シリコンドリフト検出器

シリコンドリフト検出器（SDD）について

シリコンドリフト検出器（Silicon Drift Detector、SDD）は、エネルギー分散型X線検出器の一種であり、特に半導体技術を用いた最新の検出器です。この検出器は、従来のシリコン半導体検出器と比較して、同じエネルギー分解能を保持しながらも、より多くのX線を処理できる能力を有しています。つまり、SDDはエネルギー分解能を損なうことなく、迅速かつ効率的に多量のX線を計数することが可能です。

機能と利点

SDDは、ペルティエ素子による冷却が行えるため、従来必要とされる液体窒素での冷却が不要になり、その結果、軽量でコンパクトなデザインを実現しています。この特性はユーザーにとって扱いやすく、さまざまな環境での利用を促進します。さらに、SDDは優れた感度を持ち、エネルギー分散型X線分析において、検出器に入力されるX線の量を増加させることで分析時間を短縮し、検出下限を向上させることが可能です。

特に、SDDでは受光面積を大きくすることが可能であり、エネルギー分解能の劣化を最小限に抑えることができます。これにより、130 eV以下の高エネルギー分解能を持つ80 mm²や100 mm²以上の大口径検出器が開発されています。この特性を活かし、広い立体角を持つ高感度化が可能となります。しかし、SDDは薄いシリコン素子を使用しているため、約15 keV以上のエネルギー領域では感度が低下することが課題とされています。

動作原理

シリコンドリフト検出器は、非常に純度の高いシリコンを基材とし、リング状の電極を配置しています。これらの電極によって形成されるドリフト電場により、X線が照射された際に発生する電荷が動きます。この移動した電荷は小さな収集電極によって集められ、その量は入射したX線のエネルギーに比例しています。この仕組みを通じて、SDDはX線のエネルギーを正確に計測することができます。

従来のSDDの設計は、同心円状に電極が配置され、その中心には収集電極が設けられています。この収集電極は外部に配置したFETと接続されており、収集した電荷を電圧に変換し、さらに増幅します。近年では、リング電極の中心にFETを配置する設計が増え、エネルギー分解能が飛躍的に向上しています。これは、収集電極とFET間の静電容量の減少により、電気ノイズが大幅に低減したためです。

他のデザインでは、収集電極およびFETを照射エリアの外に配置したものも存在し、様々な用途に柔軟に対応しています。SDDは電気ノイズが少ないため、高分解能を維持したままX線一個あたりのエネルギー分別時間を短縮することができ、出力計数が100kcps以上での計数も実現可能です。

このようにシリコンドリフト検出器は、エネルギー分散型X線検出技術の中で重要な役割を果たしており、多様なアプリケーションへの応用が期待されています。

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