半導体検出器

電離放射線検出物理学における半導体検出器は、半導体（通常はシリコンまたはゲルマニウム）を使用して入射する荷電粒子または光子の影響を測定する装置です。

半導体検出器は、放射線防護、ガンマ線およびX線分光測定、粒子検出器として幅広く応用されています。

半導体検出器では、電離放射線は、放射線によって2 つの電極間に配置された検出器材料内で解放された電荷キャリアの数によって測定されます。電離放射線は自由電子と電子正孔を生成します。電子正孔対の数は、半導体への放射線のエネルギーに比例します。その結果、価電子帯から伝導帯に多数の電子が移動し、価電子帯に同数の正孔が生成されます。電界の影響下で、電子と正孔は電極に移動し、そこでショックレー・ラモの定理で説明されているように、外部回路で測定できるパルスになります。正孔は反対方向に移動し、これも測定できます。電子正孔対を生成するために必要なエネルギー量は既知であり、入射放射線のエネルギーとは無関係であるため、電子正孔対の数を測定することで、入射放射線のエネルギーを決定できます。^[1]

電子正孔対を生成するために必要なエネルギーは、ガス検出器でイオン対を生成するために必要なエネルギーに比べて非常に低い。その結果、半導体検出器では、パルス高の統計的変動が小さくなり、エネルギー分解能が高くなります。電子の移動速度が速いため、時間分解能も非常に良好で、立ち上がり時間に依存します。^[2]ガスイオン化検出器と比較して、半導体検出器の密度は非常に高く、高エネルギーの荷電粒子は比較的小さな寸法の半導体でエネルギーを放出できます。^[要出典]

シリコン粒子検出器のほとんどは、原理的には、狭い（通常幅約100マイクロメートル）シリコンストリップにドーピングを施してダイオードに変え、逆バイアスをかけることで機能します。荷電粒子がこれらのストリップを通過すると、小さなイオン化電流が発生し、これを検出して測定できます。粒子加速器の衝突点の周囲にこれらの検出器を何千個も配置すると、粒子がたどる経路を正確に把握できます。シリコン検出器は、霧箱やワイヤ箱などの古い技術よりも荷電粒子を追跡する解像度がはるかに高くなります。欠点は、シリコン検出器がこれらの古い技術よりもはるかに高価であり、漏れ電流（ノイズ源）を減らすために高度な冷却が必要になることです。また、放射線による経年劣化も生じますが、ラザロ効果のおかげで大幅に軽減できます。

ダイヤモンド検出器はシリコン検出器と多くの類似点がありますが、特に高い放射線耐性と非常に低いドリフト電流など、大きな利点が期待されています。また、中性子検出にも適しています。ただし、現時点でははるかに高価で、製造も困難です。

ゲルマニウム検出器は、主に原子物理学におけるガンマ分光法やX線分光法に使用されています。シリコン検出器は数ミリメートルより厚くすることはできませんが、ゲルマニウムは感度層（空乏領域）の厚さをセンチメートルにすることができるため、数MeVまでのガンマ線の全吸収検出器として使用できます。これらの検出器は、高純度ゲルマニウム検出器（HPGe）または超純粋ゲルマニウム検出器とも呼ばれます。現在の精製技術が改良される前は、分光検出器として使用できるだけの純度でゲルマニウム結晶を生産することはできませんでした。結晶内の不純物は電子と正孔を捕らえ、検出器の性能を損ないます。そのため、ゲルマニウム結晶にリチウムイオン（Ge(Li)）をドープして、電子と正孔が接点に到達して信号を生成できる 固有領域を生成しました。

ゲルマニウム検出器が最初に開発されたとき、利用できる結晶は非常に小さかった。その結果、効率は低くなり、ゲルマニウム検出器の効率は、今でも「標準」の 3 インチ x 3 インチ NaI(Tl) シンチレーション検出器との相対的な値で示されることが多い。結晶成長技術はその後改善され、一般に入手可能な NaI 結晶と同じかそれ以上の大きさの検出器を製造できるようになったが、そのような検出器のコストは 10 万ユーロ (11 万 3,000 米ドル) 以上である。

2012 年現在^{[アップデート]}、HPGe 検出器では、 n ⁺ オーミック接点を作るためにリチウム拡散が、p ^{+接点を作るためにホウ素注入が一般的に使用されています。中央に n +}接点がある同軸検出器はn 型検出器と呼ばれ、p 型検出器は中央に p ⁺接点があります。これらの接点の厚さは、結晶の表面の周りのデッド レイヤーを表し、その中でエネルギーが蓄積されても検出器信号は生成されません。これらの検出器の中央接点は表面接点の反対側にあるため、n 型検出器のデッド レイヤーは p 型検出器のデッド レイヤーよりも小さくなります。一般的なデッド レイヤーの厚さは、Li 拡散層では数百マイクロメートル、B 注入層では数十分の 1 マイクロメートルです。

ゲルマニウム検出器の主な欠点は、分光データを生成するために液体窒素温度まで冷却する必要があることです。温度が高いと、電子は結晶のバンドギャップを簡単に越えて伝導帯に到達し、そこで電場に自由に反応するため、分光計として使用するには電気ノイズが大きすぎます。液体窒素温度 (77K) まで冷却すると、価電子の熱励起が減少するため、ガンマ線相互作用によってのみ、電子がバンドギャップを越えて伝導帯に到達するのに必要なエネルギーを得ることができます。液体窒素による冷却は不便です。検出器は、使用前に動作温度まで冷却するのに何時間もかかり、使用中に温まることもできないからです。Ge(Li) 結晶は、リチウムが結晶から流れ出て検出器を損傷するため、温まることは決してありません。HPGe 検出器は、使用していないときは室温まで温まることができます。

高度な冷凍技術（例えばパルスチューブ冷凍機）を使用し、液体窒素による冷却の必要性を排除した商用システムが利用可能になりました。

対向する面で直交するマルチストリップ電極を備えたゲルマニウム検出器は、Ge の大きな単結晶内のイオン化軌跡の 2 次元位置を示すことができます。このような検出器は、COSI 気球搭載天文ミッション (NASA、2016 年) で使用されており、軌道観測所 (NASA、2025 年) のコンプトン分光計およびイメージャー(COSI) でも使用される予定です。

ゲルマニウム検出器は光子検出に非常に効率的であるため、^[4]さまざまな追加用途に使用できます。高純度ゲルマニウム検出器は、国土安全保障省によって、天然放射性物質 (NORM) と兵器化された放射性物質またはその他の有害な放射性物質を区別するために使用されています。^{[5] [6]}また、原子力発電の使用に対する懸念から、環境の監視にも使用されています。^[7]最後に、高純度ゲルマニウム検出器は医療用画像診断や原子物理学の研究に使用されており、用途の点では非常に多様な検出器となっています。^[8]

テルル化カドミウム(CdTe) およびテルル化カドミウム亜鉛(CZT) 検出器は、X 線分光法およびガンマ分光法で使用するために開発されました。これらの材料は高密度であるため、従来のシリコンベースのセンサーでは検出できない20 keVを超えるエネルギーの X 線およびガンマ線を効果的に減衰できます。また、これらの材料はバンドギャップが広いため抵抗率が高く、ゲルマニウムベースのセンサーとは異なり、室温 (約 295 K) またはそれに近い温度で動作できます。これらの検出器材料を使用して、イメージングや高解像度分光法用のさまざまな電極構造を持つセンサーを製造できます。ただし、CZT 検出器は一般にゲルマニウム検出器の解像度に匹敵することはできません。この差の一部は、電極への正電荷キャリアの輸送が不十分であることに起因しています。この影響を軽減するための取り組みには、キャリアの両極性を収集する必要性をなくす新しい電極の開発が含まれています。^{[9] [10]}

半導体検出器は、さまざまな放射線測定アプリケーション用の大規模なシステムに商業的に統合されることがよくあります。

HPGe検出器を使用したガンマ線スペクトロメータは、環境サンプル中の低レベルのガンマ線放射性核種の測定によく使用されます。これには低バックグラウンド環境が必要であり、通常はサンプルと検出器を「鉛キャッスル」と呼ばれる鉛シールドで囲むことで実現されます。測定のために多数のサンプルを鉛キャッスルに順次出し入れする自動化システムが開発されています^[11]。シールドを開いてサンプルを移動する複雑さのため、この自動化は従来高価でしたが、最近では低コストの自動サンプラーが導入されています。^[12]

半導体検出器、特に HPGe は、包装された放射性廃棄物の特性評価装置に組み込まれることが多い。これは、検出器を移動可能なプラットフォームに取り付けて現場測定のために現場に持ち込み、シールドと組み合わせて検出器の視野を対象領域に制限し、ワンショットの「オープン検出器ジオメトリ」測定を行うという単純なものもある。 ^[13]また、ドラム内の廃棄物の場合は、セグメント化ガンマスキャナ (SGS) などのシステムで半導体検出器と統合されたメカトロニクスを組み合わせてアイテムを回転させ、さまざまなセクションにわたって検出器をスキャンする。^[14]検出器の視野が、トモグラフィーガンマスキャナ (TGS) で行われるように、アイテムの小さな領域を複数の軸でスキャンする場合、トモグラフィーを使用してアイテムの密度とガンマ放出に関する 3D 情報を抽出できる。^[15]

半導体検出器は、ガンマカメラやガンマイメージングシステムで使用されている^[16]

• ラザロ効果
• パンデモニウム効果
• 合成ダイヤモンド
• 全吸収分光法
• X線分光法
• マイクロストリップ検出器
• ハイブリッドピクセル検出器
• リューリン型楽器

• CERN の EDIT (Excellence in Detectors and Instrumentation Technologies) 2011 向けに提供されたシリコン検出器のパワーポイント、M. Krammer、F. Hartmann。