インジウムを用いた太陽ニュートリノ半導体検出器の開発Ⅱ
日本物理学会 ２００３年秋季大会
９月９日
宮城教育大学 福田善之、千葉芳明、太田忠之
東大宇宙線研 森山茂栄、塩澤真人、小汐由介、竹内康雄
浜松ホトニクス（株） 固体事業部
犬塚智也、井澤利之

インジウムによる太陽ニュートリノの検出原理
R.S.Raghavan Phs.Rev.Lett37(1976)259

Real-time measurement
ν energy measurable(Ee=Eν-125keV)3 fold coincidence to extract
neutrino signal
115In
β−decay from(τ1/2=6×1014yr)
Correlated chance coincidenceBremsstrahlungCorrelated chance coincidence
impuritiesνe + 115In → 115Sn* + e−
115Sn*(3.26µs) → 115Sn +γ1(116keV) + γ2(497keV)
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InP半導体太陽ニュートリノ検出器

InP

High energy resolution, high granularity
High speed read out, No quenching

High BG reduction could be done
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InP

3

InP SI proto-type 検出器

3mm or 6mm

D=450±25µm（ presented by Hamamatsu photonics）
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ペルチェ冷却型SI InP半導体検出器

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5半導体特性の評価
ＩｎＰデバイス Ｖ−Ｉ特性

２５℃

15.010.0

電流 [μ A]

5.00.0３㎜□
６㎜□-5.0-10.03mm□ 27V3mm□ -27V6mm□ 27V6mm□ -27V

1.122 [μA]-0.9615 [μA]6.903 [μA]-4.339 [μA]4060-15.0-100-80-60-40-2002080

100

Dark current can be
reduced by lowering thetemperature.
I[A]=T2/3exp(-Eg/2kBT)

電圧 [V] 温度特性
ＩｎＰデバイス1000.00

0.018µA for 6mm InP@100V and -40degree

素子抵抗 [MΩ]

100.0040-2 3㎜□
44-3 3㎜□
49-3 3㎜□
40-3 6㎜□
44-2 6㎜□
49-3 6㎜□

10.00

1.00

0.10

0.01
0102030405060708090100（presented by Hamamatsu Photonics）

温度 [℃]

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6α線による性能評価（その１） 36mm2 SI InP

241

2Am a spectrum for 36mm InP detector¾ バイアスを最大2kVまで印可¾ Single peakが観測された¾ バイアス電圧の増加により電荷収集効率(CCE)が上昇している

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α線による性能評価（その２） 9mm2 SI InP

241

Am a spectrum for 9mm 2 InP detector¾ 同様にバイアス電圧を最大2kVまで印可¾ バイアス電圧に対する応答は36mm2検出器とほぼ同様¾ また同等のCCEが得られている

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bias 600V chbias 800V chbias 1000V chbias 1200V chbias 1400V chbias 1600V chbias 1800V chbias 2000V ch

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8

α線による性能評価（その３） ペルチェ冷却型
SI InP 36mm2検出器¾ ペルチェ素子にマウント¾ 電極がCr-AuからAuZn-Auに変更¾ 但し、CCEは最大約30%しか得られていない¾ バイアス電圧にあまり依存しない？
¾ 処理に依存？
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DKCU8EJ

DKCU8EJ

DKCU8EJ

DKCU8EJ

DKCU8EJ

DKCU8EJ

DKCU8EJ

DKCU8EJ

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9α線に対する電荷収集効率

Charge Collection Efficiency (CCE) 電荷収集効率の測定と過去のデータとの比較
CCE measured by Am α particle

H.El-Abbassi et al.,
NIM A 486(2001)47

This work
2(36mm SI InP detector)

Electric field (V/cm)

高バイアス電圧の印可により100%が達成
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γ線による測定 36mm2 SI InP¾ 137Csからの662keVのγ線を観測¾ α線の測定から電極付近ではCCEは100%に達していると考えられる¾ コンプトン端がはっきり見えない%UMG8γOGCUWGTGFD[OO5++P2

DKCU8EJ$CEMITQWPFUWDVTCEVGF

DKCU8EJ

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InP検出器における電荷収集効率(CCE)α particledx0µ : mobility [m2v-1s-1]
v : carrier velocity [ms-1]
E : electric field [vm-1]
V0[volts] d : thickness of SI InPx0 : range of α particle
E=V0/d v=µE=µV0/d

average length L=τv=µτV0/dτ : carrier lifetime [s]µτ is measured by H.El-Abassi et al. NIMA466(2001)47µτ = 5 - 8 x 10-7 [cm2V-1] (@-21 to 19 degree)Thus L=5x10-7[cm2V-1] x 1000[V]/500[µm]=0.01 [cm] >> x0 (~16µm in InP 4MeV α)
Howeve, it means not enough for the entire volumeto collect all charge
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高CCEのための改良点¾ 高バイアス電圧 (5kV)¾ 冷却 (µτが大きくなり、かつノイズレベルが下がる)¾ 電極の改良

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13電極の効果（9mm2InPの半分の素子）
Cr-Au 241Am (60keV γ)

AuZn-Au 241Am (60keV γ)

Cr-Au 57Co (122keV γ)

AuZn-Au 57Co (122keV γ)

新電極(AuZn-Au)のCCE性能は良い
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14波高分布の温度依存性（その１）GXGPVUEJUGE

 ペルチェ型SI InP 36mm2 検出器による241Amα線の波高分布の温度依存性
FGI
FGI
FGI
FGI
FGI
FGI
FGI
FGI

EJ
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波高分布の温度依存（その２）counts/ch/100sec

 ペルチェ型SI InP 36mm2 検出器による137Csからのγ線の波高分布の温度依存性
FGI

０℃以下でガンマ線の信号が観測されている

FGI
FGI
FGI
FGI

CCEの改善が観測されている

FGI
FGI

ch
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16波高分布の温度依存（その３） ノイズの温度依存性
counts/20ch/100sec

36mm2 SI InP with peltier cooler
FGI
FGI
FGI
FGI
FGI

冷却に従いノイズが減少しているch

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17ガンマ線の波高分布
 ペルチェ型SI InP 36mm2 検出器による137Csγ線(662keV)の測定
counts/20ch/100sec

36mm SI InP detector with peltier cooler
137Cs γ−ray

Temp : -20 deg

137Csのγ線は観測しているが、コンプトン端(440keV)が見えない

counts/20ch/100sec

cf Range ~ 300µm in InP
BG subtracted

有効領域はまだ十分広がっていないch

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Siダイオードによる波高分布の校正
 ガンマ線による波高分布
Si (300µm in thickness)
57

Co

Si (300µm in thickness)
137 Cs(gain 2)ch
Si (200µm in thickness)57ch
Si (200µm in thickness)

コンプトン端は見えていない

137 CsCo(gain 2)ch
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ch19

結果
 バイアス電圧を2kVまで印可することにより、α線に対する電荷収集効率は100%に達した
 冷却により、137Csのγ線を観測した
 但し、有効領域は検出器全体に達していない
 冷却により電荷収集効率が増加し、ノイズが減少していると考えられる
今後の予定¾ 高圧のバイアス電圧(〜5kV)まで印可する¾ -60℃程度まで冷却する¾ 電極の効果（ノイズの減少、CCE増加等）を確認する¾ 冷却によるノイズ減少を再確認する¾ 122keVのγ線を36mm2 SI InP検出器で観測する¾ 3cmx3cmのプロトタイプ検出器を製作する
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