2008 年度 修士学位論文

アバランシェ半導体光検出器の特性および中性子被曝効果の測定

奈良女子大学大学院人間文化研究科

物理科学専攻 高エネルギー物理学研究室
平井 珠生
2009 年 2 月

目次
第 1 章 序論

1

第 2 章 アバランシェ半導体光検出器
半導体検出器の一般論 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :不純物半導体 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :接合した半導体検出器への応用 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :アバランシェフォトダ イオード::::::::::::::::::::

3

2.1
2.2
2.3 pn(APD)
2.4
2.5 Pixelated Photon Dete tor(PPD) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し
ファクトリー実験 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :加速器 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :検出器 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :ファクトリー実験の高輝度化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :加速器 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :測定器 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :純
シンチレーターの読み出しによる電磁カロリメーター :読み出しエレクトロニクスの雑音テスト : : : : : : : : : : : : : : : : : : :測定方法 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :測定結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :3.1 KEKB
3.1.1 KEKB
3.1.2 Belle
3.2 B
3.2.1 SuperKEKB
3.2.2 SuperBelle
3.2.3 CsI
3.3
3.3.1
3.3.2

APD

3
3
3
4
5

7

7
7
9
13
13
14
14
15
15
16

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果
21の諸元と特性 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :の諸元と仕様 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :増幅率の印加電圧および温度に対する依存性 : : : : : : : : : : : : :ダークノイズ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :クロストーク : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :電流 電圧（）特性 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :光子検出効率（） : : : : : : : :中性子照射試験 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :東京大学原子炉「弥生」 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :測定手順 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :照射前後の特性変化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :4.1 MPPC
4.1.1 MPPC
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.1.6
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3

I-V

Photon Dete tion EÆ ien y; PDE

i

21
21
22
23
23
23
23
24
24
25
25

4.3.1 出力波高分布 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 26
4.3.2 増幅率 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 26
4.3.3 ノイズレート : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
4.3.4 クロストークレート : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
4.3.5 I-V 特性測定 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
4.3.6 PDE（ 光子検出効率） : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
4.4 赤外線発光写真 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40
第 5 章 結論41

第 6 章 謝辞

43

ii

図目次
2.1 APD の３つの異なる内部構造 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
2.2 MPPC の等価回路 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6
3.1 KEKB 加速器の概観図 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8
3.2 Belle 測定器の全体図 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
3.3 テストパルスを用いた測定のセットアップ図 : : : : : : : : : : : : : : : : : 16
3.4 プ リアンプ回路図 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
3.5 プ リアンプの仕様 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
3.6 プ リアンプの写真 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
3.7 シェーパー回路図 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
3.8 FADC で記録したテストパルス 1 イベントのデータ : : : : : : : : : : : : : 19
3.9 ペデスタルのフィット結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 20
4.1 LED をパルス状に点灯させ、MPPC の受光部に平均数個の光子が届くよ
うにして得た波高分布 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22
4.2 「弥生」の実験室 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 24
4.3 ADC 分布（ 照射量 2  1010 neutrons/ m2 のサンプル ）の時間変化 : : : : 26
4.4 増幅率測定のセットアップ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
4.5 LED ド ライバー回路図 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
4.6 ブレ イクダウン電圧と照射量の相関関係 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28
4.7 増幅率と照射量の相関関係 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
4.8 (左図)100pixel のブレ イクダウン電圧の時間変化 (右図)400pixel のブレ イ
クダウン電圧の時間変化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
4.9 (左図)100pixel の増幅率の時間変化 (右図)400pixel の増幅率の時間変化 : : 30
4.10 ノイズレート測定のセットアップ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
4.11 ノイズレートと照射量の相関関係 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31
4.12 (左図)100pixel のノイズレート (1 p.e. 以上) と照射量の相関関係 (右図)100pixelのノイズレート (2 p.e. 以上) と照射量の相関関係 : : : : : : : : : : : : : : 31
4.13 (左図)400pixel のノイズレート (1 p.e. 以上) と照射量の関係 (右図)400pixelのノイズレート (2 p.e. 以上) と照射量の関係 : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
4.14 クロストークレートと中性子照射量の相関関係 : : : : : : : : : : : : : : : : 33
4.15 (左図)100pixel のクロストークレートの時間変化 (右図)400pixel のクロス
トークレートの時間変化 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33
4.16 漏れ電流測定のセットアップ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
iii

4.17 I-V 特性測定結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 35
4.18 Vov =1.1V に設定して測定した電流値の照射後 60 日間の時間変化。左側は100 ピクセル、右側は 400 ピクセル。 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 36
4.19 PDE 測定のセットアップ図 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38
4.20 (左図)PDE 測定セットアップ (右図)PDE 測定ブロック図 : : : : : : : : : : 38
4.21 LED 点灯時と LED 消灯時の ADC 分布 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39
4.22 PDE 測定結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39
4.23 赤外線発光写真の撮影結果 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40

iv

表目次
3.1 KEKB 加速器の設計パラメータ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
3.2 Belle 測定器のパラメータ : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10
4.1 照射のパターン : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 25v

第 1 章 序論
高エネルギー物理学実験とは、加速器で生成される高エネルギー粒子の衝突反応から 、物質の究極の構成要素と、その間に働く相互作用を探究する学問である。そのため、生成される粒子のエネルギー、運動量、種類等を高精度で計測できる検出器が要求される。検出器には様々な種類があり、検出する粒子の種類やその実験目的によって使用する検出器が分けられる。
現在、我が国において進行中で世界をリードしている高エネルギー物理学実験の一つが、が擁する
電子 陽電子衝突型加速器を使った
高エネルギー加速器研究機構
実験である。
実験は、B 中間子の CP 非保存を測定することを主目的としているが、その高い輝度により B 中間子のみならず、ほぼ同量の  粒子も大量に生成され、幅広いテーマの研究が展開されている。
それらのうちのいくつかは高効率かつ高分解能の 線検出を必要とする。例を挙げれば、
小林 益川理論の CP 非保存パラメーターの一つである 2 を得るには、B 0  0  0 の崩過程で生じる 線を壊分岐比と CP 非対称度の測定は不可欠である。この  0 は  0 のようなレプトン数を破る崩壊の探索などにも検出して再構成する。また、
線の検出は欠くべからざる項目である。
線を検出し、そのエネルギーを測定する検出器は電磁カロリメーターと呼ばれる。
測定器が装備する電磁カロリメーターは結晶シンチレーターにより、入射粒子のフォトエネルギーを蛍光 シンチレーション光 に変換し 、それを光検出器として、
ダ イオード を用いて読み出すものである。この例が示すように、高エネルギー物理学実験において光検出器は重要な役割を担うデバイスである。
光検出器は光電管タイプと半導体タイプの２つに大きく分られる。光電管タイプの検出
器は光電効果を利用したもので、高真空のガラス管中に、光電陰極と陽極を組合せた構造を基本としている。一方、半導体タイプの検出器は、内部光電効果を利用したもので、光電管タイプのものと比べて、

Belle

Belle

(KEK)

KEKB





!

!

CsI(Tl)

(

)

!

Belle

PIN

 磁場の影響を受けない 高いフォトンカウンティング能力
 コンパクト 低バイアス動作といった優れた特性を持つ。しかし 、これまでの半導体検出器は増幅率が低いといった欠点も持っていた。
や近年開発された
その欠点を克服しうる検出器が、であり、アバランシェ増倍により電子を増幅するため、高い増倍率を持Photon Dete tor)

APD(Avalan he Photo Diode)1

PPD(Pixelated

第 1 章 序論

つ。そのため、これらは発光が短いため、高レート実験でもパイルアップの影響を受けなやい純
4 といったシンンチレーターの少い光量を補い得るデバイスとして開発や応用が進んでいる。
やの使用の際には、バックグラウンドとして入射
高エネルギー実験におけるする放射線による損傷を受ける。検出器が放射線被曝効果に対し 、どれほどの耐性を持っているかを知ることは実験装置の設計を行うにあたって不可欠である。
本研究では、このアバランシェ増幅で電子を増倍するを純
シンチレーターを用いたカロリメーターに適用した場合の基礎特性測定と、の中性子被曝効果を測定した結果について報告する。
以降、本論文では、第 章で半導体光検出器について概観する。第 章では、B ファク
を純
シンチレータートリー実験と電磁カロリメーターについて説明した後に、を用いたカロリメーターに適用した場合の基礎特性測定について述べる。第 章では浜松であるの中性子被曝ホトニクス社が開発した効果について、照射試験の方法と結果を記し 、最後に第 章で本研究をまとめる。

CsI PbWO

APD PPDAPD CsI
PPD

2

PPD

APD

3
CsI

MPPC(Multi Pixel Photon Counter)524

第 2 章 アバランシェ半導体光検出器
本章では、まず半導体検出器の一般論ついて述べ、続いてアバランシェ半導体光検出器の構造や動作原理、諸特性について述べる。

2.1

半導体検出器の一般論

半導体とは、常温における電気伝導率が金属と絶縁体の中間である物質である。半導体中の各電子は、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和からなるある一定の全エネルギーを持っているが 、それらの電子の状態は 、そのエネルギー固有値によって、
価電子帯、 禁制帯、 伝導帯の三つに分けられる。価電子帯の電子は半導体中の原子に束縛されており、電気伝導に寄与しない。禁制帯は、電子が存在しえないエネルギー固有値の領域のことである。さらに高いエネルギー固有値の領域に伝導帯があり、ここまで励起された電子は外場に反応して運動し 、電気伝導に寄与するキャリアとなる。
したがって、半導体を光検出器として使用する上では、入射した光子を効率良く伝導帯に励起した電子に変換し 、その結果生じる電流や電荷を効果的に収集することが重要である。そのため、次節に述べるように、微量の不純物を添加（ド ープ ）して、その特性を制御することが広く行われている。

(2)

2.2

(1)

(3)

不純物半導体シリコンのような典型的な半導体結晶は、個々の原子が規則的に結合して結晶構造を作っている。結晶構造は価電子が隣りの原子の価電子と対を作り、共有結合を形成することにより生じる。 価あるいは 価の原子を純粋な真性半導体に加えると、 価の原子は半導体の価電子で満されない結合を形成し 、 価の原子は余剰な電子を与える。これらの不純物は、それぞれアクセプター不純物、ドナー不純物と呼ばれる。アクセプター不純物をド ープした半導体を 型と呼び 、ド ナー不純物をド ープした半導体を 型半導体と呼ぶ。
の電荷を運び 、電子は負のキャリアとなるた導入された正孔は正め、この名がある。

3

5

3

5

p
( positive )2.3( negative )npn 接合した半導体検出器への応用

p 型半導体と n 型半導体を接合した半導体は、一般にはダ イオード として知られている。半導体ダ イオード の p と n の接合点は p 型と n 型を圧着するのではなく、n 型の一端に p 型の不純物を拡張して作る。
3

第 2 章 アバランシェ半導体光検出器

(
p

)

p

n

交流を直流に変換 整流 する目的でダ イオード を使用する場合は、 側を高電位、 側を低電位にすると、 側の正孔と 側の電子がともに接合部に向かって移動し 、正孔と電子の再結合により電流が流れ続ける。この向きに電圧を印加することを順バイアスを印加すると言う。
光検出器としてダ イオード を用いる場合は、それとは逆に 側を低電位、 側を高電位にするように直流電源をつなぐ。これを逆バイアスを印加すると言う。すると、正孔が側、電子が 側に引き寄せられて、接合部近傍にはキャリアがいなくなる。この領域を空乏層と呼ぶ。この状態で光子が入射し 、空乏層で光電効果により電子を伝導帯に励起すると、電子および対になって生成された正孔がそれぞれ 側と 側に移動することにより、電気信号パルスが生じる。
フォトダ イオード 等では、得られる電子 正孔対の数は、入射して光電効果を起こした光子の数と同じであり、光電子増倍管のように、信号を増幅する機能はない。光量の乏しいシンチレーターやチェレンコフ光を用いる場合は、それでは信号と雑音を十分に分離して読み出すことが難しい。そこで、近年は個体内で電子なだれ アバランシェ を形成させることにより信号を増幅できるデバイスである、アバランシェ半導体光検出器が開発使用されるようになってきた。次節以降に、その代表例であるアバランシェフォトダ イとピクセル型光子カウンターについてさらに詳しく述べる。
オード

n

p

n

p

n

n

PIN

p

-

(



(APD)

2.4

)

(PPD)

アバランシェフォトダイオード (APD)(APD)

アバランシェフォトダ イオードとは、半導体デバイス中に、非常に強い電場を形成できる構造を設け、そこでの電子なだれ形成による信号増幅を行うことにより、受光感度を向上させたフォトダ イオード である。
半導体デバイス中に強い電場を形成するための構造としては 、図に示す、ベベル
エッジ型、リーチ スルー型、リバース型といったものが考案されている [1℄ 。これらのうち、リバース型はシンチレーターに取り付けて用いることを主眼において作られたものであるいはそれ以下なので、シリある。多くのシンチレーターが発する光の波長はコン半導体に入射すると、空乏層の最初の 〜  程度の領域で光電吸収される。それにより生じた電子を即座にアバランシェ増幅する構造になっている。
の動作モード には、プロポーショナルモード とガ イガーモード の二つがある。プ
ロポーショナルモード では電子なだれは形成されるが、なだれ降伏が起きるブレ イクダウ
ン電圧以下の電圧で動作させるので、増幅率は数十〜倍程度となり、へ入射したは光量に比例した電荷量の出力を示す。本研究で用いたプロポーショナルモード の2型で、受光部面積のリバース型である。
浜松ホトニクス社製の一方、ガイガーモードではブレ イクダウン電圧以上の電圧で動作し 、増幅率は 5 〜 6
倍と非常に高いが 、へ入射した光量に関係なく、決まった波高の大きな出力信号パルスを出す。この光電子増倍管に匹敵する高い増幅率を生かして、半導体ベースの光検出器でありながら単一光子検出（またはフォトンカウンティング ）を原理的に可能にしたデバイスが、次節で述べるピクセル型光子カウンター（
）
である。

2.4





500nm
1 3m

APD

100

S8664-1010

1m

APD

APD

APD

10 10

Pixelated Photon Dete tor; PPD

4

第 2 章 アバランシェ半導体光検出器

p
p-

n

p

x

e

n+

electric field

electric fieldhxMultiplication

Multiplication

x

p-

n+

h

Multiplicationelectric field

p

p+

p+

e

n

x

x

x

2.1:

図
APD の３つ異なる内部構造図。左端がベベル  エッジ型、中央がリーチ  スルー型、右端がリバース型。中段と下段に各 APD の電場領域の断面と増倍率を示す。

2.5

Pixelated Photon Dete tor(PPD)(Pixelated Photon Dete tor,PPD)
PPD
APD

ピクセル型光子検出器
は近年開発された光半導体に示すように、は多数のピクセルに分割され 、各々のピクセルは素子である。図ガ イガーモード で動作するとクエンチ抵抗が並んで構成されている。ピクセルに光子が入射すると、生成された電子がアバランシェ増幅を起こし 、そのピクセルに入射したの受光面に入射する光子光子数に関わらず、一定の信号を出力する。したがって、の信号の大きさは放電したピクセ
数よりもピクセル数が十分多い条件で用いれば 、ル数に比例することを用いて入射光子数を算出することができる。
本研究で用いたは浜松ホトニクス社が開発した
2 、ピクセルなる製品名のものである。
は出荷されているもので、受光部面積5 程度のピクセルまたはピクセル、典型的な印加電圧が前後で数は増幅率を有するものである。

2.5

PPD

PPD

100

PPD

MPPC(Multi Pixel Photon Counter)
1mm
70V
7  10

MPPC
400

5

第 2 章 アバランシェ半導体光検出器

2.2:

MPPC の等価回路。ピクセル毎に独立に動作するガ イガーモード APD とクエンチング抵
抗が並列に接続されており、共通の読み出しラインで読み出される。したがって、デバイスに入射した光子数は信号パルスが出力したピクセルの数として数えることができる。
図6

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出しB

本章では、 ファクトリー実験およびその高輝度化計画について記す。さらにその高輝度化の際に電磁カロリメーターを設計をする上で問題になるビームバックグラウンドによるパイルアップについて説明する。続いて、パイルアップを克服する選択肢の一つとしてを純
シンチレーターと組合せることを想定した読み出しの特性評価を行った結果について記す。

APD
3.1

CsI

KEKB ファクト リー実験

本節では、現在高エネルギー加速器研究機構（
測定器を概観する。

Belle

KEK ）で稼働中の KEKB 加速器および3.1.1 KEKB 加速器

KEKB 加速器は、B 中間子系における CP 非保存現象の系統的な研究によって、小林 

益川理論の検証を行い、さらにそれを超えた物理現象の探索を行うことを主たる目的として建設された、非対称エネルギーの電子 陽電子衝突型加速器である。
加速器は以下のような特徴を持っている。

KEKB



Æ 重心系のエネルギーが、(4S ) の質量に相当する 10.58GeV に設定されている。(4S )はほとんど 100%の確率で B 中間子  反 B 中間子対に崩壊する [2℄ ので、B 中間子の大量生成に向いている。また、B 中間子  反 B 中間子のみが生じることから、両者の間にボーズ  アインシュタイン相関のある振動現象が起こり、時間依存 CP 非保存の測定を行う上で、他に例のない条件をもたらす。

Æ B 中間子の崩壊時間を精度よく測定するために、KEKB 加速器は電子は 8GeV、陽3.5GeV

2と両者のエネルギーが異なる非対称エネルギー、 リング型の衝突型
電子は加速器になっている。

Æ CP 非保存の測定に重要な B 中間子の崩壊モード の崩壊分岐比は 10 5 から 10 6 と小さいため、大量の B 中間子  反 B 中間子対の生成が必要である。そのためそれまでの加速器よりも 2 桁高いルミノシティ(1  1034 m 2 s 1 ) を実現するように設計されている。

KEKB 加速器は非対称エネルギーの衝突型加速器なので、電子と陽電子を異なったリ
ング中に蓄積する必要があり、2 リングを擁する。KEKB 加速器の全体図を図 3.1.1 に示
7

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し

KEKB
8GeV

3km

す。
では既存の周長のトリスタン実験で使用されたトンネルの中に、電子をのリングと陽電子を蓄積するのリングの つリングが横に並べて蓄積する設置されている。電子と陽電子は各々のリングの中を反対方向に周回する。 つのリング
は富士実験棟で立体交差し 、筑波実験棟中で電子と陽電子が衝突する。衝突点を囲んで発生した粒子群の検出を行うため、測定器と呼ばれるのソレノイド 磁場を用いる
大型の汎用スペクトルメーターが設置されている。

3.5GeV

2

)

Belle

2

1.5T

Lo
fo w ErP n
os ergitr y R
on
in
g

R
gy
er
En trongh c
Hi r Elefo(LER

TSUKUBA Area (Belle)

HER
LER
Interaction Region

g
in
(H
RF
OHO AreaRFWIGGLERRFRFWIGGLER)ER

NIKKO Area

LE-

Positron/eElectron

+

R

e

HE

R

(TRISTAN Accumulation Ring)

Li
c

図

na

RF
RF FUJI Area

3.1: KEKB 加速器の概観図

KEKB 加速器ではビーム輝度 (以下ルミノシティと呼ぶ) が最大となるように設計されている。ルミノシティL と断面積  を持つ反応の発生頻度 R との間には、R = L の関係が成り立つ。ルミノシティは、ビームの電流値やサイズから決まる量であり、衝突型加速器においてルミノシティは次のような式により与えられる。

L = 2:2  1034 (1 + r)( E I ) m 2 s 1

(

y

GeV)
KEKB

(3.1)
(

A)
0.040

ここで、E はビームのエネルギー 単位：、I は蓄積電流 単位： である。また、
 はビームチューンシフトと呼ばれる量であり、加速器ではほぼの値を持つ。
r は衝突点における垂直方向のビームサイズを水平方向のビームサイズで割った値であり、
y は衝突点で垂直方向 y 方向 にどれだけビームを絞れるかを表すパラメーターである。
したがって、ルミノシティを大きくするためには、蓄積電流とビームチューンシフト  をに、加速器の設計値のパラメタの値大きくし 、 y を小さくする必要がある。表

(

)

3.1
8

KEKB

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し1  10 m s

2.6A

34
2 1 を達成するには、陽電子リングにを示す。設計値のルミノシティ、
の電流を蓄積し 、ビームの y 方向のベータ y をにする必要が電子リングにある。
34
2 1 を達では 、年 月に設計値であるビームルミノシティ、
34
2 1を
年
月には :
成した。その後も最高記録を更新し続けており、記録した。このルミノシティは、世界中のあらゆる衝突型加速器で実現された最も高い値
である。

1.1A

KEKB

2003 50.01m

2006 111  10 m s
1 7  10 m s

3.1: KEKB 加速器の設計パラメータ
Ring
LER
HER
+
ビームエネルギー (e e )3.5 GeV 8.0 GeV
周長
3016.26 m
ルミノシティ
1  1034 m 2 s 1
ビーム交差角11 mrad
ビームビームチューンシフト
0.039/0.052

Beta fun tion at IP ( x = y )0.33/0.01 m+
ビーム電流 (e e )
2.6 A
1.1 A
4
ビームエネルギーの広がり
7:1  10 6:7  10 4
バンチ間隔
0.59 m
バンチの数
5000
表

3.1.2 Belle 検出器

Belle 検出器は KEKB 加速器の電子  陽電子の衝突点を囲んで設置されている。検出器の全体像を図 3.2 に示す。

衝突点は、測定器に至るまでの物質量を減らすためにベリリウムで作られたビームパイ
プの中にある。その外側に以下の位置分解能で、B 中間子の崩壊点を再構成するた）と荷電粒子の飛跡検出
めのシリコンバーテックス検出器（）が設置されている。荷電を行う中央ド リフトチェンバー（粒子の種類を識別する情報を与える役割のエアロジェルチェレンコフカウンター（）および飛行時間カウンター（）の外側での磁場を発生する超伝導ソレノイド の内側に電磁カロリメーター（）が位置している。最も外側の構造体は鉄とレジスティブプレーナー）を層以上重ねており、KL0 中間子と  粒子の検出に用いられるた
チェンバー（めと呼ばれる。各々の測定器のパラメータを表に示す。
さらに検出器各部の構造および機能について以下にまとめる。

0.1mm

Sili on Vertex Dete ter; SVD
Central Drift Chamber; CDC

Cherenkov Counter; ACC
1.5T
CaLorimeter; ECL
RPC 10
KLM

AerogelTime of Flight ;TOF
Ele tromagneti

3.2

 シリコンバーテックス検出器 (SVD)

SVD(Sili on Vertex Dete ter) は短い寿命 (10 10  10 13 se ) をもつ粒子の崩壊点
9

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し

表
検出器

構成物

ビームパイプ

ベリリウム
重構造
両面
シリコン
ストリップ

主要なパラメタ

)

(2

粒子崩壊点
検出器
前方
カロリーメータ

シンチレータ

中央飛跡
検出器

ド リフト
チェンバー

エアロジェルチェレンコフ
カウンター
飛行時間差
測定器
電磁
カロリー
メータ

BGO

屈折率 n :
1.01  1.03

シリカ
エアロジェルプラスティック
シンチレーターCsI( )

Tl
シンチレータ

超電導
ソレノイド

超電導

KL 、 粒子検出器

高抵抗
平板チェンバー(RPC)

3.2: Belle 測定器のパラメータ
2.3 m
0.5 mm Be/ 2 mm He/0.5 mm Be
300 m 厚, 3 層
r = 3.0 - 5.8 m
長さ = 22 - 34 m
2 m  1.5 m  12 m
アノード : 52 層
カソード : 3 層
r = 8.5  90 m
-77  z  160 m
1 モジュール  3
12  12  12 m
バレル 960 個
エンド キャップ 228 個
FM - PMT 読み出し128  segmentationr = 120 m,
3 m long
タワー構造
 5.5  5.5  30 m3

読み出しチャンネル数

主な性能

: 41k
: 41k
:5
: 32
:
8.4k
カソード :
1.5k

z

内半径





アノード

=6
1,788 heff

128  2 h

6,624(B): r = 125 - 162 m 1,152(FE):960(BE)z = -102 and +196 m
inn.rad. = 170 m(5 m 鉄 + 4 m 間隙)
 14 層各々の間隙に 2 個の RPC
: 16k and  strips
: 16k結晶
バレル
エンド キャップ

10

 105 m

= 130 m
= 200 p1,400 m=0.3 % p2t + 1
=6%

r
z
pt
pt
dE=dxK/
1.2  p  3.5 GeV/t = 100 ps
K/ =up to 1.2 GeV/
E =E

= 0:066(%)
 0:E81(%)
1=p
4  1:34(%)
E
pos = 0.5 m / E
E in GeV
B = 1.5 T
 =  = 30 mrad for KL
t = 1 ns
1 % hadron fakes

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し

Belle

CsI

KLM

CDC

150°

TOF
PID
EFC

SVD

17°

8.0 GeV

3.5 GeV

e-

e+

0
図

3.2: Belle 測定器の全体図

11

1

2 (m)

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出しを測定する役割を担う。粒子の崩壊点の測定は B 中間子のみでなく、D 中間子や 
レプトンの物理の研究を行う上でも非常に重要である。本測定器は、
年夏までは 層のシリコンストリップ検出器、それ以外は 層を配置しており、崩壊点の z 方向（ 陽電子ビームの軸に沿った方向）の分解能 z を達成している。また、はその外側に位置する中央飛跡検出器と共に粒子の飛跡を検出し 、運動量を精度良く測定する役割を担っている。

2003

3

4

SVD

(CDC)

 80 m 中央飛跡検出器 (CDC:Central Drift Chamber)
荷電粒子の飛跡を検出し 、ローレンツ力により曲った軌道の曲率半径から運動量をの重要な役割である。
は、超正確に測定することが、中央飛跡検出器の磁場内に設置され 、 気圧の e
混
伝導ソレノイドが作る
2 6
合ガス中に、多数の 約 万本 陽極ワイヤーが張られている。荷電粒子の多重散乱の影響を押さえるために、ガス、ワイヤーともに物質量の小さいものを使用しており、数万本におよぶ陰極ワイヤーはアルミニウム合金製のものを採用した。荷電粒子が通過するとガスを電離することから電子が生成され、その電子がワイヤーまで
移動 ド リフト する時間から、粒子の通過位置までの距離を知ることができる。

(CDC)

1.5T
( 1 )

(

1

CDC
H (50%):C H (50%))

 エアロジェルチェレンコフカウンター (ACC:Aerogel C erenkov Counter)(ACC)

エアロジェルチェレンコフカウンター1の役割は、K  と   とを識別するこv
を通過するとその粒子速度 v と光速の比 がエアロジェとである。荷電粒子がACC

ルの屈折率 n に対して、

v

>

1

n

Belle
1 2  3 5 GeVの条件を満たすとき、チェレンコフ光を出す。
測定器では 、異なった屈折率〜のエアロジェルを用いることにより、 ::= の領域で K  と を識別することができるように設計されているこの運動量領域で荷電粒子が であれば 、チェレンコフ光を出し 、K  であればチェレンコフ光が出ないことを利用して両者を識別する。

(1.01 1.03)

 飛行時間差検出器 (TOF:Time of Flight)

TOF(Time of Flight Counter) は、荷電粒子の飛跡時間を測定することによって K /中間子の識別を行うことを主目的とするプラスチックシンチレーションカウンターである。また、はと組み合わせて荷電粒子を検出することにより、トリガー信号を出す役割も担っている。

TOF CDC 電磁カロリメーター (ECL:Ele tromagneti Calorimeter)
高エネルギーの電子や光子は、十分厚い物質に入射すると制動放射と電子対生成の連鎖反応により電磁シャワーを作り、ほぼ全エネルギーを物質中で失う。このエネ
ルギー損失を電気信号に変換し 、読み出しと記録することにより、電子や光子のエネルギーを良い精度で測定するのが電磁カロリーメーターの役割である。ま(ECL)

1 エアロジェルは、SiO2 からなる固体のコロイド 物質で屈折率を 1.01-1.05 程度の範囲で調節して作成で

きる。

12

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し

ECL
( )

CDC

た、
で測定された全エネルギー E とで測定された荷電粒子の運動量 P との比 E=P は、電子を他の粒子から識別する上で最も重要な量である。電子の場合に入射しには、この比が に近くなるのに対し 、  、K  などのハド ロンがた場合には、ハド ロンはエネルギーの一部を失うのみであるため、 E=P が よりずっと小さくなる。これを利用して、電子とハド ロンとの識別が高い信頼度で可能
シンチレーターとなる。電磁カロリメーターについては、本章の主題である純読み出しと関係が深いので、さらに詳細について次節で後述する。
の

1

ECL
( ) 1

CsI

APD

 KL0 、 粒子検出器 (KLM)

Belle 測定器の最も外側に位置する KL0 および  粒子検出器 (KLM) は 600MeV/ 以
上の運動量領域で KL0 及び  粒子の識別を役割としている。KLM 検出器は、高抵抗平行板チェンバー (RPC) と厚さ 4.7 m の鉄を 11 層重ねた構造をもっている。
 粒子は貫通力が優れているため鉄を突き抜け、多くの RPC の層に明瞭に連なった信号を残す。よって、CDC で測定した飛跡と KLM のヒットを関連づけることにより、 粒子の同定が可能である。一方で KL0 は鉄と衝突し強い相互作用によるハド ロ
ンシャワーを形成する。
に飛跡を残さず、内で検出されたハド ロンシャ
0
ワーを KL 候補とする。

CDC

3.2

KLM

B ファクト リー実験の高輝度化

本節では、B 中間子崩壊における CP 非保存の精密測定と、 レプトンのフレーバー
非保存崩壊過程の探索を軸に 、標準模型を超える新しい物理の探索を目指す、高輝度 B
ファクトリー実験（実験）と、その実験における電磁カロリメー
ターを設計する上で考慮すべき点について述べる。その上で、純結晶シンチレーター
読み出しを開発する動機について記す。
のSuperKEKB/SuperBelle

CsI

APD

3.2.1 SuperKEKB 加速器
KEKB
2009 1

1.710 m s
SuperKEKB
2  10 m s

34
2 1 、積分ルミノシ
加速器が達成した最高ルミノシティは現在の1 に達している。
ティは
年 月現在で加速器は、既存の
35
2 1 と現在の 倍強、最加速器に大規模な性能改良工事を行い、当初は
35
2 1 と現在の 倍に達するルミノシティを得る計画である。加
終的には加速器について既に記述したが 、速器のルミノシティを決めるパラメーターは 、加速器では、目標とするルミノシティを得るために、大電流蓄積を前提とした設計を行った場合の検討が進められている。その概略をまとめると、

895 fb8  10 m s

50

10

KEKB

SuperKEKB

 電子の 8GeV ビームを 4.1A、陽電子の 3.5GeV ビームを 9.4A 蓄積する。
 ビーム-ビームパラメーター  を現在の 0.056 から 0.4 まで大きくする。
 衝突点での y 方向のベータ関数 y を現在の 6mm から 3mm に小さくする。

13

KEKB

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出しとなっている。これらの条件を実現するためには、リングを周回中に放射光で電子や陽電子が失うエネルギーを補う高周波加速の強化、放射光がビームパイプの壁に当って光電効
果により生じる電子がビーム軌道に近寄らないような断面形状の真空ダクトの採用、衝突点付近のビーム中心軌道は有限角度で互いに交差しながら実効的に正面衝突を実現するク
ラブ 衝突方式の採用、といった技術開発を成功させる必要がある [3℄ 。

3.2.2 SuperBelle 測定器

10

50

5

10

加速器のルミノシティを現在の 倍から倍に上げるために、現在の 倍から倍に達する大電流ビームを用いることからくるビームバックグラウンド の増加に対処し 、高いルミノシティにより高頻度で発生する B 中間子対生成をはじめとした信号事象データ測定器も既存のままではなく、性能改良工事を施す必要
を滞りなく収集するため、[3℄がある 。以後、本論文中ではこれを測定器と呼ぶ。現在の測定器の設計の概略を以下に挙げる。

Belle

SuperBelle

SuperBelle 最内層の崩壊点検出器にピクセル型半導体検出器の導入。
 ワイヤー本数を増した中央ド リフトチェンバーへの変更
 Time Of Propagation チェレンコフ検出器 (TOP)[4℄ 、エアロジェルリングイメージ
チェレンコフ検出器 [5℄ 等の導入による荷電粒子識別能力の向上。

 高速パイプライン読み出し能力を備えたエレクトロニクス [6℄ を用いた高頻度でデッド タイムのないデータ収集システム。

電磁カロリメーターについては 、本研究と深い関りがあるので、次小節でより詳細に述べる。

3.2.3 純 CsI シンチレーターの APD 読み出しによる電磁カロリメーター

SuperBelle 実験では、ビームバックグラウンドは実験開始当初は現在の 5 倍から 7 倍、最終的には 20 倍に及ぶことが予想される [7℄ 。現在の Belle 実験では 、 発光量の豊富な
CsI(Tl) シンチレーターと、光検出器として PIN フォトダ イオード 読み出しを組合せた電磁カロリメーターを使用している。この既存の電磁カロリメーターのまま高輝度実験を行う場合は、ビームパイプに近いエンドキャップ（端冠部）において、高頻度で入射するビー
ムバックグラウンド のためにパイルアップが発生してエネルギー測定の絶対値のずれが生じるとともに、エネルギー分解能が悪化する。
カロリメーターの場合、シンチレーター中のエネルギー損失
現在稼働中のあたり個の電子 正孔対をフォトダ イオード で得ている。一方、カウンター 本
コンバーター、からあたりの雑音は、前置増幅器、波形整形回路、
個の電子、すなわち約に対応する。最近の実なる読み出し回路の総合で約験の状況下では、エンドキャップ部でのパイルアップに起因する雑音がこれに加わっている徴候が見られ、からに達している。パイプライン方式で波形サンプリンとデジタル信号処理を組合せて対処しグ読み出しを行うフラッシュ

5000

CsI(Tl)
-

PIN

QtoT

1000

0.5MeV

1MeV
ADC(FADC)

0.2MeV

1MeV
1FASTBUS TDC

(DSP)

14

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し5  10 m s
2.5MeV35
2 1 のルミノシティ達成時のビーム電流の条件ではパイルアップにても、からに達すると予想される [8℄ 。その場合、数百程よる雑音の寄与が度までの比較的低いエネルギーの光子を検出した際のエネルギー分解能に深刻な影響があり、多くの研究テーマの実行が制限される。
これには、のシンチレーションの特性、すなわち発光量は豊富であるが 、発光と長いためにパイルアップを起しやすい、という性質が終了するまでの減衰時間が 
が大きく寄与しており、後段の読み出しエレクトロニクスの改良で解決することは困難である。このことは、発光が終了するまでの時間が短いシンチレーターの導入が不可欠であることを意味する。高エネルギー物理学実験の電磁カロリメーターに使用できる大型のブ実験の使用に耐える、という条件
ロックを中庸な価格で生産可能で、発光量がシンチレーターと考えられている。
を満す有力な選択肢の一つは純と比較して、純
シンチレーターは発光の減衰時間が約と短く、このの約と少い上、発光の波長も点では高輝度実験に向く。しかし 、発光量は程度とよりも短いため、信号増幅機能がなく波長が以下の光に対
フォトダ イオードは使用できない。これまでに試作された
して感度がない
用純カロリメーターのプロトタイプでは、発光量の不足を補うために数十倍程度のゲインを得られる少数段の光電子増倍管（フォトペントロード ）が用いられた [8℄ 。フォトペントロード の場合は、磁場の有無で特性が大きく異なるため、実機においては磁場の有無を検知するインターロック機能を持った高電圧供給システムを必要とする。また、直径がインチと比較的大きいので、一つの結晶に一つしか取り付けられず、複数個取り付けることによって冗長性を確保することはできない。
の場合は特性が磁場の有無に左右されず、数十倍のゲインも確実に得られ、一方、小型なので一つの結晶に複数個取り付けて冗長性を確保することも可能である。前章
2 の受光部を持つ、これまでよりも大面積ので紹介したように、浜松ホトニクス社がの開発に成功しており、これが純シンチレーター読み出しの実用にリバース型
実験の電磁カロリメーターとして有力な選択肢となり得ると考耐えるならば 、えた。そこで、これまでにフォトペントロード を用いたプロトタイプ純カウンターのと組合せた場合について、読み出しのために開発されたエレクトロニクスを導入し 、主としてエレクトロニクスの雑音レベルを調査する試験を実行した。それについて次節で
述べる。

4MeV

CsI(Tl)CsI(Tl)

1 se

CsI

330nm

MeV

SuperBelleCsICsI(Tl)CsI(Tl)
PIN

CsI

2

1/10

40nse

400nm

CsI

APD

CsI

APD
SuperBelle

1m

CsI

APD

3.3

SuperBelle

CsI

読み出しエレクト ロニクスの雑音テスト

CsI カウンターのフォトペントロード 読み出しのために開発さAPD を組合せた場合の特性調査をノイズの行った結果について

本節では、これまでに純れたエレクトロニクスと記す。

3.3.1 測定方法

3.3

-370V を印加した APDADC FADC ）を内蔵したに示す。遮光しテストパルスを用いた測定セットアップを図をプリアンプに接続した、その出力をシェーパーとフラッシュ（15

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し

CAMAC モジュールで受ける。クロックジェネレーターが発する NIM パルスの幅をゲー
トジェネレーターで 10s まで広げた上で、アッテネーターで電圧を 0.1V とし 、これをプリアンプに送るテストパルスとする。プリアンプのテスト入力のコンデンサの静電容量と掛け合せると、試験電荷はとなる。
はの内蔵クロックで駆のレンジを持ち、
ワード のリングバッファーを持っている。サンプルア
動され、ンド ホールド されたデータはリングバッファーに常時上書きされており、記録すべきパルスと同期したストップ信号を受け取ると、リングバッファーの内容を保持してそのデータを読み出す命令の実行を待つ。このストップ信号も、テストパルス源であるクロックジェ
ネレーターのパルスを与えた。
、回路図を図、仕様を表に示す。このプ リア
使用したプリアンプの写真を図
カロリメーターのフォトダ イオード 読み出しに使用されていンプは、既存のるものを改造し 、マザーボード の上に 枚載っていたプリアンプのド ーターボード を片方
転送のド ライバ回路のド ーターボードに置換したものである。
を外し 、モジュールに内蔵されているシェーパーの回路図を図に示す。シェーピングの時定数
である。
は

0.2pF

12bit

0.2pC

FADC 43MHz

3.6

3.4

256

CsI(Tl)di erential

2

PIN

3.3.2 測定結果
1

FADC

3.7

30nse

図

3.5

3.3: テストパルスを用いた測定のセットアップ図。

4.3

200

に示す。パルスのピークはワード、すな
得られた波形 イベントのデータを図付近に位置しており、これは与えたストップ信号のタイミングと一致していわち

460nse16

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し図

3.4: プリアンプ回路図。テスト入力のコンデンサの静電容量は 2.0pF である。

図3.5: プ リアンプの仕様
17

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し図

3.6: プ リアンプの写真

図3.7: シェーパー回路図18

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出しる。また、ピークの対応する。

図

ADC カウントは 2800 カウントである。これが 0.2pC の信号電荷に3.8: FADC で記録したテストパルス 1 イベントのデータ
1

190

220

256

一方、雑音の量は無信号時、つまり から
ワード 目までとから
ワード 目までのデータで見積ることができる。この無信号時のデータをペデスタル部と呼ぶ。ペデスに示タル部のデータを一次元の分布に投影し 、ガウス分布でフィットした結果を図カウントとなった。この無信号時のデータのばらつきは雑音によす。これより、 はるものなので、入射した時にカウントを得たことから、とこの読み出しで求め
エレ クトロニクスを組合せた際の雑音レベルを
ると、

8.4
0.2pC

3.3.2

2800

APD
Equivalent Noise ele trons(ENe)
12 8:43(3.2)
ENe = 01::29  10
10 19  2800 = 3:8  10となる。以上の結果より、APD を純 CsI シンチレーターの読み出しに用いた場合の雑音を見積る。3.2 節でも述べたとおり、現在稼働中の CsI(Tl) カロリメーターの場合、シンチ
レーター中のエネルギー損失 1MeV あたり 5000 個の電子-正孔対を PIN フォトダ イオー
ドで得ている。SuperBelle で純 CsI シンチレーター一つにつき APD(S8864-1010) を一つ接着した場合、光量は 10/1 、発光波長の違いにより量子効率は相対的に 1/2 、面積は 1/4 、増幅率は 50 倍となるので、(3.3)
5000  101  12  14  50 = 3:1  103 ele trons/MeV
19

第 3 章 純 CsI シンチレーターの
APD 読み出し図

3.9: ペデスタルのフィット結果。 は 8.4 カウントとなった。

となり、雑音レベルは、

3:8  103 = 1:2MeV
3:1  103(3.4)

と見積ることができる。
の雑音レベルであるの 倍あるが、を 枚のアレ
この値は既存ののにすることイとし 、同じ位相で寄与するコヒーレント雑音を小くすれば 、が可能である。この値はビームバックグラウンドのパイルアップによる現在のエンドキャッ
プ部における雑音と同程度であり、純の読み出しが実用に耐えうる見通しを初めて示したと言える。

ECL(0.2MeV) 6

CsI APD20

APD 4
1/2 0.6MeV

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果
APD PPDやの使用の際には、バックグランドとして入射す
高エネルギー実験におけるる放射線による損傷を受ける。検出器が放射線被曝に対し 、どれほどの耐性を持っているかを知ることは、実験装置の設計を行うにあたり、必要不可欠である。
であるの放射線耐性に対しては、
これまで、浜松ホトニクス社が開発した
60
[9℄
[10℄
線照射試験 や陽子照射試験が行われてきたが 、中性子耐性については未だ実験のように 、電子 陽電子衝突型の実験であっても、電子あ測定されていない。
るいは陽電子ビームが発した放射光や輻射バーバー散乱による高エネルギー 線が、加速器トンネル内の物質と相互作用して発生した中性子が相当数漂っており、電磁カロリメー
ターや検出器のように外側に配置されているコンポーネントでは主要なバックグラ
実験の電磁カロリメーターにおける中性子被曝量はウンド 源の一つとなっている。
12
2 年 である。本章では、の基礎特性を記した後、の中性子被曝効果を調べるために、茨城県東海村にある東京大学原子炉「弥生」において行った
中性子照射試験の方法と結果について述べる。

PPD

Co

Belle

KLM

10 neutrons/ m /

MPPC



Belle

MPPC

MPPC

MPPC の諸元と特性

4.1

MPPC

の諸元を概説した後、基礎特性である増幅率、ダークノイズ、クロ
本節では、
ストーク、漏れ電流、光子検出効率について述べる。これらの項目について、中性子照射
前後での変化を調べた。

4.1.1 MPPC の諸元と仕様
2
APD
10 10

MPPC PPDはの一種であり、ピクセル毎に独立なガ イガー
第 章で記したように、とクエンチ抵抗を持っている。ガ イガーモード を用いることにより、増幅率
モード
5
6
は
〜
に達し 、信号の出たピクセルの数に対応した離散的な分布の波高を示すため、
程度の逆バイア
受光部に達した光子数を得るフォトンカウンティングが可能である。
2
で、ピクセル数が、およびのも
ス電圧の印加で動作し 、受光部面積がのが市販製品として出荷されており、シンチレーションファイバーあるいは波長変換ファイバーを介した読み出しに使用できる。図にをパルス状に点灯し 、受光部に平均数個の光子が届くようにして得た波高分布を示す。等間隔に立つ、各々のピークが 光子、 光子、 光子 を受光部で検出した場合に対応する。理想的には、この分布は受光部に届く光子数を反映したポアソン分布であるが、後述するダークノイズとクロストーク
により、実験的に得られる分布は若干変ったものになる。このような波高分布から、ピー
カウント ）を得て、波高の記録に用いた
の傾き（
カウントあ
ク間隔（

70V
100 4001mm

4.1 LED

1

2

0

...

ADC

ADC

21

1600

1ADC

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

たりの信号電荷）と使用した増倍器のゲインと増幅率、そして電気素量を用いて、サンプルであるデバイスの増幅率を求めることができる。

図4.1: LED をパルス状に点灯させ、MPPC の受光部に平均数個の光子が届くようにして得た波

高分布

4.1.2 増幅率の印加電圧および温度に対する依存性

1 光電子を検出してアバランシェ増倍の結果得られる信号電荷を Qout 、印加電圧を

Vbias 、ブレ イクダウン電圧を V0 とすると、係数 C を用いて、Qout = C  (Vbias V0 )(4.1)

となることが知られている。この係数はコンデンサの静電容量と同じ次元の量なので、ピ
クセルキャパシタンスと呼ばれる。ガイガーモード のアバランシェ形成は当該ピクセルの全面にわたって放電が広がるため、得られる Qout はピクセルの面積つまりピクセルの静電容量（キャパシタンス）に比例することを反映した呼び名とも言える。この Qout を電気素量 e で割ったものが増幅率 G である。に限らず、アバランシェ半導体光検出器の増幅率は一般に低温になると高くなる。電子なだれを形成する際、電子は固体内の格子振動によるフォノンと衝突する。低温になると、このフォノンが少なくなるため、電子が電場により加速されて得たエネルギーをフォノンとの衝突で散逸する寄与が小さくなり、有効に次の電離を起こすからである。
の場合はこの理由により、冷却しなければ実用にならないデバイスの例もあるが、常温でも動作可能であることが一つの特徴である。

MPPC

MPPC

22

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

4.1.3 ダークノイズ

MPPC の受光部に光が当っていなくても発生するパルスをダークノイズと呼ぶ。これは空乏層内で電子が熱励起されると、それがアバランシェ増倍して発生するものである。
の場合、 光電子相当以上のしたがって、低温になれば 、その発生頻度は下がる。
波高を持つダークノイズのパルス発生頻度は常温で数百である。放射線損傷により、内部構造の境界や半導体の結晶格子に欠陥ができると、そこからは電子の熱励起が起りやの放射線損傷を議論すすくなって、ダークノイズのレートが上がる。したがって、る上で、重要なパラメーターの一つである。

MPPC
kHz

1

MPPC

4.1.4 クロスト ーク
ガ イガーモード のアバランシェ増幅では、多数の電子が電離されるが、電離が起きた原子は励起状態にあるので、しばしば光子の放出により脱励起する。この光子がデバイス内の別のピクセルに検出されて、そこでもアバランシェ増幅を起こす現象をクロストークと呼ぶ。クロストークが起こると実際に検出された光子の数より多くのピクセルから信号パルスが発生してしまう。

-

4.1.5 電流-電圧（ I-V ）特性

MPPCに逆バイアス電圧を印加すると、印加電
ブレ イクダウン電圧以下の印加では、圧によらず、ほぼ一定な オーダーの電流が定常的に流れる。これは半導体検出器で一般に漏れ電流と呼ばれるもので、空乏層中で熱励起により発生した電子 正孔対の移動が増幅せず単なる固体電離箱として動作しているからである。ブレによっており、
イクダウン電圧以上では、ダークノイズのパルスの時間的平均が電流値に大きく寄与する
ため、電圧のわずかな上昇に対して電流が急激に増える。したがって、この領域での電流値はダークノイズの頻度と増幅率の積でかなりの部分が説明できる。放射線損傷により、特性も大きく変化することが予想される。
デバイス中に欠陥ができると

0.1 A

-

MPPC

I-V

4.1.6 光子検出効率（ Photon Dete tion EÆ ien y; PDE ）PDEMPPC PDE）とは、受光面に一光子が入射した際にそれを検出できる確率の光子検出効率（のは、次のような式で表される。
ことである。

PDE = QE  geometry  geiger(4.2)
ここで、QE は１光子が入射した際に電子-正孔対を生成する確率（量子効率）である。
geometry はピクセル面積中の有感領域の割合 (開口率) 、geiger は電子-正孔対がガイガー放電を起こす確率である。MPPC と光電子増倍管を」比較すると、シリコン半導体は 80〜85%程度の量子効率を有するのに対して、光電陰極は最高でも 30〜40%程度である。また
geiger は比較的 1 に近い。開口率が 60〜70%であることを考慮すると、MPPC の受光部の面積は小さいものの PDE では光電子増倍管を上回っており、シンチレーションファイ
23

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

バー等の読み出しについては、マルチアノード 型光電子増倍管よりも有利と言える。このも中性子照射したサンプルと未照射のサンプルを比較する測定を行った。

PDE
4.2

中性子照射試験

4.2.1 東京大学原子炉「弥生」「弥生」はウ
中性子照射は茨城県東海村にある東京大学原子炉「弥生」[11℄ で行った。
である。照射できる中性子は平均運ラン燃料空気冷却型の高速炉で、最大熱出力は動エネルギー程度の高速中性子である。図に実験室の様子を示す。右側に見える構造物が炉心を収めた遮蔽体で、上にあがるとサンプルを内部に吊り下げるためのハッ
チがある。

2kW
4.2

1MeV

4.2:

図
「弥生」の実験室の様子。右側に見える構造物が炉心を収めた遮蔽体で、上にあがるとサンプルを下げるためのハッチがある 。

( )F = 1:5  109 neutrons= m2 Wh(4.3)
このフラックスは米国ロスアラモス研究所で開発された MCNP-4B (Monte Carlo NParti le Transport Code) と呼ばれるコード によって計算された値で 、Wh は原子炉の積分熱出力である。すなわち、炉の熱出力を W 、照射時間を h(hour) とし 、その積をとったものである。したがって、1W で 1 時間中性子を照射したときの照射量中性子フルエンス（ 積分フラックス）は、N =1.5109 neutrons/ m2 となる。
弥生の中性子線量フラックス F は以下のように表される。

24

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

今回の試験では線量を参考に、表Belle 測定器の電磁カロリメーター部分におけるこれまでの中性子被曝
4.1 に示す熱出力と照射時間の組み合わせで 8 パターン行った。
熱出力 (W) 時間 (se ) N (neutrons/ m2 )1
750
3.1  1084610
1.0  109
10750
3.1  10940
610
1.0  1010
80
610
2.0  1010
100
750
3.1  1010
400
610
1.0  1011
1000
750
3.1  1011

4.1: 照射のパターン照射したサンプルは 100 ピクセルおよび 400 ピクセルのもので、照射に使える弥生のマ
表シンタイムの制限に対応し 、かつ照射後における特性の回復（アニーリングと呼ぶ。）の有無を測定するために、照射量毎に異なる個体のサンプルを使用した。

4.2.2 測定手順

MPPC

サンプルの特性測定の流れは次のようにした。前節で述
照射と、その前後のの特性は温度に依存する項目が多く存在するので、恒温漕を用いてべたように 、℃の一定温度に保って測定した。

MPPC

20
(1) 照射前測定（ 東海村「弥生」側室にて）{ 基礎性能測定 （ゲイン、ブレ イクダウン電圧、ノイズレート、I-V 特性）(2) 中性子照射（「弥生」）(3) 照射直後測定（「弥生」側室および KEK にて）{ 約 10 日間隔で経時変化を測定{ ゲイン、ブレイクダウン電圧、ノイズレート、漏れ電流、PDE の照射後測定は90 日後まで行った。

4.3

照射前後の特性変化

照射前後の特性変化の測定結果を、測定方法を説明した後に記す。

25

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

4.3.1 出力波高分布

4.3 210 neutrons/ m
2

100

ADC
9

10
2 照射した図はピクセルサンプルの照射前後の分布である。照射 日後には波高分解能の低下により見えなくなっていたピークが、 日後には 光子が確認できるようになり、 日後にはさらに若干の回復した。中性子被曝後、波高分解能が悪化するのは、デバイス内部の欠陥の生成により、ダークノイズのパルスの頻度が増加し 、それによるパイルアップで、出力電位のベースラインが揺動するためであ112 照射したサンプルは 日経過しても光子計数能力は回る。一方、復しなかった。ダークノイズの増加については後述する。

160

1 10 neutrons/ m

図4.3: ADC 分布（ 照射量 2前、2 日後、9 日後、60 日後。

4.3.2 増幅率

601010neutrons/ m2 のサンプル ）の時間変化の様子。測定日は照射4.4 LED

4.5

LED

、
のド ライバー回路を図に示す。
増幅率測定のセットアップ図を図から数個の光電子（数）に対応する程度の光量をに入射させ、そのシグナルをアンプで増幅しの電荷積分型で測定する。
でも述べたとおり、分布を分布関数でフィットし 、ペデスタルピークとピークの間隔を得て、カウントあたりの信号電荷、使用したアンプの増幅率と電気素量からの増幅率が求められる。
また、増幅率と印加電圧の関係から、 式によりブレ イクダウン電圧 V0 を決定する。
に、増幅率との相関関係を図に示
照射量とブレ イクダウン電圧の相関関係を図112）場合でも、ブレ イクダウン電す。これらより照射量の多いサンプル（程度と小さいことがわかる。
圧の変化はブレイクダウン電圧の時間変化を図に、増幅率の時間変化を図に示す。測定環境等の変化をモニターする目的で、未照射のサンプルも同時に測定した。これらの図より、
ブレ イクダウン電圧、増幅率ともに、照射前後で顕著な変化は見られず、時間変化も大きくないことがわかる。

1

p.e.
CAMAC
Gaussian

ADC

MPPC
4.1.1
1 p.e.

ADC

MPPC

4.1

50mV

4.6
10 neutrons/ m

4.8

4.7

4.9

26

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

図4.4: 増幅率測定のセットアッップ。

図4.5: LED ド ライバー回路図27

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

V0(after)-V0(before)(V)Differential V0 vs # Neutron
0.2● 100pixel

0.15● 400pixel
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
-0.2
10

図

8

10

9

10

10
2
# Neutrons(/cm )4.6: ブレ イクダウン電圧と照射量の相関関係

28

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

Gain(after)/Gain(before)

Normalized Gain vs # Neutron
1.3● 100pixel
1.2● 400pixel

1.1

1

0.9

0.8

0.7
10

8

10

図

9

10

10
2
# Neutrons(/cm )4.7: 増幅率と照射量の相関関係

0.25
0.2
0.15

● reference
82● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕10
9● 3.1✕10
10● 1.0✕10
10● 2.0✕10
10● 3.1✕10

Differential V0 vs Days
V0(after)-V0(before)(V)V0(after)-V0(before)(V)Differential V0 vs Days
0.3

100pixelMPPC

0.1

0.3
0.25
0.2
0.15

0.05

0

0

-0.05

-0.05

-0.1

-0.1

-0.15

-0.15
0

20

40

-0.2

60
Days

400pixelMPPC

0.1

0.05

-0.2

● reference
82● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕10
9● 3.1✕10
10● 1.0✕10
10● 2.0✕10
10● 3.1✕10

0

20

40

60
Days

4.8:

(左図)100pixel のブレ イクダウン電圧の時間変化 (右図)400pixel のブレ イクダウン電圧の時間変化 。照射前の V0 を 0V とする。
図29

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

1.5
1.4
1.3
1.2

● reference
82● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕10
9● 3.1✕10
10● 1.0✕10
10● 2.0✕10
10● 3.1✕10

Normalized Gain vs Days
Gain(after)/Gain(before)Gain(after)/Gain(before)

Normalized Gain vs Days

100pixelMPPC

1.1

1.5
1.4
1.3
1.2

1

0.9

0.9

0.8

0.8
0

20

40

0.7

60

400pixelMPPC

1.1

1

0.7

● reference
82● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕10
9● 3.1✕10
10● 1.0✕10
10● 2.0✕10
10● 3.1✕10

0

20

40

Days

60
Days

4.9: (左図)100pixel の増幅率の時間変化 (Vov =1.0V) (右図)400pixel の増幅率の時間変化(Vov =1.4V)
図

4.3.3 ノイズレート
4.10にノイズレート測定のセットアップを示す。光を当てない状態での図信号に対し 、ディスクリミネーターのしきい値を相当に設定した場合と当にした場合のそれぞれのカウントレートをスケーラーで測定した。

0.5p.e.

図MPPC の1.5p.e. 相

4.10: ノイズレート測定のセットアップ
4.11に示す。図より、ノイズレートは照射量のノイズレートと照射量の相関関係をを図増加とともに増加していることが確認できる。
ピクセルを図、ピクセルを図に示す。図よ続いて、時間変化の様子をり、ノイズレートは時間の経過とともに若干の減少が見られるが 、完全には回復しない。
特性にも似た傾向がみられる。
これは後述する

100

4.12 400

I-V

30

4.13

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

Noise Rate(kHz)Noise Rate vs # Neutron▲ 100pixel 1p.e.noise● 100pixel 2p.e.noise▲ 400pixel 1p.e.noise● 400pixel 2p.e.noise

10 4

10 3

10 2

10

図

8

10

9

10

10
2
# Neutrons(/cm )4.11: ノイズレートと照射量の相関関係

8

10

5

10

4

Noise Rate vs Days
Noise Rate(kHz)Noise Rate(kHz)Noise Rate vs Days2

▲ 3.1✕10 (n/cm )9▲ 1.0✕109▲ 3.1✕1010▲ 1.0✕1010▲ 2.0✕1010▲ 3.1✕10

100pixelMPPC
1p.e.noise

8

10

5

10

4

10 3

10 3

10 2

10 2

10

0

20

40

10

60
Days

2

● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕109● 3.1✕1010● 1.0✕1010● 2.0✕1010● 3.1✕10020100pixelMPPC
2p.e.noise

40

60
Days

4.12:

図
(左図)100pixel のノイズレート (1 p.e. 以上) と照射量の相関関係 (右図)100pixel のノイズレート (2 p.e. 以上) と照射量の相関関係

31

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

8

10

5

10

4

Noise Rate vs Days
Noise Rate(kHz)Noise Rate(kHz)Noise Rate vs Days2

▲ 3.1✕10 (n/cm )9▲ 1.0✕109▲ 3.1✕1010▲ 1.0✕1010▲ 2.0✕1010▲ 3.1✕10400pixelMPPC
1p.e.noise

8

10

5

10

4

10 3

10 3

10 2

10 2

10

0

20

40

10

60

2

● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕109● 3.1✕1010● 1.0✕1010● 2.0✕1010● 3.1✕100400pixelMPPC
2p.e.noise

20

40

Days

60
Days

4.13:

図
(左図)400pixel のノイズレート (1 p.e. 以上) と照射量の関係 (右図)400pixel のノイズレー
ト (2 p.e. 以上) と照射量の関係

4.3.4 クロスト ークレート
クロストークレートの測定方法はノイズレート測定時と同様である。アバランシェ増幅により発生する光子がデバイス内の別のピクセルに伝播して起こるクロストークは、一次的なアバランシェ増幅と時間差がほとんど無く生じる。したがってを暗黒下にお以上の波高を示す事象は、ダークノイズが発生した際にクロストークにより複数
き、のピクセルが信号パルスを発したものである。よってクロストークレート R ross はにの光を当てずに測定したのノイズレート R0:5p:e: とのノイズレート
R1:5p:e: を用いた以下の式から算出することができる。

MPPC

2p.e.

LED

0.5p.e.

MPPC

1.5p.e.

R
R ross = 1:5p:e:R0:5p:e:

4.14

(4.4)
10 neutrons/ m

2
クロストークレートの測定結果を図に示す。クロストークレートは 10まででは、大きくは変らないことがわかる。次に、時間変化を図示す。時間変化に関しても、顕著な変化は見られない。

4.15

4.3.5 I-V 特性測定

4.3.5 に I-V 特性測定のセットアップを示す。光を当てない状態でソースメーター
で MPPC に逆バイアス電圧を 0V からブレ イクダウン電圧の数 V 上まで電圧を徐々に変化させながら印加し 、電流値を測定した。このとき、MPPC 読み出し回路中の合成抵抗104k による電圧降下は無視できないので、これを考慮し 、MPPC の両極間に印加され図ている正味の電圧を求めた。
に示す。この図は各照射サンプルの照射後日後の漏れ得られた測定結果を図
電流値をまとめたものである。横軸は Vov で、これは前述のように印加した電圧から読み出し回路の合成抵抗による電圧降下と、ブレ イクダウン電圧を引いたものである。いずれ

4.3.5

60

32

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

Crosstalk Rate

Crosstalk Rate vs # Neutron
0.7● 100pixel
0.6● 400pixel

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
10

8

10

9

10

10
2
# Neutrons(/cm )4.14:

クロストークレートと中性子照射量の相関関係.。100 ピクセルの Vov は 1.0V で、400 ピ
クセルの Vov は 1.4V である。

図

Crosstalk Rate vs Days8

0.6

Crosstalk Rate

Crosstalk Rate

Crosstalk Rate vs Days
0.7
2

● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕10
9● 3.1✕10
10● 1.0✕10

100pixelMPPC

0.5

0.7
8

0.6

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0

20

40

0

60
Days

400pixelMPPC

0.5

0.4

0

2

● 3.1✕10 (n/cm )9● 1.0✕10
9● 3.1✕10
10● 1.0✕10

0

20

40

60
Days

4.15:

図
(左図)100pixel のクロストークレートの時間変化 (右図)400pixel のクロストークレートの時間変化℄

33

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

4.16:

図
漏れ電流測定のセットアップ。MPPC 読み出し回路中の合成抵抗は 104k による電圧降下が起こる。
のサンプルも Vov の上昇とともに漏れ電流値は上昇するが 、また、照射量が増えるほど 、
カーブの上昇が急になっており、なだれ降伏の効果が顕著に増大している。
に示す。これは Vovの電流値をプロットしまた、漏れ電流の時間変化を図
ピクセルで照射量が少いものは最初の 日間のうちに電流の減少が見られるている。
が、それを除くと、全体的に電流の減少はわずかで、時間経過による回復は小さいものであることがわかった。

4.3.5

400

10

=1.1V

4.3.6 PDE（ 光子検出効率）
PDE

は、各サンプルの照射前後の比較ではなく、未照射のサンプルと照射後のサンプルを比較して相対的なを求めた。これはの絶対値測定は単純ではないため、サ測定を照射前に測定する手順を省いたためである。以下、とンプル個体ごとのを指す。未照射のリファレンスとなるサンプルと照射後の述べるときは、この相対は式で与えられる。今回求めるもサンプルに同量の光子数を入射すれば 、相対のは相対であるので、両者に同量の光子が入射したとして、

PDE
PDE
PDE

PDE

PDE

PDE 4.5

PDE:e:
Relative PDE = N Np(ref)

(4.5)

p:e:

(ref)

で表される。ここで Np:e: は照射サンプルに入射した平均光子数、Np:e:
は未照射サン
プルに入射した平均光子数を示す。
、基板を図に示す。アルミボックスの中には、照射後サンプ
セットアップを図をルと未照射のサンプルを同様の読み出し回路を備えた基板に塔載し 、その横には収めた箱がある。箱の穴から出た光は波長変換ファイバー（
を通して
まで
の両端を
箱の穴と
に接続する部分には実験の伝搬する。今回、[12℄コネクターを使用した。
ファイバー読み出しのために開発されたを得るには、両者のに入射する光子数のわずかな差を求め、式に対すの右図は照射後サンプルと未照射サンプルの測定セット
る補正を行う必要がある。図

4.19

WLSF

PDE

4.20

LED

MPPC
4.20

GOMI
34

MPPC

WLSF)

LED
MPPC
T2K

4.5

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

4.17:

図
I-V 特性測定結果。照射後 60 日の漏れ電流値である。照射量が多くなるほど 、印加電圧がブレ イクダウン電圧も上回った際のなだれ降伏の効果が顕著に増大していく。

35

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

4.18:

図
Vov =1.1V に設定して測定した電流値の照射後 60 日間の時間変化。左側は 100 ピクセル、右側は 400 ピクセル。

36

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

A B

アップのブロック図である。ここで、穴 、 に入射する光子数をそれぞれ NA 、NB は、
照射後サンプルと未照射サンプルに入射する光子数を N 、Nref 、そしてファイバーの透過率を 1 、2 とすると、

N = N A  1
Nref = NB  2となる。これら各パラメーターを求めた結果、補正係数 を(4.6)

MPPC と WLSF の接続の組合せを変えた測定結果から= NN = 0:960:05
(4.7)
ref
と得た。ここで注意すべきは、LED を点灯して 1 p.e. 以上のイベントの平均光子数からPDE を求めると、クロストーク等の影響のため PDE を過大評価してしまう。クロストー
クは MPPC の中のいずれかのピクセルから信号が出た場合のみ、それに付随して発生する。したがって、0 p.e. の事象数から不感確率（ ineÆ ien y ）を求め、1 から引き算してPDE を得る方が不定性がない。さらに、ダークノイズとそれに付随するクロストークの影（図
響を引き算して、正味の不感確率を得るため、LED 消灯時の ADC 分布も収集した。
4.3.6 ）
その結果から以下のように PDE の導出を行った。 を照射後サンプルの平均光電子数、
ref を未照射サンプルの平均光電子数としたとき、
PDE =  
ref

(4.8)

LED

Poisson 分布をしていると仮定でき、MPPC が x 個
P (x) = e  x(4.9)
x!となるので、光子が検出されない、すなわちペデスタルになる確率 P (0) は、となる。
点灯による光子の数はの光子を検出する。

N
P (0) = e  = ped
Nall(4.10)ln( NNped )(4.11)

よって、

=

all

ここで、Nped はペデスタルのイベント数、Nall は全イベント数である。以上より、平均光電子数を求めることによってを導出した。
の測定結果を図に示す。Vov が上昇するとともにも上昇が見られる。
これは、電子 正孔対が発生した際にガ イガーモード のアバランシェ増幅する確率 geigerが印加電圧とともに上昇するからである。また、照射量によらず誤差の範囲で測定点の分布がほぼ一致していることから、今回試験した照射量の範囲では中性子被曝による光子検出効率の変化は顕著なものではないことがわかった。

PDE



PDE
4.3.6

PDE

37

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

図

図4.19: PDE 測定のセットアップ図

4.20: (左図)PDE 測定セットアップ (右図)PDE 測定ブロック図38

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

図4.21: LED 点灯時と LED 消灯時の ADC 分布

図4.22: PDE 測定結果。照射後 90 日に測定。
39

第 4 章 MPPC の中性子被曝効果

4.4

赤外線発光写真

照射後サンプルのデバイス内部の電流密度分布に関する情報を得るため、赤外線発光
写真を撮影した。電流密度の高い場所（ホットスポット ）があれば 、そこで発生するジュール熱により、周囲よりも高いフラックスで赤外線が放射されるからである。撮影には、浜松ホトニクス製の冷却カメラを使用した。撮影手順は以下の通りで
ある。

CCD

C4480-21-25w

1. カメラと MPPC の位置を合せ遮光
2. ランプを点灯させ撮影
3. ランプを消灯し露光時間 1 分で撮影
4. 逆バイアスを印加し露光時間 1 分で撮影
これらの画像を編集する。まず 4. で撮影した画像のピクセルごとのデジタルデータから 3.
のそれを引き算してバックグラウンンドを取り除く。そしてその画像に 2. を重ね合わせた
結果得られたのが図 4.4 である。

図中の赤い部分は発熱量が閾値を超えている部分である。照射量の多いサンプルほど 、
電圧降下が多くなり、サンプルに実際に印加されている電圧が小さくなるため、Vov Vが小さくなる。各サンプルに流した電流値は  なので、ジュール熱の発生量は同じである。ホットスポットは、デバイス内の構造、すなわちピクセル境界や配線部分などと無の損傷は、内部構造の境界部におけ関係でランダムに生じている。中性子によるる破壊ではなく、シリコン結晶中の格子欠陥生成によるバルク損傷が支配的 [10℄ であるという仮説と無矛盾であると言える。

5A

MPPC

図

4.23: 赤外線発光写真の撮影結果。
40

( )

第 5 章 結論
本研究では 、アバランシェ増倍する光検出器である APD(Avalan he Photo Diode) とPPD(Pixelated Photon Dete tor) をとりあげ、その特性を評価する測定を行った。
SuperBelle 実験の電磁カロリメーターとして、純 CsI シンチレーターを用いる際に、光検出器として浜松ホトニクス社製 S8664-1010 型 APD を用いると、シンチレーターのブ
ロック一つに一個をとりつけた場合に雑音レベルは 1.2MeV であるという結果を得た。これは、この APD 数枚をシンチレーターに取り付けるなどの改良により、実用に耐えうる見通しを初めて示したものである。
また、浜松ホトニクス社製の
である
の中性
8
12
2
の範囲では増幅率とブレ イクダ
子被曝効果を測定した。照射線量は顕著な変化が見られなかったが、特性、ノイズレー
ウン電圧、光子検出効率112
トは照射に伴い大きく変化し 、光子計数能力は以上を被曝すると失わの中性子被曝効果をれることも明かになった。この結果はこれまで未知であった
明かにし 、ビーム衝突実験ににおいて、チェレンコフリングイメージ検出器など 、光子計
数能力が必要なコンポーネントに用いるためには、さらに放射線耐性の向上が必要である
ことがわかった。

PPD
MPPC(Multi Pixel Photon Counter)10 -10 neutrons/ m
(PDE)
I-V
10 neutrons/ m
MPPC

41

第 6 章 謝辞
本研究を行うにあたり、お世話になりました方々にこの場を借りてお礼申し上ます。
宮林謙吉准教授には卒業研究生からの 年間、大変お世話になりました。最後の最後までご心配をおかけしましたが、先生にはいつも熱心に御指導して頂きました。本当にありがとうございました。野口誠之教授にはミーティングやゼミなどで大変わかりやすく御指導して頂きました。先生の日頃からの色々なお話は大変勉強になりました。林井教授はよく実験室に様子を見に来てくださり、適切なアドバイスを頂きました。
片岡佐知子先輩、関谷絢子先輩、藤川美幸希先輩をはじめとする先輩方にも相談に乗って頂くなど 、大変お世話になりました。片岡先輩のなさっている
等のアウトリーチ活動に参加させていただいたことは貴重な経験となりました。
また、同期の玉木智子さん、津田幸枝さんには学部から合せると６年間大変お世話になに出張して何度もゼミを欠席している間も資料を揃えりました。 １のとき、私がていてくれたことは本当に嬉しかったです。高エネルギー物理学研究室の皆様に深く感謝いたします。
測定器開発室、光センサーグループの皆様に大変お世話に中性子照射試験では、なりました。
東京理科大学の角田周一君とは一緒に実験、解析を行いました。お互い何もわからない状態からのスタートでしたが、共に成長ができて良かったです。
の中村勇助教には中性子照射試験のみならず、修士の２年間を通して非常に多くの御指導を頂きました。適切な御指導のおかげでなんとか研究を進めることができました。また、に滞在している間は様々な面でお世話になりました。本当に感謝しております。
の中平武助教には測定システムの構築や解析において非常に多くの御指導を頂きました。
防衛大学校の松村徹助教にも多くのアドバイスを頂きました。筑波大学の山崎秀樹さん、
生野利典君には測定と解析において大変お世話になりました。
高力孝先生には赤外線発光写真撮影の際に測定手順から解析方法まで御指導頂きました。
やコネクターについての様々なアドバイス
京都大学の五味慎一さんにはをいただきました。
斉藤勲助手、仲川勉氏をはじめとする東京大学原子炉「弥生」の皆様にも、照射試験の際に大変お世話になりました。皆様に深く御礼申し上げます。
の読み出し開発では、のグループの皆様に大変お世話になりました。特氏、氏には測定のセットアップについて丁寧に御にについて様々なアドバイスを指導いただきました。東京工業大学の片岡淳助教には頂きました。皆様に深く感謝いたします。

3

BellePlus

M

KEK

KEK

KEK

KEK

KEK

MPPC GOMI

APD
Alexander Kuzumin

Belle ECL
Vasily Shebalin

43

APD

第 6 章 謝辞

KEK

PC

また、
の西田昌平助教にはノートのセットアップ等で何度もお世話になりました。大変感謝しております。
最後に、私のこれまでの大学生活を支えて下さった家族、友人に深く感謝いたします。
ありがとうございました。

44

参考文献
[1℄ J. Kataoka, Nu l. Instrum. Meth. A 541 391 (2005).
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aerogel radiator using a maximum-likelihood analysis of Cherenkov rings.", Nu l.
Instrum, Meth, A595, 256 (2008).
[6℄ T. Higu hi, \Development of a PCI based data aquisition platform for highintensisty a elerator experiments.", in the Pro eedings of 2003 Conferen e for Computing in High-Energy and Nu lear Physi s (CHEP03), hep-ex/0305088.
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SuperKEKB dete tor ollaboration", 2008 Mar. 19, KEK, Tsukuba, Japan.
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成 19 年度.
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