低エネルギー太陽ニュートリノ観測を目的としたインジウム・リン半導体検出器の開発研究
平成２３年度共同利用研究成果発表研究会
２０１１年１２月１７日
宮城教育大学 福田善之
東大宇宙線研 森山茂栄＊、関谷洋之
東大素粒子国際センター 難波俊雄
２０１１年度 採択額：４万円（旅費）Capture of low energy solar neutrinos by 115In● Advantage
・ large cross section (~640SNU)
・ direct counting for solar neutrinos
・ sensitive to low energy region(En ≧ 125keV)・ energy measurement (Ee = En － 125keV)・ triple fold coincidence to extract neutrinosignal from huge BG (e1 +g2 + g3 )● Disadvantage
・ natural b-decay of 115In(t1/2 = 4.4 × 1014 yr , Ee≧498keV)・ possible BG due to correlated
coincidence by radiative Bremsstrahlung

R.S.Raghavan Phs.Rev.Lett37(1976)259

Nuclear Physics A 748 (2005) 333-347

ne → 115Sn* + e115Sn*(4.76ms) → 115Sn +g1(115keV) + g 2(497keV)
115In +

２０１１年１２月１７日

Requirement for the detector

1.
2.
3.

Good energy resolution :10%(FWHM)
Fine segmentation (104-105)
High efficiency g detection

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2IPNOS phase-I experiment for Solar nexperiment
InP multi-pixel detector inside ofLiquid Xenon.

30cm cubic chamber (like XMASS
100kg prototype) includes ~10kg
InP detector

液体キセノンのシンチレーション光も観測
２０１１年１２月１７日

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3

薄膜電極型InP検出器の開発

 液体キセノンのシンチレーション光の減衰を抑える必要がある Au/Crの電極の厚みが100Å(VCZ型）と50Å(VB型)の検出器を開発
２０１１年１２月１７日

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4薄膜電極型InP検出器（ＶＣＺ）による放射線測定

100Å/100Å

通常電極

ガンマ線によるスペクトル測定では、従来の性能と変わらない。
２０１１年１２月１７日

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5薄膜電極型InP検出器(VCZ)によるシンチレーション光測定
 CsIシンチレータ

 241Amのα線によるシンチレーション光
22000photon/MeV

２０１１年１２月１７日

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6薄膜電極型InP検出器(VCZ)によるシンチレーション光測定（１） Siダイオード

22000photon/MeV×4MeV
×0.4 (立体角）×0.8(量子効率)
× 1.6x10-19C =4.5 fC

2a

 InP detector
22000photon/MeV×4MeV ×0.25(立体角）×0.8(量子効率)
× 0.85(ガラスの透過率）× Auの透過率× Crの透過率
× 1.6x10-19C

ノイズに隠れている

２０１１年１２月１７日

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Au/Cr電極の透過率@550nm

t = exp(-ax) t : 透過率 x : 透過長 a : 吸収係数
a = 4pk / l100Å: tAu=0.57 tCr=0.3650Å : tAu=0.75 tCr=0.6
２０１１年１２月１７日

平成２３年度共同利用研究成果発表会8薄膜電極型InP検出器(VCZ)によるシンチレーション光測定（２） 予想電荷量：0.5fC
 暗電流によるノイズを抑えるため、バイアス電圧を３００Ｖから２０Ｖに低減

ノイズにより明確な信号が見えなかった。 50Å
薄膜電極が必要（予想電荷量1.0fC）
２０１１年１２月１７日

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9薄膜電極方InP検出器(VB)の性能評価
 Vertical Bridge法によ57

Co133

Ba

るInP検出器(Au 50Å/Cr 50Å)
 比抵抗が大きい（4.5e7Ω㎝ → 6.4e7Ω㎝ )暗電流が小さくなり、ノイズが減尐
 EPDが小さい(5000㎝-2 →1500㎝-2)
ドリフト長が長くなり、分解能が改善
２０１１年１２月１７日

Detected Charge [C]Detected Charge [C]

241

Am

InP SI wafer produced by
Vertical Bridge method
Area : 36mm 2
Thickness : 300 mm
Au/Cr : 50A/50A
bias voltage : 120V

Detected Charge [C]120Vでもピークを観測（分解能の改善）

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10液体キセノンによるシンチレーション光測
定用真空チェンバーの製作
 24ccの液体キセノンのシンチレーション
 4台のInP検出器を液体キセノンに浸ける（冷却とシンチレーション光集光）
 光電子増倍管による同時計測
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11液体キセノンチェンバーの冷却試験

２０１１年１２月１７日

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結果
 薄膜電極型InP検出器(VCZ)を開発 (Au 100Å/Cr 100Å) ガンマ線による応答性は従来同様
 5.4MeVα線によるCsIシンチレーション光の明確な信号は観測されなかった 50Åの電極厚が必要

ノイズ多い 薄膜電極方InP検出器(VB)を試作(Au 50Å/ Cr50Å)
 低バイアス電圧でも信号が確認

 CsIシンチレーション光を観測可能なノイズレベル

 液体キセノンのシンチレーション光観測実験
 液体キセノンチェンバー製作・冷却試験中
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BACKUP

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14半絶縁性InP半導体検出器

真空容器にマウントされた検出器

住友電気工業製 VCZ法・VB法による半絶縁性 InP
半導体基板
 浜松ホトニクス制作
 ドライアイス冷却(-79 ℃)


２０１１年１２月１７日

Surface area :6mm×6mm×0.3mm
Electrode :・ Ohmic contact
・ evaporated Au/Cr base metal
・ Insulator (SiN) to avoid leak current
・ thin Au/Cr 100Å/100Å 50Å/50Å

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15電荷収集の原理

 誘導電荷 : dQ = qdx/d
 Hecht formula, 全電荷収集 (Le+Lh～d) Q=Q0
２０１１年１２月１７日

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16シミュレーションによるスペクトル形状の再現



電子のドリフト長Le~200mmとホールのドリフト長 Lh~30mmを仮定
すると、２ピーク構造がシミュレーションによる再現

２０１１年１２月１７日

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VB基板によるInP検出器の性能評価（２）VCZに比べて電気ノイズが尐ない！

シンチレーション光の観測が可能（かもしれない）
２０１１年１２月１７日

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18Motivation
Allowed region obtained by
combined results and KamLAND

Survival probability for solar
matter oscillation below 1MeV
Y.Suzuki@Neutrino2004

Neutrino energy
mixing angle q12 is not well determined compared with q23 obtained by Atm. n.
Survival probability could increase at 5MeV or less in case of LMA solution,and the value of probability depends on q12.
pp/7Be solar neutrino spectrum gives us precise q 12
２０１１年１２月１７日

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InP 検出器によるガンマ線スペクトル観測
光電ピークを観測しているが、2ピーク構造となっている
 Low Q peak: キャリアがドリフトすることによる誘導
電荷 High Q peak: 全電荷収集
 電子・ホールの平均生成エネルギー : 3.5eV
 エネルギー分解能:25%@122keV (intrinsicresolution : 3%)
２０１１年１２月１７日

平成２３年度共同利用研究成果発表会20

薄膜電極型InP検出器によるシンチレーション
光測定（３）
 予想電荷量：0.5fC
 暗電流によるノイズを抑えるため、バイアス電圧を３００Ｖから３０Ｖに低減

２０１１年１２月１７日

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メッシュ電極型InP検出器の開発
 電極の厚み

Au100Å／Cr100Å
 表面電極の極性は共通
 基板の厚み200mm/300mm

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22メッシュ電極型InP検出器の設計

パターンＡ
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パターンＢ
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パターンＣ
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メッシュ電極型(C) InP検出器による放射線測定
 ガンマ線によるスペクトル測定では、形状は従来の性能と変わらない。
 観測事象数がおよそ半分程度に減尐

開口部分に電場が無いため、不感領域になっている可能性
２０１１年１２月１７日

平成２３年度共同利用研究成果発表会24

メッシュ電極型(C) InP検出器によるシンチレーション光測定
 直接入射光により2.5fC程度の電荷収集が予想
60keVg線事象と区別がつかず、明確な信号が観測されない（表面電極の効果は不明）
２０１１年１２月１７日

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