの応答時間が3040 psが故， 10－4 A / W 程度＠ 20 keV （第 1 回）になります。のものがあります。

計数型検出器の場合は感度を，出力パルス数と検出器に入射した放射線の数の比によって（固有）検出効率として表3. まだまだ知りたい検出器のことします。
また，DQE が用いられることもあります。これは，入これまでに編集委員等にお送りいただいたご質問につい力側の S / N と出力側の S / N の二乗の比，（ S0 / N0 )2 /( Si /て，検出器シリーズ執筆担当者より回答してもらいましNi )2 で表されます。フラットパネルで 0.5 0.8 程度のものた。主なものを Q&A の形で，以下に列挙させていただきがあり，IP では0.9近い値が示されています（第 9 回，第ます。
（ ）は主回答者のイニシャルです。

10回）。

Q12.2

ダイナミックレンジ，計数率など

ダイナミックレンジとは，識別可能な信号の最小値と最リナグラフに代わるお薦めの簡便なシート状検出器はありますか

A1

第一回で取り上げたガフクロミックフィルム（ HD 

大値の比率のことです。積分型の場合，CCD カメラでは810）が良いでしょう。およその位置で良ければ，より安数千程度です（第 8 回）。IP はこのダイナミックレンジに価な蓄光テープ（ルミノーバ等）もお薦めです。照射後も優れ，最大 6 桁程度です（第 9 回）。

しばらくはほのかに光っています。（NN）

計数型のダイナミックレンジは一定時間あたりの計数率で比較します。例えば， Si APD だと，検出効率 76 ＠16.5 keV で， 1 s－1 から109 s－1 を超える強度まで測定可

Q2

ポラロイドフィルムに代わるお勧め検出器は

A2

高感度な受動型 2 次元検出器としては，他にガフク能です（第 5 回）。また， 2 次元検出器でも，カウンティロミックフィルム（ EBT ）やイメージングプレートがあング型ピクセルアレイ検出器で 106 s－1 の計数率で積算すります。イメージングプレートはずっと高感度ですが，ることができます（第10回）。計数型検出器が識別可能なEBT は直接，イメージを視認できる利点があります。

強度比ダイナミックレンジは，積分型とくらべると 1（NN）光子を区別できるために弱い方へ広げやすいという特徴があります。しかし，強い方は計数率による制限がかかり飽Q3

和麻痺しますので，計測時間をのばしても無制限ではあ線について，よく BNC のケーブルを使っていますが，りません。

ターミネータを入れないと問題あるのでしょうか

A3

2.3

空間分解能

シンチレーションカウンタやイオンチェンバーの配イオンチェンバーなどの電流出力検出器は，多くの場合，電流アンプやピコアンメータにつなぎます。これら変調伝達関数（ MTF ）等で評価されています。 X 線の入力段は第 11 回で紹介した電流アンプとなっていま（第 8 回）。
CCD カメラでは，数ミクロンのものがありますす。この入力にターミネータを入れると，信号とグランドIP では， 100 150 mm 程度となっています（第 9 回）。この間に電流の通路が付け加わるので，電流の測定値が不正れらの評価には，Point spread function, Line spread func-確になります。したがってターミネータはつけないほうがtion が用いられ，比較されます。

よいでしょう。一方，多くの AD 変換ボードやデジタルエネルギー分解能設定されています。高い入力インピーダンスの装置につな

ボルトメータの入力インピーダンスは 1 MQ など高い値に2.4

エネルギースペクトル信号のピークの半値全幅で定義さいだケーブルを T 分岐などで分けた先がブラブラしていれます（第 3 回）。 HPGe SSD で DE ＜ 0.5 keV ＠ 20 keVたりすると，アンテナになります。アンテナはノイズを拾です。極低温検出器（熱平衡型）では，1 ～2 eV ＠ 0.1 ～2いますので，はずしておくべきです。入力インピーダンスkeV（第 4 回）となります。の高い装置はノイズをひろいやすいので，ターミネータを放射光 March 2010 Vol.23 No.2 ● 97

つけて入力インピーダンスを下げるとノイズに強くなりまバイアスは必ずダイオードに対して逆バイアスになっていす。

しかし，どんな場合でもターミネータをつければよます。バイアス電圧の極性は，ダイオードのアノード，カいというわけでもありません。第 11 回の本文中にインソードのどちらから信号を取り出しているかによって決まピーダンス整合について述べていますので参考にしてくだります。集める電荷が正孔か電子かにより時間応答にも差さい。（TK）が現れます。（TK）

Q4

シンチレーションカウンタの出力信号をオシロで見ると，検出器によって信号の形状が違います。また，アンQ7

SSD が数え落しをしているかどうか，どのように調べたらいいでしょうか。

プ，ケーブル，検出器本体全部を新品でそろえると単色A7X 線を 入れ た際 に比 較的 同じ 高さの 信号 が出 るの です

上，試料前に入れて，入射強度を半分にしたときに，増幅が，ビームラインで長年使用されてきたシンチレーション器出力パルスの計数率が半分になるかを確認します。入射カウンタは単色 X 線を入れてもかなりピーク高さがばら

光強度はイオンチャンバーなど，数え落としをしないと見つきます。原因や対策を教えてください。

なせる検出器でモニターしておきます。インチャンバーのA4

シンチレーション検出器では電荷増幅器内蔵型と光強度が半分になったときに，増幅器出力パルスの計数率

例えば，適当な厚みに折ったアルミ箔を X 線の光路電子増倍管（PMT ）の出力を直接取り出すものがありまが，半分より大きな値になっていると，数え落としをしてす。たとえば，前者は50 ms の時定数で減衰する比較的遅いると考えられます。検出器の数え落としが大きいほど，いパルス，後者は幅が数10 ns の速いパルスを出力するも増幅器出力パルスの計数率はアルミ箔を入れる前の値と比のです。信号の極性も変わります。放射光実験で使われるべ，その強度の減り具合が小さくなります。（HT）

とき，誤って X 線ビームを検出器に直接入射してしまい出力パルス波高を低下させることがあるようです。たいてQ8

いは PMT 光電面の損傷が原因です。PMT 交換が可能な真の計数値を求めたらいいでしょうか。

ら，それをお勧めします。（SK）

A8

SSD 信号が数え落ししている場合，どのようにして具体的な計算方法について， SPring-8 BL01B1 における方法を紹介します。入射光強度が 1/2, 1/4, 1/10, 1/Q5

シンチレーションカウンタなどの配線ですが，アン20, 1/50, 1/100程度になるように数種類の厚みのアルミ板プを通した後，BNC を T 字で分岐してオシロに入れたりを用意し，それぞれのアルミ板の厚みで入射光強度，ICR，レートメーターに入れたりしています。必要以上に分岐さSCA を記録します。（ここで ICR は， Canberra 社のスペせてしまって問題が起こったりしないでしょうか（信号クトロスコピーアンプ 2024 や 2026 の出力のひとつで，が減衰して読めなくなるとか，跳ね返ってカウント数が違推定される入力計数値が得られる。 SCA はシングルチャって見えるとか）

ンネルアナライザーからの出力計数値を表す。）入射光強T 字で分岐させるとケーブルの特性インピーダンス

度はイオンチャンバーを用いて計測します。得られたデーが正しくなくなり，反射が起きます。反射が起きると計数タを用い，横軸にイオンチャンバー強度，n，縦軸に ICR,A5が異常になることがあります。シンチレーションカウンタ

m ，をプロットすると，第 3 回 Fig. 10 ( b )の補正曲線を得などの信号は高速パルスなので， T で分岐させるべきでることができます。実用的にフィットする理論式としてはありません。波形を確認したい場合は，差し替えて行います。そのときオシロスコープの入力インピーダンスをm＝n(1－nt)

レートメータの入力インピーダンスと同じ値にして観測し（t不感時間）(1)ます。周波数帯域の低い（直流的）信号では， T 分岐を使うことは大きな問題とはなりません。しかし，たくさんを用いて，の分岐をさせると，信号は減衰します。特に入力インピーダンスが低い装置を T 分岐でつなぐ場合は要注意です。
信号が減衰していないかチェックしなくてはなりません。

nICR＝aICRnIC（aICR比例定数nICイオンチャンバーの計数値)(2 )インピーダンスと信号の減衰についても第 11 回本文を参考にしてください。（TK）

Q6

検出器によってバイアス電圧がプラスとマイナスもとし，式を展開すると，

mICR＝aICRnIC－aICR2tICRnIC2(3 )のがありますが，その極性によって特性の違いがでるのでしょうか統一できないものなのでしょうか

A6となり， mICR は nIC の二次曲線として表せるので，補正検出器の原理が違うので極性を統一することはでき曲線を二次式でフィッティングし，得られた係数から，ません。また，たとえば半導体検出器を例にとりますと，tICR ＝－(2 次の係数)/( 1 次の係数)2 として求めることが98 ● 放射光 March 2010 Vol.23 No.2

特別企画 ■ 「検出器シリーズ」を振り返って的な例は，昨今たくさん使われている LAN ケーブルに見できます。
次に，横軸に ICR ，縦軸に SCA をプロットすると，第ることができます。高周波の信号に対しての同軸ケーブル

3 回 Fig. 10 ( a )の補正曲線を得ることができます。 ICR との有効性については第 11 回本文に述べたとおりです。施SCA の関係は，設の専用アース線の例として，たとえば SPring-8 の実験ホールのアースには，実験ホール全体に埋設された巨大なmSCA＝aSCAmICR(1－mICRtSCA）（aSCA比例定数)(4 )一枚の金属メッシュが用いられています。これは接地抵抗が非常に低く，加速器施設特有の大電力パルスのノイズなと表され，式を展開すると，どに強いとされています。利用実験計測装置用の電源ラインには，このアースから分配されたグランド線が来ていま

mSCA＝aSCAmICR－aSCAtSCAmICR2(5)す。（TK）となり，mSCA は mICR の二次曲線として表せるので，補正Q11曲線を二次式でフィッティングし，得られた係数から，を新規に作製したり，コネクタ部分の修理を自前で行った

tSCA ＝－(2 次の係数)/( 1 次の係数）として求めることがりすることがあります。指定通りの採寸，圧着工具で実施できます。

しているのですが，正常に製作出来ているか気になりま

最後に，nSCA＝aSCAnICR の関係より，BNC, SHV, LEMO コネクタを用いた同軸ケーブルす。作製後の検査方法を教えてください。また，長年敷設されている同軸ケーブルの寿命，交換時期についての判断

nSCA＝mSCA(1－mICR(tICR＋tSCA))－1(6)

基準を教えてください。

A11

自作のケーブルが正確にできているかの検査ですと な り ， 実 測 の ICR の 値 と SCA の 値 か ら ， 補 正 後 のが，導通チェックと，逆に芯線とシールドの絶縁を見るのSCA の値を得ることができます。（HT）

が一般的です。また，圧着工具は専用のものを使います。
半田型のものは，半田がもりあがるとうまく作れないこと

Q9

SSD （半導体検出器）よりも，高速に計数できる検があります。指定どおりの寸法で被覆をはがして作られて出器にはどのようなものがありますか。

いればあまり問題はありません。できたケーブルはレセプ

A9

SSD は，エネルギー分解能を重視する目的でよく使タクルに差し込んで，実際に信号が伝わるかどうか調べまわれます。その場合，発生電荷量に比例した電圧信号を得す。また軽く引っ張って，しっかりついているか見ます。

るように電荷収集時間を設定するため，シリコンドリフト

SPring-8 で 15 年近く使われたケーブルでも放射線環境検出器（ SDD ）のように速い応答を得るため電極構造を下などの劣悪な環境でなければ問題なく使えています。屋

工夫したものでも 106 s－1 程度が計数率の限界です。 SSD

外に配線している同軸ケーブルは一般的に 3 ～5 年を目処の仲間ですが有感部を薄くして十分な電界強度を生じさせに交換するのがよいとされています。しかしながら 10 年

電荷収集の速さを最大限に利用するものがシリコンアバ以上不具合なく使われている場合もあるようです。屋外でランシェフォトダイオード（SiAPD ）です。電流を増幅は，外部被覆は紫外線や太陽熱などで見た目は劣化するよ

して高速電圧パルスに変換する回路を使用すると 108 s－1うです。同じような理由で蛍光灯の直下にあるケーブルのの計数率が得られます。プラスチックシンチレータのよう劣化が激しい場合があります。目視でおかしいと思える劣にナノ秒で減衰する速い発光を利用するシンチレーション化を見つければ交換すべきです。むしろ，放射光施設で一検出器は107 s－1 の計数率が得られます。

番問題になるのは放射線耐性ではないでしょうか。絶縁体にフッ素などが含まれているタイプは放射線に非常に弱い

Q10

ノイズ対策やアースの取り方などに関して，放射光とされています。放射線レベルの高いところでは被服や内利用特有の問題や，そのためのコツや工夫などがあるでし

部絶縁体として架橋ポリエチレンがよいとされています。

ょうか。また，例えば施設として専用のアース線等が用意ただ し，少し 硬いので扱 いにくいとい われていま す。

してあるなど，何か特別に工夫されていることがあるので（TK）

しょうか。

A10

放射光施設特有といえるかは難しいところですが，

Q128ch 積層型 Si APD 検出器による X 線光計数率測

多くの信号線は微小電流を取り扱います。微小電流を取り定のデータ（第 5 回，Vol. 21 No. 6 p322, Fig. 4）について扱うときに，外来のノイズもさることながらケーブルの静横軸の入力レートは，8ch 積層型 SiAPD 検出器よりも高電気が問題となり，これについては第11 回の 5.2 でも述べレートの計測ができているように見えますが，入力レートた半導電層を持つ同軸ケーブルが効果的です。また信号のの計測はどういう方法で行われたのでしょうか。より高周波数帯にもよりますがツイストペアケーブルを用いた並レートの計測が可能な検出器があるのでしょうか

行伝送も効果的です。このツイストペアの並行伝送の典型

A12金属箔と X 線を全吸収する厚みのシンチレータを放射光 March 2010 Vol.23 No.2 ● 99

搭載した NaI ( Tl ) 検出器を使った測定により入射光子数4. おわりにを換算しました。何枚かの金属箔によって 103 s－1 程度まで入射ビームを減衰させて NaI ( Tl ) 検出器でビーム強度

本企画「検出器シリーズ」は，前編集委員長の櫻井吉晴を測定します。これを基準の測定とします。金属箔の透過氏のもと，岸本，田中を編集担当として開始させて頂きま率は個別に測定しておきます。これら金属箔の組み合わせした。どのような分類方法で紹介するか，どの検出器を取によって入射ビーム強度が調整できます。そのときのビーり上げるかについては，編集委員会でも度々議論させていム強度は基準測定の計数値との比較，使用した金属箔すべただきました。もちろん，このシリーズで全ての検出器をての透過率，電離箱などのビーム強度モニターの相対強度網羅することはできませんでしたが，頻繁に使用されてい比から求めることができます。（SK）

るもの，基礎的なもの，話題性のあるものを取り上げさせて頂けたのではと思っております。

CCD, IP, PILATUS についてそれぞれ別々の回に著者の方々には，記述内容について強く要望させていた詳細な説明がありました。星取表のようなもので簡単に比だくなど，たいへんなご無理をお願いし，そのうえ，シ較して特徴をまとめていただけないでしょうか。

リーズであるが故，執筆期日についても厳しいお願いをしA13て参りました。それに対し，的確にご執筆いただいたこ

Q13

星取表とまではいきませんが，第 2 章で簡単にパラメータ別に整理してみましたので，ご参照ください。と，かつ，一度も遅れることなく計画通りに出版できたことは，執筆者の皆様，そして事務局の方々のご尽力の賜物です。改めてここに感謝の意を表します。本当にありがとうございました。

100 ● 放射光 March 2010 Vol.23 No.2