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IX
日本物理学会 第62回年次大会
２００８年３月２４日
宮城教育大学 福田善之、佐藤哲也、神永友輔、三宅悠子
東大宇宙線研 森山茂栄、塩澤真人、小汐由介
東大素粒子センター 難波俊雄
浜松ホトニクス（株） 固体事業部 犬塚智也、井澤利之、朝倉雅之

115Inによる太陽ニュートリノの検出
1)リアルタイム観測

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

2) ν エネルギーを観測
3) 3重同時観測によりニュートリノ信号を識別
4) 115In自身のベータ崩壊の存在 (τ1/2=4.41×1014年)
115Inの崩壊β線とその制動輻
Nuclear Physics A 748 (2005) 333-347

νe → 115Sn* + e115Sn*(4.76μs) → 115Sn +γ1(115keV) + γ 2(497keV)

115In +2008年3月24日

射線によるfake coincidence
バックグラウンドの可能性
制動輻射バックグラウンドの直接測定

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太陽ニュートリノ観測装置

基板上にInP検出器を配置して、バイアスを並列に印加し、信号をまとめて取り出す多素子型構造
 ニュートリノ捕獲反応点の近くで、InP検出器から抜けると考えられるγ線を検出するため、NaI/CsIなどの固体シンチレータをサンドイッチ状に挟み、同時計測を行う


2008年3月24日

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115Inのβ崩壊と制動輻射の観測 1cm×1cm×0.2μmのVCZ生成による半絶縁InP半導体検出器
 115Inの自然β線数：68.1事象／1時間
 ドライアイスで冷却 制動輻射はCsIシンチレーターで観測する
 CsIはSCIONIX社製
V50B20/3M-E2-Cs-X
with LowBG PMT
2008年3月24日

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検出器のシミュレーション

ガンマ線事象を再現している
2008年3月24日

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制動輻射
 制動輻射は連続スペクトル 最大値は衝撃電子線のエネルギーで決まる
ZT ( MeV ) ⎛ dE ⎞⎛ dE ⎞⎟⎜⎟ ＝⎜
750 ⎝ dx ⎠ 電離
⎝ dx ⎠ 放射

InPの分子量：145.79 ZInP:46.41
115Inの自然β線からの制動輻射

エネルギー： 15.4keV以下予想されるイベント数：0.054事象／時間（Eth>17.5keV）
2008年3月24日

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観測のセットアップ

InP検出器とCsIシンチレータによる同時計測 鉛・無酸素銅遮蔽体中で測定
 プラスチックシンチレータによるactive veto
 測定時間：10 / 32時間

2008年3月24日

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ベータ崩壊スペクトルの観測結果
 10時間で予想される
115Inのβ崩壊事象[10hour data]

数 ：682events
 観測スペクトル
低エネルギー側の事
象数が多い
100keV以下の事象は振動による電気的なノイズ？
115Inのβ崩壊事象の確証はない
2008年3月24日

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バックグラウンドの影響
103[10hour data]+P2FCVCPWODGTQHGXGPVU0QKUGFCVC%QKPEKFGPEGFFCVC

102

1010100

200

300

400

500

600

700

800

900

QDUGTXGFGPGTI[KP+P2=MG8?

振動によるノイズを含んでいる
2008年3月24日

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1000

115Inのβ崩壊スペクトル
振動ノイズを仮定すると、115Inのβ崩壊スペクトルによる折れ曲がりが再現
 全体のスペクトル形状は合っていない 更にデータには400keV以上に事象が存在する


シミュレーションの再調整
9 放射性元素の存在（U/Th系列は~10-11g/gの観測結果）
9

2008年3月24日

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制動輻射線の観測[10hour data]

CsI(-610V)

CsI(-610V)

10時間のcoincidence観測では、InPとCsIが対面にない時の事象数より、対面にある時の事象数が多い
 100keV以上の事象が多いため、制動輻射ではない事象が観測されている

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ＣｓＩ中のU/Thバックグラウンド
 ＣｓＩ検出器自身が持つ[10hour data]

天然のU/Tl系列のγ・β線を観測観測されたU/Th系列バックグラウンドの影響を調べる
ためシミュレーションを行う

2008年3月24日

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U/Thバックグラウンドシミュレーション
 InPとCsIを対面に設置した時、CsI内で発生するU/Th系列核のβ線とCsIで反応せずに外部に抜けたγ線がInP検出器で反応する過程をシミュレーションした
 シミュレーションしたU/Th系列
核種
214Pb(Emax=670keV)
214Pb(Emax=730keV)、
212Pb(Emax=334keV)、
234Th(Emax=106keV)2008年3月24日

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観測とシミュレーションとの比較
100keVー500keV間でデータとシミュレーションの事象数を合わせる χ2 =9.4 /9 dof (45%C.L.)[32hour data]

観測スペクトルはβ崩壊ス
ペクトルの重ね合わせ

E>17.5keVで1.75事象が観測されると予想統計の範囲内で一致

2008年3月24日

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まとめ
 InP検出器で115Inのβ崩壊スペクトルが明確には観測されていない（振動ノイズ等）
 CsI検出器により100－500keV領域で、U/Th系列の崩壊核214Pb、212Pb、234Thを観測
 InPとCsIのcoincindence事象では、CsI内のU/Th系列のβ崩壊スペクトルの重ね合わせとほぼ一致
 115Inのβ崩壊による制動輻射は、17.5keV以上では期待値と統計の範囲内で一致

9 太陽ニュートリノ観測では制動輻射バックグラウンドはほとんど影響しない
9 γ検出用シンチレータ内のU/Th系列からのγ線による同時観測事象の影響がある
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半絶縁性InP半導体を用いた検出原理

2008年3月24日

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シミュレーションの検証
 CsI中で発生したU/Th[32hour data]

系列のγ線が、InPに入射し反応する過程をシミュレーション χ2 =45.3 / 7dof
 再現しているとは言えない

この後の検討課題
2008年3月24日

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InP検出器による観測スペクトル[10hour data]
103+P2FCVCPWODGTQHGXGPVU0QKUGFCVC%QKPEKFGPEGFFCVC

102

1010100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

QDUGTXGFGPGTI[KP+P2=MG8?

2008年3月24日

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