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A Novel asymmetrical peak broadening feature for a CdZnTe detector response function modeling using PHITS particle and heavy ion transport simulation code

放射線輸送計算コードPHITSを用いた500mm$$^3$$ CdZnTe検出器の応答シミュレーション

Meleshenkovskii, I.*; 小川 達彦; Pauly, N.*; Labeau, P.-E.*

Meleshenkovskii, I.*; Ogawa, Tatsuhiko; Pauly, N.*; Labeau, P.-E.*

CdZnTe(CZT)半導体検出器は室温で動作する特徴を有する一方、正孔の移動道が低く、負極で完全に収集されないため、負極から遠い位置で電離が生じた場合の検出信号が弱くなる。ガンマ線の検出において、電離の発生場所はランダムである。そのため、波高スペクトルは全吸収ピークから低エネルギー側に尾を引き、測定ごとに異なる形状となる。一方、Melechenkovskiらが提案した関数形により、CZT検出器の波高分布スペクトルを再現できることが示唆されていた。そこで、本研究ではPHITSのエネルギー付与スペクトルの計算機能を関数計の活用により拡張し、波高分布を付与エネルギーの関数として確率的に計算することを可能とした。計算結果は、$$^{241}$$Amの59keVから$$^{60}$$Coの1332keVまで、実験で取得した500mm$$^{3}$$のCZT検出器の波高分布データと比較した。その結果、ピーク付近のガウス関数型形状から、低エネルギー側の指数関数的減衰に至る過程を再現できることを確認した。この研究で開発、検証した機能は、検出器の現実的な動作を考慮した実験計画の立案や、検出器システムのデザインなどに有効となる。

CdZnTe (CZT) semiconductor detectors are featured by the fact that it can be operated in room-temperature. In CZT, however, the hole collection efficiency is substantially less than 100% owing to its low hole-mobility. Therefore the detector signal is suppressed depending on the distance of ionization from the anode. In particular, gamma-rays interact with the detector at random, which result in asymmetric pulse-height distribution. Among the radiation transport codes available up to now, other than PHITS which can consider symmetric gaussian distribution, any codes did not have functions to consider arbitrary response functions. On the other hand, Melechankovski et al proposed a function form that can reproduce the pulse-height spectrum of CZT detectors. In this study, the pulse-height spectra of a 500 mm$$^3$$ CZT detector exposed to gamma rays from 59 keV ($$^{241}$$Am) to 1332 keV ($$^{60}$$Co) was measured and compared with the energy deposition spectrum calculated PHITS with incorporating the Melechankovski's CZT detector response formula. The comparison showed satisfactory agreement between the calculated and measured pulse-height distribution featured by the gaussian peak shape and exponential decline in the lower energy side. This new function enables experimental design considering realistic detector performance as well as detector system design considering detector response. The arbitrary detector response function was incorporated to PHITS Ver.3.10 and later.

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