半導体検出器・シンチレータの極低温動作に関する基礎的研究

半导体探测器和闪烁体低温运行基础研究

基本信息

批准号：
11878084
负责人：
高橋浩之
金额：
$ 1.41万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11878084/
关键词：
SQUID CdTe 化合物半導体移動度極低温半導体 CsI CdZnTe

项目摘要

現在用いられている放射線検出器である半導体検出器、シンチレータの大半は常温から液体窒素温度程度までの範囲で動作させているが、本来検出器としてみた場合にその最良の動作点で動作しているとは言い難い。半導体ではキャリアの移動度は低温になるほど大きくなり、アルカリハライドシンチレータ等では極低温においては不純物の発光中心が無くとも発光を示し、発光量も常温に比べて数倍になり発光の時定数も大幅に短くなるなど、大きな特性の変化が見られる。本研究では、最近普及しつつある寒剤が不要でありながら液体He温度近辺までの温度が容易に得られる冷却システムを利用し、放射線検出器の最適動作温度について今一度見直しを図ることを目的に研究を行った。今年度は、極低温において動作するローノイズ・低インピーダンスのDC-SQUID増幅器の特性の改善を行い、増幅器の等価雑音入力電流として約2.9pA/√Hzが得られた。また、CdTe等の化合物半導体は従来、常温動作の点が強調されてきたが、極低温まで冷却をすると、簡便性は失われるものの、比抵抗が十分高くなることはもちろん電子・正孔の移動度も極めて高くなることが期待される。しかし実際に極低温まで冷却して、α線の照射実験を行なってみたところ、電子の移動度は低温において常温の2倍程度まで増加したものの、正孔側においては、偏極の効果が生じ、検出器としての動作が不安定になった。これは、比抵抗を高めるためにCdTeにドープしてある塩素の効果と考えられるが、電荷キャリアとして電子を用いるように工夫をすれば、極低温動作でタイミング特性の改善が可能となるといえる。

当前的大多数辐射探测器和闪光灯在室温到液体氮气温度的一系列范围内运行，但是很难说当将其视为检测器时，它们在最佳工作点上运行。在半导体中，在极低的温度下，载流子的移动性随温度降低而增加，在碱性卤化物闪烁体等中，即使没有发光的杂质的发光中心，光的量也会发光，光的时间常数也明显短于室温，从而导致特征的大变化。进行这项研究的目的是使用不需要最近广泛的低温剂的冷却系统来审查辐射探测器的最佳工作温度，但可以轻松的温度在HE温度的液体中均可轻松。今年，我们改善了在极低的温度下运行的低噪声，低阻抗DC-squid放大器的特性，可为放大器实现大约2.9pa/√hz的等效噪声输入电流。此外，过去已经强调了诸如CDTE之类的复合半导体在室温下运行，但是冷却至极低的温度将失去简单性，但预计电阻率不仅足够高，而且电子和孔的迁移率也将非常高。但是，当温度实际冷却至极低的温度并被α射线照射时，电子的迁移率增加到低温下正常温度的两倍，但在孔侧，发生了极化效应，从而使检测器不稳定。这被认为是在CDTE中掺杂的氯的作用，以增加电阻率，但是如果将电子用作电荷载体，可以说可以在极低的温度运行下改善时序特性。