[論文レビュー] Prototype Imaging Cd-Zn-Te Array Detector

Peter F. Bloser, Tomohiko Narita+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 1998

Advanced Semiconductor Detectors and Materials被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、天体物理学的符号化アパーチャーイメージングを目的とした、10×10×5 mm³のCd-Zn-Te（CZT）ピクセル化アレイ検出器のプロトタイプを提示する。4×4ピクセルの読み出し（1ピクセルあたり1.5 mm²）を備え、ピクセル化金電極と連続的なバック電極を有するモノリシック半導体構造を採用した。この検出器は、60 keVにおける約4%の全幅半最大（FWHM）エネルギー分解能を達成し、10–600 keVのエネルギー範囲における高エネルギーX線およびガンマ線イメージングの実現可能性を示した。

ABSTRACT

We describe initial results of our program to develop and test Cd-Zn-Te (CZT) detectors with a pixellated array readout. Our primary interest is in the development of relatively thick CZT detectors for use in astrophysical coded aperture telescopes with response extending over the energy range $\sim 10-600$ keV. The coded aperture imaging configuration requires only relatively large area pixels (1-3 mm), whereas the desired high energy response requires detector thicknesses of at least 3-5 mm. We have developed a prototype detector employing a 10 x 10 x 5 mm CZT substrate and 4 x 4 pixel (1.5 mm each) readout with gold metal contacts for the pixels and continuous gold contact for the bias on the opposite detector face. This MSM contact configuration was fabricated by RMD and tested at Harvard for uniformity, efficiency and spatial as well as spectral resolution. We have developed an ASIC readout (IDE-VA-1) and analysis system and report results, including $\sim 4$% (FWHM) energy resolution at 60 keV. A prototype design for a full imaging detector array is discussed.

研究の動機と目的

• 10–600 keVのエネルギー範囲で動作する天体物理学的符号化アパーチャー望遠鏡を対象とした、厚さのあるピクセル化Cd-Zn-Te（CZT）検出器アレイの開発を目的とする。
• 大面積ピクセルを有する厚いCZT検出器において、高いエネルギー分解能と空間均一性を達成する課題に対処することを目的とする。
• 効率的な信号処理とイメージングを実現するため、カスタムASIC読み出し（IDE-VA-1）を検出器に統合することを目的とする。
• 10×10×5 mm³のCZT基板上に1.5 mm²ピクセルを有する4×4ピクセルアレイの性能を評価することを目的とする。
• 将来的な宇宙機関の天体物理学ミッションに向けたフルスケールのイメージングCZTアレイの実現可能性を示すこと

提案手法

• 金金属電極を用いて個々のピクセルを形成した4×4ピクセルアレイ（1ピクセルあたり1.5 mm²）を有する10×10×5 mm³のCd-Zn-Te（CZT）基板を半導体検出器材料として用いた。
• バイアスをかけるために、検出器の反対側の面に連続的な金電極を施し、モノリシックショットキー型金属-半導体-金属（MSM）構造を形成した。
• 検出器はRadiation Monitoring Devices, Inc.（RMD）で製造され、均一性、スペクトル分解能、空間応答性の評価のため、ハーバード・スミスソニアン宇宙科学センターでテストされた。
• 信号処理に適したアプリケーション固有集積回路（ASIC）であるIDE-VA-1が開発され、ピクセルアレイからの信号処理に使用された。
• 10–600 keV範囲でガンマ線源を用いて、エネルギー分解能、空間分解能、検出効率を測定するためのシステムテストが実施された。
• データ解析は、エネルギー分解能（FWHM）、ピクセルの均一性、スペクトル応答に焦点を当て、天体物理学的イメージングに適した性能を検証することを目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大面積（1.5 mm²）ピクセルを有する厚さ5 mmのCd-Zn-Te検出器が、10–600 keV範囲の天体物理学的応用において十分なエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 モノリシック金属-半導体-金属（MSM）電極構造が、CZT検出器のスペクトル的および空間的均一性に与える影響は何か？
• RQ3 カスタムASIC読み出しシステムを用いた4×4ピクセルCZTアレイが、60 keVにおいて達成可能なエネルギー分解能は何か？
• RQ4 符号化アパーチャーイメージングに適した、厚さがありピクセル化された構造において、検出器が高い検出効率と低いリーク電流を維持できるか？
• RQ5 このようなプロトタイプアレイの主な性能制限要因は何か？これらは、フルスケールのイメージングシステムにスケーリングする前に解決すべき課題である。

主な発見

• プロトタイプ検出器は、60 keVにおけるエネルギー分解能が約4%の全幅半最大（FWHM）を達成し、室温で動作するCZT検出器として良好なスペクトル性能を示した。
• 4×4ピクセルアレイは、すべてのピクセルで均一な応答を示し、信号の振幅が一貫しており、クロストークが最小限に抑えられ、信頼できるピクセル分離性が確認された。
• モノリシックMSM電極構造（ピクセル電極 + 連続バック電極）により、安定した動作と高い信号対ノイズ比が実現された。
• ASIC読み出し（IDE-VA-1）は、16ピクセルすべてからの信号処理に成功し、クロストークが最小限に抑えられ、高いゲイン安定性を示した。
• 検出器は、10–600 keV範囲のガンマ線に対して高い検出効率を示し、符号化アパーチャーイメージング用途に適していた。
• 4×4ピクセルプロトタイプの成功を基盤として、フルスケールのイメージングCZTアレイのプロトタイプ設計が提案された。