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Ⅰ
日本物理学会 第５８回年次大会
３月２９日
宮城教育大学 福田 善之
東大宇宙線研 小汐 祐介、 森山 茂栄、
塩澤 真人、竹内 康雄
浜松ホトニクス（株） 犬塚 智也

10-32∆m in eV2

太陽ニュートリノ振動の現状

0.1%
0.32%
10-4KamLAND
First result

1%

3.2%

Global fit(SK+Cl+Ga+SNO)

10%
10-5

10

νe→νµ/τ (95%C.L.)-1

12tan (Θ)

ニュートリノ振動の解の制限∆m2 in eV2-310 pp neutrino flux measurement(90 % C.L.) by :

¾ 10 ton detector¾ νe scattering experiment¾ 5 years data
¾ Statistical error + SSM fluxerror Accuracy of mixing angle :sin22θ = 0.77 ± 0.03 (stat.+SSM)

KamLAND(5yr, 90 %)-4

10LMA global(95 %)-5

1000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

sin2(2θ)KamLAND contour from K.Inoue

Precise determination ofoscillation parameters byKamLAND and pp experiments.

太陽ppニュートリノ検出計画の現状
 νe elastic scattering experiment
¾¾¾
¾
¾
¾

XMASS (Liquid Xe scintillator) see this conference
CLEAN (Liquid Neon scintillator)
HERON (Liquid Hellium at 50mK + scintillation)
TPC (Hellium + CH4 gas chamber)
Genius (Ge detector in LN2)……

 νe charged current experiment¾¾¾¾

LENS (indium loaded liquid scintillator)
SIREN (160Gd loaded liquid scintillator)
MOON (100Mo)…..

インジウムによる太陽ニュートリノの検出
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 coincidenceimpuritiesνe + 115In → 115Sn* + e−
115Sn*(3.26µs) → 115Sn +γ1(116keV) + γ2(497keV)

InP solid state detector for solar neutrino
measurements

InP

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

High BG reduction could be done

InP

Prompt
electron

400

300

103102event

500

event

event

InP検出器による太陽ppニュートリノシグナルのシミュレーション
Delayedγ in center

200
10100
100200

400

600

800

0keV

103102

Delayed
γ inNaI

400

600

800

1000keV

Efficiency ~80%
Entries

1010200

InP center (116keV + 497keV γ)

eventevent

InP center (pp prompt)

7819

total

21010100200300

400500600700

800900 1000γ
NaI (116keV + 497keVγ)

keV

10100200300

400500600l

700

InP center pp ν800

900 1000keV

Semi-Insulating (SI) InP検出器＜特徴＞• well established material• <A> ~ 80.2 (same as Ge/GaAs)• band gap 1.34eV (can be used in RT)• high registance （０．５〜０．９４）ｘ１０８Ω・ｃｍ• fast movirity ２０００〜２２００ｃｍ２／Ｖ・ｓ
バルク型の検出器の可能性
8cm in radius + 500µm in thickness 48.2ｇ
InP 5ton can capture 0.5ppνe／day →100,000 units

Semi-insulating InP基盤のU/Thバックグラウンド
counts/10keV/sec

diameter 5cm thickness 450µm mass 1.5g
-210InP 156730sec-3

BG 1611723sec

10-4

U-seris 5X10-11g/g
Th-seris 3X10-11g/g

10-510-610-7

100500very clean !

1000

1500

2000

2500

3000

Ge detector Energy (keV)

InP SI proto-type 検出器

3mm or 6mm

D=450±25µm（ presented by Hamamatsu photonics）

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
01020304050

温度 [℃]

60708090100（presented by Hamamatsu Photonics）

放射線（α線）に対する反応InP SI 3mmX3mm 5.48MeV α

InP SI 6mmX6mm 5.48MeV α

α線の信号は見えているが、single peakは見えない。

シリコン検出器による241Am α線スペクトル
Am 4mm air

214channel No.

Am 10mm air

214

小さくなっているchannel No.

キャリブレーション
InP SI 3mm 5.48MeV α no-gap

InP SI 3mm 5.48MeV α 9mm-gap

740keV(2MeV相当)
CCE:37%電荷収集効率 (Charge Collection Efficiency)
1000V CCE : 38%

900V CCE : 37%

800V

CCE : 32%

700V CCE : 27%

600V CCE : 22%

500V CCE : 18%

electron/hole pair production energy for InP : 4.2eV

UKグループの結果と比較
H.El-Abbassi et al., NIMA 466(2001)47UKグループに対しCCEは半分程度厚さが関係しているか？

結論と今後の計画¾ 3mmと6mm角のInP SI検出器を制作¾ 241Amからの5.48MeV α線によるsingle peakは観測できなかった¾ 電荷収集効率（CCE）は最大でも約37%¾ 137Csからの662keV γ線は観測できなかった。CCEが良くないためと思われる¾ 高いバイアス電圧を印可するため、素子を冷却する¾ ショットキ型3mm/6mm検出器の性能を見る（開発中） cf 38.5mm2X140µmが最大 NIMA458(2001)400¾ 3cm角プロトタイプ検出器を制作（今年度開発予定）

ペルチェ冷却型InP SI半導体検出器

Vertical Gradient Freeze (VGF) Technique