本文 Thesis 総合研究大学院大学学術情報リポジトリ A1916本文

比例モード Si-APD を用いた高速 X 線シンチ

ーション検出器の開発

井上 圭介

博士 学術

総合研究大学院大学

高エネ ギー加速器科学研究科

物質構造科学専攻

成 ８ ６ 度

博士論文 学術

比例 _Si-APD 用い

高速 _X 線 ン ン検出器 開発

総合研究大学院大学

高 速器 学研究 物質構造 学専攻

井 圭 2016 12

1

目

序論 研究 意義 ... 3

放射 核共鳴散乱研究 ... 3

高 _X線領域 高速検出器 ... 7

序論 参考文献 ... 10

第 章 放射 X線 X線検出器 ... 12

1.1 ^放射 X^{線 特徴} ... 12

1.2 ^{放射 利用実験 用い} X^線検出器 ... 14

1.2.1 ^{電 箱} ... 15

1.2.2 ^{ン ン検出器} ... 16

1.2.3 ^{半 体検出器} (HP-Ge^検出器 PIN SDD)... 19

1.2.4 ^{比例 ン ン} (Si-APD)^検出 器 ... 21

第₁章 参考文献 ... 23

第 2章 比例 Si-APD 用い 高速X線 ン ン検出器 ... 25

2.1 ^比例 Si-APD ^用い X^{線 ン ン検出器 特徴} ... 25

2.1.1 ^検出効率 ... 25

2.1.2 APD^増幅率 ... 27

2.1.3 ^雑音特性 ... 29

2.1.4 ^解能 ... 31

2.1.5 ^波形 ... 32

2.1.6 ^{計数率特性} ... 35

2.1.7 ^{時間 解能} ... 37

2.1.8 ^比例 Si-APD ^{用い 高速} X^{線 ン ン検出器 適} ン _Si-APD 条件 ... 40

2.2 ^検出器 ... 42

2.2.1 ^{検出器 構成} ... 42

2.2.2 ^{冷 機構} ... 44

2.2.3 ^検出器 Geant4 ^ン ... 46

第₂章 参考文献 ... 53

第 3章 検出器 放射 利用実験 ... 56

3.1 ^{検出器 特性評価} ... 56

3.1.1 ^波高 ... 56

3.1.2 ^{出力 波形 時間 解能} ... 62

3.1.3 ^{計数率特性} ... 66

2

3.1.4 ^{ン 形状} APD^{形状 検討} ... 67

3.2 Ni-61放射核共鳴前方散乱実験 検出器 応用 ... 70

3.3 MPPC ^{ン ン検出器 特性評価} ... 76

第₃章 参考文献 ... 80

第 4章 放射 核共鳴散乱実験 高性能 ... 81

4.1 HfO2 ^{粒子添 ン 用い} APD ^ン ン検出器 ... 81

4.1.1 HfO2 ^{粒子添 ン} ... 81

4.1.2 HfO2 ^{粒子添 ン 載} APD ^ン ン検出器 特性評価 ... 82

4.2 4-ch ^比例 Si-APD ^{素子 検出器} ... 86

第₄章 参考文献 ... 91

第 5章 ... 92

5.1 ^{研究 到遉点} ... 92

5.2 ^{後 展望} ... 93

研究 関 発表 ... 95

謝辞 ... 97

3

序論 研究 意義

研究 目的 比例 作動 ン ン

Si-APD ^{用い 高速}X^{線 ン ン検出器 優 高速}

特性 高 _X 線 十 検出効率 合わ 持 放射 実験用検 出器 開発 あ 検出器 応用 放射 実験 放射 核共鳴散乱 あ

放射 核共鳴散乱研究

最初 放射 核共鳴散乱 い _[1] 参考 明 放射性 元素

線源 原子核 共鳴吸 利用 法 物性研究 手

法 知 い 放射 核共鳴散乱研究 放射 _X 線

原子核 励起準 共鳴吸 法 様

物性研究 行う あ 法 無 跳 原子核共鳴吸

現象 あ 効果 利用 般 子 共鳴吸 場合

放出 吸 際 跳 _ER 損失 あ 放出 吸

子 遤移 _{2 ER} 差 生 線 共鳴吸

観測 能 原子核 跳 足 補

励起準 幅 う 条件 必要 あ 原子核 場合

励起 少 _keV以 _{ER meV}以

準 幅 μ_eV以 原子核 跳 準 幅 比 非常 大 固体中 吸 体 含 原子 結晶格子 束縛

跳 原子核全体 配 無 跳 線 放出 吸 条

件 満 あ う 無 跳条件 満 原子核 共鳴

吸 起 効果 び 効果 利用 微

細 変 核準 状態 調 測定方法 法

あ 線源 試料 往復運動 効果 照射あ

い 吸 線 わ 変 方法

法 調 原子核 準 変

原子核 核外 軌遈電子 相互作用 超微細相互作用

原子核周辺 軌遈電子 情報 引 出 超微細相

互作用 ソ 四極子 裂 磁気 裂 ソ

原子核周辺 電子 密度 ン 価数 い 学状

態 調査 役立 四極子 裂 原子核周辺 電場 配

状態 推定 磁気 裂 原子核周辺 電子 ン 来 磁場

部磁場 電子 磁気 ン 大 や方向 い 磁性

4

関 情報 得 凝縮体中 効果 起 確率 あ 無

跳 率 原子核周辺 原子 結合 様子 依存 い 無 跳 率 温度変 測定等 行う 結合状態 関 情報 得 通常 実用的 長 持 放射性 元素 _RI 親核種 線 放出

線源 使用 線 吸 励起 効果 観測

核種 核種 工業的 学的 要 鉄 体⁵⁷_Fe

(^{励起準 ：}14.41 keV ^半減期：97.8 ns ^{親核種 57}Co) ^核種

あ 非常 多 利用 ン

料 期 い 希薄磁性酸 物 研究 例 挙 希薄磁性 酸 物 合物半 体 磁性原子 料 あ 希薄磁性酸 物

強磁性発現 解明 磁性 ン 状態 調

必要 あ ⁵⁷_Fe 均 透明酸 粉 _(Sn1−x⁵⁷_{FexO2− )} 調

報告 あ _{[2] 500}℃ 焼成 試料 磁 観測 室温

常磁性成 観測 い結果 得 焼成時

間 長 和磁 率 踏 え 強磁性 起源 鉄

ン 酸素 寄 考え ⁵⁷_Fe

測定 特徴あ 成果 火 査機 載

器 火 岩 析 行い 水酸基 含 結晶 定

あ 結果 火 水 存 示 _[3]

放射 利用 原子核 励起 放射 核共鳴散乱法 放射 特徴

様々 利点 あ 放射 遥択性 適当 親核

種 い場合や親核種 極 短い場合 測定 大強度

1 mm^{以 能 超高 強磁場 極}

限条件 あ 試料 _{100 μm}以 場合 測定 や い 試料条件 変

え 迅速 測定 能 放射 直線偏 性 使え 角運

動 保存則 容易 核 子 軸 決定

方 放射 核共鳴散乱実験 伴う 非共鳴散乱線 ソン散乱

蛍 _X 線 核共鳴散乱線 検出 い点 あ

現状 結晶 得 放射 線幅 学系 工

meV^{程度 う 核共鳴散乱 寄 核共鳴準 自然幅} 程度 ₁₀^-7～₁₀^-9 _eV 非共鳴散乱線 膨大

ン ン あ 非核共鳴散乱線 方法 高

速検出器 時間 行わ 検出器 得 時間

1 ^{模式 示 放射 入射 ン 非核共鳴散乱線 時} 現 発散乱線 核共鳴散乱線 _ns 数 _{10 ns} 原子核半減期

従 減衰

5 1^{：放射 核共鳴散乱実験 検出器 得 時間 模式}

核共鳴散乱 前方 ン 散乱 前方散乱 角

充 方向 散乱 散乱 全方向 4 散乱 ン

ン 散乱等 あ 測定 象 核共鳴前方散乱法 核共鳴 散乱法 核共鳴非弾性散乱法 あ 核共鳴 散乱法 ソン

散乱 禁制 射 核共鳴散乱 許容 う 条件

結晶 回 面 用い 方法 検出 容易 研究 初期段階 主

行わ い 適 核種 含 結晶 必要 現状

57_Fe

う 限 核種 適用 い 以降 核共鳴非弾性散乱法 核共鳴前方散乱法 い 明

核共鳴非弾性散乱測定 核 共鳴励起 付近 い _meV程度

以 放射 _X線 変 試料 照射

時間遅 成 検出 行う ン励起 伴 核共鳴励起 起 場合 脱励起 伴う時間遅 成 検出

時間遅 成 ン 数 入射 _X 線 関数 求

ン 得 固体 ン状態密

度 計算 基 い 熱力学的 温度 ン

比熱 求 例え 鉄 熱力学的 ₁₅₃

GPa ^{超高 核共鳴非弾性散乱 求 地球 核部 い} 議論 報告 あ _[4] 近 赤外吸 得意 水溶液中 酵素 活性中心 あ 鉄 振動 抽出 い 利点 金属酵素

活性中心 研究 特異 手法 注目 集 い _[5]

核共鳴前方散乱法 多数 励起核 核共鳴前方散乱線 渉 時間

6

形成 子 観測 測定方法

あ _[6] 時間構造 持 子 核準 裂 起因 い 試 料中 原子核周辺 磁性 電子状態 調 共鳴励起

合わ 放射 照射 裂 準 間 差 い

許容 準 斉 励起 場合 再放出 共

鳴散乱線 相 わ 異 子波

渉 渉 ン 子 _{2 (a)} 純 ₂準 共

鳴励起 渉 発生 子 模式 あ

間隔_∆ 準 間 差_∆ 逆比例 _{∆ = ℎ/∆}

多 散乱 試料 厚い場合 顕著 現 試料 厚

増え 脱励起線 短縮 間隔 傾向 示

2 (b) ^{示 厚 :}d 0.1 μm 1 μm 2 μm ^{場合 ン}

励起核⁵⁷_Fe 核共鳴前方散乱時間 ン結果 現 い 核共鳴前方散乱時間 超微細相互作用 求

領域 変換 時間 求

方法 解析

2^：(a) 2^{準 子 横軸 準 ：}_τ ^{規格 時間}

[7] FIGURE 3. ^{基 作成}

(b) ^{厚 :}d 0.1 μm 1 μm 2 μm ^{場合 ン 励起核57Fe}

核共鳴前方散乱時間 ン結果 _{[7] FIGURE}

9. ^{基 作成}

以 明 励起状態 原子核 放出 _γ 線 検出 場合 想定

7 軌遈電子 放 出 部転換過程 基底状態 戻 場合 起 う

部転換電子 伴う特性 _X 線 核共鳴散乱 信号

検出 方法 行わ あ _RI 通常

法 様 吸 得 放射 吸 法

開発 い _[8]

明 い 放射 核共鳴散乱実験 い 核共鳴散乱 線 非核共鳴散乱線 ソン散乱線 透過_X線 蛍 _X線 時間

検出器 優 時間 解能 要求 励起核

以 時間 解能 あ 必要 あ 核共鳴散乱線 非核共 鳴散乱線 強度比 ₁₀⁶ 超え 高計数率測定 能 あ

雑音 両立 必要 あ 時間 解能 高計数率特性 い 総合的 優 検出器 高速特性 優 検出器 いう意味 高速検出器 検出器

幅 高速 出力 発散乱線 近い時間領域 測定

能 短い核共鳴散乱線 測定 能 減衰

い い時間領域 効率 検出 特 高計数率 発

波高 大 や い 直後 核共鳴散乱線 発

立 時間 短い 時 変動

優 ン 特性 得や い

以 特性 兼 備え 放射 核共鳴散乱実験 比例 _Si-APD 標準的 検出器 い

高 _X線領域 高速検出器

核共鳴散乱 既知 核種 核共鳴 関

係 ₃ 示 多数 核種 測定 行わ 丸 示

放射 核共鳴前方散乱実験 行わ い 核種 核共鳴

30 keV^{以 核種 限 い} SPring-8^やESRF ^{う 第 世}

代 大型放射 施設 い 高 領域 高輝度_X線 活 _Ni-61

測定 行わ い 領域 核種 実験例 多 い

最大 要因 高 _X 線領域 実用的 高速検出器 い

X ^{線領域 標準的 使用 い 比例} Si-

APD ^{ン製 感領域 空乏層 薄い 高} X ^線

検出効率 急減 感面積 広い _Si-APD素子 検出器 静電容

大 幅 伸び 時間 解能 劣 点 注意 必要

8

3^{：既知 核種 核共鳴 関係}

◯ 放射 核共鳴前方散乱実験 行わ い 核種

[9] ^基 [10] [11] ^{追 作成}

高 _X線領域 検出効率 い う 改良 検出器

積層型_Si-APD検出器 挙 複数 _Si-APD 積層 _X線

通過 ン 厚 伸 素子 場合 大 検出効率 得

16.53 keV X^線 1^個 Si-APD ^{検出効率 最大}18.6% ^あ 4

個積層型_Si-APD検出器 _55% 得 _[12] 入射_X線 _Si-APD

傾 大 検出効率 得 工 行わ _[13]

30 keV^{以 高} X^{線 素子 得 検出効率 限}

界 あ 検出効率 向 い え 散乱配置 測定 広い立体角 放出 核共鳴散乱線 検出 必要 あ 場合 前述 _X線 通過 感領域 厚 伸 工 い等 測定 制限 わ

高 _X 線 十 感度 示 高速 ン 応答 速い

電子増倍管 _PMT 組 合わ 高速 ン ン検出器 開発 い _PMT 使え ₁₀⁵_~10⁶ 高い増幅率 得 _PMT

ン 測定用 高速 遥択 時間特性 主

陰極 放出 電子 陽極 増幅 間 生 走行時間 び

時間差 決 微細 工技術 極薄型 高精度

積層 ン 型 _PMT 近接

い 型 時間特性 優 ン 型 ₂ ン

9

PMT ^{時間特性 大 昇時間}0.65~1.5 ns ^幅(FWHM)1.5 ~

3 ns ^あ [14] ^構造 8 mm ^最 PMT(^浜

社 _R7400P) 入手 _[15] 鉛添 ン _R7400P

ン ン検出器 開発 _{57.6 keV} 放射 _X 線 測定

時間 解能 _FWHM ：_{0.54 ns} 得 最大 計数率 _1.39搬₁₀⁷ _cps

[16] ^{計数率 大 い} R7400P ^{流 大電流}

制限 考え

Si-APD ^高いAPD^増幅率 10^5～10^{6 得}

Si-APD ^{素子 ン ン検出器 高}

物理実験 応用 い 使用 い _Si-APD

1 ^{素 子 あ 数} 100 ^{個 以 成} MPPC(Multi Pixcel Photon

Counter) ^{半 体素子 あ} MPPC ^{ン電 超え 印}

電 大 増幅率 電流 増幅 各 表面 配置

抵 素子 ン ン 抵 電流 流 増幅 得 い

ン ン 抵 電流 流 立 形成

幅 数十_ns以 比例 _Si-APD 得 ₁₀倍以

時間幅 あ 高速応答 実現 困 あ

以 う 放射 核共鳴散乱 使わ 検出器 状況 踏 え

高 _X 線領域 測定 い ン ン検出器 得

う 検出効率や立体角 比例 _{Si-APD X} 線直接測定 得 応答特性 時間 解能 併 持 高速検出器 必要 あ 考え 研究 元素 含 高速 ン 比例

Si-APD ^{組 合わ ン ン検出器 開発 子}

100 keV X^{線 い 比例} Si-APD ^{比較的 い増幅率}

幅 高速 検出 工 や 応答 時間

解能 活 測定 う 実現 要 あ う 検

出器 実用 ₃ 示 核共鳴 ₃₀～_{100 keV} 領域

多 存 核種 核共鳴散乱実験 応用 核種 触媒

用い ⁹⁹_{Ru (}励起準 ：_{89.36 keV)}や 温 強磁性 示 ¹⁷⁰_{Er (}励起準 ：

79.31 keV) ^{要 元素 多 含 い 例え 61}Ni ^{励起準 ：}67.41 keV

放射 核共鳴前方散乱 高 磁性 調 報告 あ

[17] ^{ン ン 箔試料 合わ} 15^μ

m^搬15^μm^{2 集} X ^{線 照射 磁}

気 裂 _{260 GPa} 観測 力 強磁性磁気秩序 安定 い

示 力値 ₂₀₁₃ 論文発表時 強磁性 観測 最 高い値

10 う 高 _X 線領域 放射 核共鳴散乱 高

励起核 少 用意 い試料や高 超伝 発現

試料 測定 特 条件 調 試料 幅 広

開発中 高機能 料 機能解明 貢献

え 比例 _Si-APD 使用 核共鳴散乱以外 放射

利用実験 い 高 _X 線 高計数率測定 応用 能性 考え 高 _X 線 検出 希土類元素 吸 端近傍 測定 い 必要 高計数率測定 能 精密電子密度測定 _XAFSや共鳴磁 気散乱法 高精度 測定 迅速 貢献 期

論文 第₁章 放射 _X線 特徴 放射 _X線 利用 実験 使わ 代表的 検出器 い 明 検出器 い特徴 持

研究 実際 比例 _Si-APD 用い 高速_X線 ン

ン検出器 製作 検出器 い 以 第₂章

明 第₃章 放射 _X線 使 検出器 性能 評価 放射 核共鳴散乱実験 _Ni-61励起準 ：_{67.41 keV} 半減期：_{5.34 ns}

応用 行 結果 報告 第₄章 放射 核共鳴散乱

実験 応用 高性能 い 述 ン び_Si-APD素

子 い 改良 試 実験結果 い 報告 第₅章

研究 目指 比例 _Si-APD 素子 高速 ン ン検

出器 開発 進 び 後 課題 い 以降

検出器 _APD ン ン検出器

序論 参考文献

[1] ^{瀬戸 誠},_”^{核共鳴散乱 物性研究}_”^{日 結晶学会} 43 (2001) 405.

[2] K. Nomura, C. A. Barrero, J. Sakuma and M.Takeda, "Room-temperature ferromagnetism of sol- gel-synthesized Sn_1−x⁵⁷FexO₂₋ powders", Phys. Rev. B 75 (2000) 184411.

[3] G. Klingelhöfer, R.V. Morris, B. Bernhardt, Schröder,1D.S. Rodionov, P.A. de Souza Jr., A. Yen, R. Gellert, E.N. Evlanov, B. Zubkov, J. Foh, U. Bonnes, E. Kankeleit, P. Gütlich, D.W. Ming, F. Renz, T. Wdowiak, S.W. Squyres, R.E. Arvidson, “Jarosite and hematite at merdiani planum from opportunity’s mössbauer spectrometer”, Science 306 (2004) 1740.

[4] H. K. Mao, J. Xu, V. V. Struzhkin, J. Shu, R. J. Hemley, W. Sturhahn, M. Y. Hu, E. E. Alp, L. Vocadlo, D. Alfe, G. D. Price, M. J. Gillan, M. Schwoerer-Bohning, D. Hausermann, P. Eng, G. Shen, H. Giefers, R. Lubbers, G. Wortmann, “Phonon density of states of Iron up to 153 gigapascals”, Science 292 (2001) 5518.

11

[5] ^{依 芳卓}, _“^{核共鳴振動 生物 応用―酵素活性中心 －}_”,

放射 29 (2016) 150.

[6] ^貴美, _“ ^{ン ン放射 用い ― ― Ⅱ}

核共鳴前方散乱法―”, RADIOISOTOPES 52 (2003) 293.

[7] L. Zhang, J. Stanek, S.S. Hafner, H. Ahsbahs, H.F. Grünsteudel, J. Metge, and R. Rüffer, “⁵⁷Fe nuclear forward scattering of synchrotron radiation in hedenbergite CaFeSi2O6 at hydrostatic pressures up to 68 GPa”, American Mineralogist 84 (1999) 447.

[8] M. Seto, R. Masuda, S. Higashitaniguchi, S. Kitao, Y. Kobayashi, C. Inaba, T. Mitsui, and Y. Yoda, “Synchrotron-radiation-based mössbauer spectroscopy”, Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 217602.

[9] Ralf Röhlsberger, “Nuclear condensed matter physics with synchrotron radiation basic principles, methodology and applications”, Springer Berlin Heidelberg, (2005) p.300-310.

[10] R. E. Simon, I. Sergueev, J. Persson, C. A. McCammon, F. hatert, and R. P. Hermann, _“Nuclear forward scattering by the 68.7 keV state of ⁷³Ge in CaGeO3 and GeO2”, EPL 104 (2013) 17006. [11] D. Bessas,D. G. Merkel,A. I. Chumakov,R. Rüffer,R. P. Hermann,I. Sergueev,A. Mahmoud,

B. Klobes,M. A. McGuire,M. T. Sougrati,and L. Stievano, _“Nuclear forward scattering of synchrotron radiation by ⁹⁹Ru”, Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 147601.

[12] S. Kishimoto, N. Ishizawa, and T.P. Vaalsta, “A fast detector using stacked avalanche photodiodes for x-ray diffraction experiments with synchrotron radiation”, Rev. Scientific Instrum. 69 (1998) 384.

[13] S. Kishimoto and M. Seto, “Propaties of a stacked and inclined Si-APD X-ray detector”, KEK Proceedings 2007-12 (2007) 1.

[14] ^{浜 社}, PMT ^ン :^第４章_{”, p.45.}

[15] Hamamatsu photonics, Data sheet of R7400.

[16] S. Kishimoto, F. Nishikido, R. Haruki, K. Shibuya, M. Koshimizu, “Fast scintillation detectors for high-energy X-ray region”, Hyperfine Interact. 204 (2012) 101.

[17] I. Sergueev, L. Dubrovinsky, M. Ekholm, O. Yu. Vekilova, A. I. Chumakov, M. Zajac, V. Potapkin, I. Kantor, S. Bornemann, H. Ebert, S. I. Simak, I. A. Abrikosov, and R. Ruffer,

“Hyperfine splitting and room-temperature ferromagnetism of Ni at multimegabar pressure”, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 157601.

12

第 章 放射 _X 線 _X 線検出器

1.1 ^放射 X ^{線 特徴}

放射 高速 電子 陽電子 磁場 曲 場合 制

動放射 発生 あ 遠赤外 領域 硬 _X 線

領域 及 連 的 放射 利用 実験 透過 散乱

回 渉や 電子 蛍 _X 線生成 物質 局所構造や電子状態 研究 多岐 わ 研究論文 _X 線領域 放射 実験 用い 新 い高速 _X 線検出器 開発 関 あ 以 最初 放射 _X 線 特徴 高

輝度 変性 性 い 活 代表的

実験例 述

1) ^高輝度

放射 真空紫外 硬_X線 既存 _X線管 比 桁遊い 強い

[1.1] ^{放射 明 輝度 表 第 世代放射 施設 輝度}

10^15～10²⁰ photons/sec/mm²/mrad²/0.1%b.w. ^あ [1.2] ^{高輝度 十} 信号強度 得 迅速測定 高精度測定や微弱 散乱 測定 能

代表例 _X線結晶構造解析 挙 実験手法 試料 _X線回

像 解析 試料中 原子 周 電子 う 配

列 い 表 電子密度 精密 調 多様

物質 機能解明 役立 い 生体物質 要 ン 質 子 数千～数 万 及 巨大 子 あ ₁ 子 回 強度 弱 結晶

必要 あ 結晶 使 実験室系 測定 困 あ 方 放射 実験 高輝度 使え 最近 数時間以 測定 能

い え結晶成長 困 ₁₀㎛程度 微 結晶 入手 い場合

解析 う _[1.3]

2) ^変性

放射 幅広い波長範 渡 連 示 物質 局所構造や 学状態 知 方法 _X線吸 微細構造法_(XAFS) あ 入射_X線

試料中 特定 元素 吸 端 付近 走査

試料 吸 _X線吸 得 _X線 吸 入射 子

高 吸 端 付近 急峻 立 以降

微 細 振 動 構 造 伴 い や 減 衰 前 者 _X 線 吸 端 構 造

13

(XANES) ^{後者 広域} X^{線吸 微細構造} EXAFS ^{び 解析}

殻電子 励起状態や原子配 調 _X 線 吸

調 蛍 _X線や 電子 強度変 測定 表面_EXAFS

行わ い _[1.4] 表面_EXAFS 表面 構造 要 触媒研

究 威力 発揮 い

3) ^性

放射 速器 速 電子 ン 発生

幅：数 _ps以 間隔：数_ns～数μ_{s X}線 得 放射

X ^{線 試料 励起 実験 程度 和過程 あ 核共鳴}

散乱 観測 短い 測定

ン 激 え 定時間後 _X線散乱 _X線₍

) ^{得 ン 法 行わ い 時間 解}X^線測定

新 い手法 開発 例え 時間 解蛍 _XAFS[1.5]や

時間 解_X線結晶回 試 い _[1.6]

放射 _X 線 用い 物質構造 う 放射 学 高度 発展 遂

い ₂₀₁₁ 世界 ₅₀ 以 放射 施設 稼働 い _[1.7] 放射

用い 実験 点 放射 施設 う 設備 備え 線形 速器 入射器

蓄積 ン び放射 源 ン 実験装置

線形 速器 電子 発生 速 蓄積 ン ン 状 電子 打 込 役

割 持 電子蓄積 ン 電子 ン 定 周回

軌遈 保 蓄積 ン ン 沿 偏向電磁石 配置 磁場 電子 ン 閉 軌遈 保 共 放射 発生 周回電子

放射損失 失 高周波 速空洞 通過 際 補給

偏向電磁石 更 高輝度 放射 得 源 挿入 源

あ 挿入 源 ン 強力

磁石 _N極 _S 極 交互 配置 進行 電子 ン 蛇行

曲 場所 放射 発生 放射 電子 進行方向 鋭い指向

性 持 ン 電子 曲 角度 調整 指向性

色性 高い 得 電子 定以 角度 曲 幅

広い波長領域 連 的 広 放射 得

放射 _X 線 器や 学系 遥択

集 整形 う 実験 使う放射 出 調整

14

装置 配置 制御 ン

ン 型放射 源 高 ン 高輝度 幅

得 自 電子 _(FEL) 実現 い 日 _X線領域

能 _XFEL あ _{SACLA 2012} 稼働 い _[1.8]

高輝度 利点 生 放射 利用研究 素晴 い成果 挙

第₃世代 放射 施設以降 _{30 keV} 超え う _X線 高輝度

得 う 伴い 大強度 _X 線 計測 耐えう

放射 実験 適 検出器 要性 増 い

1.2 ^{放射 利用実験 用い} X ^線検出器

表_1.1 う 放射 利用実験 用い 代表的 検出器 類 放射 利 用実験 用い 検出器 遥択 場合 う 情報 得 い 要

あ 検出器 使 知 い情報 入射Ｘ線 強度

ン 画像 大 _X 線検出器 信号 出 方法 大 ₂

Ｘ線 子 個 電 出力 型検出器

定時間蓄積 電荷 出力 あ い 時間 均 電流値 出力 積 型 均値型検出器 あ

型検出器 _X 線 子 個 状 電気信号 出力

確 強度測定 入射 _X 線 電 電荷 比例 波高

析 析 能 あ 雑音 _X 線 信号 波

高 や い 優 信号 雑音比 実現

幅 決 限 感時間 あ 定 強度以

区 困 定 的 _X線強度測定

積 型検出器 入射 _X 線 子数 電荷 比例関係 仮定 数え落 い大強度 _X 線 測定 点 雑音 困 出力

ン や い ン 測定や 析

い あ 積 型検出器 高い線 領域 出力 和 起 [1.9]

以降 代表的 _X線検出器 あ 電 箱 _NaI(Tl)検出器 ₄種類 半 体検

出器 い 明 明 半 体検出器 _PIN

検出器 _HP-Ge検出器 _SDD検出器 比例 _Si-APD検出器 あ ₍表_1.1)

15 表_1.1：放射 利用実験 用い 代表的 _X線検出器 実験 例

測定方式 特徴 _X線検出器 実験 例

積 型 均値型

強度 電 箱 透過法 _XAFS

XMCD

型 _NaI(Tl)検出器

PIN ^検出器

X^線回

HP-Ge^検出器 SDD^{検出器 蛍} X^{線 析}

ン _Si-APD検出器 核共鳴散乱

1.2.1 ^{電 箱}

電 箱 入射 放射線 箱 電 発生 電荷

印 電界 集 出力 検出器 あ 空気 再結合

起 い 素や 多 用い 高い _X 線

ン ン ン 希 交換 感度 補

う必要 あ 各 い ₁ ン 生成 必要 均

(W ^値) ^入射 X ^{線 い定数 え 表}

1.2 ^{電荷 測定 吸} X^{線強度 知}

表_1.2：各種 電子 _W値_(eV)[1.10]

ン ン ン 素 空気

26.4 24.4 22.1 34.8 33.97

W^{値 用い 入射 子数} n (photons/s) ^{式 計算} [1.11]

= _�

� � ^(1.1)

W W^値 _� ^{密度 �}

� ^{質 吸 係数}

f ^{集効率 素電荷 和電流値 集電極 方向長 あ}

放射 利用実験 入射 _X 線 強度 広 用い

い 透過法 _{XAFS X}線 磁気 色性_(XMCD) 試料 _X線

吸 求 用い

16

1.2.2 ^{ン ン検出器}

般的 電子増倍管_(PMT) 素子 ン ン検

出器 い 明 ン ン検出器 入射 放射線 ン

視 場合 多い 変換 素子 電気信号 変換 検出器 あ _X線 ン 入射 電 励起 引 起

X ^{線 ン 付 ン 発 入射}

X ^{線 変換 割合 発 特徴 ン}

ン ン 中 伝 射 散乱 自己吸 減少

素子 面 到遉 子効率 評価 割合 素子

中 電荷 生成 電気信号 出 連 過程 少

発 集効率 子効率 決 割合 数 減少

素子 微弱 測定 多い 十 信号電流 得 ₁₀⁶程 増幅率 電子増倍管 _PMT 素子 般 用い 実用的

ン 発 入射 放射線 比例関係 あ

素子 い 入射 子数 出力電 比例性 保 波高 析器 測定 能 あ

ン 大 無機 ン 機 ン

通常 無機 ン 無機結晶 少 活性 物質 添 視

放出確率 高 ン あ 活性 物質 結晶 帯

構造 変 全禁 い新 い

状態 形成 種 無機 ン ン ン機

構 _1.1 明 ン 中 _X 線 相互作用

損失 結果 軌遈電子 価電子帯 伝 帯 電子 孔 作 電子 結晶中 自 移動 活性 物質 置 到遉 自 励起 状態 持 中性 純物配 形成 活性 物質 状態 基底状態 遤移 能 配 あ 場合 輻射遤移 起 ン

ン 放出

17

1.1^{：活性 無機結晶 ン 帯構造}

[1.12] Figure 8.6 ^{基 作成}

X ^{線検出器 用い 代表的 無機 ン 活性}

(NaI(Tl)) ^あ NaI(Tl) ^{ン 透明 結晶 発 波}

長：_{420 nm} ン ン 大 い発 (38000 photons/MeV[1.13]) ^放

出 _[1.14] 電面 備え _PMT 入射 子 電子 変

換 効率 子効率 波長 _{390 nm} 適合

効率 最大 _30%程度 あ _[1.15] 蛍 減衰時間 230 ns ~250 ns ^比較

的長 通常 ₁₀⁵ _cps以 強度測定 使用 [1.16] NaI(Tl)^{検出器 利点}

放射 _X線 利用 _{100 keV}以 広い_X線 範 高

い検出効率 得 点 あ 素 吸 端 _(I-K吸 端

33.17 keV)^{付近 非直線的 応答 点 注意 必要 あ} [1.17] ^研

究 新規 開発 検出器 検出効率や 用 ン 発 評価

NaI(Tl)^{検出器 測定 基準 用い}

無機 ン 密度 大 発 大 い結晶 入手 や い 蛍 減衰時間 長い結晶 多い 大 発 短い減衰時間 両立 無

機 ン 製品 活性 無機 ン

減衰時間 得 い い

機 ン 無機 ン 逆 密度 発 い

高速発 結晶 遥択 機 ン 発

基 的 電子構造 知 い 機 子 準 間 遤移

起 _1.2 電子構造 持 機 子 準 示

発 蛍 寄 ン ₀ ン 状 態 系 列_{(S0 S1}

18

S2 ) ^{示 電子配列 子 振動状態 応 点線}

示 準 裂 い 機 子 _X 線 吸 基

底状態 励起状態 遤移 _S1 高い電子状態 放射 伴わ い 部転 換 _S1電子状態 遤移 _{S11 S12} 過剰 振動 持 状 態 無視 短い時間 失い _S10状態 主要 ン

ン _S10状態 基底電子状態 遤移 発生

1.2^{： 電子構造 持 機 子 準}

[1.18] FIG. 3.7. ^{基 作成}

機 ン 純粋 機結晶 他 機蛍 体 溶媒 溶 ₂

成 系 ン 用い 場合 溶媒 _X 線

吸 溶媒 機 ン 移行 発

起 ン い 溶媒 ン

安価 成型 工 容易 機 ン 機蛍 体 発

波長 短 素子 感度 う 策 波長変換

添 ₃成 系 ン 用い あ 波長変換

ン ン 吸 長い波長 再放出 役割 果

実用的 発 ン ン 得 高

X ^{線検出 応用 場合 通常 ン 軽元素}

機物質 あ 感度 い _X 線領域 感度 補う 元

素原子 添 ン 開発 い ン

X ^{線検出原理 以 う ン 入射}

19

X ^{線 電吸 断面積 大 い 元素原子 電効果 電子}

放出 電子 元素周辺 溶媒 励起 励起 蛍

体 移行 ン ン 発 販 い 元素添

ン 例 鉛 _5wt%添 _EJ-256-5% 特性

表_1.3 示 蛍 体 非公開 _PPO(C15H11NO 2,5-diphenyloxazole) 波長変換 あ _{POPOP(C24H16N2O2} 1,4-bis-2-(5-phenyloxazolyl) ) ^推測

表_1.3：_EJ-256-5% ン 特性[1.19][1.20]

1.2.3 ^{半 体検出器} (HP-Ge ^検出器 PIN SDD)

半 体検出器 _X線検出 原理 半 体 入射 _X線 半 体中 ン 構造 形成 原子 軌遈電子 励起 電子 孔 作 現象 基

電子 超え 付 価電子

帯 存 い 電子 励起 伝 帯 移動 価電子帯 孔 形成 過程 あ 半 体 ン _{Eg 1 eV}程 絶縁体 _{5 eV}以

付 場合 半 体 生成 数

う 多い 数 多い 統計的 揺 良好

解能 得 うえ 利 あ

高純度 検出器

半 体検出器 検出物質 半 体 用い 検出器 あ 半 体検出器 利

点 優 解能 ン 性 比較的速い ン 特性 挙

点 大型 い点 放射線損傷 性能 劣 起 や い 点 あ

溶媒 ン

添 物 鉛_5wt%

密度 _{[g/cc] 1.08}

最大放出波長 _{[nm] 424}

減衰時間 _{[ns] 2.1}

発 [photons/MeV] 5200

出力%Anthracene 32

出力 温度依存性 _{+20 ~} －₆₀℃ 変

屈 率 _1.58

20

高純度 検出器_(HP-Ge 検出器₎ 半 体 高純度

用い _pn 接合部 検出媒体 検出器 あ 原子番号 ₃₂

検出素子 あ 検出効率 高い _K吸 端 (11.1 keV)

付近 吸 大 大 変 注意 必要 あ

ン _Eg 0.74 eV(77 K)[1.21] ^{極 室温}

熱励起電子 漏 電流 大 い_. 通常 _HP-Ge検出器

結晶 液体 素温度 冷 用い _{100 keV} 400 ~ 500 eV

解能 得 扱いや い 電子冷 方式 冷

検出器 実用 い _{[1.22] X}線測定用 典型的 _HP-Ge検出器

寸法 直 数_{10 mm} 厚 _{5 ~ 10 mm} あ 体積 大 い 高感度

厚い ン 性能 悪 体積 大 い

解能 劣 関係 あ 高純度 検出器 _{100 keV}

超え 領域 優 解能 十 検出効率 示

利点 生 析 必要 放射 利用実験 応用 い 結晶

器 解能 劣 感度 優 点 磁気 ン ン

散乱 共鳴非弾性散乱実験 使わ _ppm 高感度蛍 _X 線

析 蛍 _EXAFS測定 応用 大強度蛍 _X線 耐え _HP-Ge

検出器 開発 進行 い 例え 多 ン 立 ン

負荷 減 ₁₀₀ ン _HP-Ge 検出器

販 い _[1.23]

ン 検出器

ン 検 出器_(SDD) 厚 い 感 層 持 ン半 体検 出器

あ _1.3 う 心 状 型電極 配置 広い領域 均

部電場構造 う工 い _SDD 冷 や多素子

試 い 放射 利用実験 _{1 Mcps} 高計数率 十

解能 維持 点 蛍 _XMCD 応用 い

21

1.3^{： ン 検出器 構造} [1.24] Fig. 1. ^{基 作成}

PIN^型

放射 利用実験 用い ン 検出器 _PN型 _PIN 型 大 _PN型 真空紫外 軟_X線領域₍数十_eV～

10 keV) ^{入射 強度測定 用い} p ^{型半 体} n ^型半

体 間 厚い真性半 体 挿入 _X 線 吸 底 _PIN 型 い 明

逆 電 印 い い _PIN 電 箱 様 積

型 入射強度 使用 _PIN 検出器 高

抵 率 真性層_(i 層_{) p} 層 _n 層 挟 _p⁺_-i-n⁺ 構造 数 cm ^{感層 厚} 500 μm^{近い素子 入手 廉価 型 固体検出器}

あ 扱いや 優 逆 電 印 数

ns ^{時間応答 得 時 割測定 い 放射 ン 検出器}

応用 近 電子冷 熱電子雑音 減 能 _PIN 型

検出器 流通 い ₋₁₅℃ 冷 暗電流 _{1.9 pA 3.4 fA}

減 _X線 射率測定 行 報告 あ _[1.25]

1.2.4 ^{比例 ン ン} (Si-APD)^検出器

ン ン _(Si-APD) 部増幅機能 持 半

体検出器 あ 増幅作用 _APD 微 信号 検出 適 高速応答特性 近赤外 視 領域 高速 通信用素子 利用

比例 作動 _{Si-APD 100}倍程度 _APD増幅率 持

22

Si-APD ^空乏層 X^{線 直接検出 試 電荷感応型増幅}

器 使 行わ _[1.26] 十 逆 電 印 い 電荷

高速 掃引 幅 高速電流 出力 特性

高速 電流_/電 変換型増幅器 使え ₁₀⁸ _cps 高計数率 測定

実現 般的 ₁個 _Si-APD素子 薄 い ₁₀^-2 _cps

い雑音 動作 ₁₀¹⁰ 広い ン 得

特性 活 精密 _X 線回 実験 電子密度 測定

応用_[1.27] 行わ 磁気散乱 微弱 _X線 検出 磁気散乱

応用_[1.28]や _APD 磁場 影響 い 強磁場 磁気散乱実験

応用 _Si-APD 幅 出力 使 時間 行う

時間 解能 得 _{8.05 keV X}線 _{100 ps} 時間 解能 半

値幅 観測 報告 あ _[1.29] 放射 核共鳴散乱実験 大強度 非核共

鳴電子散乱線 微弱 核共鳴散乱線 時間 測定 _Si-APD

非常 適 標準的 検出器 い _Si-APD 電子線

検出 応用 岸 ¹⁹⁷_Au原子核励起後 放出 部

転換電子 _Si-APD 検出 時間 法 _NEET現象 観測 成

[1.30] ^{前 述 核共鳴散乱実験 部転換係数 大 い核種 場合}

共鳴 線 共 放出 部転換電子 _Si-APD 特性 _X 線

合わ 検出 放射 吸 法 行わ い _{[1.31] Si-APD}

100 keV^{以 電子線} 100% ^{近い検出効率 示 計数効率 高}

い測定 能

Si-APD ^{販標準品 般的 面 大 直 数}mm ^{あ 空乏層}

厚 ₁₀ ㎛_~150 ㎛ _X線検出 感度 高 厚い素子 用い

多い 比例 _Si-APD 高計数率測定 適 放射 源 高性

能 伴い 後 様々 実験 応用 い 考え 近

研究 進行 い _[1.32] 素子 _{Si-APD X}線検出器 応用 場

合 検出効率 _X線(<30 keV) ^限

感部 薄い ン 感度 う

23

第 ₁ 章 参考文献

[1.1] 高 良 和 武 監 修_, ン ン 放 射 利 用 技 術 _,株 式 会 社 ン

(1989) p.14.

[1.2] ^大橋治彦, ^馨 , ^{放射 ン 学技術入門} , (2008) p.20.

[1.3] ^大橋裕 , X^{線 中性子 構造解析} , ^{東京 学 人} (2015) p.17.

[1.4] ^俊明 , X^{線吸 法} , (2002) p.5.

[1.5] K. Ichiyanagi, T. Sato, S. Nozawa, K. H. Kim, J. H. Lee, J. Choi, A. Tomita, H. Ichikawa, S. Adachi, H. Iheec and S. Koshihara, “100 ps time-resolved solution scattering utilizing a wide- bandwidth X-ray beam from multilayer optics”, J. Synchrotron. Rad. 16 (2009) 391.

[1.6] F. Schotte, M. Lim, T.A. Jackson, A.V. Smirnov, J. Soman, J.S. Olson, G.N. Phillips Jr, M. Wulff, P.A. Anfinrud, “Watching a protein as it functions with 150-ps time-resolved X-ray crystallography”, Science 300 (2003) 1944.

[1.7] ^{日 放射 学会} , ^{放射 解 明 驚異 世界} , ^講談社 (2011) p.36.

[1.8] ^{理 学研究所}, SACLA , http://xfel.riken.jp/index.html (cited: 2016-10-15).

[1.9] ^雨宮慶 , ^伊藤和輝, ^{元検出器 原理 性能} ,^{日 結晶学会} 45 (2003) 163.

[1.10] ^{岸 俊} , ^中義人 , ^{放射 検出器} , ^講談社 (2011) p.18.

[1.11] ^{岸 俊} , ^中義人 , ^{放射 検出器} , ^講談社 (2011) p.25.

[1.12] G.F. Noll, “Radiation detection and measurement”, John wiley & Sons, inc., 4th ed. (2010) p.235.

[1.13] I. Holl, E. Lorenz, G. Mageras, “A measurement of the light yield of common inorganic scintillators”, IEEE Trans. Nucl. Sci. 35 (1) (1988) 105.

[1.14] W.V. Sciver, ”Alkali halide scintillators”, IEEE Trans. Nucl. Sci. 3 (1956) 39.

[1.15] ^{浜 社}, PMT ^ン :^第4^章 , (2015) p.34.

[1.16] ^{岸 俊} , ^{中 義人} , ^{放射 検 出器} , ^{講 談社} (2011)

p.100.

[1.17] I.V. Khodyuk, P.A. Rodnyi, and P. Dorenbos, “Non-proportional scintillation response of NaI:Tl to low energy X-ray photons and electrons”, J. Appl. Phys. 107 (2010) 113513.

[1.18] J.B. Birks, “The theory and practice of scintillation counting”, Pergamon press, Oxford, (1964) p.47.

[1.19] Eljen Technology, Data sheet of EJ-256,

http://www.eljentechnology.com/index.php/products/loaded-scintillators/79-ej-256 (cited: 2014-1-30).

[1.20] Saint Gobain Cristals, Data sheet of BC-452, http://www.crystals.saint-

gobain.com//uploadedFiles/SG-Crystals/Documents/SGC%20BC452%20Data%20Sheet.pdf (cited: 2014-1-30).

24

[1.21] E. Sakai, ”Present status of room temperature semiconductor detectors”, Nucl. Instrum. and Methods 196 (1982) 121.

[1.22] Canberra Industries Inc., Data sheet of Cryo-Pulse5 Plus,

http://www.canberra.com/products/detectors/pdf/Cryo-Pulse_5_plus_C49275.pdf (cited:2016- 10-11).

[1.23] Canberra Industries Inc., “Gearmanium Array Detectors”, (2007)

http://www.canberra.com/products/detectors/pdf/Germ-Array-Det-SS-M1151.pdf, (cited:2016-10-11).

[1.24] P. Lechner, C. Fiorini, R. Hartmann, J. Kemmer, N. Krause, P. Leutenegger, A. Longoni, H. Soltau, D. Stötter, R. Stötter, L. Strüder, U. Weber, ”Silicon drift detectors for high count rate X-ray spectroscopy at room temperature”, Nucl. Instrum. and Methods A 458 (2001) 281. [1.25] L. Zhang, J. Stanek, S.S. Hafner, H. Ahsbahs, H.F. Grünsteudel, J. Metge, and R. Rüffer,“Fast

X-ray reflectivity measurement using a cooling PIN photodiode”, Materials Science and Engineering 24 (2011) 012025.

[1.26] M.R. Squillante, R. Farrell, J.C. Lund, F. Sinclair, G. Entine, and K.R. Keller, “Avalanche diode low energy X-ray and nuclear particle detector”, IEEE Trans. Nucl. Sci. 33 (1) (1986) 336. [1.27] V.A. Streltsov, N. Ishizawa, and S.Kishimoto, “Synchrotron X-ray imaging of the electron

density in RFeO3(R = Y, Ho) using an APD detector”, J. Synchrotron Rad. 5 (1998) 1309. [1.28] S. Kishimoto, H. Adachi, M. Ito, “A cooled avalanche photodiode detector for X-ray magnetic

diffraction experiments , Nucl. Instrum. and Methods A 467-468 (2001) 1171.

[1.29] S. Kishimoto, “Bunch-purity measuurements of synchrotron X-ray beams with an avalanche photodiode detector”, Nucl. Instrum. and Methods A 351 (1994) 554.

[1.30] S. Kishimoto, Y. Yoda, M. Seto, Y. Kobayashi, S. Kitao, R. Haruki, T. Kawauchi, K. Fukutani, and T. Okano, “Observation of Nuclear Excitation by Electron Transition in ^{197Au with} Synchrotron X-rays and an Avalanche Photodiode”, Phys. Rev. Lett. 83 (2000) 1831.

[1.31] R. Masuda, Y. Kobayashi, S. Kitao, M. Kurokuzu, M. Saito, Y. Yoda, T. Mitsui, F. Iga, and M. Seto, “Synchrotron radiation-based Mössbauer spectra of ¹⁷⁴Yb measured with internal conversion electrons”, Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 082411.

[1.32] S. Kishimoto, H. Yonemura, S. Adachi, S. Shimazaki, M. Ikeno, M. Saito, T. Taniguchi, M. Tanaka, “64-Pixel linear-array Si-APD detector for X-ray time-resolved experiments”, Nucl. Instrum. and Methods A 731 (2013) 53.

25

第 ₂ 章 比例 _Si-APD 用い 高速 _X 線 ン

ン検出器

行わ 比例 _Si-APD 素子 使う ン

ン検出器 研究 _{RI MeV} 高 線 象

あ 電荷感応型前置増幅器 使う い計数率

測定 _[2.1] ン 特性 着目 研究 _PET Time Of Flight^法

関 _{511 keV} 線 使 _{1.02 ns FWHM} いう結果 報告 い

[2.2] 10⁶ cps ^{超え う 高い計数率 時間 実験 比例}

Si-APD ^{素子 ン ン検出器 使わ 例}

述 _APD ン ン検出器 _{100 keV}程度 高

X ^{線領域 十 検出効率} 10⁷ cps ^{超え 高計数率 計測}

能 時間 解能 時間 測定 能 高速検出器 あ

2.1 ^比例 Si-APD ^用い X ^{線 ン ン検出器}

特徴

2.1.1 ^検出効率

APD ^{ン ン検出器 狙い} Si-APD X ^{線 直接検}

出方式 高 _X線 検出効率 向 あ _X線

使 求 型検出器 固 検出効率

_�

�

≡

検出器 入射 _X線 子数

検出器 吸 無視 検出媒体 固 検出効率

_�

�

= − e

26

� ^{X線 検出媒体 質 吸 係数 検出媒体 密度 t}

X^{線 検出媒体 通過 距 あ 式} X^{線 質 吸 係数 物質}

密度 _X 線 物質中 通過 距 大 い 固 検出効率 大

示 _{100 keV} 以 _X 線 電吸 寄 支配的

電効果 応断面積_σ 原子番号 _4~5乗 比例 _Si-APD 検

出媒体 原子番号₁₄ ン 通常 ₁₀₀μ_m 程度 薄い 高

X^{線 吸 大 い} 2.1 ^{赤線 ン 固 検出効率 計算値 あ}

1~100 keV X^{線 横軸 示 領域 支配的 全吸}

観測 能 電効果 寄 質 吸 係数_[2.4] 縦軸 計算

用い ン 密度 _{2.33 g/cm}

3 _{[2.5] X}

線 ン 通過 厚

現 入手 最 厚い_Si-APD素子 厚 あ ₁₅₀μ_m 仮定 条

件 い ン 固 検出効率 _{10 keV} 付近 _X 線 急減

67.4 keV 0.13%

APD ^{ン ン検出器 場合 発 短い高速 ン 遥}

択 必要 あ 代表的 高速 ン ン

あ 機 料 固 検出効率 い 補 元素

添 ン 販 い _2.1 黒線 販 鉛添

ン _(Eljen社 _EJ-256 鉛添 ：_5wt% 固 検出効率

計算値 あ _X線 通過 ン 厚 般的 _APD 面

(^{直 数}mm) ^{程度 ン 使用} 3 mm ^想定

EJ-256 ^率5wt% ^{鉛 水素 炭素 構成 い 仮定 水素}

炭素 率 求 合物 全質 吸 係数 式_2.2 適用 固

検出効率 計算 _[1.19] 密度_{1.081 g/cm}³ 立方 ン

当 水素原子数：_5.20×10²² 個 立方 ン 当 炭 素原子数：_4.62×10²²個 仮定 炭素原子₁個 質 水素₁個 質 ₁₂

倍 炭素原子 率 式 _86.8wt% 求

wt% × _{. × + .}^{. ×} = . wt%

従 水素原子 率 _8.2wt%

2.1 ^{示 う} Pb-L^{吸 端} (15 keV^付近) Pb-K^{吸 端}

(88 keV^付近) ^超え EJ-256 ^{固 検出効率 急増 い}

~3 keV^{以 常 ン 回} 67.4 keV 5.2% ^{値 厚}

150^μm ^{ン 比} 40^{倍大 い}

以 元素 多 含 数_mm角 ン 利用 _APD ン

27

ン検出器 通常 _{Si-APD 1}個 直接吸 比 飛躍的 検出

効率 向 見込 _X線 厚 _{3 mm EJ-256} 通過 場合 _{67.4 keV}

X^線 5%^{以 固 検出効率 得 検出効率}10%^{以 検出}

器 開発 現実的 目標

2.1^{： ン 赤線 鉛添 ン} EJ-256(^黒線)

固 検出効率 計算値 ン 厚 ：₁₅₀μ_{m EJ-256} 厚 ：_{3 mm} 仮定

計算

2.1.2 APD^増幅率

APD ^{ン ン検出器 ン 比例} Si-APD

信号 増幅 信号増幅原理 ン ン

発生 電子 ン 増幅 あ 高電界 領域

速 電子 衝突電 繰 返 電荷 増幅 個 電子

孔 距 移動 生成 電子 孔 数

ン 率 び 電子 値 _α 孔 値 _β 表 ン

ン 率比_k：_β/α～_1/10～_{1/50 Si-APD} 電子 増幅 信号 大

寄 全空乏層幅 _{x = 0 ~ W} ン 増幅 発生 電

子増幅 _APD増幅率_M 式_2.3 表 _[2.6]

=

28 式 _2.3 指数関数 電界強度 依存 逆 電 _Vr

電界強度 変 増幅率 調整 _{M =}∞ 状態 電 ン電 _VB び _VB以 動作 比例 以

VB ^いVr ^{増幅率 式}2.4 ^{経験式 表}

= − | |

APD ^{増幅率 素子 冷 増大} [2.7] ^{冷 半 体 格子}

振動 抑制 格子 衝突頻度 減 均自 行

程 長 衝突電 必要 得 増え

ン 率 増大 あ 研究 用い 比例 _Si-APD 構

造 素子₍浜 社 S8664-55[2.8]) ^{い 発 波長}430 nm

APD ^{増幅率 逆 電 依存性(式} 2.5) ^{温度依存性(式} 2.6)

報告 い _[2.9]

~ + . %/

~ − . %/℃

典型的 電子増倍管_(PMT) 値：_+2%/V －_0.3%/℃_[2.10] 比 _APD増

幅率 温度 逆 電 依存性 強い _{S8664-30K APD}増幅率

温度 関係 い _{150 mK} 実験 報告 い _[2.11] 結果

冷 伴う_APD増幅率 増 _{77 K} 起 _{150 mK 77 K}

安定

Si-APD ^{直接吸 測定} APD ^増幅率 X ^{線 高い}

視 _APD 増幅率 回 傾向 あ _[2.12] 原因 _X線励起

APD ^{発生 電荷 深 方向 入射}X^線

変 考え 深 方向 依存 _APD 部電界強 度 異 部電界 増幅 電子₁ 個当 出力電荷 _(APD 増幅率₎ 差 生 考え 実際 _APD 構造 視 基準

29

X^{線 増幅率 変 報告 い} [2.13]

APD ^{ン ン検出器} Si-APD X^{線直接測定 比} APD^増

幅率 増大 必要 あ _Si-APD 部 生成 電荷 数

ン 電子 孔 生成 _{(300 K} い 3.63 eV[2.14]) ^決

方 ン ン検出器 場合 集効率 素子 子効率

損失 あ 個 電荷 発生 必要 _{100 eV}以

[2.15] ^{え 般的 高速 ン あ ン}

発 い 十 信号波高 得 _APD増幅率 能

限 高 い 販 比例 _Si-APD 数 倍以 _APD 増幅率 得

素子 あ _[2.8] 雑音 十 保 ₂₀₀倍程度 限界

増幅率 ₁₀

3

倍 高利得 高周波 ン 使用 ₂₀₀搬

10³ = 2^搬10^{5倍 電荷増幅率 得 値} PMT ^増幅率~10^{6 近}

十 波高 高速 得 考え

2.1.3 ^雑音特性

APD ^{ン ン検出器 高い} APD ^{増幅率 動作 増幅率}

揺 雑音 寄 大 い 増幅率 揺 ン 率 変動 発生 雑音源 過剰雑音 過剰雑音 過剰雑音係数 _F 用

い 表 基 的 雑音 空乏層 電子 孔

ン 運動 生 ゆ 雑音 あ

雑音_{� f f+df}周波数帯域 電流 乗 均値 式 う

表 _[2.16]

�

̅̅̅̅̅ =

素電荷 _� 入射 空乏層 発生 電流 あ APD ^雑音電流_{� _ �} ^{振幅 乗 均 過剰雑音係数}F ^用い

式 表 _[2.17]

� _{_ �}

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ =

過剰雑音係数 _F 増幅 伴う雑音 い場合 あ 場合 比 定

義 _{F M k} 用い 式 表 _[2.18]

30

= { − − � ( ⁻ ) }

式_2.9 う 過剰雑音係数 増幅率 大 い 増大 _{k 0} 近い 定 条件 信号 増幅 信号 雑音比 改善 役立 例え 高速応答 _CR時定数 必要 あ 場合 負荷抵

大 熱雑音 寄 抑え 手段 _APD 信号増幅 比 優 信号 雑音比 実現 過剰雑音係数

温度 増大 冷 暗電流 減

解能 向 _[2.19]

APD ^{雑音 入射 逆 電 印 状態 流 電流}

暗電流 評価 暗電流 発生原因 式 _2.10 各 う

=

+ + +

(2.10)

散電流 _d 空乏層端 散 熱電子 発生 電流 表 半 体 料 決定 発生電流 空乏層 存 純物や結晶 積

層 等 形成 深い 準 原因 あ 準

放出 捕獲 雑音電流 部増幅

注意 必要 あ 表面 電流 結晶表面 露出 _pn 接合

流 成 あ ン 電流 _pn接合 ン 発生

ン 効果 原因 電流 あ

雑音源 共通 点 _pn 接合面積 界面 空乏層面

積 比例 あ 雑音 測定 面 い素子

利 般的 暗電流 温度依存性 実測値 ン 素子 場 合 式 示 依存性 示 知 い

∝

ン _� ン定数 温度 あ

31

Si-APD ^{冷 雑音 測定 比例} Si-APD ^面

積 数_mm

2

素子₁個 場合 _0.01～_{0.05 cps}程度 雑音 測定

APD ^{ン ン検出器 ン ン 検出 増大}

APD ^{増幅率 測定 必要 あ 過剰雑音 増大 注意 必要 あ}

2.1.4 ^解能

X^{線検出器 解能}_{∆ /} ^{解能 値 幅 表現}

場合 幅 い 近い ₂ 放射線 区 能力 高

い 示 値 放射線 波高

半値全幅 中央値 割 値 用い 多い

∆ ≡

(2.12)

APD ^{ン ン検出器 解能}_{∆ /} [2.20] ^{基 い}

APD ^{発生 初期 電子数 均値} APD^増幅率 M ^出力

信号 電子数 均値 散_� 式 表

� = � + − ^(2.13)

過 剰 雑 音 因 子 あ 式_{(2.9) F} あ 信 号 全 散

� ^{ン 検出器 雑音 含 APD ン 等価雑音}

電荷_ENC 用い 式 表

� = [� + − + � ] ^(2.14)

確率密度 関数 仮定 _{∆ /} 式 表

∆ = ^{. √�} = ^. √� + − + � ^(2.15)

第 ン 結晶 非 様性 発 変動 集効率

表 第₂ ン 増幅 伴う統計的変動 表 _APD増幅率 依存 第₃ 電子回路雑音 表 _{ENC APD} 端子間容 や暗電流

32 ン 波形整形時間 依存 _[2.21] 冷 暗電流 減 _ENC

減少 解能 向 期

PMT ^{ン ン検出器 比} APD ^子

効率 高い点 優 解能 得 利 あ

CsI(Tl) ^{い ン 載} APD (^{浜 社}

S8664-1010) ^びPMT (^{浜 社} R7899EG) ¹³⁷Cs(662 keV)

解能 測定 報告_[2.22] 動作温度₊₂₀℃ _CsI(Tl) 比較

い _APD 解能 値_(4.9み_{0.2%) PMT} 場合_(5.9み_0.1%)

優 い _CsI(Tl) 載 _{S8664-55 59.5 keV} 解能

9.4^み0.3% ^あ

APD ^{ン ン検出器 解能 利用 高速 ン}

い発 利 代表的 高速 ン 知

ン 発 _NaI(Tl) 10%(3800 photons/MeV)^程度

あ 高速 ン 鉛添 ン _EJ-256 発

(5200 photons/MeV[1.18]) CsI(Tl) ^発 52000 photons/MeV[1.12]) 1/10 ソン統計 従う 電子数 標準偏差 _√ 倍 例え

59.5 keV ^線 CsI(Tl) ^{得 解能：}9.4^み0.3%

参考 _EJ-256 使用 場合 解能 _{√ × .} ～_30%

劣 予想

2.1.5 ^波形

APD ^{ン ン検出器 出力 ン ン 時間}

比例 _Si-APD 応答 波形 視 吸

型_Si-APD 領域 電子 発生 場合 例 走行

時間 理想的 出力 時間構造 い 考え _[2.23] 型

Si-APD ^面側 p⁺ _{π p n}^{+ 層 半 体 素子 あ}

電 印 部電場 発生 中央 _π 層 電子 ン 領域 高

速 運 領域 働 _π 層 厚 感領域 広 う

設計 発生 電子 増幅領域 向 走行時間 電

子 増幅領域 侵入 ン 増幅 起 大 電子 孔 発 生 増幅 要 時間 増倍時間 _APD 増幅率 _M 均自 行程 進 時間 用い 式 表

≈ (2.16)