143

PWRのN-16からの高エネルギーγ線測定用
Cd-Zn-Te半導体検出器の開発
Development of Cd-Zn-Te Semiconductor Detector for the Detection ofHigh-Energy Gamma Rays from N-16 in PWR
中村 裕明 (Hiroaki Nakamura)＊

西沢 博志 (Hiroshi Nishizawa)†

要約 加圧水型原子力発電所（ＰＷＲ）の蒸気発生器の伝熱管漏えいを高感度で検出するためのＮ−16モニタ用の高エネルギーγ線測定用半導体検出器として，常温から100℃近くまで使用可
能なCd-Zn-Te（CZT）半導体素子に着目し，これを216個積層したCZT検出器を製作し，そのγ線検出感度と出力パルスの波高分布を校正用線源と実際のＰＷＲにおけるＮ−16によって測定した．また一方，モンテカルロ計算法（EGS4）を用いてそれらの値を計算し，実験値と比較する
ことにより，計算手法と各種パラメータ設定の妥当性を検証した．続いて，実機規模のＮ−16モ
ニタ（全素子数約2,600個）を想定し，そのＮ−16のγ線に対する検出感度を計算した結果，現在ＰＷＲのＮ−16モニタとして使用されている寸法3" φ×3"ｔのNaI（Tl）シンチレーション検出器とほぼ同じ値であることを確認し，感度の点からこのCZT検出器の実機への適用性を確認し
た．
キーワード

Ｎ−16モニタ，高エネルギーγ線測定，カドミウム・亜鉛・テルル（CZT）素子，室温作動半導体検出器，モンテカルロ計算

Abstract
A Cd-Zn-Te (CZT) semiconductor detector that works from room temperature to
100℃ was adopted as an N-16 monitor for the high-sensitivity detection of leakage from a tube in a
steam generator of PWR. We constructed a CZT detector composed of 216 elements and measured its
output pulse height spectra and detection sensitivity to gamma rays from Cs-137 and Co-60 sources
and from N-16 in the primary cooling water of operating PWR's. These values were also calculatedusing a Monte Carlo code (EGS4). The calculated results showed reasonably good agreement with themeasured ones. The detection sensitivity of an actual CZT detector composed of about 2,600
elements, which is used as an N-16 monitors, was calculated using the same method, and the obtained
detection sensitivity was about the same as that of a NaI(Tl) scintillation detector three inches indiameter and three inches thick, which is presently used as an N-16 monitor in PWR. From this, theapplicability of this CZT detector as a new N-16 monitor is confirmed from the standpoint ofdetection sensitivity.
Keywords

N-16 monitor, high-energy gamma rays, cadmium zinc telluride, room temperature

semiconductor detector, Monte Carlo calculation

1.

はじめに

感度で検出できるためプラントの運転上極めて重要

原子力発電所の冷却系統設備などにおいて，放射なものとなっている．Ｎ−16は約6MeVもの高エネ
ルギーγ線を放射するので，通常かなり大きなNaI

線監視設備を巧みに利用すると，設備の健全性が監（Tl）シンチレーションカウンターが用いられてい視でき，故障を早期に発見できることがある．例えるが，その設置場所は設計温度80℃近くの高温になば，ＰＷＲにおいて２次冷却系配管の近傍にＮ−16

ることがあり，カウンターの保守管理がやりにくく，モニタを設置すると蒸気発生器の伝熱管漏えいを高寿命も限られる．そこで本研究では，常温ないしは＊（株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所
三菱電機（株） 産業システム研究所

†

144

上記雰囲気で使用可能で，しかも高エネルギーγ線の計数値が減り，ピークの形状も低エネルギー側にまで分析できる高原子番号の半導体検出器を用いた

すそを引くようになる．そこでより正確なパルス波

Ｎ−１６モニタの開発を目的とした． これが可能に高分布を得るためには，キャリアが捕獲される前になると，検出器がコンパクトになるので，多重化も収集電極に到達できるように，素子を薄くして電荷可能となり，プラントの保守性および運用性が向上

収集効率を向上する必要がある．すなわちCZT半導する．常温ないし100℃近傍まで作動の高原子番号体素子を用いて，しかも高エネルギー領域の感度をの半導体検出器材料として，Cd-Zn-Te(CZT)を採用向上するためには，し，その素子216個を積層化したCZT検出器を製作

１）検出部分の体積（厚み）を大きくすることした．校正用線源（Cs-137とCo-60）および実際のＰＷＲの１次冷却系配管近傍でのＮ−16のγ線をこ２）電荷収集効率を向上するため薄い素子を用いのCZT検出器で測定し，検出感度と出力パルス波高という相反する要求を同時に満たさなければならな分布を求めた．一方，電子光子輸送モンテカルロ計
算により，そのCZT検出器のγ線検出効率とパルス

い（5）〜（11）．そこで本研究では，薄いCZT素子を多数積層して大きな検出部を構成することにした．この

波高分布を求めて，上記測定結果と比較してほぼよ

概念を図１に示す．

ること

い一致を得た．続いて素子数を12倍にしたCZT検出器を蒸気発生器の伝熱管漏えいを検出するＮ−16モ
ニタとして実機に適用する可能性について評価し
た．

2.

2.1

高エネルギー領域のピーク効率を向上
するには体積（厚み）を増加する必要がある。

大体積化

薄い素子を
積層化する

検出器の試作素子の選定と積層化

薄い素子を
用い、電荷
収集効率を
向上

ホールの移動度が低く
平均自由行程が短いので、ホールが収集電極に到達できない。

図１

現在，実用化あるいは今後有望な半導体放射線検積層化の概念出素子の中で，Cd-Teおよび Cd-Zn-Te（CZT）は，結晶製造方法の改善により，最近良質の製品が得られるようになってきた．（1）〜（3）

これらはいずれも原

子番号が大きく，バンドギャップエネルギーが広いので常温動作が可能で，高エネルギーγ線に対する2.2

設計の考え方（1）基本的構成

感度が高く，かつ電荷キャリアのμ･τ積（移動度

実機で用いるものの約１／10サイズの検出器を試と寿命の積）が比較的大きいなどの点で他の素子よ作し，試験することにした．その基本的構成要素は，り優れている．本研究では，良質な素子材料の安定素子，ホルダーおよびプリアンプである．まず，素的な供給も考慮してCZTを選択した．CZT素子の

子はCZT素子（単品サイズ：10x10x1mm），ホルダ

μ･τ積が小さいことはキャリアが結晶中の格子欠

ーはアルミナ製のものを用い，ホルダー１枚当たり陥等に捕獲され，全てが収集電極まで到達できないに９素子を装着した．プリアンプは回路分割方式をため，出力波高の低下が起こる．これにより，素子採用し，ノイズ低減のため検出素子部分と一体化しに付与されたエネルギーが同じであっても，相互作た．その構成を図２に示す．

用の位置により出力波高が異なり（4），正確なパルス（2）プリアンプの設計

波高分布を得ることができなくなる．しかも，エネ
ルギーが高くなるにつれて，エネルギー吸収ピーク（入力段基板とプリアンプ本体基板）
プリアンプの回路として，現場での使用実績があ145

放射線入射窓（アルミニウム
厚み1mm以下）

ホルダー（素子）部分
ホルダー30層、9素子／ホルダー
素子サイズ 10×10×1mm 270個
外側アルミケース
入力段基板（プリアンプ入力段のカップリングコンデンサ
および負荷抵抗）プリアンプ基板（初段アンプおよび加算アンプ）
高圧入力
信号入力
（SHVコネクタ） （BNCコネクタ）

図２

モデル検出器の構成

るチャージアンプをベースとし，試作する検出器用

並列素子数：9 回路分割数：5に回路定数を見直した．

初段アンプ：6

9個

並列接続素子数は９個とし，回路分割数は５個とした．回路構成の概要を図３に示す.

加算アンプ

9個

（3）ホルダー部分の構造設計

5個a．素子占積率の向上
単位体積あたりの感度を向上し有感部分のエネル
6個

ギー吸収を大きくするため，水平方向には素子間の寸法をできるだけ少なくし，積層方向にはさらに素子間の介在物をなくし，空気層のみとなるように配

5個

慮した．
b．素子に歪みをかけないように注意
素子にマイクロクラックを生じないようにするため，ホルダーの角穴に素子を緩衝材（シリコンゴム

5個系）にて粘弾性的に保持し，変形応力を吸収できるようにした．

ホルダー（素子）部分 入力段基板

c．温度，湿度耐性

図３

プリアンプ基板

回路構成の概要

温度100℃，湿度100％に耐えうる材料としてアルミナを選定した．
d．電気的絶縁および低静電容量化

2.3

試作した検出器

ホルダー間の絶縁を容易にし，かつホルダー間の浮遊容量を減少するため，積層方向の極性をホルダ
ー毎に交互にして，ホルダー間をほぼ無電界とした．

試作した検出器の全体構造を図４に示す．図５は試作器の写真である．

146

配線基板（2枚）

Alケース（上面入射窓：Al1mm厚）60

ホルダー（アルミナ）
素子（CdZnTe）
固定用ロッド素子ホルダー（30層）

15 15 15296mm

配線用ピンコネクタ

固定用センターロッド（1/1サイズでの中心軸）
入力段基板（3枚）

20 20 20 20 20

配線用コネクタ

プリアンプ基板（6枚）

固定金具
76

101

コネクタ（信号、高圧、電源各1）

図４

検出器の全体構造

図５

3.

感度計算

試作器の写真1173.2,1332.5 keV（Co-60）,
6.13MeV（N-16）

試作した検出器について，電子光子輸送モンテカ
ルロ計算コードEGS−４（12）を用いて，γ線に対する検出感度の計算を実施した．

素子数：45,90,216および270
入射方向：検出器の最上面に垂直に一様入射
入射粒子数：105個／cm２
下限エネルギー：電子10keV，光子1keV

3.1

計算モデル

１回体系外に出た粒子の追跡は行わない
電荷キャリアの平均自由行程λ（cm）：例えば，

当初270素子のCZT検出器を想定し，試作の中間段階を含め，45素子および90素子のものについても

印加電圧75Vの時，ホールに対する値は0.0375cm，
電子に対する値は1.125cm

計算を行った．また，最終的には，216素子のCZT検出器としたので，これについても計算を行った．

実験結果との比較を容易にするため，以下の仮定

具体的には，素子部分（素子間隔，ホルダー材質なや補正を行った．

ど）を模擬し，次のパラメータを用いて計算を行っ（1）電荷キャリアの流動距離に指数分布を仮定た．素子部分のモデルを図６に示す．
入射粒子：γ線
エネルギー：661.6 keV（Cs-137）,

CZTでよく起こる電荷キャリアの捕獲を考慮して，一様な捕獲中心を仮定し，電荷キャリアの流動
（13）
（14）
距離に指数分布を持たせた．

147

ら，各入射エネルギーに対するγ線（−様、105個／b2）
素子：CdZnTe 10×10×1mm
ホルダー：アルミナ厚み1.6mm

エネルギーピークまたはエネル
ギーエッジの値と入射エネルギ
ーとを比較することによりエネ

素子間3.5mm

ルギー軸を補正した．このエネホルダーを積層

ルギー軸補正係数は入射エネル
ギーに依存し素子にかかる実効電圧が低いほどその依存性は大きい．

図６（3）検出器分解能関数でのコン検出感度計算モデル

ボリューション
実験で得られたパルス波高分
布には，電子回路雑音により，エネルギー分解能の（2）エネルギー軸の補正使用したCZT検出器中のキャリアの流動距離が素

拡がりが存在する．この拡がりは，検出器分解能関子の厚さよりも短く，外部回路に伝達されるエネル

数でコンボリュートしてやる必要がある．この分解ギーが付与エネルギーよりも小さくなることがあ能関数は，通常Gauss分布と考えられるので，感度る．

の計算で得られた結果を，半値幅を考慮したGauss

外部回路に伝達されるエネルギーを E out，素子に付与されたエネルギーをEdepとすると，分布でコンボリュートするとよい．ここではコンボ
リューションの半値幅として，実験で得られた半値

E out＝E dep・（p e＋p h）／d

幅を採用した．

ここで,

p e：電子の流動距離3.2

p h：ホールの流動距離

検出感度の計算結果

d ：素子厚である．印加電圧が低く，電界F が小さくなり，大以上に述べた仮定や補正を織り込み，出力パルス

多数の電子とホールの流動距離の和がd より小さく

波高分布を計算した．このようにして各線源に対しなると，計算結果は付与エネルギーよりも低いエネて求めた検出感度を表１に示す．また検出器を形成

ルギーとして出力される．これは，印加電圧が小さする素子の体積の総和を有感体積として，これに対い時に顕著になる．このため，感度の計算の結果かする検出感度の計算結果を図７に示す．

表１

改善した計算により得られた各検出器感度

CZT検出器
素子数

印加電圧
［V］

実効電圧
［V］

45素子

100
50
75
100
50
75
100

80
40
60
80
39
59
78

90素子

216素子

Cs-137ピーク感度 Co-60ピーク感度
N-16感度（661.6±50keV） （1332.5±50keV）
4.5〜7MeV［cps／(μSv・h)］ ［cps／(μSv・h)］ ［cps／(μSv・h)］
3.98
6.83
8.62
10.3
13.7
17.5
20.9

0.26
0.36
0.54
0.71
0.73
1.30
1.79

−
−
−
−
−
1.13
−

線量当量率あたりの感度［cps/（μSv・h）］

148

4.
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5

感度計算値
Cs-137＊ Co-60
N-16

N-16 領域（実効電圧 250V）＊

4.1 校正線源の γ 線の測定（Cs-137
およびCo-60）

N-16 領域（実効電圧 59V）

45素子，90素子，216素子の各積層段階の＊＊＊パルス波高分布の測定

CZT検出器により，Cs-137とCo-60のγ線に対するパルス波高分布およびピークの感度の測10層モデル、単素子検出器のN-16に対する感度は0である

定を行った．ピークの感度の算出にあたり，計数率の線量当量率依存性から，パイルアッ

100 101 102 103 104 105 106
有感体積（i）

単素子
2×2×2

10層モデル
10×10×0.7：10素子

単素子
10×10×0.7
図７

プの影響が無視できるデータを用いた．検出
感度の計算には，線源強度， γ 線放出率および γ 線束・線量当量換算係数を用いた．Cs137およびCo-60の γ 線に対する測定結果をそ

フルモデル
12×12×1：2592素子

れぞれ図８と図９に示す．また，Cs-137とCo-

約1/10モデル
10×10×1：216素子

60測定により得られた45素子，90素子および216素子のCZT検出器の感度をまとめると表２

有感体積と検出感度の予測のようになる．

216素子検出器
実効電圧：59V
線源：Cs-137
線源〜センサ面距離：10cm
測定時間：400sec

counts

104
103
102

105

103
102

101

101

100

100
0

1000

2000
energy [keV]

3000

4000

図 8 図パルス波高分布（Cs-137）
8 パルス波高分布（Cs-137）

216素子検出器
実効電圧：59V
線源：Co-60
線源〜センサ面距離：10cm
測定時間：400sec

104
counts

105

0

1000

2000
energy [keV]3000

図 9 図パルス波高分布（Co-60）
9 パルス波高分布（Co-60）

表２ Cs-137とCo-60のγ線測定における各CZT検出器の検出感度（ピークの感度）

検出器
45素子
90素子

216素子

印加電圧
［V］

実効電圧
［V］

Cs-137ピーク感度（661.6±50keV）［cps／(μSv・h)］

Co-60ピーク感度（1332.5±50keV）［cps／(μSv・h)］

100
50
75
100
50
75
100

80
40
60
80
39
59
78

3.95
5.81
6.70
7.99
12.9
15.6
17.8

0.27
0.37
0.48
0.70
1.02
1.34
1.68

4000

149

4.2

実機におけるN-16のγ線測定

れぞれの波高分布を求めた．発電所起動ステップにおいて，定格出力の50%と75%および定格出力におけるパルス波高分布をそれぞれ測定した．定格出力（1）測定場所
関西電力（株）高浜発電所１号機の第18回定期検査時に測定を実施した（測定実施日は平成11年３月における測定時間は48時間とした．
（3）測定結果

16日〜３月25日）．216素子のCZT検出器を同発電所測定した波高分布のうち，定格出力時のものを図の非再生クーラ入口配管近傍に設置し，計測器は非11に示す．得られた波高分布から，4.5〜7MeVのエ

再生クーラ室の外部に設置して計測を行った．現場

ネルギー範囲の計数率の積分値を求め，Ｎ−16感度での測定の状況の写真を図10に示す．

を算出した．

（2）測定方法
測定結果を，NaI(Tl)検出器（3″φx3″ｔ）と比較し，評価するため，対象とするCZT検出器(216素5．検出感度計算の妥当性

子)とともに，NaI(Tl)検出器も設置した．測定場所のＮ−16の線量当量率はこのNaI(Tl)検出器によっ5.1

計算値と実験値の比較て求めた．参考のために，CZT検出器(10層モデル)
ならびに216素子CZT検出器の有感体積に相当する3章で求めた感度計算の結果および4章で求めた感検出部体積を有するNaI(Tl)検出器（2″φx1″)も併せ

度測定試験の結果を表３にまとめた．ここには，10て設置した．以下にそれらを表示する．
CZT検出器（216素子）
本研究対象品層モデルの結果も併せて示している．

CZT検出器（10層モデル）とコンボリューション時の半値幅がある．本研究で参考用計算に用いたパラメータとして，素子のμ･τ積

NaI（Tl）検出器（3″φx3″） 比較・評価用（実機相当品）

は，μ･τ積の値は電子：1.5×10 −３，ホール：5×

参考用，
216素子CZT検出

10 −５cm 2／Vを用いた．また，コンボリューション

器とほぼ同等の有感部体積の半値幅は実験で得られた値（Cs-137では115keV，各検出器は測定用の架台に取り付けることによ

Co-60では137keV，Am-241では255keV）を採用しNaI（Tl）検出器（2″φx1″）

り，その有感中心が配管から同一距離になるようにた．両者を比較した結果，Cs-137では計算結果の方設置するとともに，被ばく線量の低減を考慮して，がやや大きく，Co-60ではほぼ一致し，N-16でもほ仮設作業と試験終了後の撤去を容易にできるようにぼ一致した．このため，検出感度についての計算結した．また，線量当量率の時間的変化を避けるため，果は概ね妥当と考える．

上記４種類の検出器からの信号を同時に測定し，そ〈フィールド測定実施状況〉

図10〈フィールド測定中の画面〉

現場でのN-16測定状況の写真

150

108

104
102
100

104
102
100

0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
energy (keV)

108

0

10

102

Nal（2″φ×1″）
100％出力時測定

106counts1041000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
energy (keV)

108

10層モデル
100％出力時測定

6

countsNal（3″φ×3″）
100％出力時測定

106
counts106
counts108

216素子検出器
100％出力時測定

100

104
102
100

0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
energy (keV)01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
energy (keV)

図11 N-16によるパルス波高分布測定結果

表３

検出器

印加電圧 実効電圧［V］［V］

γ線検出感度の計算値と実験値との比較
Cs-137ピーク感度（661.6±50keV）［cps／(μSv・h)］

Co-60ピーク感度（1332.5±50keV）［cps／(μSv・h)］

N-16感度（4.5〜7MeV）［cps／(μSv・h)］

計算値

実験値

計算値

実験値

計算値

実験値

10層モデル

100

100

1.02

0.96

0.071

0.065

0.12

−

45素子

100

80

3.98

3.95

0.26

0.27

−

−

50

40

6.83

5.81

0.36

0.37

−

−

90素子

216素子
NaI
（Tl）参考
（3″
φx3″）

5.2

75

60

8.62

6.70

0.54

0.48

−

−

100

80

10.3

7.99

0.71

0.70

−

−

50

39

13.7

12.9

0.73

1.02

−

−

75

59

17.5

15.6

1.30

1.34

1.13

1.24

100

78

20.9

17.8

1.79

1.68

−

−

−

−

1330

−

336

500

296

360

パルス波高分布の検討考察

プと見られる計数値の多い部分が認められる．なお，
200〜400keVの領域で実験値が大きくなっているの（1）Co-60のパルス波高分布
Co-60の場合について，計算と実験で得られたパ
ルス波高分布の比較を図12に示す．波高分布の形状は概ね良く一致している．ただし，実験値の高エネ
ルギー領域（1.3MeVを超える領域）にパイルアッはノイズの影響であろう．
（2） N-16のパルス波高分布
N-16の場合について，計算と実験で得られたパ
ルス波高分布の比較を図13に示す．
3 MeV以下のエネルギー領域では計数値が多くな151っているが，これはバックグランド測定結果から
Ｎ−16以外の核種によるものが原因であろう．一方，

104

3 MeV以上では波高分布の形状は概ね一致しておず，6 MeV付近で「肩」状の構造がある．
（3）考察

103
countsり，両者ともにほぼ平坦で推移し，ピークは見られ

216素子検出器
実効電圧：59V
線源：Co-60
実験
計算

102
101

以上のように，計数値すなわち検出感度およびパ
ルス波高分布の形状の比較を行った結果，両者間に1000

少し差異が存在する．その原因として次のようなことが考えられる．
a．散乱γ線の影響

図12

400

800
1200
1600
energy (keV)
Co-60における実験と計算のパルス波高分

布の形状比較

γ線のエネルギーが高くなると，コンプトン散乱や電子対生成の相互作用により入射γ線の方向とエ

ルドアップが起こり，検出器部分に入射するγ線が増え，感度が向上する．この影響については，これcounts

ど寄与が多くなる．計算では，検出器のハウジング，
周辺構造材，架台等を考慮していない．従ってこれ
らの周辺材により散乱γ線が増加し，結果としてビ

10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10

0

らの周辺材を模擬した，より詳細な計算により評価が可能である．そこで，まず検出部保護用のアクリ
ルケースのみを考慮した計算で評価したところ，

216素子検出器
実効電圧：59V
100％出力時のN-16測定
実験
計算

8

ネルギーが変わる．これはエネルギーが高くなるほ

図131000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
energy (keV)

N-16における実験と計算のパルス波高分布の形状比較

Ｎ−16領域の感度増加効果は20％程度となり，上記の推察が裏付けられた．
b．パイルアップの影響は，想定していたμ・τ積を４倍にした場合の計算

計数のパイルアップにより，高エネルギー領域の見かけの計数率が増加したことが考えられる．今回と実際の測定結果が，よい一致を示していることか
らも確かめられた．

の実験はパイルアップの影響の少ない距離15cmの結果を採用しており，影響は少ないと考えられるが，概算では数％程度と考える．高線量当量率時に正確

以上により，計算手法およびそれに用いたパラメータの値はほぼ妥当であるといえる．

な計測を行うためには，パイルアップ除去回路を付加することが有効であり，計測場所（検出器設置場

6.

CZT検出器N-16モニタの実機適用の評価

6.1

現行のNaI（Tl）検出器とほぼ同じ検出感度のCZT検出器所）に応じた設計を行うことを留意しておく必要がある．
c．μ・τ積の評価値の影響実験で用いたCZT素子のμ・τ積を推定するため，
出力波形から電子の移動度μeを求めた結果は3×10３
cm2／（V・s）となった．寿命τeを10―６sと仮定すると実機サイズのCZT検出器として，現在用いられて

2

いる直径，厚さともに３インチのNaI(Tl)シンチレ

していた値の２倍であった．

ーション検出器とほぼ同じ検出感度を持つCZT検出

電子のμ・τ積は3×10―３cm ／Vと推定でき，想定

このため，ここで用いたCZT素子のμ・τ積は想定していた値よりも大きい可能性がある．このこと器を想定した結果，その基本仕様は次のようになっ
た．

152

実機への適用性の評価

6.2

使用素子（単品）：CZT，12x12x1mm
ホルダー：１枚に９素子を装着

積層方法：ホルダー４枚を平面に配CZT素子単体，10層モデル，216素子およびフル

置し72段の積層とするモデル2592素子のCZT検出器の計算と実験の結果か（全素子数,2592個，全体ホルダー数,288枚）

ら，検出部の有感体積とＮ−16感度の関係をまとめ

印加実効電圧ると，図16のようになる．これにより，フルモデル：250V

この検出器について行った計算の体系を図14に示す．次にＮ−16のγ線をこれに入射させたときのパの体系において素子に印加する電圧が250Ｖの場合，

ルス波高分布の計算値を図15に示す．この結果から，

実機用モニタの構造の概念を示す．これは2592素子

素子の実効電圧を250Vとした場合，Ｎ−16の検出を搭載した288個のホルダーを検出部とし，回路分

感度は，289cps/(μSv･h)となる．実際上は，さらに割したプリアンプ基板を装着する．プリアンプはIC散乱γ線の影響で10〜20％程度の感度増加が見込まを用いることにより，小スペース化を図る．

要求感度が達成できることが分かる．また，図17にれる．この値は現行のNaI(Tl)検出器の要求感度
300cps/(μSv･h)とほぼ同じ値である．

γ線（−様、105個／b2）

素子：CdZnTe 12×12×1mm
ホルダー1枚に素子9個ホルダー：4×72=288枚（素子：2592個）

図14

実機用CZT検出器と感度計算の仮定

フルモデル（コンボリュ−ション後）
実効電圧：250V

104

counts

103
102
101
100
0

1000

2000

3000 4000
energy (keV)

5000

6000

7000

実機用CZT検出器のN-16に対する
図 15 図15
実機用CZT検出器のN-16に対するパルス波高分布の予測
パルス波高分布の予測

線量当量率あたりの感度［cps/（μSv・h）］

感度計算値 実験値
Cs-137
Cs-137＊ Co-60
Co-60
N-16
N-16
N-16領域（実効電圧250V）

10

3

102
101

N-16領域（実効電圧59V）

＊

100
10-1
10

＊

-2

10-3

＊

10-4
10

10層モデル、単素子検出器のN-16に対する感度は0である

＊

-5

100

101

102 103 104
有感体積（i）

105

106

単素子
フルモデル
10層モデル
2×2×2
12×12×1：2592素子
10×10×0.7：10素子
単素子
単素子
約1/10モデル
10×10×0.7
7×7×3
10×10×1：216素子
図16

実機適用性の評価（有感体積に対するN-16の感度）

153

約100mmセンターホルダー
素子部分
素子：CdZnTe 12×12×1mm
ホルダー1枚に9素子ホルダー：4×72=288枚

スル−ホール（ネジ止めにより支持）
約120mm

約160mm素子（ホルダー）部分
支持板

側面基板
（信号取出し用）

プリアンプ部分（IC の使用による省スペース化）

コネクタ

図17図 17
実機用CZT検出器N-16モニタの概念図
実用CZT検出器N-16モニタの概念 図

7.

まとめ

（4）検出感度計算の妥当性検証
216素子CZT検出器についてのγ線検出感度計算（1）CZT検出器の試作
ＰＷＲのＮ−16モニタ用として，常温から100℃の結果と実験の結果を比較し，ほぼよい一致を得た．
例えばCo-60では計算結果が1.30cps/(μSv･h)に対し近傍まで安定な動作が期待できるCZT半導体素子を用いて，CZTγ線検出器を試作した．検出器の構成て実験の結果は1.34cps/(μSv･h)であり，Ｎ−16では，ホルダー１枚あたり９個のCZT素子（単品寸は1.24cps/(μSv･h)であり，両者を比較検討した結法：10x10x1mm）を搭載し，このホルダーを24段

果，計算手法とこれに用いたパラメータの値は概ね積層した(素子総数216個)．プリアンプとしては回妥当であって，この手法の妥当性が確認された．な

路分割方式を採用した．

お実験値と計算値の差異については，周辺構造材による散乱 γ 線の影響が10〜20%あることが分かっ（2）γ線検出感度の計算
試作した216素子検出器の形状，寸法と材料を配は計算結果が1.13cps/(μSv･h)に対して実験の結果た．

置し，電荷キャリアの挙動を考慮した計算モデルを作成して，γ線検出感度の計算を行った．得られた（5）CZT検出器N-16モニタへ実機適用性の評価

計算結果にエネルギー軸の補正および検出器分解能

るNaI（Tl）検出器とほぼ同じ検出感度を持つCZT関数によるコンボリューションを施した．

検出器を設計し，その検出感度を計算し，実機への（3）試作CZT検出器によるCs-137，Co-60およびN16のγ線測定

適用性について検討評価を行った．想定したCZT検

上記計算手法を用いて，現在実機で使用されてい出器は，１枚あたりに９個の素子（寸法：

試作した216素子CZT検出器により，校正線源

12x12x1mm）を装着したホルダー４枚を平面に配（Cs-137とCo-60）および実際のＰＷＲプラントでのＮ−16のγ線に対するパルス波高分布の測定を実施

置し，これを72段積層（素子総数2592個）して構成

し，これらに対する検出感度の実験値を得た．

要求感度（300cps／（μSv・h））を充たす．

する．このCZT検出器は現行のNaI（Tl）検出器の

154

8.

謝辞

（7）H.Nishizawa, K.Ikegami, K.Takashima, T.Usami,
and T.Yamamoto, IMPROVEMENT OF THE

本研究の実施にあたり，実際に現場でのＮ−16測

SENSITIVITY OF CdTe SEMICONDUCTOR

定について，関西電力（株）高浜発電所計装保修課

DETECTOR IN THE HIGH ENERGY REGION,

および大飯発電所計装保修課をはじめとし，両発電IRPA9 Proc. Vol.4, pp. 287-289（1996）

所の関係者の方々には大変お世話になりました．ま（8）西沢博志， 池上和律， 高嶋和夫， 宇佐美照夫，た，大阪大学ＲＩセンターの山本幸佳教授には，こ

積層型CdTe半導体検出器の開発，「放射線」の研究の遂行に際して貴重な助言と御指導を頂きまVol.22， No.3， pp. 27-36（1996）

した．ここに記して感謝の意を表します．

（9）西沢博志， 積層型CdTe半導体検出器の開発，「放射線」Vol.23， No.4， pp. 123-131（1997）（10）H.Nishizawa, K.Ikegami, K.Takashima, T.Usami,

文献

T.Hayakawa, T.Yamamoto, H.Nakamura and
Y.Matsuoka, A Cd 1-X Zn X Te γ -ray Detector（1）Y.Iwase, R.Ohno, et.al., Current-voltage characteris-

Sensitive in High Energy Regions, Technical Digest

tics of high resistivity CdTe, Mat. Res. Soc.

of the 15th Senser Symposium 1997, pp. 123-128

Symp.Proc. Vol. 302, pp. 225-230（1993）（1997）（2）C.J.Johnson, E.E.Eissler, et.al., CRYSTALLOGRAPHIC（11）K.Ikegami, H.Nishizawa, K.Takashima, T.Usami,

AND METALLURGICAL CHARACTERIZATION OF

T.Hayakawa, T.Yamamoto, H.Nakamura and

RADIATION DETECTOR GRADE CADMIUM

Y.Matsuoka, CZT SEMICONDUCTOR RADIATIONTELLURIDE MATERIALS, Mat. Res. Soc. Symp. Proc.

SENSER FOR HIGH ENERGY GAMMA RAYS,

Vol.302, pp. 463-478（1993）

Radiation Effects & Defects in Solids, Vol. 146, pp.

（3）T.O.Tumer, D.C.Joyce. et.al., Preliminary Results161-173（1998）

Obtained from Novel CdZnTe Pad Detectors, IEEE

（12）W.R.Nelson, H. Hirayama and D.W.O.Rogers,

Trans. on Nucl. Sci., Vol.43, No.3, pp. 1417-1421

The EGS4 Code System, SLAC-265（1985）（1996）（13）H.Nishizawa, K.Ikegami, K.Takashima, T.Usami,（4）G. F. Knoll（木村逸郎，阪井英次訳）， 「放射and T.Yamamoto, CALCULATION OF CdTe

線計測ハンドブック第２版」，日刊工業新聞社

SEMICONDUCTOR DETECTOR RESPONSE,（1991年）KEK Proc.96-10, Proc. of the Sixth EGS4 Users'（5）K.Ikegami, H.Nishizawa, T.Usami, and T.Yamamoto,Meeting in Japan, pp. 61-69（1996）

Radiation Protection Dosimetry, IMPROVEMENT（14）西沢博志，池上和律，高嶋和夫，宇佐美照夫，

OF THE SENSITIVITY OF CdTe RADIATION

早川利文，藤原博次，山本幸佳，中村裕明，

DETECTORS IN THE HIGH ENERGY REGION,

松岡由了，CdTe半導体検出器の応答計算，日Vol.66, Nos.1-4, pp.455-458（1996）

本原子力学会「1997年春の年会」予稿集 B-15

（6）H.Nishizawa, K.Ikegami, K.Takashima, T.Usami,
and T.Yamamoto, IMPROVEMENT OF THE
SENSITIVITY OF CdTe DETECTORS IN THE
HIGH ENERGY REGIONS, KEK Proc.96-4, Proc.
of the 10th Workshop on Radiation Detectors andTheir Uses, pp. 230-239（1996）